Cell death in the marine diatom Phaeodactylum tricornutum

Abstract

Diatoméer utgjør en mangfoldig gruppe av encellede fotosyntetiske organismer med unike egenskaper som intrikate silicacellvegger og det gulbrune pigmentet fucoxanthin. Diatoméer representerer en essensiell del av fytoplanktonet og har betydelig økologisk betydning i akvatiske økosystemer, da deres utbredelsesområde inkluderer de fleste ferskvanns- og marine miljøer. Mens det er mye kunnskap om hvordan diatomépopulasjoner vokser, er vår forståelse av prosessene som fører til deres død tilsvarende begrenset. Regulert celledød (RCD) er en biologisk prosess som er kjennetegnet av irreversible nedbrytning av cellulære komponenter, noe som fører til forstyrrelse av cellulær integritet og til slutt død av cellen. RCD spiller en avgjørende rolle i utviklingen av organismer, samt under stressresponser. Videre blir forekomsten og betydningen av RCD i encellede organismer stadig mer anerkjent. Imidlertid forblir det meste av hvordan RCD aktiveres og utføres i modellorganismen for marine diatoméer, Phaeodactylum tricornutum, uklart. Her undersøkte vi triggerne og mekanismene som fører til RCD i P. tricornutum. Det ble fokusert på å utvikle en detaljert og spesialtilpasset protokoll for å vurdere celledød i P. tricornutum gjennom SYTOX® Green-farging ved hjelp av fluorescensmikroskopi og flowcytometri. Vi evaluerte virkningen av næringsbegrensning (N og P) alene og i kombinasjon med høylys, samt varmesjokk på levedyktighet og aktivering av celledød i P. tricornutum. Våre funn indikerer at varmesjokk ved forskjellige temperaturer induserer celledød i P. tricornutum. Vi observerte at celledød ble indusert ved eksponering for 30°C i 24 timer, forhold som kan ligne på det cellene vil kunne utsettes for i sitt naturlige miljø. Ferroptose er en form for RCD indusert av varmesjokk hos planter, cyanobakterier og eukaryotiske grønne mikroalger. For å finne ut om denne mekanismen er konservert i diatoméer også, eksponerte vi P. tricornutum for varmesjokk i nærvær av den kanoniske ferroptoseinhibitoren ferrostatin-1 (Fer-1). Våre resultater viser at varmesjokkindusert celledød ikke ble hemmet av Fer-1, og ferroptose ble heller ikke utløst av induseren RSL3 for de testede konsentrasjonene. Disse foreløpige resultatene antyder muligheten for at ferroptose kanskje ikke er konservert i den P. tricornutum. Resultatene fra denne studien danner grunnlag for videre eksperimentell forskning for å identifisere mekanismene bak celledød i P. tricornutum.

Diatoms constitute a diverse group of unicellular photosynthetic organisms with unique characteristics such as intricate silica cell walls and the yellow-brown pigment fucoxanthin. Diatoms represent an essential part of the phytoplankton and have significant ecological importance in aquatic ecosystems as their range of distribution includes most of both freshwater and marine environments. While there is abundant knowledge on how diatoms reproduce, our understanding of the processes that lead to their death is comparatively limited. Regulated cell death (RCD) is a biological process characterized by the irreversible breakdown of cellular components, leading to the disruption of cellular integrity and the ultimate demise of the cell. It plays a crucial role in the development of organisms, as well as during stress response. Furthermore, the occurrence and importance of RCD in unicellular organisms are becoming increasingly recognized. However, how RCD is activated and executed in the model marine diatom Phaeodactylum tricornutum remains largely unexplored. Here, we investigated the triggers and mechanisms that lead to RCD in the marine diatom P. tricornutum. In particular, a detailed custom protocol was designed to assess cell death in P. tricornutum through SYTOX® Green staining using fluorescence microscopy and flow cytometry. We evaluated the impact of nutrient (N and P) limitation alone and in combination with high-light, as well as of heat shock in viability and cell death activation on P. tricornutum. Our findings indicate that heat shock at different temperatures induces cell death in P. tricornutum. We observed that cell death is induced by exposure to 30 C° for 24h, a condition that could resemble the natural environment. Ferroptosis is a form of RCD induced by heat shock in plants, cyanobacteria, and eukaryotic green microalgae. To address its conservation in diatoms as well, we exposed P. tricornutum to heat shock in the presence of the canonical ferroptosis inhibitor, ferrostatin-1 (Fer-1). Our results show that heat shock-induced cell death was not inhibited by Fer-1, and ferroptosis was also not triggered by the inducer RAS-selective lethal (RSL3) for the tested concentrations. These preliminary results suggest the possibility that ferroptosis might not be conserved in the marine diatom P. tricornutum. Results obtained in this study constitute a basis for further experimental design and advance in exploring cell death in P. tricornutum.