UNIVERZA V LJUBLJANIBIOTEHNIŠKA FAKULTETA

ODDELEK ZA BIOLOGIJO

Nejc DRAGANJEC

VRETENČARJI NA SONČNI POGONEndosimbioza fotosimbionta zelene alge (Oophila amblystomatis) in

gostitelja pisanega aksolotla (Ambystoma maculatum)

Seminarska naloga pri vajah iz predmeta Primerjalna anatomija vretenčarjev

(Mentor: prof. dr. Lilijana Bizjak Mali)

Ljubljana, 5. 5. 2013

2Draganjec N. Vretenčarji na sončni pogon Seminarska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2013

POVZETEK

Endosimbiontski odnosi med gostitelji nevretenčarji in fotosimbiontom so že dolgo poznani.

Precej dobro so raziskani primeri gostiteljev mehkužcev (npr. Elysia chlorotica) in

členonožcev. Sedaj pa se prvič pojavlja primer endosimbiontskega odnosa, pri katerem je

gostitelj vretenčar. Pisani aksolotel (Ambystoma maculatum) in njegov fotosimbiont zelena

alga (Oophila amblystomatis) imata tesno mutualistično zvezo, ki se prične v samem

začetku embrionalnega razvoja, določa potek le-tega in se nadaljuje v larvalni stadij

ter ostaja pri odrasli živali, katere fitnes je v veliki meri odvisen tudi od uspeha

simbiontske zveze.

KLJUČNE BESEDE

simbioza, endosimbioza, ektosimbioza, mutualizem, fotobiont, aksolotl, zelena alga

VPRAŠANJA IZ SNOVI

1. Koliko časa že vemo za simbiontski odnos med aksolotli in zelenimi algami?

Za kakšen tip simbioze smo do sedaj sklepali, da gre?

2. Kakšni so razlogi za splošno odsotnost endosimbize pri vretenčarjih in katere

so sinapomorfije nižjega redu Gnathostomata?

3. Kdaj se prične simbiontski odnos med pisanim aksolotlom in fotobiontom ter

kako se simbioza oblikuje tekom življenjskih stadijev gostitelja?

3Draganjec N. Vretenčarji na sončni pogon Seminarska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2013

VSEBINA1 UVOD................................................................................................................... 4

2 ENDOSIMBIONTSKO RAZMERJE............................................................................5

2.1 FOTOBIONT – ZELENA ALGA (OOPHILA AMBLYSTOMATIS)............................5

2.2 GOSTITELJ – PISANI AKSOLOTEL (AMBYSTOMA MACULATUM).......................5

3 SIMBIOZA SKOZI ŽIVLJENJSKI CIKEL GOSTITELJA.................................................6

3.1 EMBRIONALNI RAZVOJ .................................................................................6

3.2 LARVALNI STADIJ..........................................................................................6

3.3 ODRASLE ŽIVALI...........................................................................................6

4 VIRI...................................................................................................................... 8

4Draganjec N. Vretenčarji na sončni pogon Seminarska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2013

1 UVOD

Povezava med embrijem pisanega aksolotla (Ambystoma maculatum) in zeleno algo (Oophila

amblystomatis) je bila odkrita že pred 120 leti in se je do nedavnega obravnavala kot

ektosimbiontski mutualizem. Toda zadnje raziskave so pokazale, da sta gostitelj in

fotosimbiont mnogo bolj povezana. Celice fotobionta so prisotne vse od embrionalnega do

larvalnega stadija in celo v reproduktivnih organih odrasle živali (Kerney et al., 2011).

Čeprav so patogeni sposobni invazije v celice vretenčarjev, mutualistične endosimbioze do

sedaj niso bile poznane. Nezmožnost vstopa simbiontov v vretenčarske gostitelje so avtorji

pripisovali predvsem prilagodljivemu/učljivemu imunskemu sistemu, torej prepoznavi in

uničenju tujih celic, kar je sinapomorfija nižjega rodu Gnathostomata (Kerney et al., 2011).

Invazija celic alge v tkiva vretenčarskega gostitelja tako predstavlja unikatno priložnost

proučevanja prepoznavanja na celičnem nivoju, izmenjave metabolitov, izmenjave genetskega

zapisa in nenazadnje ujemanja populacij gostitelja in simbionta preko koevolucije (Kerney et

al., 2011).

5Draganjec N. Vretenčarji na sončni pogon Seminarska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2013

2 ENDOSIMBIONTSKO RAZMERJE

2.1 FOTOBIONT – ZELENA ALGA (OOPHILA AMBLYSTOMATIS)

Fotobiont ob prisotnosti svetlobe na površini jajčne lupine razvije gost ovoj. Ta pojav je znan

že več kot 100 let. Toda v primeru odstranitve embrija je rast alg na kapsuli jajca minimalna,

kar nakazuje, da je embrijo in ne kapsula tisti, ki promovira rast fotobionta. Mutualistični del

simbioze, ki je v korist alg, so odpadni produkti gostitelja, predvsem dušik in CO2 (Graham et

al., 2012; Kerney et al., 2011).

2.2 GOSTITELJ – PISANI AKSOLOTEL (AMBYSTOMA MACULATUM)

Embriji, ki se razvijajo v temi na kapsuli jajca, ne razvijejo gostega ovoja alg. S poskusi je

bilo potrjeno, da se embriji ob prisotnosti alg razvijejo in izležejo hitreje, faktor preživetja

embrijev je bistveno višji, osebki se izležejo bolj sinhrono, kar preplavi potencialne plenilce

in poveča možnost preživetja tudi takoj po izlegu. Tudi odrasli osebki, katerih embrionalni

razvoj je potekal v tesni simbiozi s fotobiontom, dosežejo večjo velikost (Kerney et al., 2011).

Recipročna korist z vidika preživetja in rasti gostitelja na eni strani ter rast populacije

fotosimbionta na drugi strani, potrjuje, da gre za pravi mutualistični odnos. Čeprav je način,

na katerega gostitelj pridobi korist, še precej nepoznan. Nekateri avtorji zagovarjajo, drugi

spet oporekajo ideji, da fotobiont koristi gostitelju s povišano koncentracijo kisika in mnogimi

rastnimi faktorji. Ena izmed zadnjih raziskav je potrdila, da je ogljik, ki ga fiksira

fotosimbiont, na razpolago gostiteljskemu embriju. Tako imamo prvič do sedaj dokaz o

direktnem transportu produktov fotosinteze od simbionta k vretenčarskem gostitelju (Graham

et al., 2012; Kerney et al., 2011).

6Draganjec N. Vretenčarji na sončni pogon Seminarska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2013

3 SIMBIOZA SKOZI ŽIVLJENJSKI CIKEL GOSTITELJA

3.1 EMBRIONALNI RAZVOJ

Asociacija med simbiontom in gostiteljem že v najzgodnejših fazah zarodka je najverjetneje

predpogoj za endosimbiozo, ker se le na tak način prehiti prilagodljivi imunski sistem in fazo

učenja prepoznavanja lastnega od tujega (Kerney et al., 2011).

Med embrionalnim razvojem fotobiont vdre v tkiva in tudi same celice gostitelja. Ta

znotrajcelična vključitev spominja na fotosintetsko simbiozo, ki se je pojavila pri mnogih

protistih in nevretenčarjih (Kerney et al., 2011).

Že v najzgodnejših fazah embrionalnega razvoja so alge prisotne na notranji kapsuli zarodka.

Fotobiont se najprej koncentrira na proktodeum okoli gostiteljevega blastopora, kar nakazuje,

da rast alg zunaj blastopora prehiti invazijo v sam embrio gostitelja. Po vdoru se celice

fotobionta nahajajo v embrijevem epidermisu, zametku očesa, nevralni cevi, kranialnem

mezenhimu itd. (Graham et al., 2012 ; Kerney et al., 2011).

3.2 LARVALNI STADIJ

V gostiteljskih larvah, zmožnih samostojnega prehranjevanja, ni več najti prostih

autoflorescentnih celic fotobionta. Čeprav mnogo celic fotobionta vdre v prebavni kanal in

okoliška tkiva, večina alg vztraja v medkapsularni tekočini, ki se zato ob izlegu gostitelja

sprostijo v okolje. S pomočjo tehnike FISH so bile celice fotobionta najdene znotraj tkiv v

kranilanem mezenhimu, endodermu, jetrih in hrustancu larve. Vse znotrajtkivne celice alg so

vsebovale kloroplaste, grane, tilakoidne membrane in granule škroba. Poleg ostalega tudi te

ohranjene ultrastrukture potrjujejo, da so avtoflurescenčne celice znotraj tkiv po poreklu alge

(Kerney et al., 2011).

3.3 ODRASLE ŽIVALI

Veliko avtoflurescenčnih celic alg se vključi v citoplazmo različnih celic gostitelja. Najdemo

jih v avtoflurescenčnih somatskih celicah in znotraj endodermalnih celic okoli primarnega

7Draganjec N. Vretenčarji na sončni pogon Seminarska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2013

kanala (prebavnega trakta). Znotrajcelične alge pogosto najdemo v neposredni bližini

gostiteljevih mitohondrijev in občasno poleg jedra gostiteljeve celice. Gostiteljeve celice ne

kažejo nobenega znaka nekroze ali apoptoze in so v vseh pogledih podobne preostalim

celicam, ki ne vsebujejo endosimbiontskih alg. Morda je še najzanimivejše dejstvo, da

nekatere gostiteljeve celice v svoji citoplazmi vsebujejo tudi proste tilakoidne membrane in

granule škroba. Pojav je podoben znotrajceličnim kleptoplastom, ki jih pridobijo nekatere

vrste nevretenčarjev iz svoje prehrane, npr. Elysia chlorotica. Analiza 18S rRNA značilna za

Oophila je pokazala prisotnost znotrajceličnih alg tudi v razmnoževalnih organih, tako

samcev kot tudi samic gostitelja (Kerney et al., 2011).

8Draganjec N. Vretenčarji na sončni pogon Seminarska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za biologijo, 2013

4 VIRI

Graham E. R., Fay S. A., Sanders R. W. 2012. Intracapsular algae provide fixed carbon to

developing embryos of the salamander Ambystoma maculatum. Experimental Biology

Advance Online Articles: http://jeb.biologists.org/lookup/doi/10.1242/jeb.076711 (30.4.2013)

Karney R., Eunsoo K., Hangarter R. P., Heiss A. A., Bishop C. D., Hall B. K. 2011.

Intracellular invasion of green algae in a salamander host. PNAS. 108, 16: 6497–9502