Das weitverbreitete Vorkommen potenziell photosynthetischer Mikroorganismen im Meer, die mit den Eiern von Meerestieren in Verbindung stehen, ließ Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, dass diese möglicherweise deren Entwicklung beeinflussen könnten. Daher untersuchten sie, ob auch Larven des Seeigels Arbacia lixula eine symbiotische Beziehung mit photosynthetischen Cyanobakterien eingehen. Mithilfe von Mikrobiomsequenzierung und mikroskopischen Analysen entdeckten sie stattdessen eine unerwartete, bisher unbekannte Form der zwischenartlichen Interaktion: Sie konnten erstmals nachweisen, dass Seeigel-Eier bestimmte Bestandteile sogenannter Chromoplasten - Zellorganellen oder Plastiden, die in Pflanzen und Algen vorkommen und von Chloroplasten abstammen - in ihre Eizellen integrieren können. Die Forschenden konnten zudem experimentell belegen, dass die auf diese Weise gewonnenen, aus Chromoplasten stammenden Carotinoid-Kristalle die Larven überlebensfähiger machten und somit zu ihrer weiten geografischen Verbreitung im Atlantik beitragen könnten. Die neuen Erkenntnisse veröffentlichte das gemeinsame Forschungsteam von CAU und GEOMAR gestern zusammen mit internationalen Kolleginnen und Kollegen der Universität La Laguna auf den Kanarischen Inseln und der University of California San Diego in der Fachzeitschrift PLoS Biology.
Plastiden-DNA erstmals in den Keimzellen eines Tieres nachgewiesen
Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Tyler Carrier, der heute an der University of North Carolina in Charlotte forscht und zuvor als Postdoktorand bei Professorin Ute Hentschel-Humeida am GEOMAR sowie als Mitglied des SFB 1182 in Kiel tätig war, konzentrierte sich zunächst auf den möglichen Einfluss einzelliger Cyanobakterien auf die Entwicklung von Seeigeln. „Wir haben uns anfangs gefragt, ob diese Mikroorganismen durch ihre Fähigkeit zur Photosynthese die Larvenentwicklung unterstützen könnten“, so Carrier. Eine Analyse der Erbinformationen der Seeigel-Eier wies tatsächlich auf das Vorhandensein von vermeintlich fremder, von Cyanobakterien stammender DNA hin. „Tatsächlich haben wir jedoch Gene von photosynthetischen Eukaryoten nachgewiesen. Genauer gesagt stammten die Sequenzen von Plastiden, den Zellorganellen photosynthetischer Eukaryoten. Die meisten davon haben ihren Ursprung in mikroskopisch kleinen Kieselalgen“, so Carrier weiter.
Diese Beobachtung warf die Frage auf, wie diese Gene in die Eizellen der Seeigel gelangt waren und ob möglicherweise ein vollständiges Zellorganell übertragen worden war. „Dieses ‚Entwenden‘ eines Organells von anderen, nicht-verwandten Lebewesen ist bei Tieren unglaublich selten. In den wenigen bekannten Fällen wird es jedoch niemals an die Nachkommen weitergegeben“, betont Carrier. Bei ihren von Professor Marc Bramkamp und Dr. Urska Repnik von der Zentralen Mikroskopie der CAU unterstützten mikroskopischen Untersuchungen fand das Forschungsteam jedoch keine Chloroplasten. Stattdessen entdeckten sie autofluoreszierende Partikel und eine ausgeprägte Kristallstruktur. „Wir fanden auf zellulärer Ebene große kristalline Strukturen, die am ehesten mit Carotinoid-Kristallen aus Chromoplasten übereinstimmen, einem zellulären Verwandten der Chloroplasten“, so Carrier. Bei Pflanzen bilden sich beispielsweise dieselben kristallinen Strukturen, wenn sich die Blätter im Herbst von orange zu rot verfärben. Daher vermuteten die Forschenden, dass diese Kristalle auch in den Seeigel-Eiern eine lichtabhängige Funktion haben könnten.
Mit dieser Beobachtung stießen sie auf ein absolutes Novum im Tierreich: den ersten Fall, in dem ein Bestandteil eines fremden eukaryotischen Organells in einer tierischen Fortpflanzungszelle, der Keimbahn, vorkam. „Bislang ist kein anderer Fall bekannt, in dem ein Plastiden-Bestandteil in die Keimzellen eines Tieres integriert wurde. Das deutet darauf hin, dass wir auf ein einzigartiges Phänomen gestoßen sind. Wir wollten nun herausfinden, ob dieses ungewöhnliche ‚mütterliche Geschenk‘ die Leistungsfähigkeit der Seeigel-Larven beeinflusst“, betont Carrier.
Seeigel-Larven nutzen eine neuartige Strategie, um ihre Fitness zu steigern
Um diesen bislang unbekannten Einfluss von aus Plastiden stammenden Carotinoid-Kristallen auf die Entwicklung und Fitness der Seeigel zu untersuchen, führten die Forschenden anschließend verschiedene funktionelle Experimente durch. Da sie von einem lichtabhängigen Effekt ausgingen, verglichen sie das Wachstum und die Entwicklung der Larven unter Licht- und Dunkelbedingungen. „Dabei zeigte sich, dass sich die Larven viel schneller entwickeln und eine um 50 Prozent höhere Überlebensrate aufweisen, wenn sie von diesen aus Plastiden stammenden Carotinoid-Kristallen profitieren. Die lichtabhängige Aktivität steht nicht im Zusammenhang mit der photosynthetischen Energieproduktion, scheint aber einen Einfluss auf den Stoffwechsel der Larven auszuüben“, sagt Carrier.
Im nächsten Schritt untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, ob es sie einen Stoffwechseleffekt nachweisen konnten, der diesen Fitnessvorteil erklärt. Dabei fielen zwei Aspekte besonders auf: Erstens veränderte die Aktivität der Carotinoid-Kristalle den Fettstoffwechsel der Tiere drastisch. „Ohne die Aktivität der aus Plastiden stammenden Struktur verlieren die Larven die Fähigkeit, ihre energiereichen Lipide zu verwerten. In der Folge müssen sie stattdessen auf strukturelle Lipide zurückgreifen“, erklärt Carrier. Zweitens wurden erhöhte Mengen an Phytohormonen produziert, so dass die Forschenden einen Zusammenhang zwischen diesen beiden Faktoren vermuteten. „Wir haben festgestellt, dass Carotinoid-abgeleitete Phytohormone bei Larven unter Lichtbedingungen häufiger vorkamen. Das Interessante daran ist, dass diese Phytohormone bekanntermaßen sowohl den Fettstoffwechsel regulieren als auch die Entwicklung fördern. Wir gehen daher davon aus, dass diese aus Plastiden stammenden Carotinoid-Kristalle in den Vorläufern dieser Phytohormone konzentriert sind und von den Larven in Komponenten umgewandelt werden, die ihre Entwicklung und ihr Überleben fördern“, fasst Carrier zusammen.
Das Vorhandensein einer aus Plastiden stammenden Struktur in den Nachkommen führt somit zu einer erhöhten Fitness. Diese steigert wiederum ihr Potenzial zur geografischen Verbreitung mithilfe der Meeresströmungen - möglicherweise über den gesamten Atlantik hinweg. Dies wäre ein neuer Erklärungsansatz für die bemerkenswerte Fähigkeit der Seeigel-Larven zu einer derart weiten Wanderung. „Unsere Studie beschreibt den ersten beobachteten Fall, in dem Bestandteile eines eukaryotischen Plastids in den Keimzellen eines Tieres vorhanden sind und dessen Entwicklung beeinflussen. Wir interpretieren diese bisher unbekannte Strategie als eine Symbiose-ähnliche Interaktion, die das Überleben und die Fitness einer Tierart fördert und damit möglicherweise ihre Fähigkeit zur geografischen Verbreitung verbessert“, fasst Hentschel Humeida, die Letztautorin der Studie, die Bedeutung der Studie zusammen, die an der Schnittstelle von Lebens- und Meereswissenschaften in den CAU-Forschungsschwerpunkten Kiel Life Science (KLS) und Kiel Marine Science (KMS) entstanden ist.
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel
Originalpublikation:
Tyler J. Carrier, Andrés Rufino-Navarro, Thorben Knoop, Urska Repnik, Andrés Mauricio Caraballo-Rodríguez, David M. Needham, Corinna Bang, Sören Franzenburg, Marc Bramkamp, Willi Rath, Arne Biastoch, José Carlos Hernández, and Ute Hentschel (2026): Sea urchin eggs contain a plastid-derived structure that contributes to their development. PLoS Biology First published: 23 April 2026
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003705