Wissenschaftler dokumentieren die erste Organelle, die Stickstoff "fixieren" kann
Die Wissenschaftler bestätigen die Vermutung, dass sich ein stickstofffixierendes Bakterium von einem Endosymbionten oder einer residenten Wirtszelle zu einer inkorporierten Wirtszellstruktur entwickelt hat.Wissenschaftler haben bestätigt, dass sich ein Stickstoff fixierendes Bakterium von einem Endosymbionten oder einer ansässigen Wirtszelle zu einer zellulären Struktur entwickelt hat.
Forscher der University of California, Santa Cruz, haben die Entwicklung eines einzelligen Cyanobakteriums zu einer stickstofffixierenden Organelle in Meeresalgen, Braarudosphaera bigelowii(B. bigelowii), bestätigt.
Was ist ein Endosymbiont?
Ein Endosymbiont ist ein Organismus, der im Inneren eines anderen Organismus lebt und dort verbleibt, ohne von der Wirtszelle gestört zu werden, wenn der Endosymbiont und der Wirt eine für beide Seiten vorteilhafte Beziehung haben. Ein Endosymbiont entsteht durch den Prozess der Endozytose, bei dem die Wirtszelle externes Material oder einen anderen Organismus verschluckt und es beim Eintritt in ihre äußere Membran verpackt.
Ein bekannter Endosymbiont ist das Mitochondrium oder das "Kraftwerk der Zelle", das ATP (Adenosintriphosphat) produziert, ein Molekül, das die Zellaktivität antreibt. Die Endosymbiontentheorie von Lynn Margulis besagt, dass sich Mitochondrien aus Bakterien entwickelt haben, die von den ersten eukaryontischen Zellen aufgenommen wurden.
Diese Bakterien sind eine symbiotische Beziehung eingegangen und tauschen über die Atmung Energie aus. Die Ähnlichkeiten mit Bakterien sind offensichtlich, ebenso wie die Doppelmembran der Mitochondrien, die den Wänden von Bakterienzellen ähnelt. Die Endosymbiontentheorie ist eine der möglichen Theorien für den Ursprung und die Evolution der Mitochondrien, die immer noch sehr umstritten ist. Die Innovation der Mitochondrien führte zur Entstehung der Zellen, aus denen sich die heutigen Tiere, Pilze und Pflanzen zusammensetzen.
Die erste dokumentierte stickstofffixierende Organelle
Die Organellen im Inneren einer Zelle sind den Organen im menschlichen Körper ähnlich. Sie sind Strukturen, die bestimmte Funktionen erfüllen, die das Funktionieren einer Zelle oder eines Körpers ermöglichen.
Die Forscher untersuchten das Cyanobakterium Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A), von dem seit langem angenommen wird, dass es sich in der einzelligen Alge B. bigelowii zu einer stickstofffixierenden Organelle (Nitroplast genannt) entwickelt hat.
Das Team verwendete eineLabortechnik namens weiche Röntgentomographie, um die Zellteilung der Algen zu beobachten. Die Algenzelle teilte sich zusammen mit UCYN-A. Jede entstehende Tochterzelle erbte ein einzelnes UCYN-A. Obwohl es keine Standardbeschreibung für eine Organelle gibt, werden die konzertierte Teilung und der Proteinimport als entscheidende Komponenten anerkannt. UCYN-A erfüllt diese Kriterien und hat sich seinen Platz als Organelle neben den Mitochondrien verdient.
Anstatt selbst produziert zu werden, stammt etwa die Hälfte der Proteine von UCYN-A aus den Wirtsalgen. Diese exogenen Proteine helfen UCYN-A bei der Stickstofffixierung und erhöhen so möglicherweise seine Effizienz. Darüber hinaus gibt es für UCYN-A einen spezifischen Proteintransfermechanismus, ähnlich wie bei anderen Organellen, der durch einen "Adressanhänger" gekennzeichnet ist.
Der Bedarf an stickstoffbindenden Pflanzen
Stickstoffdünger erhöhen die weltweiten Treibhausgasemissionen und setzen die Landwirte unter extremen finanziellen Druck. Es ist notwendig, Nutzpflanzen zu entwickeln, die Stickstoff selbst binden und nicht von anderen Pflanzen wie Leguminosen abhängig sind.
Obwohl Nitroplasten wie UCYN-A für diesen Zweck nicht ideal sind, schlagen die Forscher vor, dass Cyanobakterien in den frühen Stadien der Nitroplasten (die keine importierten Proteine benötigen) leichter in Nutzpflanzen integriert werden könnten. Weitere Studien an B. bigelowii könnten der wissenschaftlichen Gemeinschaft helfen zu verstehen, wie die Stickstofffixierung in Pflanzenzellen eingeführt werden kann.
Quellenhinweis:
Coale, T. H. et al. Nitrogen-fixing organelle in a marine alga. Science, v. 384, n. 6692, 2024.