Physiological plasticity of marine phytoplankton revealed by untargeted metabolomics

Kuhlisch, Constanze GND

The majority of the earth's surface is covered by oceans. Within their photic zones, microscopically small algae are fixing carbon dioxide in form of organic molecules, thus building the base of the marine food web. The metabolic plasticity of these algae allows them to respond to ecological changes such as grazing, thereby increasing their fitness and survival. However, most of the metabolites produced by microalgae are not yet known. State-of-the-art metabolomics techniques allow the untargeted and sensitive analysis of intra- and extracellular metabolites both in laboratory cultures and the ocean. The aim of this thesis was to describe physiological plasticity of marine microalgae with regard to grazing interactions. Thus, I conducted a comprehensive review on metabolomics in the field of chemical ecology, and introduced a systematically optimized and standardized protocol for the metabolic analysis of marine algae. Furthermore, I developed a UHPLC-APCI-HRMS analysis for the simultaneous profiling of volatile and non-volatile oxylipins - two compound classes that are released by microalgae as grazing defence, and that had to be analysed separately in the past. To better understand the influence of algal physiology on trophic interactions with marine grazers, I described the physiological plasticity of the abundant cold-water species Phaeocystis pouchetii in laboratory cultures, identified by an untargeted metabolomics approach endo- and exometabolites that are potential physiological markers for different growth phases, and used these markers to characterize natural P. pouchetii blooms in the Northeast Atlantic. In addition, I showed that during filtration of P. pouchetii metabolites can be released which influence the specific growth of marine bacteria. In summary, this thesis provides new insights into the role of physiological and thus functional parameters in the ecology of marine algal communities.

Der Großteil der Erde wird von Meerwasser bedeckt, in welchem mikroskopisch kleine Algen Kohlenstoffdioxid in Form organischer Moleküle fixieren, und somit die Basis der marinen Nahrungskette bilden. Ihr plastischer Zellstoffwechsel ermöglicht es Algen, auf ökologische Veränderungen wie z.B. Fraß zu reagieren, und erhöht somit deren Fitness und Überleben. Moderne Metabolomics-Methoden erlauben die nichtselektive, sensitive Messung intra- und extrazellulärer Metabolite sowohl in Laborkulturen als auch im Meer. Das Ziel dieser Arbeit war es, die physiologische Plastizität mariner Mikroalgen in besonderem Hinblick auf Räuber-Beute-Beziehungen zu beschreiben. So verfasste ich einen Übersichtsartikel zur Anwendung von Metabolomics im Bereich der chemischen Ökologie, und stellte ein systematisch optimiertes und standardisiertes Protokoll zur metabolomischen Analyse mariner Algen in Form eines Buchkapitels zusammen. Weiterhin entwickelte ich eine UHPLC-APCI-HRMS Methode zur simultanen Messung flüchtiger und nichtflüchtiger Oxylipine - zwei Substanzklassen, die von Kieselalgen zum Fraßschutz freigesetzt werden, und die in der Vergangenheit nur getrennt analysiert werden konnten. Um den Einfluss der Zellphysiologie auf trophische Interaktionen mit marinem Zooplankton besser zu verstehen, beschrieb ich die physiologische Plastizität der abundanten Kaltwasserart Phaeocystis pouchetii in Laborkulturen, identifizierte mithilfe einer nichtselektiven Metabolomanalytik intra- und extrazelluläre Metabolite, die sich als physiologische Marker für verschiedene Wachstumsphasen eignen, und nutzte diese Marker zur Charakterisierung natürlicher P. pouchetii-Blüten im Nordostatlantik. Weiterhin zeigte ich, dass bei Filtration von P. pouchetii Stoffwechselmetabolite freigesetzt werden, welche das spezifische Wachstum von Bakterien beeinflussen. Diese Arbeit gewährt neue Einblicke in die Bedeutung physiologischer und somit funktioneller Parameter für die Ökologie mariner Algengemeinschaften.

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Kuhlisch, Constanze: Physiological plasticity of marine phytoplankton revealed by untargeted metabolomics. Jena 2019.

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