Partnererkennung und Inkorporation des Photobionten bei der Pilz-Endocyanose Geosiphon pyriformis

Die Geosiphon-Symbiose ist die einzige bekannte Endosymbiose eines Pilzes mit Cyanobakterien. Die Cyanobakterien (Nostoc punctiforme) leben als Endosymbionten in den Pilz-Blasen. Jede einzelne Blase entsteht durch die Aufnahme eines zuvor freilebenden Cyanobakterien-Filamentes in eine Pilzhyphe. Die spezifische Erkennung der Symbiosepartner und der Inkorporationsprozess wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht. In speziell entwickelten Kulturgefäßen mit Deckglasboden und einem Zellkultur-Filtereinsatz konnten die Organismen sowohl mit konventioneller Lichtmikroskopie als auch mit Confokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) im Detail beobachtet werden. Während des Inkorporationsprozesses zeigten die Nostoc-Zellen vorübergehend Deformationen und einen teilweisen Verlust der Pigmentfluoreszenz. Nach der Anpassung an das symbiotische Leben schien die Symbiose unter den vorliegenden Bedingungen vorteilhaft zu sein. Die Zellen erreichten innerhalb der ersten 5 Tage nicht nur das etwa 6-fache Volumen sondern auch die 3- bis 4-fache Zellteilungsrate und damit etwa das 30- bis 40-fache Biomasse-Volumen der freilebenden Zellen. Die Stadien des Nostoc-Lebenszyklus konnten durch ein Beleuchtungsprogramm mit Rot- und Grünlicht zeitweise synchronisiert und so das erkennungsbereite Nostoc-Stadium gezielt induziert und charakterisiert werden. Die Erkennung der Nostoc-Zellen begann bereits kurz nach dem Verlust der Bewegungsfähigkeit der Hormogonien. Lektin-Markierungsstudien zeigten, dass im gleichen Zeitraum ein Mannose-haltiges Glykokonjugat gebildet wurde, das auch bei sehr frühen Erkennungsstadien bereits im Hüllschleim vorhanden war. Mit spektraler CLSM konnten Fluoreszenzspektren einzelner Nostoc-Zellen analysiert werden. Die gemessenen Fluoreszenzspektren stellen Überlagerungsspektren der Fluoreszenzen der einzelnen Phycobiliproteine und Chlorophyll a (Chl a) dar. Die Anteile der einzelnen Pigmentfluoreszenzen konnten durch nichtlineare Regressionsberechnung von Bestkurven ermittelt werden. Bei Hormogonien stammte der Hauptanteil der Fluoreszenz von Chl a, bei vegetativen Stadien dagegen von Phycocyanin (PC). Außerdem trat bei vegetativen Stadien ein zweites Fluoreszenzmaximum von Phycoerythrin (PE) auf. Diese Verschiebung wurde nicht durch chromatische Adaptation an die unterschiedlichen Lichtqualitäten ausgelöst. Die Fluoreszenzspektren von endosymbiotischem Nostoc und von Nostoc während des Inkorporationsprozesses unterschieden sich qualitativ nicht von Spektren freilebender vegetativer Stadien. Der Verlust der Bewegungsfähigkeit, das Auftreten eines Mannose-haltigen Glykokonjugates in der Schleimhülle und das für vegetative Stadien typische Fluoreszenzspektrum können als Marker für das Symbiose-kompetente Nostoc-Stadium dienen. Durch die Analyse der Fluoreszenzspektren wurde ein in der Kultur der Cyanobakterien aufgetretener, bisher unbekannter Nostoc-Stamm - möglicherweise eine Mutante - identifiziert. Er ist durch die Lokalisation des Hauptfluoreszenzsignals im Zellinnern und durch Fluoreszenzmaximum von PE charakterisiert. Die Inkorporation solcher Nostoc-Zellen führte zur Bildung hellgrüner Geosiphon-Blasen, deren Fluoreszenzmaximum ebenfalls bei PE lag. Zur Untersuchung des Mechanismus der Partnererkennung wurden Sättigungsexperimente mit verschiedenen Zuckern und Lektinen durchgeführt. Die Zugabe von Methyl-alpha-D-Glucopyranosid, Methyl-alpha-D-Mannopyranosid oder des Lektins ConA zum Medium hatte keinen Einfluss auf die Partnererkennung und die Bildung neuer Blasen. Galactose, Lactose und Mucin führten dagegen zu einer signifikant geringeren Anzahl neuer Blasen. Da bei Zugabe des zu Lactose isomeren Disaccharids Melibiose keine Hemmung der Partnererkennung auftrat, spielen möglicherweise beta-1,4-gebundene Galactose-Isomere beim Erkennungsprozess eine Rolle. Diese Ergebnisse sprechen für einen Lektin-vermittelten Mechanismus der spezifischen Partnererkennung bei der Geosiphon-Symbiose