Hannah Meier: Transgenerational behavioral plasticity in Chlamydomonas reinhardtii (German translation)

Hannah Meier, Reed College, Portland USA, erläutert in diesem Artikel ihre Arbeit zu Temperature mediated transgenerational plasticity influences movement behavior in the green algae Chlamydomonas reinhardtii.” Dabei hebt sie die Bedeutung der Erfahrungen- am Beispiel der Algen – aus der Vergangenheit für unsere Gestaltungsmöglichkeiten in der Gegenwart hervor und zeigt die Auswirkungen des Klimawandels auf.

An English version of this blogpost is available here!

Über diese Arbeit

In dieser Arbeit untersuchen wir, ob in der Vergangenheit erlebte Umweltbedingungen das Verhalten von Individuen und Populationen über Generationen beeinflussen können. Konkret untersucht haben wir diese Fragestellung am Verhalten der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Die Anregung zu diesem Projekt ging von früheren Forschungsprojekten im Labor von Prof. Fey aus, die verhaltensbezogene Temperaturregulierung als Reaktion auf von Menschen ausgelösten Klimawandel untersucht haben. Ziel dieses Projekts war es zu untersuchen, ob das Verhalten von Individuen sowohl Ausdruck selbst erfahrener Umweltbedingungen als auch das Ergebnis der Umwelterfahrungen der Vorfahren sein kann. Letzteres würde unser Verständnis von den Einflussgrößen erweitern, die die Spielräume verhaltensbedingter Temperaturregulierung beeinflussen oder einschränken können.

Chlamydomonas reinhardtii Teilchen (Credit: Greta Glover, 2018)

Der Klimawandel hat starke Auswirkungen auf Süßwasserökosysteme, da Oberflächentemperaturen ansteigen, Verdunstungsraten steigen und sich der Austausch zwischen den Schichten der Wassersäule verringert; dies erhöht das Risiko des lokalen Aussterbens in Süßwasserökosystemen. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass ausgewählte Organismen ihr Verhalten anpassen können, um die Auswirkungen der Klimaerwärmung zu minimieren. Dennoch haben wenige Arbeiten die Rolle der transgenerationalen Plastizität bei der effektiven verhaltensbezogenen Thermoregulation untersucht.

Aufgrund der genetischen Ähnlichkeit zwischen den Individuen und dem relativ kurzen Anpassungszeitraum haben wir uns entschlossen, diese Frage anhand einer motilen Grünalgenart zu untersuchen. Es hat sich gezeigt, dass sich diese Spezies (C. reinhardtii) innerhalb von zwei Wochen an ihre thermische Umgebung akklimatisiert, was unter idealen Bedingungen etwa 20 Generationen entspricht. In einem vorangegangenen Projekt haben wir die Dynamik zwischen Wachstumsraten und Akklimatisierung als Funktion unterschiedlicher Temperaturen untersucht. Dieses Projekt gab uns die Möglichkeit, Einzelschritte dieses Prozesses der Akklimatisierung aufzuzeichnen.

Als wir begannen, uns mit der Forschung zum Thema transgenerationale Verhaltensplastizität zu befassen, stellten wir fest, dass der Schwerpunkt der Forschung auf der Eltern-Kind Beziehung lag. Nur wenige Arbeiten zu diesem Thema untersuchten generationsübergreifende Fragestellungen. Diese Spezies ermöglichte es uns, diese Frage über viele (~20) Generationen hinweg zu untersuchen, was unsere Arbeit zu einer der wenigen macht, die transgenerationaler Verhaltensplastizität über diese Vielzahl von Generationen hinweg untersucht hat. Wir fanden heraus, dass die historischen Umweltbedingungen die Bewegung von C. reinhardtii Individuen und Populationen unter neuartigen Umweltbedingungen für bis zu 10 Generationen beeinflussen kann.

Hannah Meier und Dr. Samuel Fey beim Sammeln von Phytoplanktonproben (Credit: Alisha Jucevic, 2021)

Über die Forschung

Diese Arbeit ist über das Gebiet der Phytoplanktonoekologie hinaus von allgemeiner Bedeutung,  da sie aufzeigt, dass wir historische Umweltbedingungen kennen und  berücksichtigen müssen, um vorherzusagen, wie Populationen auf den Klimawandel reagieren werden. Unsere Arbeit verbessert Vorhersagen darüber, wie Populationen sich auf verändernde Umgebungen anpassen können, und zeigt, dass frühere Umweltbedingungen die Bewegungsmuster in der Gegenwart verändern können. Selbst wenn sich Populationen an belastende Umweltverhältnisse akklimatisieren können, kann ihre Fähigkeit sich zu akklimatisieren mit der Zeit abnehmen.

Links: Ein 100-ml-Messbecher gefüllt mit sechs Reagenzgläsern voll mit Phytoplankton-Proben Rechts: Phytoplankton-Stammlösungen (Credit: Alisha Jucevic, 2021)

Die große Herausforderung der Datenanalyse war es, aktive Bewegung der Algen von deren Drift zu unterscheiden. Ursprünglich haben wir Hidden-Markov-Modelle verwendet, um bewegende und nicht bewegende Algen zu differenzieren. Wir mussten feststellen, dass dieser Ansatz es nicht erlaubte, zwischen aktiver Bewegung und Drift zu unterscheiden. Wir entschieden letztendlich, mit einem Geschwindigkeitsschwellenwert zu arbeiten. Diesen Schwellenwert haben wir aufgrund unserer Beobachtungen bei der Überprüfung unserer Null-Hypothese zur Unterscheidung von aktiver Bewegung und Drift festgelegt. Wir haben die mediane Geschwindigkeit über Zeit gewählt. Eine Population C. reinhardtii wurdefür 20 Minuten in ein Wasserbad von 60 °C gegeben, um die Bewegungsmuster der durch Hitze deaktivierten Algen zu analysieren. Dieser Prozess dauerte mehrere Monate, aber letztendlich schien es der vernünftigste Ansatz zu sein, um Bewegungen zu kategorisieren.

Wir waren überrascht von der Anzahl der Generationen, die von der ursprünglichen Temperatur betroffen waren. Unsere ursprüngliche Annahme war, dass extreme Temperaturen die Bewegung von Partikeln über mehr als eine einzige Generation aufgrund der sukzessiven Plastizität demographischer Prozesse nicht zulassen würde. Eine der weiterführenden Fragen, die sich aus dieser Arbeit ergab, ist die Frage nach den ursächlichen Mechanismen, die hier zum Tragen kommen. Noch haben wir keine Antwort auf diese Frage. Die Antworten sind wichtig, um zu untersuchen, wie transgenerationale Plastizität sich auf das Verhalten anderer Spezies und Systeme auswirkt.

Wir wollen unsere Prognosen zu Populations Persistenz und Zusammensetzung in Süßwasserökosystemen aufgrund des anthropogenen Klimawandel verbessern. Phytoplankton sind kritisch für die Primärproduktion und sind von entscheidender Bedeutung um zu verstehen, wie der Klimawandel Süßwasserökosystemen verändern wird. Diese Themen sind zentral in meiner Forschung und haben dieses Projekt inspiriert. Zukünftig wollen wir untersuchen,, warum die Auswirkungen unterschiedlicher Temperaturen so lange anhalten und welche Faktoren die Verhaltensthermoregulation beeinflussen.

Über die Autorin

Die Autorin Hannah Meier, 2022

Ich arbeite aktuell als Forschungsassistentin im Labor von Dr. Samuel Fey am Reed College, USA. Reed habe ich 2021 mit einem B.A. in Biologie abgeschlossen. In meinem dritten Semester in Reed habe ich einen Einführungskurs in Biologie belegt, der teilweise von Dr. Fey gelehrt wurde. Ich habe diesen Kurs sehr geschätzt. Im gleichen Jahr erhielt ich mein erstes Forschungsstipendium von der Fakultät für Biologie, das es mir ermöglichte, während des Sommers im Labor von Prof. Frey zu forschen. Hier stieß ich auf die Fragen zur thermischen Akklimatisierung und phänotypischen Plastizität, die mich seitdem interessieren. Mein Abschlussjahr in Reed war noch von der COVID Pandemie geprägt und ich musste das Design meiner Forschungen entsprechend anpassen, da ich keinen Laborzugang hatte. Dr. Fey und seine Laborleiterin Tamara Layden haben mir geholfen, entsprechende erste Experimente zu entwerfen, die die Grundlage für dieses Manuskript geboten haben. Der Schwerpunkt meiner Arbeit lag auf der statistischen Analyse und ich konnte mit Hilfe von Dr. Colin Kremer, Dr. Anna Ritz und Dr. Fey die statistischen Analysen für dieses Projekt durchführen und abschließen. Insbesondere Dr. Kremer (derzeit Fakultät an der University of California, Los Angeles) und ich haben viel Zeit damit verbracht, gemeinsam an den letzten Aspekten der Datenanalyse zu arbeiten, besonders der Fragestellung, ob Bewegungen als aktiv und gerichtet oder  passiv und willkürlich zu klassifizieren ist.

Dr. Fey war es, der mich am meisten dazu inspiriert hat, Ökologie zu studieren. Seine Begeisterung und Leidenschaft für dieses Fachgebiet sind ansteckend, und darüber hinaus war er immer ein verständnisvoller und unterstützender Mentor. Für mich zeichnet sich ein großartiger Wissenschaftler und ebensolcher Lehrer dadurch aus, dass er seinen Studenten hilft, kritische Fragen außerhalb ihrer Komfortzone zu stellen und zu beantworten. Diese Unterstützung habe ich von Dr. Fey als Studentin in Reed und als seine Forschungsassistentin erfahren.

Einer der prägendsten Momente in meiner frühen Ausbildung war, vor meiner Klasse gedemütigt zu werden, weil ich eine Matheprüfung nicht bestanden hatte. Ich war von dieser Erfahrung nachhaltig geprägt, und es dauerte lange, bis ich das Selbstvertrauen entwickelt hatte, um eine Karriere in den Naturwissenschaften zu verfolgen. Mir ist es wichtig, diese Geschichte zu teilen – gutes Mentoring ist wichtig und das Gegenteil ist zerstörerisch. Meine Laufbahn in der Ökologie verdanke ich der Unterstützung durch meine Professoren in Reed.

Die Ökologie hat mir die Möglichkeit gegeben, Fragen nach möglichen Anpassungsstrategien zum Klimawandel auf der Populationsebene nachzugehen. Dieses Thema interessiert mich seit meiner Kindheit. Ich bin sehr dankbar, dass mir die Möglichkeit gegeben wurde, mein eigenes Forschungsprojekt zu entwerfen und es bis zur Veröffentlichung zu verfolgen. Obwohl es manchmal frustrierend war, dieselben Daten über einen Zeitraum von zwei Jahre wiederholt zu analysieren, hat es mir gezeigt, wie wichtig es ist, meinen Workflow zu überarbeiten und somit mein Verständnis zu vertiefen.

Hat dir dieser artikel gefallen? Lesen sie hier die studie!

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