CC BY
80
УДК 574.23:579.26
Игнатенко М.Е., Яценко-СтепановаТ.Н., Немцева Н.В.
Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза Уральского отделения
Росскийской академии наук E-mail: yacenkostn@gmail.com
ОСОБЕННОСТИ ВЕГЕТАЦИИ GEITLERINEMA AMPHIBIUM (AGARDH EX GOMONT) ANAGN. (CYANOPROKARYOTA) В УСЛОВИЯХ ГРАДИЕНТА СОЛЕНОСТИ СРЕДЫ
В условиях эксперимента определен диапазон галотолерантности Geitlerinema amphibium (Agardh ex Gomont) Anagn., установлены оптимальные для роста границы уровня минерализации. Выявлена широкая адаптивная вариабельность вида, которая проявляется как в морфологических особенностях, так и в изменении стратегии выживания.
Ключевые слова: цианобактерия, трихом, минерализация, галотолерантность, изменчивость, адаптация.
К факторам, создающим особые условия для жизни микроорганизмов, относится повышенное содержание солей в воде. Водоемы с естественно высоким уровнем минерализации широко распространены в аридных и семиарид-ных зонах Земного шара и являются объектом многочисленных исследований, связанных с различными аспектами экологических изменений биосистем под влиянием внешних воздействий. К числу таких водоемов относится бессточное озеро Эльтон (Волгоградская область), вода которого представляет собой насыщенный солевой раствор - рапу. В озеро впадают несколько рек (Большая Саморода, Хара, Ланцуг, Солянка, Чернавка, Малая Саморода, Каран-тинка), их гидрологический режим в течение года претерпевает значительные изменения, вплоть до полного пересыхания. В целом, эти водотоки представляют собой своеобразные экологические системы, физико-химические условия которых нестабильны вследствие значительных колебаний солености, связанных с взаимодействием речного стока с озером, сгонно-нагонными явлениями, испарением, атмосферными осадками т. п. В подобных условиях могут выживать лишь хорошо приспособленные к ним эвригалинные организмы.
Одним из видов, обитающих в вышеупомянутых реках, является Geitlerinema amphibium (Agardh ex Gomont) Anagn. (= Oscillatoria amphibia Agardh ex Gomont; Phormidium amphibium (Agardh ex Gomont) Anagn. et Kom.). В современных сводках данную цианобактерию рассматривают как индикатор галобности, а именно - олигогалоб-галофил, т. е. преимущественно пресноводный вид, но распространенный также в водах с невысоким уровнем NaCl
(0-5 г/л) [1]. Тем не менее, известен ряд работ, в которых С. атрЫЫит описывается как обитатель более соленых водоемов. Так, например, этот вид был обнаружен в озере Убсу-Нур (Тыва) при общей минерализации воды 5,5 г/л
[2], реке Хара бассейна оз. Эльтон (18-30 г/л)
[3], в Карибском море (34,97 г/л) [4], оз. Бай-Хол (Тыва) (39,7 г/л) [5], нижнем участке р. Малая Саморода (до 100 г/л) [6] и т. д. Таким образом, С. атрЫЫит является широко распространенным видом, верхние границы галотоле-рантности которого на сегодняшний день не определены. Поэтому в задачи наших исследований входило определение диапазона галото-лерантности анализируемой культуры и проведение исследования динамики развития С. атрЫЫит в условиях различной солености. Необходимость изучения экологии С. атрЫЫит связана также с тем, что эта цианобактерия является токсинопродуцирующей и при массовом развитии может являться причиной ухудшения экологического состояния водоемов [4], [7], [8].
Материалы и методы
С. атрЫЫит была выделена из проб воды реки Большая Саморода. Особенностью водотока является значительное изменение минерализации воды от истока к устью - от 3,97 г/л до 118,8 г/л (в период нагонных явлений из озера). В момент отбора проб общая минерализация составляла 10 г/л (по данным аккредитованной гидрохимической лабораторией ООО «Центр мониторинга водной и геологической среды» г. Самара).
Идентификацию С. атрЫЫит проводили по определителю Кошагек Anagnostidis К. [9], оригинальным статьям [10], [11] и с помощью
молекулярно-генетического анализа со специфичными цианобактериальными праймерами CYA359F, CYA781R [12]. Синтез праймеров и анализ фрагментов нуклеотидных последовательностей осуществлялись компанией «Син-тол» (Россия). Для установления близкородственных организмов к анализируемому штамму использовали банк генов центра биологической информации (NCBI - http:// www.ncbi.nlm.nih.gov).
В лабораторных условиях монокультуру цианобактерии поддерживали на среде Шмаль-ца-Прата. Культивирование проводили в режиме искусственной непрерывной инсоляции (5000 лк) и температуре + 25оС. Чистоту культуры контролировали микроскопически под световым микроскопом марки «Axiostar plus» (Carl Zeiss). Диапазон галотолерантности определяли в эксперименте путем выращивания исследуемой культуры на средах с концентрацией NaCl (г/л): 0, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 300. Подсчет численности водорослей проводили в камере Нажотта объемом 0,01 см3, определение биомассы осуществляли объемно-расчетным методом [13]. Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью программы Microsoft Excel 2003.
Результаты и обсуждение
При оценке диапазона галотолерантности G. amphibium было установлено, что соленость 300 г/л лимитировала развитие культуры. Уже на вторые сутки эксперимента фиксировали фрагментацию нитей на гормогонии и изменение окраски с ярко сине-зеленой на бледно-сине-зеленую, к 13 суткам отмечали сжатие протопласта клеток, после 16 суток культивирования в пробах регистрировали лишь единичные короткие, неокрашенные нити. Прирост биомассы отсутствовал.
При минерализации среды в 200 г/л G. amphibium сохраняла свою жизнеспособность на протяжении всего эксперимента, однако прирост биомассы был крайне незначительным от 1,9±0,2 мг/л в начале опыта до 2,4±0,3 мг/л к 30 суткам.
Кривые динамики развития G. amphibium при более низкой солености условно можно разделить на 2 группы:
а) в условиях минерализации 0, 10, 50 и 100 г/л у культуры выявлен более длитель-
ный период адаптации к условиям среды и невысокий прирост биомассы. Так, максимальный прирост биомассы этой цианобактерии от начала эксперимента при солености среды 10 г/л был зафиксирован на 10 сутки (21,9±0,8 мг/л); при 0 и 50 г/л - на 14 сутки (20,5±0,6 мг/л и 22,8±0,9 мг/л соответственно). Самый длительный адаптационный период наблюдался у культуры при вегетации в среде с соленостью 100 г/л, здесь прирост биомассы достиг своего максимума только к 17 суткам (19,4±0,4 мг/л) (рис. 1).
б) в условиях минерализации 20, 30, 40 г/л рост С. атрЫЬшт характеризовался более коротким адаптационным периодом и выраженным нарастанием биомассы. При солености 20 и 30 г/л максимальный прирост биомассы культуры зарегистрирован уже на 7 сутки (32,8±0,9 и 53,4±2,7 мг/л соответственно). При солености 40 г/л скорость развития культуры была несколько ниже, но именно при данной минерализации отмечен максимальный прирост биомассы (68,8±4,1 мг/л) (рис. 2).
Таким образом, несмотря на то, что в монокультуру С. атрЫЬшт была выделена из природных вод с уровнем минерализации 10 г/л, максимальный прирост биомассы С. атрЫЬшт наблюдали при 40 г/л, что дает основание рассматривать данную минерализацию как оптимальную для роста культуры. Полученные результаты объясняют отсутствие массового развития этой цианобактерии в пресных и солоноватых природных водах и вхождение ее в состав ценозообразующего комплекса в водоемах с повышенным уровнем минерализации [6], [8].
В ходе эксперимента наблюдались и морфологические изменения С. атрЫЬшт. Согласно определителю [9], для С. атрЫЬшт характерны трихомы (1) 1,8-2,2-3 (3,5-4) мкм ширины, у поперечных перегородок не перешнурованные, длина клеток в 2-3 раза превышает ширину и составляет (2,5) 3-9 мкм. Клетки часто (реже без них) с 1-4 (6) гранулами, расположенными у поперечных перегородок.
Однако при исследовании галотолерантно-сти данного вида цианобактерий нами были выявлены морфологические отклонения от типового диагноза. В опытных образцах были обнаружены нити, явственно перешнурованные у поперечных перегородок, клетки имели бочен-кообразную форму, а ширина нити увеличива-
лась до 5 мкм. М.С. ВШепсоиЛ-ОНуега е1 а1. (2009), проводившие электронное микроскопи-рование культуры С. атрЫЫшт, выращенной на среде BG-11 при общей минерализации 1,7 г/л, отмечали наличие небольшого сужения у поперечных стенок [11]. Наши исследования показали, что при культивировании в условиях повышенной минерализации этот признак (перешнуровка трихома) становился более выраженным и видимым при световой микроскопии. Отмечено так же, что процесс трансформации проходил от середины нитей к ее концам.
Кроме того, зарегистрировано изменение соотношения длины и ширины клеток: длина превышала ширину не более чем в 1-1,5 раза. Аналогичные морфологические изменения культуры (перешнуровка и размерные характеристики клеток) фиксировали при всех уровнях минерализации, но на разных сроках веге-
тации: чем выше была минерализация среды, тем быстрее шла трансформация трихомов. Следует отметить, что во всех опытных вариантах часть нитей С. атрЫЫшт сохраняла типичную для вида морфологию.
Влияние уровня солености отражалось и на продолжительности развития культуры до момента формирования гормогониев. Так, при минерализации 300 г/л массовая фрагментация нитей С. атрЫЫшт происходила уже на 2 сутки эксперимента, при солености 200 г/л - на 6 сутки, в условиях 100 г/л и 50 г/л лишь на 23 сутки опыта, а при более низкой солености массовое образование гормогониев не отмечали в течение всего эксперимента. Складывается впечатление, что при высокой минерализации среды культура С. атрЫЫшт ведет себя как г-стратег, тогда как низкая соленость обуславливает включение механизма к-стратегии. Отметим,
2 4 6
10 12 14 16 18 20
сутки
—— 0 г/л ---10 г/л ------50 г/л---100 г/л
Рисунок 1. Динамика прироста биомассы G. amphibium в условиях минерализации среды 0, 10, 50 и 100 г/л.
80 -|
ti
Ь 70
g 60 Я
s 50 Н
о
ю 40
! 30 Н
к
10
0
0
6 8 10 12 14 16 18 20
сутки
■ - - 20 г/л - - -30 г/л -40 г/л
Рисунок 2. Динамика прироста биомассы С. атрЫЫит в градиенте солености среды 20-40 г/л.
что с экологической точки зрения это явление аналогично адаптивному полиморфизму, описанному Н.В. Тимофеевым-Ресовским и Ю.М. Свирежевым на примере популяций Odalia bipunetata [14].
Уровень минерализации среды оказывал влияние также на процесс биопленкообразова-ния. В природных условиях, согласно определителю [9], для G. amphibium свойственно образование крупных тонких матов. В условиях эксперимента на 10 сутки при солености 0-40 г/л трихомы формировали рыхлые хлопьевидные скопления, легко разрушающиеся от механического воздействия. При более высокой минерализации (50, 100 г/л) подобного типа образования были отмечены на 23 сутки.
Рыхлые хлопьевидные скопления со временем трансформировались в плотные, не разрушающиеся от механического воздействия пленки. Этот процесс происходил при всех уровнях минерализации, но на разных сроках вегетации, начиная с 14 суток при солености 0 г/л; 17 суток - 10 г/л; 20 суток - 20, 30, 40 г/л; 30 суток - 50 и 100 г/л.
В условиях минерализации 200 и 300 г/л G. amphibium обнаруживали только в виде разрозненных нитей.
Заключение
Исследование галотолерантности цианобактерии G. amphibium, выделенной из природного водоема показало, что прирост ее биомассы происходит в диапазоне минерализации воды от 0 до 100 г/л NaCl. Оптимальной для роста культуры является минерализация 40 г/л. Полученные результаты ставят под сомнение возможность использования G. amphibium в качестве индикатора галобно-сти, а также объясняют отсутствие массового развития этой цианобактерии в пресных и солоноватых природных водах и, напротив, вхождение ее в состав ценозообразующего комплекса в водоемах с повышенным уровнем минерализации.
Выявлена широкая адаптивная вариабельность вида, которая проявляется как в морфологических особенностях, так и в изменении стратегии выживания.
1.10.2014
Работа выполнена при поддержке грантов по программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Живая природа: современное состояние и проблемы развития» проект № 12-П-4-1039, по Программе инициативных проектов фундаментальных исследований Уральского отделения РАН проект № 12-У-4-1031, грантов РФФИ № 13-04-00740-а, № 13-04-10119-к, гранта Оренбургской области в сфере научной и научно-технической деятельности (соглашение №38 от 30.06.2014)
Список литературы:
1. Баринова С.С., Медведева Л.А., Анисимова О.В. Биоразнообразие водорослей - индикаторов окружающей среды. Тель-Авив. - 2006. 498 с.
2. Науменко Ю.В. Первые сведения о фитопланктоне озера Убсу-Нур (Тыва, Россия) // Krylovia. - 2001. - Т.3. - №2. -С. 82-87.
3. Буркова Т.Н. Таксономический состав альгофлоры планктона высокоминерализованной реки Хара // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. - 2012. - Т.21. - №3. - С. 25-35.
4. Richardson L.L., Sekar R., Myers J.L., Gantar M., Voss J.D., Kaczmarsky L., Remily E.R., Boyer G.L., Zimba P.V. The presence of the cyanobacterial toxin microcystin in black band disease of corals // Federation of European microbiological societies. -2007. - 272. - P. 182-187.
5. Naumenko Yu.V. Algae of lake Bai-Khol (Tuva, Russia) // International journal of salt lake research. - 1999. - №8. P. 171-176.
6. Буркова Т.Н. Фитопланктон высокоминерализованной реки Малая Сморогда (Приэльтонье) / Материалы докладов II Всероссийской конференции с международным участием «Малые реки: Экологическое состояние и перспективы развития». Чебоксары, 2012. - С. 70-74.
7. Dogo C.R., Bruni F.M., Elias F., Rangel M., Pantoja P.A., Sant'Anna C.L., Lima C., Lopes-Ferreira M., de Carvalho L.R. Inflammatory effects of the toxic cyanobacterium Geitlerinema amphibium // Toxicon. - 2011. - 58 (6 - 7). - P. 464-470.
8. Rangel M., Brunetti R.L., Garcia A.N., Cambui C.C.N., Conserva G.A.A., Neves A.C., Sant'Anna C.L., Carvalho L.R. Acute effects of the three Geitlerinema spp. (Cyanobacteria) extracts administrated in mice: symptoms and histopathological aspects // Phytochemistry Reviews. - 2013. - Vol.12. - №3. - P. 543-553.
9. Komarek J., Anagnostidis K. Cyanoprokaryota. 2. Teil. Oscillatoriales // Susswasserflora von Mitteleuropa. Bd 19/2. Munchen. -2005. - S. 759.
10. Anagnostidis K. Geitlerinema, a new genus of oscillatorialean cyanophytes // Plant systematics and evolution. - 1989. - №164. -P. 33-46.
11. Bittencourt-Oliveira M.C., Moura A.N., Oliveira M.C., Massola N.S.Jr. Geitlerinema species (Oscillatoriales, Cyanobacteria) revealed by cellular morphology, ultrastructure and DNA sequencing // Phycological society of America. - 2009. - 45 - P. 716-725.
12. Nubel U., Garcia-Pichel F., Muyzer G. PCR primers to amplify 16S rRNA genes from cyanobacteria // Applied and environmental microbiology. - 1997. - Vol.63. - №8. - P. 3327-3332.
13. Садчиков А.П. Методы изучения пресноводного фитопланктона: методическое руководство. Москва: Университет и школа. - 2003. 157 с.
14. Тимофеев-Ресовский Н.В., Свирежев Ю.М. Об адаптационном полиморфизме в популяциях Adalia bipunctata L. // Проблемы кибернетики. - 1966. - Т.16. - С. 137-146.
Сведения об авторах:
Игнатенко Марина Евгеньевна, старший научный сотрудник лаборатории водной микробиологии Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН, кандидат биологических наук,
e-mail: ignatenko_me@mail.ru
Яценко-Степанова Татьяна Николаевна, ведущий научный сотрудник лаборатории водной микробиологии Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН, доктор биологических наук, доцент, e-mail: yacenkostn@gmail.com
Немцева Наталия Вячеславовна, заведующий лабораторией водной микробиологии Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН, доктор медицинских наук, профессор
460000, г. Оренбург, ул. Пионерская, 11
