Directed motility of benthic diatoms

Bondoc, Karen Grace V. GND

Diatoms are a group of highly diverse microalgae dominating aquatic systems and contributing to a quarter of the global primary production. They have a unique morphology including a biomineralized silicate-based cell wall. This rigid cell wall leads to cell size reduction during mitosis followed by size restoration through sexual reproduction. I used the model pennate diatom Seminavis robusta to determine how benthic diatoms forage for nutrients and locate their mating partners across their life cycle. A combination of video monitoring, trajectory analysis, and statistical modelling was utilized to determine how nutrient-starved or sexually-induced cells responded to the signal gradients formed by hotspot sources. I observed that cells are attracted to specific stimuli depending on their physiological conditions and needs. Nutrient foraging is consistent across the life cycle, wherein starved cells are attracted to silicate and phosphate, but not for nitrogen, and ammonium. On the other hand, once sexual, cells will also exhibit a finding mechanism for the mating pheromone, diproline. S. robusta exhibited a simultaneous tactic and kinetic mechanism towards the stimuli gradients. Despite being unicellular, diatoms can clearly prioritize between nutrient foraging and mating. It is highly possible that there is a cross-talk between dSi- and mate-sensing where motility is being regulated by the cells. The active searching behaviour can potentially contribute in shaping the aquatic environment on a microscale by influencing patchiness of biofilm communities, and on a global scale by affecting sediment-water nutrient fluxes and biogeochemical cycles.

Diatomeen (Kieselalgen) bilden eine diverse Gruppe von Mikroalgen, die in aquatischen Systemen zu den dominanten Primärproduzenten zählen. Durch ihre große photosynthetische Aktivität tragen sie zu ca. einem Viertel der globalen Primärproduktion bei. Die einzigartige Morphologie der Diatomeen ist durch ihre biomineralisierten, silikatbasierten Zellwände geprägt. Aufgrund der starren Zellwand führt die mitotische Zellteilung zur Abnahme der Zellgröße und zu einer anschließenden Größenwiederherstellung durch sexuelle Reproduktion. Um zu ermitteln, wie motile pennate Diatomeen Nährstoffe und Paarungspartner finden, untersuchte ich die Modellkieselalge Seminavis robusta in verschiedenen Stadien ihres Lebenszyklus. Mittels einer Kombination aus Videobeobachtung, Zellbewegungsanalysen und statistischer Modellierung wurde untersucht, wie nährstofflimitierte oder sexuell-induzierte Zellen auf Signalstoffquellen reagierten. Dabei beobachtete ich, dass die Zellen entsprechend ihres physiologischen Zustands und Bedarfs durch spezifische Stimuli angezogen wurden. Dieses Suchverhalten zeigte sich während ihres gesamten Lebenszyklus, wobei hungernde Zellen von Silikat und Phosphat, allerdings nicht von Nitrat und Ammonium, angezogen wurden. Auf der anderen Seite wiesen sexuelle Zellen, auch ein Suchverhalten für das Paarungspheromon Diprolin auf. S. robusta zeigte dabei eine simultan chemotaktische und -kinetische Bewegung. Obwohl sie unizelluläre Organismen sind, können Diatomee klar zwischen Nahrungssuche und Paarung priorisieren. Zusätzlich scheint eine Motilitäts-regulierende Wechselwirkung zwischen Silikat- und Partnersuche sehr wahrscheinlich. Dieses aktive Suchverhalten hat Auswirkungen auf das aquatische System, sowohl im Mikromaßstab durch einen Einfluss auf die (Un)Gleichmäßigkeit des Biofilms, als auch im globalen Maßstab über eine Beeinflussung biogeochemischer Nährstoffzyklen und –flüsse in der Sediment-Wasser-Grenzschicht.

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Bondoc, Karen: Directed motility of benthic diatoms. Jena 2017.

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