Sexuelle Fortpflanzung

Automixis bei Cymbella

Im Juli 2017 isolierte ich Diatomeen der Gattung Cymbella aus einem Teich in Hohenheim (Stuttgart, 48°42'34.0"N 9°12'29.1"E). Die Größe der Diatomeen betrug zum Zeitpunkt der Isolierung etwa 240 µm und lag

nach 5 Monaten in Kultur im Bereich von 150 bis 180 µm. Das Bild einer Valve mit einer Länge von 151 µm ist im Bild links in der oberen Bildhälfte zu sehen. Ich gehe davon aus, dass es sich um Cymbella aspera handelt.

An mehreren Stellen einer Kulturschale setzte bei dieser Diatomeen-Länge eine geschlechtliche Fortpflanzung ein. Auxosporen mit anhaftenden Valven und Erstlingszellen waren zu finden.

Die Größe der Erstlingszellen erwies sich nicht als einheitlich. Sie besaßen eine Länge zwischen 270 µm und 302 µm, wobei eine Länge um 280 µm sehr häufig auftrat. Damit waren diese Erstlingszellen deutlich länger, als ich es bei dieser Spezies erwartet hätte. Das Längenverhältnis von Erstlingszelle zu einer kleinen Zelle, die geschlechtliche Vermehrung zeigt, liegt etwa bei 1,8 bis 2. Im Bild links oben ist unter der kleinen Diatomee eine große Diatomee (Länge 270 µm) gezeigt, die der ersten Kultur entstammt, die sie aus einer Erstlingszelle

entwickelt hat. Sie ist also höchstens einige Generationen von der Erstlingszelle entfernt.

Ein typisches Bild einer Kultur zeigt das Bild links (zum Vergrößern anklicken). Hier kann man an mehreren Stellen Anzeichen von sexueller Fortpflanzung entdecken.

Bei näherer Betrachtung erkennt man, dass jede Auxospore aus nur einer Zelle stammt. In einer einzelnen Diatomee entstehen durch Meiose zwei Gameten, die danach zu einer Zygote (Auxospore) verschmelzen. Es handelt sich um eine Selbstbefruchtung, genauer gesagt um Automixis. Die Schalen der Diatomeen öffnen sich und eine Auxospore wächst heran. Die Automixis bei Cymbella aspera wurde von Lothar Geitler (1956) beschrieben. Aus dieser Veröffentlichung stammt die nachfolgende Zeichnung:

automixis geitler
Reprinted by permission from Springer Nature: Planta, Automixis, Geschlechtsbestimmung und Pyknose von Gonenkernen bei Cymbella aspera, Lothar Geitler (1956)

Die Auxospore ist von einer strukturierten Membran, dem so genannten Perizonium, umschlossen. Im Inneren des Perizoniums wächst die Auxospore heran und entwickelt neue Frusteln. Die Frusteln der ursprünglichen Diatomee haften von außen daran. Schließlich verlässt eine fertige Diatomee maximaler Größe das Perizonium. Eine nahezu fertige Erstlingszelle ist nachfolgend links zu sehen (zum Vergrößern anklicken). Noch hat die Zelle das Perizonium nicht verlassen. Im Bild rechts daneben ist dies geschehen (zum Vergrößern anklicken).

Die Struktur des Perizoniums ist mit Phasenkontrast gut erkennbar, nicht jedoch im Hellfeld. Im folgenden Bild werden Hellfeld und Phasenkontrast abwechselnd gezeigt (2 Sekunden und 5 Sekunden).

perizonium hf phako

In der Kultur zeigte sich, dass häufig die Gameten nach ihrer Bildung abstarben und es nicht zur Fusion der Gameten kam. Dies passierte weitaus häufiger als eine erfolgreiche Bildung einer Erstlingszelle. Auch einige Erstlingszellen erwiesen sich als nicht lebensfähig oder nicht kultivierbar.

Die kontinuierliche Beobachtung der Bildung einer Auxospore stellte sich als schwierig heraus. Sowohl bei Cymbella cistula als auch bei Cymbella aspera war auffällig, dass häufig Auxosporen während einer Beobachtungszeit über mehrere Stunden zugrunde gingen. Ich vermute, dass Auxosporen eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber hohen Lichtintensitäten aufweisen, wie sie normalerweise bei mikroskopischer Beobachtung verwendet werden. Ein Video einer wachsenden Auxospore ist nachfolgend zu sehen:

Der gezeigte Ausschnitt stammt aus einer längeren Dauerbeobachtung und erstreckt sich über einen Zeitraum von 84 Stunden. Zur Schonung der Auxospore wurde die Intensität des Lichtes extrem gering gehalten, was ein starkes Bildrauschen zur Folge hat. Anfangs wurde der Tag-Nacht-Rhythmus wie bei der Kultivierung beibehalten. Die Nächte sind durch eine kurze Dunkelpause im Video angedeutet. Es zeigte sich nach der zweiten Dunkelphase deutlich, dass die Entwicklung in Dunkelheit fortgeschritten war. Danach wurde auf Dunkelphase verzichtet. Da die Diatomee und die Auxospore nicht parallel zum Boden der Petrischale lagen, ist die Diatomee im unteren Bereich sehr unscharf abgebildet (Objektiv mit 20x Vergrößerung). Nachfolgend sind Einzelbilder mit einem zeitlichen Abstand von ungefähr 4 Stunden (250 Minuten) nebeneinander gestellt:

 auxosporen vgl

Die eingeblendeten Linien zeigen, dass die Auxospore im Rahmen der Abbildungsgenauigkeit linear mit der Zeit wächst. Die Wachstumsgeschwindigkeit betrug ca. 3,4 µm pro Stunde.

 

Geitler, Lothar (1956) Automixis, Geschlechtsbestimmung und Pyknose von Gonenkernen bei Cymbella aspera. Planta. Vol. 47. pg. 359-373.

 

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