Coccolithophore钙化

颗石藻是大约2亿年前进化而来的海洋浮游植物,从那时起就主宰了世界海洋。这些单细胞光合生物用钙化的鳞片覆盖自己,称为球石。球石是一组复杂的方解石晶体,在一个特殊的细胞器内形成,完成后挤压到细胞表面。

在海洋中,球石的产生是如此强烈,以至于从外太空都能看到球石藻的大量繁殖,随着地质时间的推移,球石在海底堆积,形成了大量的白垩岩层。目前,迫切需要了解变化的气候条件,特别是海洋酸化是否可能通过钙化和光合作用影响颗石藻及其在全球碳循环中的作用。

控制复杂结晶过程的生物机制才刚刚开始被揭示。似乎球粒石的形成经过细胞内多个中间阶段,并由各种有机成分的活动协调。为了了解各种有机和无机成分之间的细胞关系,我们正在使用最先进的显微镜来生成快速冷冻细胞的分子尺度分辨率图像,尽可能接近它们的自然状态。

实验室正在进行的一些项目:

1.钙离子输送到矿化囊泡的机制Pleurochrysis carterae(与德国EMBL Julia Mahamid博士合作)

我们研究球粒石的形成原位,通过电子显微镜。钙化细胞被冷冻,用cryoFIB-SEM磨成薄片,然后在低温条件下用最先进的Titan Krios TEM成像。显微镜数据,在2D和3D,提供了这个纳米尺度的过程的直接可视化,并对晶体生长的化学微环境有重要的见解。

从单个藻细胞到约200nm厚的片层。一个B,前SE探测器视图(一个)和之后(B)铣削。可见3个胞外球石(蓝色箭头)。CD,同一cell的FIB检测器视图一个B,分别磨前和磨后。黄色矩形C指示FIB将磨出的帧。已完成的薄片用黄色箭头表示。

矿化晚期球石囊泡的分段原位。分割部分描绘了2个晶体单位(蓝色和浅蓝色),致密的有机颗粒(红色)和有机晶体外壳(粉红色),基底的径向纤维(紫色)和球石囊泡的膜结构(淡绿松石)。

2.解译在球石形成过程中方解石晶体生长的复杂三维结构

我们的目标是揭示球石形态的动态变化——从最初的简单晶体单元,到最终的复杂形状。为此,我们从严重钙化的颗石包体中提取细胞内的颗石Calcidiscus leptoporus并用电子断层扫描技术观察其三维形态变化。

一)扫描电子显微镜(SEM)的整体图像Calcidiscus leptoporus细胞;B)截面的冷冻扫描电镜图像c . leptoporus细胞,显示细胞外的球石球体,以及仍未胞出的内部球石;C)未成熟阶段的细胞内(提取)颗石的SEM图像;D)从未成熟的球粒石(如C).

3.描述颗石藻生活史中单倍体阶段未知的生物矿化途径

颗石细胞在其生命周期中产生两种非常不同类型的颗石——单倍体和二倍体。在本项目中,我们利用亚细胞透射电镜成像来研究在高深莫测的单倍体生命阶段产生的全球粒体的形成。全球石是由均匀的纳米方解石晶体组成的,这些晶体组装成特定物种的复杂和惊人的形态。

透射电镜的薄片(70nm)一)形成Calyptrosphaera sp.细胞的全球形石。B)单个冠状全球粒石,显示方解石晶体组织在“无颈”模式。

4.为球粒石的形成添加颜色:

在颗石藻中形成颗石需要复杂和高度调控的内膜运输途径。我们将荧光标记和贩运抑制剂结合在一起,动态跟踪球粒石的形成途径,旨在阐明参与这一过程的不同步骤和细胞成分。

共聚焦显微镜图像Pleurochrysis carterae细胞。左边(绿色)显示钙黄素AM标记的细胞内钙池,右边(黄色)显示DAPI标记的多磷酸盐池。叶绿素自身荧光用品红表示。