Sex oder Tod – wie sich eine Kieselalge vor dem Kollaps rettet

Kieselalgen (Diatomeen) vermehren sich meistens durch asexuelle Zellteilung. Ab und an wird dies durch kurze Episoden sexueller Reproduktion unterbrochen. Dabei spielen Pheromone eine wichtige Rolle, wie ein deutsch-belgisches Team jetzt nachweisen konnte. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten, gelang es ihnen, einen dieser Lockstoffe zu isolieren und die Struktur zu charakterisieren.

Kieselalgen haben harte mineralische Schalen, die wie bei einer Schachtel mit Deckel aus zwei überlappenden Hälften gebildet werden. Während der asexuellen Zellteilung erhalten die neuen Zellen jeweils eine Hälfte der Schachtel und bilden den fehlenden Deckel neu. Da der nachgebaute Teil in der Schale der Mutterzelle gebildet wird, nimmt die Zellgröße einer Population stetig ab. Ist eine kritische Zellgröße erreicht, müssen die Kieselalgen sich sexuell vermehren, sonst sterben sie. „Sex oder Tod“, bringt es Prof. Dr. Georg Pohnert von der Universität Jena auf den Punkt.

Bislang gab es nur indirekte Hinweise, dass bei bestimmten Kieselalgen-Arten Pheromone als Regulatoren bei der Paarung beteiligt sind. Die chemische Struktur dieser Signalmoleküle war nicht bekannt. Das Team von den Universitäten Gent (Belgien) und Jena hat nun die Rolle solcher Botenstoffe bei der Alge „Seminavis robusta“ erforscht.

Wenn die kritische Zellgröße bei S. robusta erreicht ist, differenzieren sich zwei sexuelle Zelltypen, als + und – bezeichnet. Anschließend sammeln sich Zellen des beweglichen +Typs um eine anlockende -Zelle. Das Team um Georg Pohnert, Marnik Vuylsteke und Wim Vyverman konnte belegen, dass beide Paarungstypen tatsächlich chemische Signale produzieren, die das Paarungsverhalten des jeweiligen Partners aktivieren. Dazu extrahierten die Forscher das Kulturmedium der sexuell aktiven Algen und nutzten das Extraktionsmaterial als Pheromonquelle.

Es zeigte sich, dass die Algen eigentlich träge sind. Erst wenn chemische Botenstoffe anwesend sind, beginnt die sexuelle Bereitschaft beider Zelltypen überhaupt. So setzen -Zellen Stoffe frei, die die Beweglichkeit der +Zellen stark erhöhen. Und +Zellen setzen Stoffe frei, die -Zellen paarungsbereit machen und dazu anregen, das eigentliche Lockpheromon abzusondern. Beide Paarungstypen nutzen also Signalstoffe, um sich der Anwesenheit eines reifen Sexualpartners zu versichern, bevor sie selbst in die sexuelle Antwortreaktion investieren. „Dies erhöht die Chancen einer erfolgreichen sexuellen Vermehrung“, verweist der Jenaer Chemiker Pohnert auf die Effizienz des Prozesses.

Anhand eines Vergleichs der in verschiedenen Phasen des Vermehrungszyklus ausgeschiedenen Stoffwechselprodukte fanden die Forscher den Lockstoff der -Zellen. Sie isolierten und identifizierten ihn als „Diprolin“. Ausgehend von der Aminosäure Prolin synthetisierten sie den Stoff und bestimmten dessen absolute Konfiguration.

Diprolin ist bisher noch nicht als Pheromon beschrieben, wurde aber in höheren Pflanzen und Pilzen bereits nachgewiesen, wo ihm antibakterielle Aktivität zugeschrieben wird. „Es bleibt nun zu erforschen“, sagt Prof. Pohnert, „inwieweit diese neue ,Lockchemie‘ dazu genutzt werden kann, das Wachstum von Algen in Aquakulturen zu unterstützen oder auch lästige Biofilme der Algen zu kontrollieren.“

Original-Publikation:
Jeroen Gillard, Johannes Frenkel, Valerie Devos, Koen Sabbe, Carsten Paul, Martin Rempt, Dirk Inzé, Georg Pohnert, Marnik Vuylsteke, Wim Vyverman: Metabolomik unterstützt die Strukturaufklärung eines Sexualpheromons von Kieselalgen, Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/ange.201208175

Kontakt:
Prof. Dr. Georg Pohnert
Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Lessingstr. 8, 07743 Jena
E-Mail: Georg.Pohnert[at]uni-jena.de