Tutorials, Webinare und informative Videos über unsere optischen Sensorsysteme
Messung der Atmungs- und Primärproduktionsdynamik in Makroalgen
2D-Imaging von Sauerstoffgradienten in F. vesiculosus mit dem VisiSens™ System
K. Spilling
Finnish Environment Institute, Marine Research Laboratory, Helsinki, Finnland
In dieser Studie setzten wir das VisiSens™ System zur zweidimensionalen Visualisierung kleiner Unterschiede in der Primärproduktion und Atmung von Makroalgen ein. F. vesiculosus diente dabei als Modellorganismus. Mit dem Imaging-System konnte ein deutlicher Unterschied in der Atmung und der Primärproduktion in den verschiedenen Thallus-Abschnitten festgestellt werden. Die Atmungsrate und die Produktion waren in der Nähe der Verankerung am niedrigsten und stiegen zu den apikalen Spitzen hin an, wo die metabolische Aktivität am höchsten war. Sogar kleine "Respirations Hotspots" von 100 μm Durchmesser konnten an den apikalen Spitzen detektiert werden. Im Vergleich zu selektiven Messungen mit Clark-Mikroelektroden, die in früheren Studien verwendet wurden, können durch die 2D-Sauerstoffaufnahmen des VisiSens™ Systems räumliche Unterschiede einfacher erkannt und Sauerstoffgradienten schneller und genauer untersucht werden.
Es gibt kaum Informationen über den Zusammenhang von Algengewebestrukturen und deren Wirkung auf die physiologische Aktivität. Vor kurzem haben wir gezeigt, dass es in Seetang auf mikroskopischer Ebene erhebliche Unterschiede in photosynthetischer Aktivität und Atmung geben kann. Es gibt jedoch nur wenige Studien, die sich mit räumlichen Unterschieden in der physiologischen Aktivität von Makroalgen in so kleinem Maßstab befassen. Frühere Untersuchungen von Sauerstoff-Mikrogradienten in Makroalgen wurden mit Clark-Mikroelektroden durchgeführt, was sehr zeitaufwendige Messungen erforderte. Der Vorteil eines 2D-Systems wie VisiSens™ besteht darin, dass Sauerstoff-Bilder erstellen werden können, die räumliche Unterschiede leichter erkennen lassen. Darüber hinaus können Sauerstoffgradienten im Vergleich zu mehreren Punkt-Messungen schneller und genauer untersucht werden. In dieser Studie wurde die Tauglichkeit des VisiSens™ Systems zur Erkennung kleinster Unterschiede in Atmung und Primärproduktion von Makroalgen getestet, wobei der Blasentang Fucus vesiculosus als Modellspezies diente. F. vesiculosus ist eine ausdauernde Makroalge, die mehrere verschiedene Teile wie Verankerung, Mittelstamm und Apikalteile aufweist (siehe Abb. 1). Alle unterschiedlichen Teile, und damit unterschiedliche Gewebestrukturen, wurden mit VisiSens™ untersucht.
Material & Methoden
Exemplare von F. vesiculosus (Blasentang) wurden auf der Südseite der Lautasaari-Insel, Helsinki, aus geringer Tiefe (0,5 m) entnommen. Die Algen wurden ins Labor gebracht und allmählich im Wasserbad an wärmere Temperaturen gewöhnt. Nach der Akklimatisierung auf Raumtemperatur (22 °C) wurden die Algen in einem Behälter mit natürlichem Meerwasser, das mit Luft begast wurde, gelagert, um die Sauerstoffkonzentration nahe bei 100 % zu halten. Die Algen wurden in einem 16 h: 8 h Hell-Dunkel-Zyklus in Licht von etwa 20 μmol Photonen m-2 s-1 platziert. Das verdunstete Wasser aus dem Lagerbehälter wurde jeden Tag durch Zugabe von Milli Q-Wasser ersetzt. Kleine Stücke von F. vesiculosus Thallus, aus verschiedenen Teilen der Algen, wurden ausgeschnitten und auf die Oberseite der Sauerstoff-Sensorfolie (SF-RPSU4, PreSens) in eine Glas-Petrischale gelegt. Dazu wurde der Deckelteil der Petrischale verwendet und die eigentliche Schale wurde auf die Probe gelegt, um den Thallus nach unten zu drücken. Das geschah, um Luftblasen-Einschlüsse zwischen dem Thallus und der Sensorfolie zu vermeiden und den Thallus gleichmäßig gegen die Sensorfolie zu drücken. Das VisiSens™ Kamerasystem wurde mit einem Laborstativ nach oben zeigend aufgebaut und die Petrischale daraufgestellt (siehe Abb. 2). Der Messzyklus begann mit der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Dunkeln alle 60 Sekunden. Nach 7 Minuten im Dunkeln wurde der Thallus für 5 s mit 800 μmol Photonen m-2 s-1 mit einer weißen LED beleuchtet. Sauerstoff wurde nach jeder Beleuchtungsperiode bestimmt, worauf 5 s im Dunkeln folgten. Nach 17 Zyklen mit 5 s Beleuchtung wurde die Lichtperiode auf 30 s erhöht und für 7 Zyklen gemessen; insgesamt wurden 30 Bilder aufgezeichnet.
Atmung und Produktionsrate
Es gab einen deutlichen Unterschied in Atmung und Primärproduktion zwischen Stücken aus verschiedenen Teilen des Thallus. Die Atmungsrate und die Produktionsrate waren in der Nähe der Verankerung am niedrigsten und erhöhten sich zu den apikalen Spitzen, wo die metabolische Aktivität am höchsten war (Abb. 3 A + B, Abb. 4 A). An den apikalen Spitzen gab es auch kleinräumig unterschiedliche Bereiche, die deutlich höhere Atmungs- und geringere Produktionsrate aufwiesen (Abb. 4 B). Diese kleinen Atmungs-"Hotspots" waren in der Größenordnung von etwa 100 µm Durchmesser. Diese Bereiche mit höherer Respirationsrate könnten mit den Cryptostomata - Strukturen in Verbindung gebracht werden, die eine erhöhte Respirationsrate aufweisen, aber aus dieser Untersuchung wird klar, dass nicht alle Cryptostomata eine erhöhte Respirationsrate zeigen, da einige anscheinend keine Unterschiede in der metabolischen Aktivität zum umliegenden Thallusgewebe (Abb. 4 A + B) zeigen.
Zusammenfassung
Das VisiSens™ System lieferte Bilder der Sauerstoffkonzentrationen im μm-Bereich. Es gibt messbare Unterschiede in der metabolischen Aktivität verschiedener Teile von F. vesiculosus Thallus. Mit der 2D-Bildgebung konnten Sauerstoffgradienten detektiert und Bereiche mit höherer Atmungsrate mit bestimmten Gewebestrukturen korreliert werden. Im Vergleich zu den zeitaufwändigen Messungen mit Clark-Mikroelektroden ermöglicht VisiSens™ eine leichtere Detektion und schnellere Untersuchung von Sauerstoffgradienten mit höherer Genauigkeit.