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Partnererkennung und Inkorporation des Photobionten bei der Pilz-Endocyanose Geosiphon pyriformis

Wolf, Elke :
Partnererkennung und Inkorporation des Photobionten bei der Pilz-Endocyanose Geosiphon pyriformis.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Partnererkennung und Inkorporation des Photobionten bei der Pilz-Endocyanose Geosiphon pyriformis
Language: German
Abstract:

Die Geosiphon-Symbiose ist die einzige bekannte Endosymbiose eines Pilzes mit Cyanobakterien. Die Cyanobakterien (Nostoc punctiforme) leben als Endosymbionten in den Pilz-Blasen. Jede einzelne Blase entsteht durch die Aufnahme eines zuvor freilebenden Cyanobakterien-Filamentes in eine Pilzhyphe. Die spezifische Erkennung der Symbiosepartner und der Inkorporationsprozess wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht. In speziell entwickelten Kulturgefäßen mit Deckglasboden und einem Zellkultur-Filtereinsatz konnten die Organismen sowohl mit konventioneller Lichtmikroskopie als auch mit Confokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) im Detail beobachtet werden. Während des Inkorporationsprozesses zeigten die Nostoc-Zellen vorübergehend Deformationen und einen teilweisen Verlust der Pigmentfluoreszenz. Nach der Anpassung an das symbiotische Leben schien die Symbiose unter den vorliegenden Bedingungen vorteilhaft zu sein. Die Zellen erreichten innerhalb der ersten 5 Tage nicht nur das etwa 6-fache Volumen sondern auch die 3- bis 4-fache Zellteilungsrate und damit etwa das 30- bis 40-fache Biomasse-Volumen der freilebenden Zellen. Die Stadien des Nostoc-Lebenszyklus konnten durch ein Beleuchtungsprogramm mit Rot- und Grünlicht zeitweise synchronisiert und so das erkennungsbereite Nostoc-Stadium gezielt induziert und charakterisiert werden. Die Erkennung der Nostoc-Zellen begann bereits kurz nach dem Verlust der Bewegungsfähigkeit der Hormogonien. Lektin-Markierungsstudien zeigten, dass im gleichen Zeitraum ein Mannose-haltiges Glykokonjugat gebildet wurde, das auch bei sehr frühen Erkennungsstadien bereits im Hüllschleim vorhanden war. Mit spektraler CLSM konnten Fluoreszenzspektren einzelner Nostoc-Zellen analysiert werden. Die gemessenen Fluoreszenzspektren stellen Überlagerungsspektren der Fluoreszenzen der einzelnen Phycobiliproteine und Chlorophyll a (Chl a) dar. Die Anteile der einzelnen Pigmentfluoreszenzen konnten durch nichtlineare Regressionsberechnung von Bestkurven ermittelt werden. Bei Hormogonien stammte der Hauptanteil der Fluoreszenz von Chl a, bei vegetativen Stadien dagegen von Phycocyanin (PC). Außerdem trat bei vegetativen Stadien ein zweites Fluoreszenzmaximum von Phycoerythrin (PE) auf. Diese Verschiebung wurde nicht durch chromatische Adaptation an die unterschiedlichen Lichtqualitäten ausgelöst. Die Fluoreszenzspektren von endosymbiotischem Nostoc und von Nostoc während des Inkorporationsprozesses unterschieden sich qualitativ nicht von Spektren freilebender vegetativer Stadien. Der Verlust der Bewegungsfähigkeit, das Auftreten eines Mannose-haltigen Glykokonjugates in der Schleimhülle und das für vegetative Stadien typische Fluoreszenzspektrum können als Marker für das Symbiose-kompetente Nostoc-Stadium dienen. Durch die Analyse der Fluoreszenzspektren wurde ein in der Kultur der Cyanobakterien aufgetretener, bisher unbekannter Nostoc-Stamm - möglicherweise eine Mutante - identifiziert. Er ist durch die Lokalisation des Hauptfluoreszenzsignals im Zellinnern und durch Fluoreszenzmaximum von PE charakterisiert. Die Inkorporation solcher Nostoc-Zellen führte zur Bildung hellgrüner Geosiphon-Blasen, deren Fluoreszenzmaximum ebenfalls bei PE lag. Zur Untersuchung des Mechanismus der Partnererkennung wurden Sättigungsexperimente mit verschiedenen Zuckern und Lektinen durchgeführt. Die Zugabe von Methyl-alpha-D-Glucopyranosid, Methyl-alpha-D-Mannopyranosid oder des Lektins ConA zum Medium hatte keinen Einfluss auf die Partnererkennung und die Bildung neuer Blasen. Galactose, Lactose und Mucin führten dagegen zu einer signifikant geringeren Anzahl neuer Blasen. Da bei Zugabe des zu Lactose isomeren Disaccharids Melibiose keine Hemmung der Partnererkennung auftrat, spielen möglicherweise beta-1,4-gebundene Galactose-Isomere beim Erkennungsprozess eine Rolle. Diese Ergebnisse sprechen für einen Lektin-vermittelten Mechanismus der spezifischen Partnererkennung bei der Geosiphon-Symbiose.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The Geosiphon symbiosis is the only known endosymbiosis of a fungus with cyanobacteria. The cyanobacteria (Nostoc punctiforme) live as endosymbionts within bladders formed by the fungus. The formation of every single bladder requires the incorporation of a new cyanobacterial filament into a fungal hypha. The specific partner recognition and the process of incorporation were investigated in this thesis. Specially developed culture chambers with a cover glass bottom and a cell culture filter insert provided excellent properties for investigation of the symbiosis by conventional light microscopy and confocal laser scanning microscopy. During incorporation the Nostoc cells temporarily showed distortions and partly lost their pigment fluorescence. After adaptation to the symbiotic life the symbiosis seemed advantageous for the cyanobacteria under the conditions used. Within the first 5 days the cells did not only reach the 6 fold volume but also the 3-4 fold cell division rate and thus developed about the 30-40 fold biomass compared to free living cells. The stages of the Nostoc life cycle could temporarily be synchronised by an illumination program of red and green light. This allowed to specifically induce and characterise the Nostoc stage recognised by the fungus. The recognition of the Nostoc cells began shortly after the loss of hormogonia motility. Lectin labelling showed that at the same time a mannose containing glycoconjugate was produced that also was present in the slime of very early recognition stages. Spectral CLSM was used to analyse fluorescence spectra of single Nostoc cells. The measured spectra represent overlap spectra of the fluorescences of the individual phycobiliproteins and chlorophyll a (chl a). The share of the individual fluorescences was determined by non-linear regression calculation of fit curves. In hormogonia the main fluorescence derived from chl a, in vegetative cells, which showed an additional fluorescence peak from phycoerythrine (PE), from phycocyanine (PC). These changes in the fluorescence spectra were not due to chromatic adaptation by the different incident light quality. The fluorescence spectra of endosymbiotic Nostoc and of Nostoc during the incorporation process did not differ qualitatively from the spectrum of free living vegetative cells. The loss of motility, the appearance of a mannose containing glycoconjugate in the Nostoc slime and the typical fluorescence spectrum of vegetative cells can be considered as marker of the symbiosis competent Nostoc stage. The analysis of the fluorescence spectra revealed an otherwise indistinguishable Nostoc strain in the culture that might be a mutant. Vegetative cells of the new strain are characterised by the localisation of the maximum fluorescence signal in the centre of the cell and by a PE maximum in their fluorescence spectra. Incorporation of these Nostoc cells led to the formation of light green Geosiphon bladders that also showed the PE fluorescence maximum. The mechanism of the partner recognition was investigated by saturation experiments with sugars and lectins. Addition of methyl-alpha-D-glucopyranoside and methyl-alpha-D-mannopyranoside or of the lectin Con A to the culture medium did not influence the recognition and the formation of new Geosiphon bladders. In contrast the presence of galactose, lactose, or mucin led to a significant decrease in the number of new bladders. The disaccharide melibiose, an isomer of lactose, did not inhibit the partner recognition. Thus, beta-1,4-linked galactose isomers might play a role in the recognition process. These results indicate a lectin-mediated mechanism of the specific partner recognition of the Geosiphon symbiosis.English
Uncontrolled Keywords: Cyanobakterien, AM-Pilze, CLSM, Partnererkennung, Erkennungsmechanismus, ConA, Galactose, Lactose, Mannose, Glucose, Melibiose, Sättigungsexperimente, Nostoc-Lebenszyklus, Phycobiliproteine, Phycocyanin, Phycoerythrin, Allophycocyanin, Chlorophyll a, Überlagerungsspektrum, Curve fitting, chromatische Adaptation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Cyanobakterien, AM-Pilze, CLSM, Partnererkennung, Erkennungsmechanismus, ConA, Galactose, Lactose, Mannose, Glucose, Melibiose, Sättigungsexperimente, Nostoc-Lebenszyklus, Phycobiliproteine, Phycocyanin, Phycoerythrin, Allophycocyanin, Chlorophyll a, Überlagerungsspektrum, Curve fitting, chromatische AdaptationGerman
endosymbiosis, cyanobacteria, AM fungi, confocal laser scanning microscopy, CLSM, partner recognition, recognition mechanism, lectin, Con A, saturation experiments, galactose, mannose, glucose, lactose, melibiose, Nostoc life cycle, phycobiliproteins, phycocyanine, phycoerythrine, allophycocyanine, chlorophyll a, fluorescence spectrum, overlap spectrum, curve fitting, chromatic adaptationEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000318
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3188
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Ullrich, Prof. Dr. Wolfram and Pfeifer, Prof. Dr. Felicitas and Lindner, Prof. Dr. H.-J.
Advisors: Kluge, Prof. Dr. Manfred
Refereed: 31 January 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/318
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