Neu entdeckter sexueller Fortpflanzungsprozess in Mikroalgen

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Sexuelle Reproduktion

Wissenschaftler haben einen sexuellen Fortpflanzungsprozess in Mikroalgen entdeckt, der ihnen hilft, die Evolution von Algen und Pflanzen besser zu verstehen. Kredit: Shunsuke Hirooka & Shin-ya Miyagishima, Nationales Institut für Genetik, ROIS

von der Forschungsorganisation für Information und Systeme

SWissenschaftler am National Institute of Genetics (NIG) in Japan haben einen sexuellen Fortpflanzungsprozess in Mikroalgen entdeckt, der ihnen hilft, die Evolution von Algen und Pflanzen besser zu verstehen. Ihre Entdeckung könnte zu neuen industriellen Anwendungen für Mikroalgen führen, die von der Abwasserbehandlung bis zur Herstellung von Lebensmittelzutaten und Pigmenten reichen.

Das Forschungsteam veröffentlichte seine Ergebnisse in der Proceedings of the National Academy of Sciences in der Woche vom 3. Oktober 2022.

Die Wissenschaftler führten ihre Studien an Galdieria durch, einer einzelligen Art roter Mikroalgen, die in schwefelsauren heißen Quellen auf der ganzen Welt vorkommen und von denen erwartet wird, dass sie eine wichtige Nahrungsquelle für den Menschen darstellen. In den letzten Jahren haben Forscher und Unternehmen daran gearbeitet, die schnell wachsende Galdieria als industrielle Quelle für Vitamine und Farbstoffe zu entwickeln.

Galdiera, eine Superalge

Galdieria ist sehr vielseitig und in der Lage, ihre eigene Energie durch Photosynthese unter Verwendung von Licht und Kohlendioxid zu erzeugen. Es verwendet eine Mischung aus verschiedenen Energie- und Kohlenstoffquellen und erhält seine Nährstoffe durch den Verzehr von extrazellulärem Zucker oder Zuckeralkoholen. Galdieria verträgt auch höhere Salz- und Schwermetallgehalte als viele andere Mikroalgen. Ihre Genomgröße ist jedoch sehr klein.

Aufgrund der Vielseitigkeit von Galdieria betrachten Wissenschaftler es als ein aufstrebendes System für biotechnologische Anwendungen. Da es jedoch von einer dicken und starren Zellwand umgeben ist, erfordert es eine energieintensive physikalische Verarbeitung, um seinen Zellinhalt zu extrahieren. Die Zellwand behindert auch Bemühungen um eine genetische Veränderung. 

Während ihrer Forschung erfuhr das Team, dass die bekannte zellwandige Form von Galdieria diploid ist, ein Zelltyp, der zwei vollständige Chromosomensätze enthält. Wenn diese Diploiden jedoch einer bestimmten Umgebung ausgesetzt werden, wird eine zellwandlose Haploide produziert und die wandlose Haploide enthält nur einen Chromosomensatz. 

Um ihre Forschung voranzutreiben, gelang es dem Team, den zellwandlosen Haploiden stabil zu vermehren und den Haploiden wieder in einen Diploiden umzuwandeln. „So entdeckten wir einen sexuellen Fortpflanzungsprozess in Mikroalgen, der früh in der Algen- und Pflanzenevolution auftauchte“, sagte Shunsuke Hirooka, ein Assistenzprofessor des Projekts am NIG.

Blaualgen

„Wir haben erfolgreich eine genetische Modifikationstechnik für Galderia entwickelt, indem wir die zellwandlose Haploide verwendet haben. Das Verfahren ermöglicht die Erzeugung von "selbstklonenden" Linien, die keine heterologen DNA-Sequenzen für den industriellen Einsatz enthalten. Zum Beispiel ist es uns gelungen, blau gefärbte Algen zu erzeugen (Blau ist die Farbe von Phycocyanin, das als natürlicher blauer Farbstoff in bestimmten Lebensmitteln verwendet wird), das natürlich nicht vorkommt“, sagte Shin-ya Miyagishima, Professor bei die NIG.

Die Ergebnisse des Teams sind bedeutsam, denn obwohl die sexuelle Fortpflanzung auch bei einigen einzelligen Algen, den Vorfahren der Pflanzen, zu finden ist, wurde bei vielen einzelligen Algen, die früh in der Evolution entstanden sind, nie eine sexuelle Fortpflanzung festgestellt. „Es wurde angenommen, dass sich diese einzelligen Algen nur durch Zellteilung oder asexuelle Fortpflanzung vermehren, und der Ursprung und der evolutionäre Prozess der sexuellen Fortpflanzung bei Algen und Pflanzen waren unklar“, sagte Dr. Hirooka. 

Mit Blick auf die Zukunft glauben die Forscher, dass ihre Ergebnisse dazu beitragen werden, den Evolutionsprozess und den Ursprung der sexuellen Fortpflanzung bei Algen und Pflanzen weiter zu klären. Die Entdeckungen des Teams haben das Potenzial, aufregende zukünftige Anwendungen für die Mikroalge Galdieria zu erschließen.

„Das in dieser Studie entdeckte haploide hat das gleiche Wachstumspotenzial wie das diploide, und sein Inhalt kann leicht extrahiert und gentechnisch verändert werden, was die industrielle Nutzung von Galdieria erleichtert und voraussichtlich fortschrittliche Formen der Mikroalgennutzung schaffen wird, wie z. B. impfstoffhaltiges Futter unter Verwendung von Algen, die virale Proteine ​​als Antigene exprimieren“, sagte Dr. Miyagishima.

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