Neue Verwandtschaftsmerkmale bei Oligotrichea (Ciliophora)

Ciliaten (Wimpertiere) sind mikroskopisch-kleine tierische Einzeller (< 1 mm). Die derzeit ca. 4.500 bekannten Arten stellen vermutlich nur einen winzigen Bruchteil (~ 20%) der tatsächlichen Vielfalt dar. Die Oligotrichea (griech. Die-wenig-Bewimperten) sind typische Plankton-Organismen, insbesondere der Meere. Sie umfassen ca. 190 gehäuselose Arten und etwa 1000 gehäusebauende Tintinnen-Arten. Im Nahrungsnetz des marinen Planktons spielen sie eine essentielle Rolle: die kugeligen oder kegeligen Oligo- trichea schwimmen mit ihren winzigen Wimpernfächern am Vorderende durch das Wasser, aus dem sie Bakterien und andere Einzeller, u.a. Algen, in großen Mengen herausfiltern. Sie selbst sind wiederum Futter für kleine Krebschen, der Nahrung einer Vielzahl von Fischlarven. In den vergangenen 20 Jahren haben morphologische und genetische Untersuchungen dazu beigetragen, viele neue Arten zu entdecken und die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen ihnen neu zu formulieren. Nun zeigen genetischen Daten allerdings oft überraschende Verwandtschaftsbeziehungen, die sich nicht in der äußeren Ähnlichkeit, insbesondere der vasenförmigen Tintinnen-Gehäuse, widerspiegeln. Es werden also (neue) Zellmerkmale benötigt, um die morphologischen Verwandtschaftshypothesen mit den genetischen Stammbäumen in Einklang zu bringen. Die kaum erforschte Ultrastruktur, die anhand von hauchdünnen (0.00007 mm) Längs- und Querschnitten der Zellen im Transmissionselektronenmikroskop untersucht werden kann, ist dabei sehr vielversprechend. In dem Projekt werden daher neben der Beschreibung neuer und ungenügend bekannter Arten somit erstmals Ultrastrukturmerkmale zur Verwandtschaftsanalyse bei den Oligotrichea herangezogen. Diese neuartige, synergistische Herangehensweise kombiniert Lebendbeobachtung, die Untersuchung gefärbten Materials (zeigt u.a. die artspezifischen Bewimperungsmuster), elektronenmikroskopische Daten und genetische Analysen. Damitliefert das Projekt nicht nur Erkenntnisse über die Diversität und die Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Oligotrichea, sondern auch neue Einblicke in generelle evolutionäre Prinzipien bei Protisten und die Entwicklung der Einzeller-Vielfalt. Insbesondere potenzielle morphologische Anpassungen der Organismen bei der Besiedlung des Süßwassers und der Umstellung der Ernährung auf eine Kombination aus Fressen und Fotosynthese stehen dabei im Fokus. Die Fähigkeit, Arten zu bestimmen und zu beschreiben, ist inzwischen in Europa und den USA selten geworden, aber unverzichtbar für ökologische Studien und das sogenannte Barcoding. Hierbei soll es auch Nicht- Spezialisten möglich sein, Arten durch den Vergleich kurzer Genabschnitte schnell und verhältnismäßig günstig zu identifizieren, was aber voraussetzt, dass die genetisch analysierten Referenz-Individuen zuvor von Experten verlässlich bestimmt wurden; erst dann ist diese Methode routinemäßigen einsetzbar. Im Rahmen des Projektes werden Master-Studierende und ein/e DoktorandIn in dem ganzen Spektrum morphologischer und genetischer Untersuchungstechniken ausgebildet und gehören damit zu den wenigen Experten weltweit für diese artenreiche Einzeller-Gruppe.

Neue Merkmale zur Verwandtschaftsanalyse bei planktischen Wimpertieren (Ciliaten, Einzeller) Ciliaten sind mikroskopisch-kleine tierische Einzeller (< 1 mm). Die derzeit ca. 4500 bekannten Arten stellen vermutlich nur ca. 20% der tatsächlichen Vielfalt dar. Die Oligotrichea sind typische Plankton-Organismen der Meere. Sie umfassen ca. 200 gehäuselose Arten und etwa 1000 gehäusebauende Tintinnen-Arten. Im Nahrungsnetz des marinen Planktons spielen sie eine essentielle Rolle: die Oligotrichea nutzen ihre winzigen Wimpernfächer am Vorderende nicht nur zum Schwimmen, sondern auch zum Filtrieren von Bakterien und anderen Einzellern. Sie selbst sind wiederum Futter für kleine Krebschen, der Nahrung vieler Fischlarven. In den letzten 20 Jahren haben morphologische und genetische Studien dazu beigetragen, viele neue Arten zu entdecken und Verwandtschaftshypothesen zu formulieren. Allerdings sind die genetischen Stammbäume oft nicht im Einklang mit der Morphologie oder statistisch abgesichert. Daher wurden neben zahlreichen neuen Gensequenzen, auch aussagekräftige Zellmerkmale für einen neuartigen integrativ-synergistischen Ansatz im Projekt analysiert; gemeinsam gestatten sie Rückschlüsse auf die Diversifizierung der Oligotrichea und ihrer morphologisch/ultrastrukturellen Anpassungen. Die Beschreibung einer Tintinnen-Art mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie genetischer Analysen enthüllte ein neues Bewimperungsmuster, das den Ursprung einer spezialisierten Wimpernreihe erklärt. Zur Untersuchung der nahezu unbekannten Ultrastruktur wurden die Zellen in hauchdünne (70 nm) Scheibchen geschnitten und im Transmissionselektronenmikroskop erforscht. Die Körperwimpern der Tintinnen zeigten dabei gänzlich neue Verankerungsstrukturen, die ein einzigartiges Netz in der Zellrinde ausbilden. Beide Strukturen stehen vermutlich mit der Entwicklung der vasenförmigen Gehäuse in Zusammenhang, in denen die Tintinnen sitzen und nur mit den Wimpernfächern herausschauen. Die Untersuchung der Mundbewimperungen gab ebenfalls überraschende Einblicke in die Evolution der Oligotrichea, deren nächste Verwandte auf dem Untergrund krabbeln und die Wimpernfächer lediglich zum Nahrungserwerb nutzen. Erstaunlicherweise hatte weder die neuerworbene Schwimmfunktion bei den Oligotrichea noch der Besitz eines Gehäuses bei den Tintinnen einen Effekt auf die Ultrastruktur der Wimpernfächer, sondern nur deren kreisförmige Anordnung am Zellvorderende einiger nahverwandter Arten. Die Erforschung der Gehäuse-Ultrastruktur bei fast 40 Tintinnen-Arten demonstrierte deren Relevanz als Merkmal gemeinsamer Abstammung. Erkenntnisse in generelle evolutionäre Prinzipien bei Protisten, insbesondere morphologisch/ultrastrukturelle Anpassungen an das Süßwasser wurden bei der Analyse eines gehäuselosen Vertreters gewonnen: eine außergewöhnliche Struktur reguliert hier die Cytoplasma-Konzentration.