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Cell-to-cell diversity in a synchronized chlamydomonas culture as revealed by single-cell analyses
(2012)
In a synchronized photoautotrophic culture of Chlamydomonas reinhardtii, cell size, cell number, and the averaged starch content were determined throughout the light-dark cycle. For single-cell analyses, the relative cellular starch was quantified by measuring the second harmonic generation (SHG). In destained cells, amylopectin essentially represents the only biophotonic structure. As revealed by various validation procedures, SHG signal intensities are a reliable relative measure of the cellular starch content. During photosynthesis-driven starch biosynthesis, synchronized Chlamydomonas cells possess an unexpected cell-to-cell diversity both in size and starch content, but the starch-related heterogeneity largely exceeds that of size. The cellular volume, starch content, and amount of starch/cell volume obey lognormal distributions. Starch degradation was initiated by inhibiting the photosynthetic electron transport in illuminated cells or by darkening. Under both conditions, the averaged rate of starch degradation is almost constant, but it is higher in illuminated than in darkened cells. At the single-cell level, rates of starch degradation largely differ but are unrelated to the initial cellular starch content. A rate equation describing the cellular starch degradation
Unter geeigneten Wachstumsbedingungen weisen Algenkulturen oft eine größere Produktivität der Zellen auf, als sie bei höheren Pflanzen zu beobachten ist. Chlamydomonas reinhardtii-Zellen sind vergleichsweise klein. So beträgt das Zellvolumen während des vegetativen Zellzyklus etwa 50–3500 µm³. Im Vergleich zu höheren Pflanzen ist in einer Algensuspension die Konzentration der Biomasse allerdings gering. So enthält beispielsweise 1 ml einer üblichen Konzentration zwischen 10E6 und 10E7 Algenzellen. Quantifizierungen von Metaboliten oder Makromolekülen, die zur Modellierung von zellulären Prozessen genutzt werden, werden meist im Zellensemble vorgenommen. Tatsächlich unterliegt jedoch jede Algenzelle einer individuellen Entwicklung, die die Identifizierung charakteristischer allgemeingültiger Systemparameter erschwert. Ziel dieser Arbeit war es, biochemisch relevante Messgrößen in-vivo und in-vitro mit Hilfe optischer Verfahren zu identifizieren und zu quantifizieren. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Puls-Amplituden-Modulation(PAM)-Fluorimetriemessplatz zur Messung der durch äußere Einflüsse bedingten veränderlichen Chlorophyllfluoreszenz an einzelnen Zellen vorgestellt. Die Verwendung eines kommerziellen Mikroskops, die Implementierung empfindlicher Nachweiselektronik und einer geeignete Immobilisierungsmethode ermöglichten es, ein Signal-zu-Rauschverhältnis zu erreichen, mit dem Fluoreszenzsignale einzelner lebender Chlamydomonas-Zellen gemessen werden konnten. Insbesondere wurden das Zellvolumen und der als Maß für die Effizienz des Photosyntheseapparats bzw. die Zellfitness geltende Chlorophyllfluoreszenzparameter Fv/Fm ermittelt und ein hohes Maß an Heterogenität dieser zellulären Parameter in verschiedenen Entwicklungsstadien der synchronisierten Chlamydomonas-Zellen festgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die bildgebende Laser-Scanning-Mikroskopie und anschließende Bilddatenanalyse zur quantitativen Erfassung der wachstumsabhängigen zellulären Parameter angewandt. Ein kommerzielles konfokales Mikroskop wurde um die Möglichkeit der nichtlinearen Mikroskopie erweitert. Diese hat den Vorteil einer lokalisierten Anregung, damit verbunden einer höheren Ortsauflösung und insgesamt geringeren Probenbelastung. Weiterhin besteht neben der Signalgewinnung durch Fluoreszenzanregung die Möglichkeit der Erzeugung der Zweiten Harmonischen (SHG) an biophotonischen Strukturen, wie der zellulären Stärke. Anhand der Verteilungsfunktionen war es möglich mit Hilfe von modelltheoretischen Ansätzen zelluläre Parameter zu ermitteln, die messtechnisch nicht unmittelbar zugänglich sind. Die morphologischen Informationen der Bilddaten ermöglichten die Bestimmung der Zellvolumina und die Volumina subzellularer Strukturen, wie Nuclei, extranucleäre DNA oder Stärkegranula. Weiterhin konnte die Anzahl subzellulärer Strukturen innerhalb einer Zelle bzw. eines Zellverbunds ermittelt werden. Die Analyse der in den Bilddaten enthaltenen Signalintensitäten war Grundlage einer relativen Konzentrationsbestimmung von zellulären Komponenten, wie DNA bzw. Stärke. Mit dem hier vorgestellten Verfahren der nichtlinearen Mikroskopie und nachfolgender Bilddatenanalyse konnte erstmalig die Verteilung des zellulären Stärkegehalts in einer Chlamydomonas-Population während des Wachstums bzw. nach induziertem Stärkeabbau verfolgt werden. Im weiteren Verlauf wurde diese Methode auch auf Gefrierschnitte höherer Pflanzen, wie Arabidopsis thaliana, angewendet. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass viele zelluläre Parameter, wie das Volumen, der zelluläre DNA- und Stärkegehalt bzw. die Anzahl der Stärkegranula durch eine Lognormalverteilung, mit wachstumsabhängiger Parametrisierung, beschrieben werden. Zelluläre Parameter, wie Stoffkonzentration und zelluläres Volumen, zeigen keine signifikanten Korrelationen zueinander, woraus geschlussfolgert werden muss, dass es ein hohes Maß an Heterogenität der zellulären Parameter innerhalb der synchronisierten Chlamydomonas-Populationen gibt. Diese Aussage gilt sowohl für die als homogenste Form geltenden Synchronkulturen von Chlamydomonas reinhardtii als auch für die gemessenen zellulären Parameter im intakten Zellverbund höherer Pflanzen. Dieses Ergebnis ist insbesondere für modelltheoretische Betrachtungen von Relevanz, die sich auf empirische Daten bzw. zelluläre Parameter stützen welche im Zellensemble gemessen wurden und somit nicht notwendigerweise den zellulären Status einer einzelnen Zelle repräsentieren.
Physiological response of two different Chlamydomonas reinhardtii strains to light-dark rhythms
(2016)
Cells of a cell-wall deficient line (cw15-type) of Chlamydomonas reinhardtii and of the corresponding wild type were grown during repetitive light-dark cycles. In a direct comparison, both lines showed approximately the same relative biomass increase during light phase but the cw-line produced significantly more, and smaller, daughter cells. Throughout the light period the average cellular starch content, the cellular chlorophyll content, the cellular rate of dark respiration, and the cellular rate of photosynthesis of the cw-line was lower. Despite this, several non-cell volume related parameters like the development of starch content per cell volume were clearly different over time between the strains. Additionally, the chlorophyll-based photosynthesis rates were 2-fold higher in the mutant than in the wild-type cells, and the ratio of chlorophyll a to chlorophyll b as well as the light-saturation index were also consistently higher in the mutant cells. Differences in the starch content were also confirmed by single cell analyses using a sensitive SHG-based microscopy approach. In summary, the cw15-type mutant deviates from its genetic background in the entire cell physiology. Both lines should be used in further studies in comparative systems biology with focus on the detailed relation between cell volume increase, photosynthesis, starch metabolism, and daughter cell productivity.