Cyanobacteria (Cyanobacteriota) PDF

Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Croococcus turgidus Nostoc sp. Cylindrospermum stagnale Oscillatoria limosa Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Domänen des...

Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Croococcus turgidus Nostoc sp. Cylindrospermum stagnale Oscillatoria limosa Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Domänen des Lebens Carl Woese und Otto Kandler schlugen im Jahr 1990 das 3 Domänen Modell der Organismen vor Die Cyanobakterien sind eine monophyletische Gruppe innerhalb der Bacteria Phylogenetische Rekonstruktion basierend auf Sequenzanalysen der kleinen Untereinheit der ribosomalen RNA (SSU rRNA, 16S rRNA) http://www.pnas.org/cgi/reprint/87/12/4576.pdf Chem. Evolution vor 4 Milliarden Jahren; vor 3.5 Mia a > erste Prokaryoten Kosm. Elektr. Strahlung UV UV UV UV UV UV Entladungen Urgase: H2O, NH3, H2S, CH4, H2 Abiotische Synthese Aminosäuren, Purine, Pyrimidine, Zucker, Lipide, andere organische Stoffe Lösung im Wasser Proteine und Nucleinsäuren in Lösung: Ursuppe Gammastrahlen der Gesteine, vulkanische Bodenhitze Science Photo Library / Richard Bizely Ein wichtiges Event in der Geschichte der Biosphäre: Evolution der oxidativen Photosynthese durch Cyanobakterien Evolution verschiedener Organismengruppen Erste Cyanobakterien Endosymbiose Landpflanzen Großes Oxidations-Ereignis Chlorophyta (Lebermoose, Rhodophyta Farne) Glaucophyta Mikrobenfossilien Vielzellige Bildung von Cyanobakterien Alter der Erde Kontinenten 500 Mio. Jahre BP Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Cyanobakterien, ursprünglich wegen ihrer blau-grünen Farbe auch als „Blaualgen“ bezeichnet, sind photoautotrophe Organismen die mit gram-negativen Bakterien näher verwandt sind. Sie unterscheiden sich als Prokaryoten von den eukaryotischen Algen in folgenden Merkmalen: Echter Zellkern mit Kernmembran fehlt ebenso fehlen Mitochondrien, Plastiden, Dictyosomen, Lysosomen, endoplasmatisches Retikulum, Zellsaftvakuole mit Tonoplast Einfacher DNA ringförmig, frei im Nuceoplasma, Mitose und Meiose fehlen, Zellbau geringe Kompartimentierung der Zelle, Zellwand als sackförmiges Riesenmolekül (Mureinsacculus) Murein (Zellhülle der Bakterien) =Polysaccharid =Polysaccharid Brudersohn Vector Version: Mouagip Wikipedia.org Aufbau Cyanobakterienzelle (Aminosäuren) absorbieren grünes – hellrotes Licht (500-650 nm) Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Ultrastruktur der Bau der prokaryotischen Cyanobakterien-Zelle Cyanobakterienzelle (TEM) Cytoplasmamembran + gramnegative Zellwand (=Stützschicht) aus Murein ± gallertartige Auflagerungen (Polysaccharide) Stapelartige Thylakoide mit Phycobilisomen (enthalten Phycobiliproteide) Cyanophycinkörnchen aus Polymeren der Aminosäuren Arginin + Asparagin (N-Reserve) Volutinkörner (Polyphosphate – P-Reserve) 70S Ribosomen Cyanophyceenstärke (Photosyntheseprodukt) Carboxysomen (enthalten Enzyme RuBisCO und Carbonanhydrase > CO2 Konzentration) Freie, ringförmige DNA (Kernäquivalent – Nucleoplasma) http://www.botany.hawaii.edu/faculty/webb/BOT311/Cyanobacteria/CBDivideTEM.jpg Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Pigmente Assimilationspigment Chlorophyll a Akzessorische Pigmente (Hilfspigmente) Phycoerythrin, Phycocyanin, Allophycocyanin sind wasserlösliche Phycobiline, an Proteine gebunden (Phycobiliproteide) Phycobiliproteide in Körperchen lokalisiert = Phycobilisomen, liegen auf der Oberfläche von stapelartig geschichteten Thylakoiden Weitere Hilfspigmente: ß-Carotin z.T. auch Xanthophylle Zeaxanthin, Echinenon, Myxoxanthophyll Chromatische Adaption: Anpassung an Lichtqualität – Zellen blaugrün oder rötlich.  Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Cyanobakterien sind die ältesten Organismen mit oxygener Photosynthese; älteste Fossilfunde (Australien) auf ca. 3,5 Mrd. Jahre datiert Stromatolithe im Gezeitenbereich warmer Meere Ablagerung geschichteter Kalkkrusten fossiler Stromatolith Kreide, Bolivien Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Rezente Stromatolithen in Shark Bay, Australien Paul Harrison, Wikimedia Commons Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Fossile Stromatolithen bei Wilhelmshall, Sachsen-Anhalt Brudersohn, Wikimedia Commons Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Erste oxygene Photosynthese durch Cyanobakterien Bildung von Sauerstoff, Wasser als Elektronendonator Licht 6 CO2 + 12 H2O Chlorophyll C6O6H12 + 6 O2 + 6 H2O % aktueller O2 Gehalt Erster Sauerstoff wurde in Oxiden fixiert (war für damals lebende Organismen Mrd. Jahre giftig) Cyanobacteria Folge: Anpassung notwendig langsame O2-Anreicherung Fossile in der Atmosphäre bis 21% Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Heterocysten und N2-Fixierung Vergrößerte Zellen (terminal oder interkalar im Zellfaden), mit dicker Zellwand, ohne Pigmente (glasig, gelblich), mit lichtbrechenden Polkörperchen (Höcker=Noduli – mit feinen Kanälen zu den Nachbarzellen) Nitrogenase Enzymsystem Das N2- Fixierungs-Enzym, die molybdänhaltige 'Nitrogenase', ist sehr (!) O2-empfindlich. Viel Energie notwendig (ATP) Heterocyste Fixierung von Luftstickstoff N2 N2 + 4 NADH + 4H+ + 16 ATP = 2 NH3 + H2 + 4 NAD+ + 16 ADP + 16 Pi Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Nostoc carneum  Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Phylogenomischer Stammbaum terrestrischer Braune und Cyanobakterien gelbe Punkte: N2-Fixierer Zerfällt in viele Einzelzellen Verzweigt Chen et al. 2022, Mol. Biol. Evol. 29:msac171 Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Chen et al. 2022, Mol. Biol. Evol. 29:msac171 Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Geschlechtliche Fortpflanzung nicht bekannt Vermehrung durch Zellteilung (irisblendenartige Durchschnürung) teilw. Fadenfragmentierung (Bildung von Hormogonien) Bei fädigen Arten auch gleitende Kriechbewegungen durch Schleimsekretion oder Chroococcus Kontraktion von Mikrofibrillen Bsp. rotierende Fäden bei Oscillatoria Keine begeißelten Stadien (akont) Oscillatoria (Schwingalge) Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Organisation und Diversität Einzeller Coenobium (Kolonie) Zellfaden mit unechter und echter Verzweigung Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Systematik Beruhend auf morphologischen Merkmalen Chroococcales: einzellig oder einfache Coenobien Oscillatoriales: Trichome ohne Heterocysten, Akineten und Verzweigungen Nostocales: Trichome mit Heterocysten, Akineten und unechten Verzweigungen, oft große Gallertmassen auf feuchten Böden bildend Stigonematales: Trichome oft vielreihig und mit echten Verzweigungen Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Yellowstone NP Artenzahlen und Vorkommen ca. 2000 Arten bekannt Weltweit verbreitet im Süsswasser, auch im Meer (seltener) (meist als Plankton) heiße Quellen (bis 75 oC) auf feuchter Erde, Baumrinde, Fels Beteiligung an Symbiosen: als Photobionten der Flechten, in Wurzeln von Samenpflanzen (Cycas, Gunnera) Gewebehöhlungen von Azolla (Wasserfarn) Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Chroococcus (Kugelblaualge) 2, 4 oder 8 Zellen zu einer Kolonie (=Coenobium) vereinigt geschichtete Gallerthüllen Bildung eines Coenobiums Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Scytonema – unechte Verzweigungen Gallertscheide Bruch an Teilungen im Faden interkalarer Schlingenbildung Heterocyste Heterocyste und Fadenbruch Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Stigonema – echte Verzeigungen Zellfäden oft mehrreihig Drehung der Teilungsrichtung möglich Bildung von echten Seitenverzweigungen Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Überdauerungszellen = Akineten Dienen der Überdauerung ungünstiger Umweltbedingungen. Dicke Wand, meist dunkel gefärbt > Schutz vor UV- Strahlung + Austrocknen Cylindrospermum stagnale Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Cyanobakterien: Vorkommen und Lebensweise Kalkfelsen („Tintenstriche“ ) Süßwasser-Plankton (eutrophe Gewässer) Marin im Benthos (> Stromatolithen) Gletscher heiße Quellen (ertragen hohe Temperaturen) Symbiose Stromatolithen, gebildet aus Biofilmen Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Nostoc bräunliche Gallertlager mit perlschnurartigen Zellfäden, Heterocysten auf feuchter Erde oder in Gewässern Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Nostoc-Symbiosen mit Moosen Hornmose: Anthoceros: spaltöffnungsähnliche Schleimporen an der Unterseite der Thalli Lebermoose: Blasia, Cavicularia; Höhlungen auf der Thallusoberseite, die mit Schleim ausgefüllt sind Laubmoose: Sphagnum (Wasserzellen), „Federmoose“ (Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens, etc.) mit verschiedenen Gattungen assoziiert http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Anthoceros_agrestis_060910d.jpg Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Anthoceros sp.: Nostoc in Höhlungen auf der Thallusunterseite Nostoc Kolonien bei Blasia pusilla (Lebermoose) Liaimer et al. Front Microbiol 2016  Nostoc Kolonien bei Blasia pusilla (Lebermoose) Nostoc in Höhlungen auf der Oberseite des Gametophyten fernzenmosses.com Azolla-Anabaena-Symbiose Höhlungen a. der Ventralseite der dorsalen Loben Azolla-Anabaena-Symbiose Höhlungen a. der Ventralseite der dorsalen Loben „Düngefabrik“: Nostoc Kolonien in Gunnera Blattbasen Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Symbiosen mit Cyanobakterien In verkürzten und verdickten "koralloiden" Wurzeln von Cycadeen (Palmfarne) leben symbiontisch Cyanobakterien, die zur N-Versorgung beitragen Wurzelquerschnitt dunkle Zone mit Cyanobakterien (Nostoc) Cyanobakterien-Symbiosen mit Pilzen Die Laubflechte Peltigera aphthosa ist eine Blatt (Laub)-Flechte, auf Felsen und Moospolstern zu finden. Die schwarzen Warzen auf dem Thallus werden als Cephalodien bezeichnet und enthalten Cyanobakterien (Nostoc). Foto: Helmut Mayrhofer  Nostoc im Inneren von Geosiphon pyriformis (Glomeromycota) Blasen Geosiphon pyriformis http://microbialclassification.blogspot.com/p/fungi.html Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Zellen zylindrisch bis Anabaena (Ringelalge) tönnchenförmig Anabaena flos-aquae „Wasserblüte“ Interkalare und terminale Heterocysten Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Anabaena Überdauerungszelle = Akinete Stickstoff-Fixierung in Reisfeldern SO-Asien ca. 95 kg N2 / ha / Jahr unverzweigte, einzellreihige, rosenkranzartige Zellfäden mit Heterocysten Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Nutzung von Cyanobakterien Spirulina wird in Wasserfarmen kultiviert Gehalt an vielen wichtigen Vitalstoffen - Nahrungsergänzung 60% Protein (essentielle und nicht-essentielle Aminosäuren) und fast 20% Kohlenhydrate. ß-Carotin - 10 mal höher als bei der Karotte. Spirulina Schraubige Zellfäden Kultur – Wasserfarm Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Spirulina Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Gewässer Eutrophierung „Wasserblüte“ – Eintrag von Nitrat und Phosphat regen Wachstum an Cyanobakterien-Blüte in der Ostsee August, 1999 Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Toxinbildung Toxine Eutrophe Gewässer – Wasserblüte neuro- und durch Cyanobakterien und Grünalgen hepatotoxisch Schutz vor Zooplankton - Fraß Microcystine sind zyklische Peptide mehr als 60 verschiedene Varianten bekannt. Microcystine zerstören die Leberzellen (Hepatozyten) von Säugetieren auch Saxitoxine, Anatoxine, Nodularin … Cyanobakterien in eutrophiertem Gewässer: Planktothrix rubescens (Blutburgunderalge), Microcystis aeruginosa, Aphaniozomenon flos-aquae bilden giftige cyclische Peptide Cyanobacteriota Cyanobakterien, Blaugrüne Bakterien Foto: Helmut Mayrhofer Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!