Chlamydomonas reinhardtii

Chlamydomonas reinhardtii
Datei:Chlamydomonas6-1.jpg REM-Aufnahme von Chlamydomonas reinhardtii
Systematik
ohne Rang: Chlorophyta ohne Rang: Chlorophyceae Ordnung: Chlamydomonadales Familie: Chlamydomonadaceae Gattung: Chlamydomonas Art: Chlamydomonas reinhardtii
Wissenschaftlicher Name
Chlamydomonas reinhardtii
P. A. Dangeard

Chlamydomonas reinhardtii ist eine eukaryotische, einzellige Grünalgenart aus der Gattung Chlamydomonas. Sie wurde von der Sektion Phykologie der Deutschen Botanischen Gesellschaft als Alge des Jahres 2014 ausgewählt.<ref name="Alge des Jahres">Sektion Phykologie der DBG: Alge des Jahres 2014: Chlamydomonas reinhardtii – schneller Schwimmer steht Modell (Memento vom 4. März 2016 im Internet Archive) </ref>

Beschreibung

Datei:Chlamydomonas TEM 07.jpg

Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines Schnitts durch C. reinhardtii

Datei:Chlamydomonas reinhardtii vector scheme.svg

Zeichnung eines TEM-Schnitts
1. Geißel, 2. Mitochondrium, 3. Kontraktile Vakuole, 4. Augenfleck, 5. becherförmiger Chloroplast, 6. Golgi-Apparat, 7. Stärkekörner, 8. Pyrenoid, 9. Vakuole, 10. Zellkern, 11. Endoplasmatisches Retikulum, 12. Zellmembran, 13. Zellwand

Chlamydomonas reinhardtii ist ein 3 bis 10 Mikrometer großer Hüllenflagellat mit eiförmiger Gestalt. Die beiden gleich langen (isokonten) Geißeln dienen der Fortbewegung. Die Schläge der Geißeln erfolgen nacheinander, und zwar mit einer kleinen Verzögerung. Dadurch entsteht eine Überlagerung ihrer Vorwärtsbewegung durch eine Rotation um die Längsachse der Alge mit einer Frequenz von etwa 1 Hertz. Die Fortbewegung der Zelle ist lichtgesteuert.

Die Zellmembran ist an der Vorderseite nicht zu einer Papille verdickt. Der Chloroplast besitzt ein großes Pyrenoid.

Es ist ein Augenfleck (Stigma) von etwa 1 Mikrometer Durchmesser vorhanden. Er ist durch eingelagerte Carotinoide orange gefärbt und gut erkennbar. Der Augenfleck liegt mit einem Abstand von etwa 10 Mikrometer von den Geißeln leicht oberhalb des Zelläquators. Als Photorezeptor sind Rhodopsin-ähnliche Proteine, sogenannte Channelrhodopsine, darin eingelagert.

Stämme

Einige Stämme von Chlamydomonas reinhardtii P. A. Dangeard, 1888 [Chlamydomonas smithii R. W. Hoshaw & H. Ettl, 1966] sind:<ref name="NCBI"/>

• UTEX:90 (Epityp) ≟ CC-3532 (Referenzstamm)<ref name="Erazo2025"/>
• UTEX 89
• UTEX 1062
• UTEX 2244
• SAG:53.72 (C. smithii)
• SAG:54.72 (C. smithii)
• CC-373
• CC-503 cw92<ref name="Moniruzzaman2022"/>
• CC-1051
• CC-1373
• CC-1375
• CC-2359
• CC-3268 alias CC3268<ref name="Moniruzzaman2022"/>
• CC-4199
• CC-1952<ref name="Erazo2025"/>
• CC-2936<ref name="Moniruzzaman2022"/>
• CC-2936 alias CC2936<ref name="Moniruzzaman2022"/>
• CC-2937 alias CC2937<ref name="Erazo2025"/><ref name="Moniruzzaman2022"/>
• CC-2938 alias CC2938<ref name="Moniruzzaman2022"/>
• CC-3061 alias CC3061<ref name="Moniruzzaman2022"/>
• CC-3065<ref name="Moniruzzaman2022"/>
• CC-5816<ref name="Erazo2025"/>
• GB-66<ref name="Moniruzzaman2022"/>

Lebensraum

Die Art lebt im Süßwasser, man findet sie vor allem in nährstoffreichen Kleingewässern. Sie ist weltweit verbreitet (kosmopolitisch).

Fortpflanzung

Die Alge kann sich sowohl vegetativ als auch geschlechtlich durch Gameten vermehren.<ref>Lehrstuhl für Zellbiologie der FAU: Photoorientierung begeißelter Grünalgen (Memento vom 25. April 2013 im Internet Archive)</ref> Die geschlechtliche Fortpflanzung wird durch Nährstoffmangel (insbesondere Stickstoffmangel) induziert. Dabei ist die Zygote das einzige diploide Stadium, das widrige Umstände überdauert und beim Keimen nach einer Meiose wieder haploide Nachkommen hervorbringt.

Lichtgesteuertes Verhalten

Chlamydomonas reinhardtii besitzt mit dem Augenfleck einen lichtsensitiven Apparat zur Phototaxis. Die Alge kann die Richtung und die Intensität von einfallendem Licht ermitteln. Bei niedriger Beleuchtungsstärke schwimmt sie auf die Lichtquelle zu, bei hoher Intensität von dieser weg. Dadurch optimiert sie ihre Photosynthese und damit die Zellernährung.<ref>Erhard Kühnle: Studium Ionaler Prozesse bei der Phototransduktion der einzelligen Alge Chlamydomonas reinhardtii. Wissenschaftliche Forschungsbeiträge Biologie/Biochemie/Chemie Bd. 47. Verlag Intemann, Prien 1990. ISBN 3-926323-51-5</ref> Die Alge kann sowohl phototroph (unter Ausnutzung des Lichtes) als auch heterotroph (auf Nährmedium) leben.

Viren und GEVEs

Datei:Veac102fS2-TEM of Chlamydomonas reinhardtii cells.png

Die TEM-Aufnahmen zeigen Zellen von C. reinhardtii aus Kulturen während der exponentiellen Wachstumsphase. (A) Querschnitte von Zellen des GEVE-Stamms CC-2937 und (B) des GEVE-Stamms CC-3268 nach dreitägiger Kultivierung in flüssigem TAP-Medium. Es ist eine typische Morphologie zu beobachten, aber es sind unter diesen Umständen keine Viruspartikel sichtbar. Die Zellbestandteile sind wie folgt gekennzeichnet: m, Mitochondrium; n, Zellkern; p, Pyrenoid; s, Stärkekorn; v, Vakuole; c, Cytoplasma.

In Chromosom 15 des Stamms Chlamydomonas reinhardtii CC-2937 wurde ein riesiges endogenes virales Element (, GEVE) entdeckt, das Viruspartikel produzieren kann (Punuivirus latens).<ref name="Erazo2025"/> In den Stämmen CC-503 cw92, CC-2931 und CC-3065 gibt es offenbar keine solchen GEVEs. Das GEVE von Chlamydomonas reinhardtii CC2938 gehört zusammen mit GVMAG-S-ERX555967-131<ref name="NCBI-GVMAG-S-ERX555967-131"/><ref name="Schulz2020"/><ref name="Endo2020"/> und dem Chlamydomonas reinhardtii GEVE der Klade mit der provisorischen Bezeichnung „Algavirales-03“ [AG_03] an, einer Schwesterklade von Chlorovirus [AG_02].<ref name="Moniruzzaman2022"/>

Bedeutung als Forschungsobjekt

Die Geißeln von C. reinhardtii sind ebenso aufgebaut wie die menschlicher Spermien und vieler anderer Lebewesen. Diese Alge wurde als Modellorganismus für das Studium der Struktur und Funktion der Geißeln gewählt, weil sie sich sehr leicht kultivieren lässt und weil sie etwa durch einen pH-Schock zum Abwerfen der Geißeln veranlasst werden kann.<ref>Robert Edward Lee: Phycology. 5. Aufl., Cambridge University Press, Cambridge 2018, S. 3.</ref>

Das Genom von C. reinhardtii ist vollständig sequenziert.<ref>Merchant et al.; Prochnik, SE; Vallon, O; Harris, EH; Karpowicz, SJ; Witman, GB; Terry, A; Salamov, A et al.: The Chlamydomonas Genome Reveals the Evolution of Key Animal and Plant Functions Science 318 (2007): 245–250. PMC 2875087 (freier Volltext)</ref> Zu Forschungszwecken wurden viele unterschiedliche Mutanten des Wildtyps gezüchtet, die zum Beispiel Zellwanddefekte aufweisen oder „blind“ sind.<ref>Homepage des Chlamydomonas-Center, abgerufen am 6. April 2011.</ref>

Ein Forschungsschwerpunkt ist die genetische Modifikation von C.reinhardtii hin zu Stämmen, die in industriell nutzbarem Maße Wasserstoff erzeugen können. Parallel dazu gibt es eine Reihe von wissenschaftlichen Projekten zur Entwicklung von leistungsfähigen Bioreaktoren zur Wasserstoffproduktion.<ref>Karin Hollricher: Wasserstoff aus der Alge. In: Laborjournal 04/2010. F+R Internet Agentur, Freiburg, deutsch, abgerufen am 8. April 2011.</ref>

Interessant erscheint auch die Fähigkeit, Cellulose zu spalten und zur Energiegewinnung zu nutzen.<ref>Olga Blifernez-Klassen, Viktor Klassen u. a.: Cellulose degradation and assimilation by the unicellular phototrophic eukaryote Chlamydomonas reinhardtii. In: Nature Communications. 3, Artikel: 1214, 2012, doi:10.1038/ncomms2210, Pflanzen fressen Pflanzen auf pflanzenforschung.de, abgerufen am 3. März 2017.</ref> Die Alge könnte somit als Biokatalysator für die Herstellung von Cellulose-Biokraftstoffen (z. B. Cellulose-Ethanol) dienen.

In einer 2021 veröffentlichten Studie konnte gezeigt werden, dass infolge Selektionsdruck durch Fressfeinde innerhalb von nur 500 Generationen Mutationen entstanden, die C. reinhardtii zur Bildung von Kolonien befähigten.<ref>Joana P. Bernardes, Uwe John, Noemi Woltermann, Martha Valiadi, Ruben J. Hermann, Lutz Becks: The evolution of convex trade-offs enables the transition towards multicellularity, in: Nature Communications, Band 12, 4222, 9. Juli 2021, doi:10.1038/s41467-021-24503-z. Dazu: Elena Bernard: Evolution in Echtzeit: Einzellige Grünalge vollzieht in nur 500 Generationen die ersten Schritte zur Mehrzelligkeit, auf scinexx.de vom 19. Juli 2021</ref>

Literatur

• Heinz Streble, Dieter Krauter: Das Leben im Wassertropfen. Mikroflora und Mikrofauna des Süßwassers. Ein Bestimmungsbuch. Franckh-Kosmos Verlag, Stuttgart 2008, ISBN 978-3-440-11966-2.

Weblinks

[[Hilfe:Cache|Fehler beim Thumbnail-Erstellen]]:

Commons: Chlamydomonas reinhardtii – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Chlamydomonas reinhardtii. In: algaebase.org (englisch)
• Datenbank mit weiterführenden Artikeln zu Chlamydomonas
• Chlamydomonas reinhardtii verdaut Zellulose
• GBIF-Datenbank: Chlamydomonas reinhardtii. In: gbif.org. Abgerufen am 23. November 2023 (). 
• Carly Cassella: These Tiny Vehicles Are Being Driven By Something You'd Never Guess. Auf: science^alert vom 14. Juli 2024.

Einzelnachweise

<references> <ref name="NCBI"> NCBI Taxonomy Browser: Chlamydomonas reinhardtii P.A.Dangeard, 1888, nom. cons. Rank: species. Heterotypic synonym: Chlamydomonas smithii R.W.Hoshaw & H.Ettl, 1966. </ref> <ref name="NCBI-GVMAG-S-ERX555967-131"> NCBI Nucleotide: GVMAG-S-ERX555967-131 (Pacific Ocean). </ref> <ref name="Endo2020"> Hisashi Endo, Romain Blanc-Mathieu, Yanze Li, Guillem Salazar, Nicolas Henry, Karine Labadie, Colomban de Vargas, Matthew B. Sullivan, Chris Bowler, Patrick Wincker, Lee Karp-Boss, Shinichi Sunagawa, Hiroyuki Ogata: Biogeography of marine giant viruses reveals their interplay with eukaryotes and ecological functions. In: Nature Ecology & Evolution, Band 4, 7. September 2020, S. 1639–1649; doi:10.1038/s41559-020-01288-w (englisch). Siehe insbes. Supplement. </ref> <ref name="Erazo2025"> Maria P. Erazo-Garcia, Uri Sheyn, Zachary K. Barth, Rory J. Craig, Petronella Wessman, Abdeali M. Jivaji, W. Keith Ray, Maria Svensson-Coelho, Charlie K. Cornwallis, Karin Rengefors, Corina P. D. Brussaard, Mohammad Moniruzzaman, Frank O. Aylward: Cryptic infection of a giant virus in a unicellular green alga. In: Science, Band 388, Nr. 6748, 10. April 2025; doi:10.1126/science.ads6303 (englisch). Dazu:

• Preprint auf bioRχiv, 3. September 2024; doi:10.1101/2024.09.03.611062, PMC 11398304 (freier Volltext), PMID 39282281.

</ref> <ref name="Moniruzzaman2022"> Mohammad Moniruzzaman, Maria P Erazo-Garcia, Frank O. Aylward: Endogenous giant viruses contribute to intraspecies genomic variability in the model green alga Chlamydomonas reinhardtii. In: Virus Evolution, Band 8, Nr. 2, 21. Oktober 2022, S. veac102; doi:10.1093/ve/veac102 (englisch). </ref> <ref name="Schulz2020"> Frederik Schulz, Simon Roux, David Paez-Espino, Sean Jungbluth, David A. Walsh, Vincent J. Denef, Katherine D. McMahon, Konstantinos T. Konstantinidis, Emiley A. Eloe-Fadrosh, Nikos C. Kyrpides, Tanja Woyke: Giant virus diversity and host interactions through global metagenomics. In: Nature, Band 578, Nr.&bsp;7795, Februar 2020, S. 432–436; doi:10.1038/s41586-020-1957-x, PMC 7162819 (freier Volltext), PMID 31968354, Epub 22. Januar 2020 (englisch). </ref> </references>

Laminaria (2007) | Micrasterias (2008) | Emiliania huxleyi (2009) | Froschlaichalgen Batrachospermum (2010) | Fragilariopsis cylindrus (2011) | Armleuchteralge Chara (2012) | Lingulodinium polyedrum (2013) | Chlamydomonas reinhardtii (2014) | Meersalat Ulva (2015) | Kieselalge Melosira arctica (2016) | Blaugrüne Felskugel (2017) | Klebsormidium (2018) | Chlamydomonas nivalis (2019) | Chromera velia (2020) | Vaucheria velutina (2021) | Stylodinium (2022) | Serritaenia (2023)