Unsere Forschungsarbeiten im Fachgebiet Cnidaria umfassen verschiedene Taxa, mit dem Schwerpunkt auf Arten der Scyphozoa, Hydrozoa und Staurozoa.
Dr. Sabine Holst
Fachgebietsleiterin Cnidaria
Sektion
Cnidaria
S.Holst
In unseren taxonomischen Arbeiten kommen unterschiedliche morphologische Ansätze sowie molekulare Methoden zum Einsatz. Eine besondere Rolle für unsere Forschung spielt die Anzucht lebender Kulturen. Diese ermöglicht verschiedene Lebensstadien ausgewählter Arten für ökologische und taxonomische Arbeiten heran zu ziehen.
Forschung
Cnidaria gehören zu den ursprünglichsten mehrzelligen Tieren. Viele Arten sind aufgrund ihrer hohen Regenrationsfähigkeit und variabler Reproduktionsstrategien sehr anpassungsfähig.
In unseren Forschungsarbeiten an Lebendkulturen werden die Lebenszyklen ausgewählter Arten und der Einfluss von Umweltfaktoren auf ihre Reproduktion untersucht.
Unsere taxonomischen Arbeiten basieren sowohl auf Laborkulturen als auch auf gesammeltem Probenmaterial. Die Fixierung der gelatinösen Weichkörper der Cnidaria erzeugt starke Schrumpfungen, sodass ihre morphologischen Merkmale häufig nicht mehr klar zu erkennen sind. Molekulare Identifizierungsmethoden sind deshalb ein wichtiges zusätzliches Werkzeug zur Artidentifizierung und zur Artunterscheidung in der Cnidariaforschung. In unseren integrativen taxonomischen Studien werden morphologische Merkmale ausgewählter Arten beschrieben und mit molekularen Analysen kombiniert.
Spezielle morphologische Strukturen der Cnidaria, wie die Nesselkapseln und Statolithen, werden mit unterschiedlichen Techniken untersucht. Dazu zählen die Rasterelektronenmikroskopie (REM), die Röntgenspektroskopie (EDX), die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (cLSM), und die 3D-Rekonstruktionen anhand mikrotomografischer Daten (Micro-CT).
Die Lebendkultur von Cnidaria-Arten, die am DZMB in Kooperation mit der Universität Hamburg (Dr. Ilka Sötje) durchgeführt wird, ist eine wichtige Methode zur Aufklärung von Lebenszyklen und zur detaillierten Erfassung morphologischer Merkmale der verschiedenen Lebensstadien einer Art.
Bei vielen Cnidaria Arten sind die Lebenszyklen und die unterschiedlichen Vermehrungsstrategien unzureichend untersucht und nur unvollständig bekannt. Dies gilt auch für die metagenetischen Lebenszyklen der auffälligen, großen Scyphozoa (Scheibenquallen). Sei entstehen asexuell durch Abschnürungen (Strobilation) der unauffälligen, nur wenige Millimeter großen und meist wenig untersuchten, sessilen Polypen. Umweltfaktoren wie Klimaänderungen, Überfischung und Eutrophierung haben Einfluss auf die Entwicklung der Medusen. Diese Faktoren werden als Ursachen für ein in den letzten Jahrzehnten weltweit zunehmend registriertes Massenauftreten der Quallen diskutiert. In unseren Breiten treten Medusen in der Regel nur von Frühjahr bis Herbst auf und degenerieren nach der sexuellen Reproduktionsphase. Die Polypen können dagegen mehrere Jahre alt werden und bei der sogenannten Strobilation in jedem Jahr erneut junge Medusen (Ephyren) erzeugen. Die Entwicklung der Medusenpopulation hängt also erheblich von der Entwicklung der Polypenpopulation ab. Laborkulturen können dazu beitragen, den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Entwicklung von Polypen- und Medusenpopulationen zu erforschen (Holst 2012, Lesniowsky et al. 2015, Alguéro-Muñiz et al. 2016, Goldstein et al. 2017).
Quallen (Scypho- und Hydromedusen) sind weit verbreitete und artenreiche Vertreter des gelatinösen Zooplanktons und deshalb interessant für viele ökologische und taxonomische Studien.
Die korrekte Identifikation der unterschiedlichen Lebensstadien und die adäquate Fixierung der gelatinösen Körper stellen jedoch eine besondere Herausforderung der Medusentaxonomie dar.
Viele diagnostische Merkmale blieben nach der häufig angewendeten Formolfixierung erhalten. Dagegen führt die Fixierung in Ethanol, die häufig für die spätere DNA Analyse verwendet wird, zur Verzerrung oder zum Zerfall vieler morphologischer Merkmale der empfindlichen, gelatinösen Medusen.
Die molekulare Taxonomie ist ein nützliches Werkzeug für die Artidentifizierung, insbesondere bei juvenilen Lebensstadien und Arten mit wenigen diagnostischen morphologischen Merkmalen. Auch zur Unterscheidung nahe verwandter Arten mit sehr ähnlicher oder nicht unterscheidbarer Morphologie sind genetische Analysen sehr hilfreich. Unsere Studien stellen den Link zwischen morphologischer und molekularer Artunterscheidung und Artidentifizierung dar und demonstrieren den Vorteil dieses integrativen Ansatzes in der Taxonomie von Cnidaria Arten. Dieser Ansatz wurde für verschiedene Arten von Scyphomedusen, Hydromedusen und Staurozoa der Deutschen Bucht (Nordsee) erfolgreich realisiert (Laakmann & Holst 2014, Holst & Laakmann 2014, Holst et al. 2019). Eine Kombination aus morphologischen und molekulargenetischen Untersuchungen deckte auch erstmals das Vorkommen der Stielqualle Haliclytus tenuis (Staurozoa) in der Nordsee auf (Holst & Laakmann 2019). Bisher war diese Stauroza Art nur aus dem nordwestlichen Pazifik bekannt.
Alle Cnidaria besitzen Nesselkapseln (Cniden), die als gemeinsames Merkmal dieses Taxons namensgebend sind. Die unterschiedlichen Typen von Nesselkapseln sind in vielen Cnidaria Taxa ein wichtiges Merkmal zur Bestimmung und Unterscheidung verschiedener Arten.
Die Cniden haben unterschiedliche Funktionen. Sie dienen dem Beutefang, der Abwehr und dem Festheften am Untergrund. Jede Cnide ist wird von nur einer einzigen Zelle gebildet und nach ihrem Einsatz abgestoßen und ersetzt. Bei der explosionsartigen Entladung der Nesselkapsel wird ein Nesselfaden ausgestülpt. Je nach Form und Bedornung dieses Fadens können verschiedene Nesselkapseltypen unterschieden werden (Sötje & Holst 2020). Der Kontakt mit Nesselkapseln der Quallen mit der menschlichen Haut kann zu schmerzhaften Vernesselungen führen (Hoffmann et al. 2017).
Lebendbeobachtungen der unscheinbaren Polypengeneration der „upside-down“ Qualle Cassiopea andromeda beleuchten faszinierende asexuelle Vermehrungsstrategien, die entweder junge Polypen oder kleine Medusen (Ephyren) hervorbringen. Die Untersuchungen frischen Gewebes bei 1000facher Vergrößerung ermöglichte neue Einblicke in die Variationsbreite der Nesselkapseln der Art. Die genaue Betrachtung der Nesselfäden entladener Kapseln deckte eine höhere Diversität von Kapseltypen auf, als aus früheren Beschreibungen bekannt war. Unterschiede in den Anzahlen und der Größe spezifischer Nesselkapseltypen in fünf untersuchten Entwicklungsstadien lassen auf eine Anpassung an sich ändernde Beutepräferenzen schließen (Heins et al. 2015).
Statocysten, die Schweresinnesorgane der Quallen, sind am Schirmrand der Medusen lokalisiert. In ihnen befinden sich kleine Kristalle, die Statolithen, die die einzigen anorganischen Hartstrukturen im gelatinösen Medusenschirm darstellen.
Unsere Studien an Statolithen und Statocysten der Scyphozoa und Cubozoa, in Kooperation mit der Universität Hamburg (Dr. Ilka Sötje), gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschft (DFG), ermöglichten neue Einblicke in das wissenschaftliche Potential der dieser Strukturen (Holst et al. 2016, Heins et al. 2017, Sötje et al. 2017). Die Statolithen bestehen aus Calciumsulfathemihydrat (Basanit), einer extrem hygroskopischen Substanz, wodurch die Untersuchungen an Statolithen erschwert werden. Bei unseren Studien wurden verschiedenen Methoden kombiniert, die an die speziellen Eigenschaften der Statolithen angepasst wurden: Lichtmikroskopische Untersuchungen mit einem Slidescanner, Calcein Markierung kombiniert mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (cLSM), 3D-Rekonstruktionen anhand mikrotomografischer Daten (µCT), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenspektroskopie (EDX) und Einkristallanalyse.
Die Ergenisse zeigten, dass Größe und Anzahl der Statolithen der Scyphozoa mit dem Wachstum der Medusen zunehmen, was darauf hindeutet, dass sich die Kristalle zur Altersbestimmung eignen könnten. Zudem wurden taxon-spezifische Unterschiede in der Morphologie der Statocysten und Statolithen festgestellt.
Team
Lisa Kaiser
Bachelorstudentin (Universität Hamburg)
