CC BY
29
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.41
ПСИХРОТОЛЕРАНТНЫЕ АКТИНОМИЦЕТЫ В РАСТИТЕЛЬНЫХ СУБСТРАТАХ ТУНДРОВЫХ И ТАЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ
В.В. Прокопенко, Г.М. Зенова, А.С. Манучаров
Исследование тундровых цветковых растений и моховых разрастаний на п-ове Таймыр выявило присутствие в них психротолерантных актиномицетов, численность которых достигает тысяч и десятков тысяч КОЕ/г растительного субстрата, уступая мезо-фильным формам на один—два порядка. Инкубирование посевов из растений при 5° показало небольшое таксономическое разнообразие актиномицетов. Актиномицетный комплекс представлен видами р. Streptomyces, принадлежащими таксономическим секциям и сериям Albus Albus и Cinereus Achromogenes, и р. Micromonospora.
Ключевые слова: психротолерантные актиномицеты, стрептомицеты, микромоно-споры, растения, моховые разрастания.
Введение
Термин «психрофилы» впервые был предложен Шмидтом—Нильсеном в 1902 г. для бактерий, растущих при 0° (по [1]). Среди микроорганизмов, способных к росту при низких температурах, выделяют две группы — облигатные и факультативные психрофилы (чаще называемые психротро-фами), различающиеся экологическими нишами и механизмами адаптации к холоду. Но четкого разделения между этими группами нет. До сих пор широко используется характеристика этих групп, предложенная в 1970-х гг. R.Y. Morita [4]: психро-филы — организмы, оптимальная температура для роста которых составляет 15° и ниже, а максимальная не превышает 20°, хотя при этом они могут размножаться и при значениях, близких к нулю.
Традиционно принято следующее разделение мицелиальных актинобактерий (актиномицетов) на группы по их росту при разных температурах: факультативные психрофилы — организмы, растущие при 0° с оптимумом роста 10—28°, и плохо растущие при 37°; умеренные психрофилы — организмы, хорошо растущие при 0° с оптимумом роста при 10—20°, и не растущие при 37°; истинные психрофилы — организмы, растущие при 0° и имеющие оптимум роста при 10—14°, и не растущие при 28° [2]. Большинство исследователей для разделения актиномицетов на психротрофные (психротолерантные) и психрофильные инкубировали культуры при 20 и 4°. Психротрофы хорошо росли при 4°, максимальный рост отмечен при 20°, тогда как для психрофилов температура 4° была оптимальной. Другие исследователи оценивали пси-хрофильность Arthrobacter по длительности лаг-фазы и скорости роста при 0° [5]. На основе этой оценки был сделан вывод о том, что мезофилы
и психрофилы не являются четко ограниченными группами.
Некоторые бактерии, получившие название экстремальных психрофилов, хорошо растут при температуре —10° в микроскопических водных «карманах» на границах раздела между льдом и морской водой. Температурный диапазон роста психрофиль-ных бактерий, выделяемых из почвы, значительно шире, чем психрофилов, выделенных со дна моря, где постоянна температура 5° [3].
Часто для отнесения микроорганизма к одной из физиологических групп недостаточно пользоваться только скоростью роста как критерием для определения оптимальной температуры. Например, некоторые морские бактерии Антарктики быстрее растут в интервале температур 20—25°, однако при этих значениях у них уменьшается синтез некоторых экзоферментов и снижается общее число жизнеспособных клеток [1].
Цель нашей работы — установление численности метаболически активных психротолерантных представителей филума Actinobacteria, их таксономической принадлежности и температурных предпочтений в растительных субстратах северной тайги.
В задачи исследования входило: сравнение численности психротолерантных и мезофильных актиномицетов в тундровых растениях, моховых разрастаниях, сфагновом очесе, а также в торфяной олиготрофной почве и подзоле наземных экосистем тундры и тайги; определение метаболически активной биомассы представителей домена Eubac-teria и филума Actinobacteria в растениях биотопов таймырской тундры (Россия), моховых разрастаниях на берегах оз. Пяйянне (Финляндия); определение таксономической представленности и выявление температурных границ роста выделенных психротолерантных актиномицетов.
Характеристика объектов исследования
Cубстрат для выделения актиномицетов, название почвы Место взятия образцов
Мох с поверхности торфяно-криозема типичного Центральный Ямал, типичная тундра
Очес с поверхности торфяно-криозема типичного Центральный Ямал, типичная тундра
Мох с поверхности криозема грубогумусного глееватого окрестности г. Воркуты, мохово-лишайниково-кустарничковая тундра
Растения таймырской тундры п-ов Таймыр, пос. Тарея, типичная тундра
Очес с поверхности торфяной олиготрофной почвы Тверская обл., Западнодвинский р-н, южная тайга
Торфяная окультуренная почва (торфозем) Московская обл., Дмитровский р-н, южная тайга
Мох с поверхности подзола иллювиально-железистого о. Пайатсало (Финляндия), окрестности оз. Пяйянне, средняя (типичная) тайга
Объекты и методы исследования
Объекты исследования и их характеристика представлены в таблице. В работе использовали традиционный метод посева из разведений растительных субстратов и почвы. Для идентификации выделенных актиномицетов применяли методы исследования культуральных и морфологических свойств; биомассу метаболически активных клеток представителей домена Bacteria и филума Actinobacteria оценивали молекулярным методом гибридизации in situ (метод FISH-fluorescens in situ hybridization).
Посевы из растительных субстратов инкубировали при температурах 5, 20 и 28° для выявления в растительных субстратах мезофильных (28°) и психротолерантных (5 и 20°) актиномицетов. Акти-номицеты, выделенные при 5°, считали психрото-лерантными; при 20° — после проверки на способность к росту при 5° и, в случае их активного роста, относили к психротолерантным; актиномицеты, выделенные при инкубировании посева при 28°, считали мезофилами.
Результаты и их обсуждение
Численность актиномицетов в растениях таймырской тундры колебалась в пределах от тысяч и десятков тысяч до сотен тысяч КОЕ/г растительного материала в зависимости от температуры инкубирования посевов, биотопа, из которого изолировано растение, вида последнего и части (подземная или надземная). Полученные различия в количестве актиномицетов, изолируемых из разных мест обитания, проявляются только в виде тенденции. Наиболее четкими они оказались по численности актиномицетов, выделенных из тундровых растений при разных температурах.
Численность актиномицетов, выделяемых при 5° из тундровых растений (тысячи КОЕ/г растительного материала), оказалась на один—два порядка ниже таковой актиномицетов, выделяемых при
20 и 28° (десятки и сотни тысяч КОЕ/г субстрата). Актиномицеты представлены видами, принадлежащими разным секциям и сериям р. Streptomyces. Их разнообразие наиболее высоко в случае инкубирования посевов при 28° и снижается в температурном ряду 28° > 20° > 5°.
Разнообразие психрофильных и психротолерантных представителей мицелиальных актинобак-терий, выделяемых из дриадника при инкубировании посевов при 5°, невелико; актиномицетный комплекс представлен здесь неокрашенными формами стрептомицетов — представителями видов, принадлежащих секциям и сериям Albus Albus и Ci-nereus Achromogenes. При 20 и 28° комплекс стрептомицетов становится более разнообразным в видовом отношении: кроме белых и серых форм здесь появляются виды, принадлежащих секциям и сериям Roseus Lavendulae-roseus, Helvolo-flavus Hel-volus. Последние доминируют в подземной части растений дриадника. Таксономическое разнообразие актиномицетов убывает в температурном ряду 28° > 20° > 5°.
В растениях луга среди психрофильных форм выявляются стрептомицеты, принадлежащие секциям и сериям Albus Albus, Cinereus Achromogenes, Helvolo-flavus Helvolus. При 20° из растений луга выделены редкие в наземных экосистемах представители Streptomyces violaceoruber, относящиеся к секции Cinereus серии Violaceus. При 28° число секций, которым принадлежат выделенные актиномицеты, увеличивается до пяти, пополняясь представителями секции Roseus серии Lavendulae-roseus.
В очесе с п-ова Ямал и мхе мохово-лишайни-ковой тундры из окрестностей г. Воркуты при инкубировании посевов при 5° психротолерантные актиномицеты отсутствовали. При 20° в комплексе наблюдаются психротолерантные актиномицеты в сопоставимом числе с мезофильными формами.
В моховых разрастаниях и подзоле около оз. Пяйянне при инкубировании при 5° актино-мицеты обнаружены в количестве тысяч КОЕ/г субстрата. При 20 и 28° численность стрептоми-
цетов, выделенных из мхов, также исчислялась тысячами КОЕ/г образца. Доля актиномицетов составляет 2—7% от всех бактерий микробных комплексов мхов. Количество актиномицетов, выделенных из подзола под разрастаниями мха, на порядок выше (104 КОЕ/г мха), чем из самих мхов. В актиномицетном комплексе здесь, кроме представителей р. Streptomyces, присутствуют таковые р. Micromonospora. На растениях мха микромоно-споры встречались единично, в то время как в подзоле под ним их доля составляла 33% от всего комплекса.
Выделенные из моховых разрастаний акти-номицеты р. Streptomyces принадлежали секциям Älbus Älbus с доминирующими видами S. albus, S. albolongus, S. alborubidus, S. varsoviensis и секции Cinereus Achromogenes с доминирующими видами S. diastatochromogenes и S. bikiniensis.
Торфяная окультуренная почва оказалась значительно богаче актиномицетами по сравнению с растительными субстратами. Численность псих-ротолерантных актиномицетов колебалась в образцах от десятков до сотен тысяч и до миллиона КОЕ/г почвы при инкубировании посевов при 20°, лишь незначительно (недостоверно) уступая численности мезофильных форм. При температуре 5° количество выделенных актиномицетов исчислялось десятками и сотнями тысяч КОЕ/г почвы. Численность психротолерантных форм при этой температуре на порядок ниже, чем при инкубировании при 20 и 28°.
Культуры, выделенные из торфяной почвы, по фенотипическим признакам принадлежали р. Streptomyces. Видовые секции и серии актино-мицетов более разнообразны в ней по сравнению с растительными субстратами. Разнообразие их с уменьшением температуры инкубирования падает. Среди психротолерантных стрептомицетов, выделяемых из торфяной почвы при 20°, отмечены представители секций и серий Cinereus Violaceus, Cinereus Aureus, Roseus, Helvolo-flavus Helvolus,^^ обнаруженных в растительных субстратах.
В прокариотном микробном сообществе растений таймырской тундры при инкубировании посевов при 5° доля биомассы психротолерантных метаболически активных представителей филума Actinobacteria, определенная методом FISH, составляет 10% от биомассы представителей домена Eubacteria. При 20° их доля увеличивается до 26%.
В прокариотном сообществе мхов при инкубировании субстрата при 5° доля психротолерант-ных метаболически активных представителей фи-лума Actinobacteria составляет 34% от биомассы представителей домена Eubacteria; при 20° их доля увеличивается до 57% от биомассы представителей домена Eubacteria.
Метаболически активные психротолерант-ные мицелиальные актинобактерии по биомассе
превосходят одноклеточные в филуме Actinobacte-ria прокариотного микробного сообщества мхов, инкубированных при 20°, и составляют 59% от него. При 5° доля мицелиальных форм актинобактерий составляет 55% от всех актинобактерий сообщества растений.
Из растительных субстратов и торфяной почвы выделены культуры актиномицетов, которые идентифицированы по фенотипическим и/или молеку-лярно-генетическим признакам. Доминирующими в моховых разрастаниях видами стрептомице-тов оказались следующие: Streptomyces albolongus, S. varsoviensis, S. alborubidus, S. albus, S. bikiniensis, S. diastatochromogenes.
Психротолерантный штамм мох 18, выделенный из сфагнового очеса торфяной олиготрофной почвы, идентифицирован как Streptomyces parvus FR846234 и депонирован в GenBank c присвоением индивидуального номера доступа.
Температурный диапазон роста выделенных и исследованных культур стрептомицетов лежит в области 5—28° с оптимальными значениями радиальных скоростей роста колоний в области 20°, что свидетельствует об их психротолерантности.
Выводы
• Численность психротолерантных актиноми-цетов в исследуемых растительных субстратах наземных экосистем тундры и тайги варьирует от тысяч до миллионов КОЕ/г субстрата и убывает в ряду торфяная почва > растения > моховые разрастания > очес.
• Доля психротолерантных метаболически активных представителей филума Actinobacteria при инкубировании субстрата при 5° составляет 10% от биомассы представителей домена Eubacteria в прокариотном сообществе растений таймырской тундры и 34% от биомассы представителей домена Eubacteria в прокариотном сообществе моховых разрастаний на берегах оз. Пяйянне (Финляндия).
• В моховых разрастаниях вблизи оз. Пяйянне (о. Пайатсало, Финляндия) метаболически активные психротолерантные мицелиальные актинобак-терии по биомассе превосходят одноклеточные в филуме Actinobacteria прокариотного микробного сообщества растений, инкубированных при 20°, и составляют 75% от всех актинобактерий. При инкубировании растений при 5° доля биомассы ми-целиальных психротолерантных форм составляет только 25% от общей биомассы метаболически активных актинобактерий. В разрастаниях мхов метаболически активные психротолерантные ми-целиальные актинобактерии при инкубировании посевов при 20° по биомассе имеют примерно равную долю с одноклеточными в филуме Actinobac-teria прокариотного микробного сообщества и 55%
от всех актинобактерий; при 5° — 59% от всех ак-тинобактерий.
• Выделенные психротолерантные культуры актиномицетов идентифицированы как представители р. Streptomyces. Видовое разнообразие стреп-томицетов в наземных экосистемах тундры и тайги невелико и ограничивается доминированием представителей одной—двух видовых секций и серий, с одним—тремя доминирующими видами в каж-
дой секции и серии. Наибольшее разнообразие отмечено для психротолерантных стрептомицетов, выделенных из торфяной почвы.
• Экспериментально показано, что выделенные из растительных и почвенных субстратов тундровых и таежных наземных экосистем стрептоми-цеты по температурным предпочтениям являются психротолерантными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ермилова Е.В. Молекулярные аспекты адаптации прокариот. СПб., 2007.
2. Helmke E, Weyland H. Psychrophilic versus psych-rotolerant bacteria — occurence and significance in polar and temperate marine habitats // Cell. Mol. Biol. 2004. Vol. 50.
3. Jiang C.L., Xu L.H. Actinomycete diversity in unusual habitats // Actinomycetes. 1993.Vol. 4, N 2.
4. Morita R.Y. Psychrophyilic bacteria // Bacteriol. Rev. 1975. Vol.39.
5. Roth N.H., Wheaton R.B. Continuity of psychrophilic and mesophylic growth characteristics in the genus Arthrobacter // J. Bacteriology. 1962. Vol. 83.
Поступила в редакцию 19.10.2016
PSYCHROTOLERANT ACTINOMYCETES
IN VEGETATION SUBSTRATES OF ECOSYSTEMS OF TUNDRA AND TAIGA
V.V. Prokopenko, G.M. Zеnova, A.S. Manucharov
The investigation of tundral flowering plants and moss on peninsula Taimir exposed presence of thousands and tens of thousands colony formation units of psychrotolerant actinomycetes in 1 g vegetation substrates, less mesofilned form on 1—2 order. Incubation of crops from plants at 5° showed a very small taxonomic variety of psychrotolerant actinomycetes in tundra plants. Actinomycete complex presented by Streptomyces sp. — sections Cinereus Violaceus, Cinereus Aureus, Helvolo-flavus Helvolus, Roseus and Micromonospora.
Key words: psychrotolerant actinomycetes, streptomycetes, micromonospory, plants, moss overgrowth.
Сведения об авторах
Прокопенко Валерия Владимировна, аспирант каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: valo.2010@mail.ru. Зенова Галина Михайловна, докт. биол. наук, профессор каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: zenova38@mail.ru. Манучаров Александр Сергеевич, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: zenova38@mail.ru.
