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Rotalgen, wie die Gattung Chroothece, können in extremen Lebensräumen wachsen, wo sie häufig mit starken Umweltveränderungen zurechtkommen1. Überschwemmungen und Dürren sind in halbtrockenen Regionen, in denen diese Gattung vorkommt, häufig, und einige Arten wurden in Bächen, Klippen, Höhlen oder sogar Thermalwasser gemeldet2. In den meisten Fällen werden Arten jedoch aufgrund biologischer Variablen wie Konkurrenz oder Beweidung in nicht optimale Wachstumsbedingungen verbannt. Da diese Organismen oft schwer zu kultivieren sind und unter Laborbedingungen entweder nicht oder nur sehr langsam wachsen, ist eine wesentliche Einschränkung die verfügbare Stichprobengröße. Daher ist es sehr wichtig, zerstörungsfreie Methoden oder Methoden zu befolgen, die eine minimale Probenmanipulation erfordern 3,4.
Die physiologischen Fähigkeiten, die zum Überleben in diesen rauen Umgebungen erforderlich sind, können überwacht werden, indem Veränderungen in ihren photosynthetischen Systemen verfolgt werden. Stoffwechselmechanismen, photosynthetische Effizienz und Empfindlichkeit gegenüber Licht oder Kulturbedingungen können durch Pigmentfluoreszenz-Emissionsprofile aufgrund genauer Änderungen ihrer Energieübertragung oder ihres Einfangensaufgedeckt werden 5,6,7,8.
Die Autofluoreszenz zellulärer Verbindungen kann als Marker für die Zytodiagnostik oder als natürlicher Indikator für den zellulären Zustand oder den Metabolismus als Reaktion auf äußere und innere Signale durch Änderungen der Emissionverwendet werden 9. Es kann auch verwendet werden, um taxonomisch verschiedene Gruppen von photosynthetischen Organismen zu unterscheiden10. Abhängig von der phylogenetischen Position phototropher Mikroorganismen kann man unterschiedliche In-vivo-Fluoreszenzmerkmale finden. Daher wurde mehrfach versucht, eine taxonomische Identifizierung auf der Grundlage der in vivo Eigenschaften der phototrophen Fluoreszenz (einschließlich Fluoreszenzabsorptions- und Emissionsspektren) durchzuführen11,12. Aufgrund der Vielfalt der akzessorischen Pigmente unter den Phytoplankton-Taxa können Unterschiede in den Wellenlängen, bei denen die Chlorophyll a (Chl a)-Fluoreszenz stimuliert wird, oder Unterschiede in den Emissionsspektren verwendet werden, um auf die Taxonomie13 zu schließen. Die in vivo Fluoreszenzanregungs- und Emissionsspektren dieser Proben beruhen nicht nur auf dem Stamm der Algen, sondern auch auf der Anpassung des Photosystems14. Die Effizienz der Energieübertragung auf Chl a oder das Verhältnis von Chl a zu akzessorischen Pigmenten und der zelluläre Pigmentgehalt sind empfindlich gegenüber Wachstumsbedingungen5.
Rotalgen, insbesondere Chroothece, haben mehrere akzessorische fluoreszierende Pigmente - Phycobiliproteine und Carotinoide; Ersteres Konzentrat in Phycobilisomen, die an die Thylakoide von Chloroplasten gebunden sind. Phycobiliproteine (Phycocyanin, Phycoerythrin und Allophycocyanin) können Licht unterschiedlicher Wellenlängen einfangen und an Chl a weiterleiten, was die Photosynthese unter sehr unterschiedlichen Licht- und Kulturbedingungen ermöglicht15. Zum Beispiel können Chroothece-Arten in Höhlen wachsen oder fast in leicht salzhaltigen kalkhaltigen Bächen auftauchen2.
Monochromatisches Licht beeinflusst das Wachstum und die Pigmentzusammensetzung von photosynthetischen Organismen und wurde untersucht, um das Wachstum von photosynthetischen Organismen in Höhlen zu verhindern oder zu kontrollieren. Mulec et al. zeigten, dass rot angereichertes Licht das Wachstum von Cyanobakterien, Algen und Pflanzen fördert16. Frühere Studien haben auch berichtet, dass grünes Licht die Pigmentzusammensetzung von Cyanobakterien beeinflusst17, während andere gezeigt haben, dass grünes Licht das Wachstum der meisten photosynthetischen Organismen verhindert und einige Cyanobakterien eine Verringerung der Thylakoide und eine schwächere mittlere Fluoreszenzintensität aufweisen18.
Um die Fähigkeit von Chroothece als Modellorganismus zu verstehen, raue Bedingungen zu überwinden, wurden kultivierte Zellen zunehmenden Lichtintensitäten und monochromatischem Licht (grün oder rot) ausgesetzt15, um zu sehen, wie sie mit den dunklen Bedingungen von Höhlen (wo rotes Licht vorherrscht) zurechtkommen. Das hierin vorgestellte Protokoll reproduziert die Wirkung der oben genannten Variablen auf die Phycobiliproteine von Chroothece auf zellulärer Ebene unter Verwendung seiner eigenen Autofluoreszenz.
Heutzutage wird die Fluoreszenz häufig als Werkzeug verwendet, um die physiologischen Reaktionen von Gefäßpflanzen, Mikroalgen, Makroalgen und Cyanobakterien zu untersuchen13,14,16. Die spektrale konfokale Fluoreszenzmikroskopie ist ein hervorragendes Werkzeug für In-vivo-Studien zur Bewertung der Physiologie photosynthetischer Proben auf Einzelzellebene 10,17,18,19,20, indem Probleme im Zusammenhang mit der geringen Wachstumsrate im Labor und den Schwierigkeiten bei der Gewinnung von genügend Biomasse für die damit verbundenen Extraktions- und biochemischen Methoden vermiedenwerden 8 . Sobald die Zellen 2 Wochen lang unter verschiedenen Kulturbedingungen behandelt wurden, kann das Lambda-Scan-Profil in vivo gemessen werden. Obwohl es mehrere Veröffentlichungen gibt, in denen verschiedene Wellenlängen der Anregung durch konfokale Bildgebung verwendet wurden 3,4,10,17, können die meisten Phycobiliproteine und Chl a unter Verwendung einer Anregungslinie mit einer Wellenlänge von 561 nm nachgewiesen werden, und die detektierte Emission reicht von 570 bis 760 nm Wellenlänge. Diese Kriterien basieren auf einer zuvor durchgeführten Analyse 10 mit handelsüblichen reinen Pigmenten (Tabelle 1) durch konfokale Bildgebung und den erhaltenen Ergebnissen in verschiedenen Algenarten20,21,22.
| Pigmente | λflmax (nm) | λ EXC (nm) |
| 351 | 364 | 458 | 476 | 488 | 514 | 543 | 633 |
| Chl a | 660.9-678.1 | 43,4 ± 1,8 | 11,2 ± 0,2 | 1,8 ± 0,05 | 2,0 ± 0,08 | 12,2 ± 0,7 | 6,0 ± 0,3 | 4,2 ± 0,16 | 80,7 ± 1,5 |
| R-PE | 569.2-583.3 | 5,9 ± 0,6 | 5,9 ± 0,16 | 11,1 ± 0,04 | 42,2 ± 0,3 | 100.0 ± 0 | 90,0 ± 0,3 | 99,2 ± 0,08 | - |
| 652.1-668.6 | - | - | 1,5 ± 0,01 | 3,7 ± 0,04 | 26,7 ± 0,5 | 8,7 ± 0,16 | 11,1 ± 0,16 | 11,3 ± 0,2 |
| C-PC | 636.2-676.4 | 2,3 ± 0,04 | 1,0 ± 0,01 | 0,6 ± 0,004 | 0,7 ± 0,008 | 2,0 ± 0,08 | 2,0 ± 0,04 | 3,3 ± 0,16 | 33,6 ± 0,9 |
| APC-XL | 667.3-683.8 | 15,1 ± 1,5 | 9,6 ± 0,98 | 1,0 ± 0,04 | 1,2 ± 0,08 | 5,9 ± 0,7 | 4,1 ± 0,5 | 23,2 ± 3,5 | 91,4 ± 2,3 |
Tabelle 1: Die reinen Pigmentinformationen, die zur Durchführung der Lambda-Scan-Analyse verwendet werden. Diese Tabelle zeigt die Emissionsspitzen und Schulter-/Fluoreszenzbandmaxima verschiedener Fluorochrome/Pigmente durch konfokale bildgebende Spektrophotometrie für alle Anregungswellenlängen sowie den prozentualen Anteil der Lichtemission durch Pigmente/Fluorochrome. Die Werte wurden nach folgender Formel berechnet: = MFI*100/255. Jeder Wert ist der Mittelwert ± SE (Mittelwert ± Standardfehler aus dem Mittelwert). Reine Pigmente wurden zur Kalibrierung des konfokalen Rasterlasermikroskops wie folgt verwendet: 1,2,10. Chlorophyll a wurde aus Spinacia oleracea, R-Phycoerythrin (R-PE) aus Porphyra tenera und C-Phycocyanin (C-PE) aus Spirulina sp. Alle Arten wurden in gefiltertem destilliertem Wasser gelöst. Allophycocyanin-XL (APC-XL) wurde aus Mastigocladus laminosus gewonnen, das in Ammoniumsulfat (60%) und Kaliumphosphat (pH = 7) gelöst wurde, um eine Konzentration von 38 mM zu erreichen. Die Scans wurden mit 400 μl jeder Pigmentlösung (Konzentration von 1 mg/ml) unter Verwendung einer mit 8 Vertiefungen abgedeckten Glasbodenkammer durchgeführt.
Die Untersuchung einer einzelnen Anregungswellenlänge ist eine recht nützliche erste Näherung. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, den relativen Beitrag der verschiedenen Komplexe im Fluoreszenzsignal aufzuklären, was unter anderem empfohlen wird, um ein Fluoreszenzverhältnis oder eine Spektrumanalyse bei mehreren Wellenlängen durchzuführen.