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MEPHOR: Zelluläre Mechanismen der Phosphorregulation von filamentären Cyanobakterien

Diazotrophe Cyanobakterien   dominieren die Phytoplankton-Gemeinschaft der Ostsee im Sommer. Sie prägen die Nährstoffzyklen des Ökosystems und beeinflussen die Nutzbarkeit der Ostsee für Tourismus und Fischerei. Phosphor (P) ist essentiell für Wachstum, Stickstofffixierung und Blütenbildung dieser Cyanobakterien und reguliert diese Funktionen. Es ist jedoch noch weitgehend unbekannt, wie diese Regulation funktioniert und welche Mechanismen daran beteiligt sind. Die gegenwärtigen Kenntnisse basieren auf  der C:N:P Stoichiometrie oder Parametern wie der alkalischen Phosphataseaktivität. Diese zeigen den zellulären Phosphorstatus an, erlauben jedoch keine Aussage, wie diese Regulation funktioniert und  welche Strukturen bei Veränderungen betroffen sind. Wir wollen an diesem Punkt ansetzen und untersuchen, wie P-haltige Zellstrukturen der dominanten Cyanobakterienarten (Nodularia spumigena, Aphanizomenon sp.) an der Regulation von Wachstum, Kohlenstoff- und Stickstofffixierung beteiligt sind und wie ihre Beziehung zu den  gelösten anorganischen und organischen P-Konzentrationen im umgebenden Wasser sowie zur zellulären C:N:P Stoichiometrie ist. Im Mittelpunkt stehen dabei Polyphosphate, Phospholipide und ATP, Zellbestandteile mit hohem Phosphorgehalt, die die  Zell-Stoichiometrie wesentlich beeinflussen können. Sie besitzen grundlegende Funktionen im Zellmetabolismus und ihre Veränderung kann zu Änderungen dieser Funktionen führen.

Die Untersuchungen sollen als Batch-Kultur-Experimente durchgeführt werden, in denen Gradienten von Nährstoffen, Biomasse und der C:N:P-Stoichiometrie durch das Wachstum der Cyanobakterien selbst erzeugt werden, ähnlich wie es im Ökosystem abläuft. Die eingesetzten Phosphorkonzentrationen sollen den natürlichen entsprechen.

Diese Untersuchungen liefern einen höheren und spezifischeren Erkenntnisgewinn über die P-Regulation von Cyanobakterien und ihre mögliche Reaktion unter zukünftig veränderten Bedingungen. Die Ergebnisse können Modellsimulationen biogeochemischer Modelle verbessern, insbesondere zur  Prognose der Cyanobakterien-Entwicklung  unter zukünftigen klimatischen Bedingungen, denn höhere CO2-Konzentrationen und Temperaturen fördern das Cyanobakterien-Wachstum. Das geplante Projekt ist  im Forschungsprogramm (Schwerpunkt I) des Leibniz-Institutes für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) verankert und im Phosphor-Campus, der zusammen mit der Universität Rostock unter dem Schirm der Leibniz Gemeinschaft gegründet wurde, integriert.

Die langjährige Expertise der Antragstellerin in der Untersuchung verschiedener Aspekte im Phosphorkreislauf der Ostsee und in anderen Ökosystemen verbunden mit den neuen innovativen Methoden sowie die vielseitige Kooperation innerhalb des IOW sichern den Erfolg des geplanten Projektes.

Publikationen

  • Braun, P. D., H. N. Schulz-Vogt, A. Vogts and M. Nausch (2018). Differences in the accumulation of phosphorus between vegetative cells and heterocysts in the cyanobacterium Nodularia spumigena. Sci. Rep. 8: 5651, doi: 10.1038/s41598-018-23992-1