Universität zu Köln

Busch, Anna ORCID: 0000-0002-5377-7150 (2024). Diversity and ecophysiology of the conjugating green algae (Zygnematophyceae), with special reference to their photoprotective strategies. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The conjugating green algae (Zygnematophyceae) inhabit a wide range of freshwater fed systems worldwide – including lakes, rivers, ephemeral ponds and moorlands. Some species even thrive in extreme habitats, for example, on terrestrial surfaces or glacial ice. Zygnematophytes have a rather simple cellular organization and have been traditionally divided into three morphologically defined groups: the placoderm desmids (semi-symmetrical unicells with ornamented cell walls), the saccoderm desmids (rod-shaped unicells with smooth cell walls), and the filamentous forms (also with smooth cell walls). Surprisingly, the Zygnematophyceae were found to be the closest relatives of land plants (Embryophyta) – despite their rather simple organization. Since this discovery, the number of studies on zygnematophytes has increased rapidly, and they are now very popular study objects for understanding the evolution of land plants. And yet, the evolutionary relationships between major zygnematophyte groups are unclear and the zygnematophyte taxonomy is outdated. In particular, the saccoderm desmids are under-studied and consist of only a few polyphyletic genera, for example Mesotaenium and Cylindrocystis. Interestingly, these algae colonize various extreme habitats and have been reported to accumulate colorful specialized compounds, whose inducing factors, biological function and chemical identity remain largely unknown. During this doctoral study, saccoderm desmids were isolated from freshwater and terrestrial habitats, resulting in axenic laboratory cultures. Based on these cultures, the cell morphology as well as vegetative and sexual processes were studied with different microscopy techniques. In addition, established marker genes (rbcL and 18S rRNA) were used to localize the new strains in the tree of zygnematophytes by molecular phylogenetics. Furthermore, available datasets from 46 taxonomically diverse zygnematophytes were used to infer a multigene phylogeny (326 nuclear loci) of the Zygnematophyceae in a collaborative effort. To study the colorful specialized compounds, species of the two genera Ancylonema (with vacuolar pigments) and Serritaenia (with extracellular pigments) were subjected to light and nutrient experiments as well as to analytical methods. Additionally, comparative transcriptomics was employed to investigate the cellular responses of the selected zygnematophyte Serritaenia testaceovaginata to ultraviolet radiation. The morphological studies combined with the single-gene phylogenies revealed twelve distinct lineages of Mesotaenium-like algae, including four new lineages. This allowed the introduction of a provisional nomenclature to facilitate communication and highlight the diversity of these morphologically plain zygnematophytes. The well-resolved phylogenomic tree provided a clear separation of major zygnematophycean lineages and a basis for the establishment of a new five-order system for these algae. Furthermore, a new species of the genus Ancylonema, A. palustre sp. nov., was discovered and described. It is the first known mesophilic relative (from moorlands) of common glacier algae. The well growing, axenic cultures of A. palustre enabled the full reconstruction of vegetative and sexual reproductive processes as well as the experimental induction of reddish, vacuolar compounds. Another major contribution was the rediscovery of saccoderm desmids, here assigned to the new genus Serritaenia (formerly Mesotaenium), which produce pigmented extracellular mucilage. Experimental work on Serritaenia testaceovaginata provided the evidence for a sunscreening function of the pigmented mucilage. This included the specific induction by ultraviolet B radiation, a broad absorbance with a maximum in the ultraviolet B waveband, and a perfect cellular localization for shielding. The comparative RNA-seq analysis of S. testaceovaginata revealed a plant-like UVB perception system and specialized metabolite pathways (shikimate and phenylpropanoid biosynthesis) that were regulated during pigment production. Furthermore, several extracellular oxidative enzymes, which are known to act on phenolic compounds, as well as ATP-binding cassette transporters, which are known to transport phenolics across membranes, were highly upregulated in S. testaceovaginata upon UVB exposure. Together with the chemical properties of the pigmented mucilage, these results suggest a polyphenolic nature of Serritaenia's sunscreen compound. Overall, this thesis presents perspectives for studying and understanding the diversity and cellular adaptations of the saccoderm desmids from high-light habitats. In particular, the novel sunscreen strategy of Serritaenia is discussed in a broader context and compared to known sunscreen compounds from plants, cyanobacteria and fungi. Finally, the potential of combining biodiversity research and functional characterization of non-model organisms is discussed.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Diversität und Ökophysiologie der konjugierenden Grünalgen (Zygnematophyceae), unter besonderer Berücksichtigung ihrer photoprotektiven Strategien German
Translated abstract:	Abstract Language Die Jochalgen (Zygnematophyceae) besiedeln weltweit eine Vielzahl von Süßwassersystemen, darunter Seen, Flüsse, ephemere Gewässer und Moore. Einige Arten leben sogar in Extremhabitaten, beispielsweise auf terrestrischen Oberflächen oder Gletschereis. Die Organisation der Jochalgen ist relativ einfach und sie wurden traditionell in drei Gruppen eingeteilt: Placoderme einzellige Formen (spiegelsymmetrische Algen mit ornamentierten Zellwänden), saccoderme einzellige Formen (stäbchenförmige Algen mit glatten Zellwänden) und filamentöse Formen (mit glatten Zellwänden). Trotz ihrer eher einfachen Organisation, erwiesen sich die Jochalgen als die nächsten Verwandten der Landpflanzen (Embryophyta). Seitdem hat die Forschung an Jochalgen rasant zugenommen und heute sind sie beliebte Studienobjekte für das Verständnis der Landpflanzenevolution. Die evolutionären Beziehungen zwischen den größeren Jochalgengruppen ist aktuell jedoch weitgehend ungeklärt und die Taxonomie ist veraltet. Besonders die saccodermen Formen sind schlecht untersucht und bestehen nur aus wenigen polyphyletischen Gattungen, zum Beispiel Mesotaenium und Cylindrocystis. Interessanterweise, besiedeln die saccodermen Formen eine Reihe extremer Lebensräume, in welchen sie farbige Substanzen akkumulieren. Die Induktion, biologische Funktion und chemische Identität dieser Substanzen sind noch weitestgehend unbekannt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden saccoderme Jochalgen aus aquatischen und terrestrischen Habitaten isoliert. Mittels bestimmter Aufreinigungsmethoden wurden aus diesen Zellen axenische Kulturen für Laboruntersuchungen etabliert. Sowohl die Zellmorphologie als auch vegetative und sexuelle Prozesse wurden mithilfe verschiedener Mikroskopietechniken untersucht. Um die neuen Stämme phylogenetisch einzuordnen, wurden etablierte Markergene (rbcL und 18S rRNA) verwendet. In einer kollaborativen Arbeit, wurden zudem verfügbare Datensätze von 46 taxonomisch diversen Jochalgen verwendet und eine Multigen-Phylogenie (326 Gene) der Jochalgen berechnet. Außerdem wurden die nichtphotosynthetischen Pigmente der beiden Gattungen Ancylonema (mit vakuolären Pigmenten) und Serritaenia (mit extrazellulären Pigmenten) mittels Licht- und Nährstoffexperimenten induziert und mit analytischen Methoden untersucht. Mit vergleichender Transkriptomik wurden zudem die zellulären Reaktionen der ausgewählten Jochalge Serritaenia testaceovaginata auf Ultraviolett-Strahlung studiert. Die morphologischen Studien kombiniert mit den Einzelgen-Phylogenien zeigten zwölf verschiedene Linien Mesotaenium-ähnlicher Algen, darunter vier neue Linien. Dies ermöglichte die Einführung einer vorläufigen Nomenklatur, welche die Kommunikation erleichtert und die Vielfalt dieser morphologisch einfachen Jochalgen gebührend reflektiert. Die Multigen-Phylogenie ermöglichte die Etablierung eines neuen Systems aus fünf Ordnungen für die Jochalgen. Des Weiteren wurde eine neue Art der Gattung Ancylonema, A. palustre sp. nov., entdeckt und beschrieben. Es ist der erste bekannte mesophile Verwandte (aus Moorgebieten) der ansonsten ausschließlich auf Eis lebenden Ancylonema-Arten. Die gut wachsenden, axenischen Kulturen von A. palustre ermöglichten die Rekonstruktion vegetativer und sexueller Fortpflanzungsprozesse sowie die experimentelle Induktion rötlicher, vakuolärer Substanzen. Ein weiterer wesentlicher Beitrag war die Wiederentdeckung von Jochalgen, die hier der neuen Gattung Serritaenia (früher Mesotaenium) zugeordnet werden und pigmentierten, extrazellulären Schleim produzieren. Die experimentellen Arbeiten an Serritaenia testaceovaginata lieferten den Nachweis, dass der pigmentierte Schleim den Algenzellen als Sonnenschutz dient. Dies beinhaltete die spezifische Induktion durch Ultraviolett-B-Strahlung, eine breite Absorption mit einem Maximum im Ultraviolett-B-Bereich sowie eine perfekte zelluläre Lokalisation zur Abschirmung. Die vergleichende Transkriptomstudie von S. testaceovaginata zeigte die Präsenz eines pflanzenähnlichen Rezeptorsystems für Ultraviolett-B-Strahlung sowie spezieller Stoffwechselwege (Shikimat- und Phenylpropanoid-Biosynthese), die während der Pigmentproduktion reguliert werden. Weiterhin wurde eine Hochregulierung von ABC-Transportern, welche phenolische Substanzen durch Membranen transportieren können, festgestellt. Ähnliche Reaktionen wurden auch von mehreren extrazellulären, oxidativen Enzymen beobachtet, die phenolische Substanzen umsetzen könnten. In Kombination mit den chemischen Eigenschaften des pigmentierten Schleims, deuten diese Ergebnisse auf eine polyphenolische Natur des Sonnenschutzpigments von Serritaenia hin. Die vorliegende Arbeit weist Perspektiven auf, wie in Zukunft die Diversität und die zellulären Anpassungen der saccodermen Jochalgen aus sonnenexponierten Lebensräumen besser untersucht und verstanden werden können. Insbesondere die neuartige Sonnenschutzstrategie von Serritaenia wird in einem breiteren Kontext diskutiert und mit bekannten Sonnenschutzsubstanzen aus Pflanzen, Cyanobakterien und Pilzen verglichen. In der Schlussbetrachtung wird das Potenzial der Kombination von Biodiversitätsforschung und funktioneller Charakterisierung von Nicht-Modellorganismen erörtert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Busch, Anna anna.busch@uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-5377-7150 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-732971
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Biodiversity English Ecophysiology English Green algae English Zygnematophyceae UNSPECIFIED Photoprotection UNSPECIFIED RNA-Seq UNSPECIFIED Terrestrial habitat UNSPECIFIED
Date of oral exam:	8 July 2024
Referee:	Name Academic Title Arndt, Hartmut Prof. Dr. Bonkowski, Michael Prof. Dr. Karsten, Ulf Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73297