Sexuelle Fortpflanzung bei Cymbella (Allomixis)

Viele der hier vorgestellten Beobachtungen beschäftigen sich mit der Bewegung von Diatomeen und die Bildung von Kolonien. In diesem und dem folgenden Beitrag geht es jedoch um die sexuelle Fortpflanzung von zwei Spezies der Gattung Cymbella.

Ende Juni 2016 entnahm und kultvierte ich eine Cymbella-Spezies aus einem kleinen Stausee (Ebnisee,

48°55'25.5"N 9°36'32.8"E). Von Apex zu Apex betrug die Länge damals etwa 63 µm. Das Foto der Valven ist in der oberen Bildhälfte des ersten Bildes der Bilderfolge (zum Vergrößern anklicken) links zu sehen (100x-Objektiv mit Öl-Immersion). Ich gehe davon aus, dass es sich um Cymbella cistula handelt.

Mitte November tauchten große Cymbella in einer Kultur auf. Es zeigte sich, dass sie das Ergebnis geschlechtlicher Fortpflanzung waren. Da viele Diatomeen fast gleichzeitig an der unteren Grenze der Größe angelangt sind, findet die geschlechtliche Fortpflanzung an vielen Stellen in einer Kultur statt. In den folgenden Wochen ereignete sich dies auch in anderen etwa zeitgleich und später angelegten Kulturen.

Die Länge der kleinen Diatomeen lag zu diesem Zeitpunkt bei typisch 54 µm, während die großen Cymbella (Erstlingszellen) 120 µm maßen. Das Verhältnis der Längen liegt bei einem Wert von 2,2. Ein Bild der Valven wenige Generationen nach der sexuellen Fortpflanzung zeigt die untere Hälfte des ersten Bildes. Man erkennt die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Valven extremaler Längen.

Die geschlechtliche Fortpflanzung beginnt mit der Bildung von haploiden Gameten (Geitler (1954), Geitler (1957), Geitler (1967), Übersicht bei: Round et. al. (2007)). Im zweiten Bild der Bildergalerie sieht man bei jeder der kopulierenden Diatomeen zwei Gameten. Danach kommt es zur Fusion benachbarter Gameten der beiden Gametangien, zwei Auxosporen entwickeln sich, die zu großen vegetativen Zellen reifen. Es liegt also eine Fremdbefruchtung (Allomixis) vor. Im nachfolgenden Bild hat die Fusion der Gameten anscheinend begonnen. Es handelt sich um ein Bild, das aus mehreren Bildern zu unterschiedlichen Fokusebenen zusammengefügt wurde. Für dieses „Stacking“ wurde das Programm CombineZP (Open-Source Software von Alan Hadley) verwendet.

Ein Kopulationspaar und der Ablauf der Gametenfusion wurde von Lothar Geitler (1954) skizziert (zum Vergrößern anklicken):

Das Video oben links zeigt die Situation nach fast abgeschlossener Ausbildung der Auxosporen. Neben den Auxosporen sind die leeren Valven der kleinen Diatomeen zu erkennen, die kopuliert haben.

Das Wachstum zweier Auxosporen zeigt das nachfolgende Zeitraffer-Video (9000-facher Zeitraffer). Es ist mein Eindruck, dass Gameten und Auxosporen keine hohen Lichtintensitäten über längere Zeit vertragen. Das Video wurde deshalb bei sehr geringer Lichtintensität aufgenommen. Diese führt zu hohem Bildrauschen. Die Aufnahme erstreckte sich über 22,7 Stunden.

Da die Auxosporen nicht parallel zum Boden der Petrischale liegen, ist nach der Dunkelpause eine kurze Bildsequenz angehängt, bei welcher der Fokus durch die Probe bewegt wird. Noch deutlicher wird die Struktur

bei höherer Auflösung und Verwendung eines Bilderstapels, wie es im Bild links gezeigt ist. Hier erkennt man auch gut eine umgebende Kopulations-Schleimhülle. Die neuen Diatomeen sind offenbar bereits weit entwickelt, denn man erkennt die Struktur der Valven.

Beim Bilden des Stacks werden nur die kleinen Hälften der Valven sichtbar, die nahe am Objektiv liegen. Dahinter befinden sich die zugehörigen anderen Hälften. Man erkennt sie zwar bei geringerer Vergrößerung und damit höhere Tiefenschärfe, kann dann aber nicht mehr ihre Struktur auflösen. Ein Stacking mit ausgewählten Bildern liefert ein mäßig gutes Bild. Zur Illustration der räumlichen Struktur wurde ein Video angefertigt, bei dem der Fokus vorwärts und rückwärts durch die Probe bewegt wird. Die oberen und unteren kleinen Valven werden abwechselnd sichtbar. Dieses wie auch alle anderen Videos können bildschirmfüllend wiedergegeben werden. Oft ist die Auflösung der mikroskopischen Aufnahmen unzureichend dafür, sei aber bei diesem Video empfohlen.

Es ist anzumerken, dass für höher aufgelöste Aufnahmen von lebenden Proben ein aufrechtes Mikroskop verwendet wurde. Dazu wurden die Objekte aus der Petrischale mittels Pipette auf einen Objektträger gebracht und zur Beobachtung ein 63x Trockenobjektiv (Zeiss) eingesetzt.

Aus der Kopulations-Hülle entweichen die fertigen Zellen maximaler Größe. Dies ist vermutlich der erste Nutzen, den die neuen Zellen aus der Fähigkeit zur Bewegung ziehen. Der Vorgang wurde in Zeitraffer mit 75 facher Geschwindigkeit aufgenommen (ein Bild alle 3 Sekunden, Wiedergabe mit 25 fps). Dies ist das so entstandene Video:

Die beiden Diatomeen „schlüpfen“ in kurzem zeitlichem Abstand. Man erkennt bei der zweiten entweichenden Diatomee, wie die Schleimhülle elastisch nachgibt. Die Geschwindigkeit ist beachtlich, kann aber bei der gewählten Bildersequenz nur grob abgeschätzt werden. Bei zwei aufeinanderfolgenden Bildern im Abstand von drei Sekunden legt die erste entweichende Diatomee etwa die halbe Zelllänge zurück, was etwa 20 µm pro Sekunde bedeutet. Die zweite Diatomee beginnt zunächst langsam und kommt dann auf eine ähnlich große Geschwindigkeit, wobei die elastische Kopulationshülle vermutlich einen Beitrag zum Vortrieb leistet.

Mit kopulierenden und sterbenden kleinen Diatomeen reduziert sich die Anzahl der kleinen Diatomeen in der Kultur. Die Anzahl der großen Diatomeen nimmt aufgrund der geschlechtlichen Fortpflanzung und ungeschlechtlicher Vermehrung zu, so dass sie schnell dominieren. Diese Situation ist im Video rechts oben zu sehen.

Es ist zu erwähnen, dass zumindest in Kulturen die sexuelle Fortpflanzung nicht immer erfolgreich verläuft. Nicht selten sieht man abgestorbene Auxosporen. Ob dies in der Natur mit ähnlicher Häufigkeit stattfindet, können wir nicht beurteilen. Möglicherweise hängt dies auch mit einer hohen Lichtempfindlichkeit von Gameten und Auxosporen zusammen.

Die Beobachtung der geschlechtlichen Fortpflanzung dieser Cymbella gibt die Möglichkeit, die maximale und minimale Länge zu bestimmen und das Alter der Zelllinie in der Folgezeit quasi in Längeneinheiten zu messen. Bei konstant angenommener Generationsrate sinkt die mittlere Länge der Diatomeen in Kultur linear mit der Zeit. Dies ist natürlich nur eine grobe Annahme über den Zeitraum vieler Kulturen und gilt nur, solange nicht wieder die kleinste Größe erreicht wird. Zudem kann die Breite der Größenverteilung (im Idealfall Binomialverteilung) über die gesamte Zeit verfolgt und mit der Theorie verglichen werden.

Anmerkung (24.01.2018):

Alle Zellen der ursprünglichen Kultur waren aus einer einzigen Diatomee entstanden, besaßen also dasselbe Genom. In der Kultivierung zeigte sich, dass nicht alle aus Auxosporen gebildeten Diatomeen eine gute Lebensfähigkeit besaßen. Dies könnte eine Folge der Inzucht sein.

Die lebensfähigen großen Diatomeen konnten problemlos weiter kultiviert werden. Elf Monate nach den beschriebenen Beobachtungen war die Länge der Diatomeen wieder so gering, dass es erneut zu geschlechtlicher Fortpflanzung kam. Das nachfolgende Bild zeigt einen Blick in eine Kultur an einer Stelle mit hoher lokaler Dichte geschlechtlicher Fortpflanzung (zum Vergrößern anklicken). 

Anmerkung (02.04.2019)

In einer zweiten Stammkultur von Cymbella cistula kam es im Frühjahr 2019 bereits zur dritten „Runde“ der sexuellen Fortpflanzung. Das nachfolgende Video (Zeitraffer 30-fach; PlasDIC) zeigt einen Blick in eine Kultur, in der viele sexuelle Fortpflanzungen parallel erfolgen. Gut erkennbar sind darin die Zellen geringster Länge, Erstlingszellen und die Bildung von Paaren von Auxosporen.

Geitler, Lothar (1954) Lebendbeobachtung der Gametenfusion bei Cymbella. Oesterreichische Botanische Zeitschrift. Vol. 101(1/2). pg. 74-78.

Geitler, Lothar (1957) Die sexuelle Fortpflanzung der pennaten Diatomeen. Biological Reviews. Vol. 32. pg. 261-295.

Geitler, Lothar (1967) Paarung und Auxosporenbildung bei Cymbella. Oesterreichische Botanische Zeitschrift 114(4):484-489 · August 1967

F. E. Round; R. M. Crawford; D. G. Mann (2007), Diatoms: Biology and Morphology of the Genera, Cambridge University Press; 1 edition (2007)

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