CC BY
12ВОДОРОСЛИ — ALGAE
Цитологическое исследование Chloromonas typhlos (Chlamydomonadaceae, Chlorophyta) с Северо-Запада России
О. Н. Болдина
Ботанический институт им. В. Л. Комарова РАН, ул. Профессора Попова, д. 2, Санкт-Петербург, 197376, Россия; OBoldina@binran.ru
Резюме. Штамм хламидомонадной водоросли был выделен из образцов, собранных в Новгородской области, и изучен в световом и трансмиссионном электронном микроскопах. Вид идентифицирован на основе совпадения большинства светооптических и ультраструктурных признаков, выявленных у штамма SAG 26.86 Chloromonas typhlos (Gerloff) Matsuzaki et al. и изученного штамма. Клетки эллипсоидной формы, иногда асимметричные, 12-17 мкм дл., 8-13 мкм шир. На переднем конце клетки расположена слабо выраженная полукруглая па-пилла. Хлоропласт пристенный, крупнолопастный, с боковым утолщением, на его поверхности неупорядоченные вырезки и борозды. Эти и другие признаки, за исключением обнаруженной у изученного штамма стигмы, характерны для типового штамма. На ультраструктурном уровне в пиреноидах обоих штаммов C. typhlos найдены очень крупные пачки тилакоидов, аналогичные таковым в хлоропластах. Установленный тип пиреноида ранее не был обнаружен ни у одного из видов хламидомонадовых водорослей. Это первая находка C. typhlos как для района исследования, так и для территории России в целом. Вид может дополнить список потенциальных возбудителей «цветения» воды на Северо-Западе. Выделенный штамм депонирован в коллекцию живых культур Института биологии Коми НЦ УрО РАН под номером SYKOA Ch-063-17.
Ключевые слова: зеленые монады, Chloromonas, Chlamydomonas, световая микроскопия, ТЭМ, Новгородская область, Россия.
Cytological study of Chloromonas typhlos (Chlamydomonadaceae, Chlorophyta) from North-Western Russia
O. N. Boldina
Komarov Botanical Institute RAS, Professor Popov Str., 2, St. Petersburg, 197376, Russia; OBoldina@binran.ru
Abstract. The strain of biflagellated green monad, selected from the specimen gathered in the Novgorod Region was studied by light and electron microscopy. The species was identified on the base of coincidence of the majority of specific light and ultrastructural signs revealed in both the strain SAG 26.86 of Chloromonas typhlos (Gerloff) Matsuzaki et al. and in studied strain. On LM level the cells are ellipsoid,
some asymmetric, 12-17 цт long, 8-13 цт wide, with an apical, hardly distinguished hemispherical papilla flattened on the top. Chloroplast parietal, cup-shaped, thickened on one side, with big lobes, irregular incisions and fissures on the surface. These and other features are characteristic of the type and the studied strain of C. typhlos, excluding stigma observed in the studied strain only. On the ultrastructural level, large thylakoid packs, similar with chloroplast thylakoids, were observed in py-renoids of both strains of C. typhlos. The detected pyrenoid type was never discovered in chlamydomonads earlier. It is the first record of C. typhlos for the Novgorod Region and the whole Russia, and adds the list of «bloom-forming» species. The strain was deposited in the collection of microalgae strains in the Institute of Biology of Komi Scientific Centre under the name SYKOA Ch-063-17.
Keywords: green monads, Chloromonas, Chlamydomonas, light microscopy, transmission electron microscopy, Novgorod Region, Russia.
Недавнее комплексное изучение «цветений», слизистых обрастаний и пленок в мелких водоемах и почвах Ленинградской области позволило выявить 6 новых для района исследования видов (Boldina, 2016). Особенности применяемых методов изоляции, выращивания, а также трудности идентификации выбранных объектов и современная систематика группы подробно описаны в вышеуказанной работе.
Изученная в данной работе водоросль была выделена 29.07.2016 из пробы, взятой в местах видимого «цветения» в Хвойницком районе Новгородской области А. Д. Потемкиным и В. М. Котковой. Проба включала многочисленные клетки хламидомонад. Изоляты на твердой среде Kuhl содержали клетки только одного вида, сходные с таковыми из исходной пробы. Один из этих изолятов был передан на хранение в коллекцию живых штаммов микроводорослей Института биологии Коми НЦ УрО РАН (Novakovskaya, Patova, 2012), где поддерживается под наименованием SYKOA Ch-063-17.
Цель данной статьи — идентифицировать найденную водоросль путем изучения строения клеток в световом (СМ) и трансмиссионном электронном микроскопах (ТЭМ) и сравнения с таковым у типового штамма. Это позволит дополнить сведения о зеленых жгутиконосцах, обитающих на Северо-Западе России, и о потенциальных возбудителях «цветения» в пресных водоемах и почвах.
Описание штамма SYKOA Ch-063-17
СМ (табл. I, а). Вегетативные клетки эллипсоидные, иногда асимметричные, 12-17 мкм дл., 8-13 мкм. шир. Оболочка тонкая, в некоторых местах неравномерно утолщенная, папиллa слабо выраженная, слегка закругленная, сверху уплощенная, иногда не выявляется. Хлоропласт пристенный, крупнолопастный, с односторонним боковым утолщением в центральной части клетки, нерегулярными вырез-
ками и бороздами на поверхности. Пиреноид крупный, сферический, с отчетливо выраженной обкладкой. Стигма мелкая, эллипсоидная, ярко-оранжевая, в передней половине клетки. Ядро, как правило, центральное, реже в передней или задней частях клетки. Сократительных вакуолей две, в основании жгутиков. Длина жгутиков равна длине клетки, иногда немного превышает ее. Зооспоры 11-13 мкм дл., 7-9 мкм шир.; в материнских оболочках ориентированы в противоположных направлениях, обычно по 4, реже по 2. На среде Kuhl клетки чаще всего в пальмеллевидном состоянии.
В целом форма и размеры клеток в СМ, особенности строения хлоропласта, расположения органелл соответствуют таковым у изученного нами штамма SAG 26.86 (табл. I, б), ранее исследованного Matsuzaki et al. (2012).
Chloromonas typhlos (Gerloff) Matsuzaki, Y. Hara et Nozaki, 2012, Phycologia, 51(1): 81. = Chlamydomonas typhlos Gerloff, 1940, Arch. Protistenk., 94(3): 371. — Изолирован 29.07.2016 из слизистого обрастания на валеже сосны вместе c Calypogeia suecica (Arn. et Pers.) K. Mull. в сосняке с елью черничном зеленомошно-сфагновом, Хвой-нинский р-н, Новгородская обл. (59°06'55.3"N, 34°31'28"E, 184 м над ур. м.).
В коллекциях штамм SAG 26.86 был первоначально идентифицирован как Chlamydomonas nivalis (F. A. Bauer) Wille или C. augus-tae Skuja (Schlösser, 1994). Позднее на основании филогенетических маркеров он был отнесен к Chloromonas augustae (Skuja) T. Pröschold, B. Marin, U. W. Schlösser et M. Melkonian (Pröschold et al, 2001).
Характерными особенностями морфологии клеток Chloromonas typhlos являются очень мелкая, апикально уплощенная папилла полукруглой формы и специфическая форма пристенного хлоропласта с боковым утолщением, неупорядоченными вырезками и бороздами. Ettl (1983) в дополнение к описанию Chlamydomonas typhlos подчеркивал, что ядро в клетке может располагаться не только на уровне пиреноида или над ним, но и под ним. Такие клетки были нами отмечены и у штамма SYKOA Ch-063-17. В целом, у штамма SYKOA Ch-063-17 при выращивании как на агаризованной, так и в жидкой среде Kuhl выявлена большая морфологическая изменчивость в строении клеток (табл. I, а).
Признаком, отличающим штаммы SYKOA Ch-063-17 и SAG 26.86, является присутствие стигмы у первого из них. При этом в протологе Chlamydomonas typhlos Gerloff (1940) указал, что стигма отсутствует, но иногда наблюдается желтое пятно в месте, где обыч-
но выявляется стигма. Проверить мутационную природу данного явления нам сложно, т. к. штамм J. Gerloff не сохранился, но мутанты без стигмы хорошо известны у Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Morel-Laurens, Bird, 1984).
ТЭМ (табл. II). Клеточная оболочка вегетативных клеток трехслойная. Отчетливо заметный наружный слой представлен тонкими длинными фибриллами. Средний слой очень тонкий, выглядит нечетко, ламеллы едва заметны. Внутренний слой неоднороден по составу. Его внешняя часть, образованная плотно упакованными фибриллами, прилегает к среднему слою, около плазмалеммы такая упаковка фибрилл сменяется на значительно более рыхлую. Плаз-малемма имеет сильно волнистые очертания, на отдельных участках контактирует с оболочкой хлоропласта.
Хлоропласт содержит короткие и длинные, большей частью прямые тилакоиды, ориентированные часто вдоль длинной оси клетки, в пачках по 2-7. В строме хлоропласта в значительном количестве присутствуют крахмальные зерна веретеновидной, неправильной эллипсоидной или треугольной формы. Стигма на срезах не обнаружена. Пиреноид состоит из плотной гомогенной стромы, окружающей ее крахмальной обкладки, представленной в виде многочисленных мелких пластинок или зерен, и внедряющихся из хлоропласта в стро-му нескольких очень крупных пачек тилакоидов (комплексов). Такие комплексы могут объединять до полутора десятков тилакоидов, что хорошо заметно при больших увеличениях (табл. II, 5). Длина комплексов различная, но не превышает 1/3 диаметра стромы пиреноида. Их расположение на срезах скорее хаотичное, отражающее таковое у тилакоидов в лопастях хлоропласта. Небольшие фрагменты тила-коидных комплесов при малых увеличениях могут быть восприняты как срезы трубчатых тилакоидов, что было указано ошибочно для штамма SAG 26.86 (Boldina, 2011). Однако внутритилакоидное пространство в тилакоидах пиреноида практически не меняется по сравнению с таковым в строме хлоропласта. На срезах округлые профили в пиреноидах не обнаружены ни у одного из рассматриваемых штаммов Chloromonas typhlos (табл. II, 1, 4, 5; III, 1-4).
Ядро округлое, сложное хромоцентрическое. Ядрышко центральное, с упорядоченным расположением фибриллярного и гранулярного компонентов. Поры в ядерной оболочке расположены неравномерно. Митохондрии немногочисленные, преимущественно центральные, с пластинчатыми кристами. Аппарат Гольджи выявляется, как правило, вблизи ядра. Диктиосомы (обычно больше 2) образованы 5-7 цистернами и окружены многочисленными пузырька-
ми. Помимо сократительных вакуолей, расположенных апи-кально, по всей цитоплазме рассеяны многочисленные вакуоли других типов (с гомогенным темным и светлым содержимым, мембранными элементами и с фибриллярным компонентом).
В целом ультраструктура клеток обоих штаммов C. typhlos является довольно характерной, специфичной и практически идентичной, за исключением выявленного у SYKOA Ch-063-17 хорошо развитого наружного слоя клеточной оболочки.
Наиболее заметной особенностью обоих штаммов C. typhlos: SYKOA Ch-063-17 (табл. II) и SAG 26.86 (табл. III) — является строение тилакоидной системы в пиреноиде, представленное очень большими пачками тилакоидов, которое до сих пор нами не было обнаружено у хламидомонад (см. Boldina, 2011). Кроме того, нами уточнены форма и расположение тилакоидов в пиреноиде, что расширяет описание C. typhlos, приведенное Matsuzaki et al. (2012). Полученные данные позволяют охарактеризовать еще один тип пиреноида для водорослей сем. Chlamydomonadaceae (рис.).
Дальнейший анализ маркерных последовательностей ДНК, возможно, позволит уточнить идентификацию нашей водоросли и безусловно дополнит ее характеристику. В настоящий момент, несмотря на отсутствие такого анализа, можно утверждать, что выделенный нами штамм SYKOA Ch-063-17 представляет первую находку C. typhlos как для района исследования, так и для территории России в целом. В дополнение к сведениям, приведенным Rundina (2006) для Северо-Запада России, C. typhlos следует считать еще одним потенциальным видом-возбудителем «цветения» воды.
Автор выражает глубокую благодарность за собранные образцы А. Д. Потемкину и В. М. Котковой, за депонирование штам-
Рис. Пиреноид Chloromonas typhlos. e — крахмальная обкладка; t — ти-лакоиды, организованные в крупные
пачки; b — строма. The pyrenoid of Chloromonas typhlos. e — starch envelope; t — tylakoids arranged in large packs; b — stroma.
ма — И. В. Новаковской, за пользование микроскопами Carl Zeiss AxioImager.A1 и Libra 120 plus — сотрудникам ЦКП Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН «Клеточные и молекулярные технологии изучения растений и грибов», а также рецензентам и редакторам этой статьи. Работа выполнена по плановой теме № 0120125605.
Литература
[Boldina] Болдина О. Н. 2011. Принципы классификации пиреноидов у зеленых монад. Водоросли: таксономия, экология и использование в мониторинге. Екатеринбург: 34-41. [Boldina] Болдина О. Н. 2016. Хламидомонады (Chlamydomonadaceae) Санкт-Петербурга и Ленинградской области: состояние изученности и новые находки. Новости сист. низш. раст. 50: 5-22. Ettl H. 1983. Chlorophyta I (Phytomonadina). Süsswasserflora von Mitteleuropa. Bd 9. Stuttgart: 807 S.
Gerloff J. 1940. Beiträge zur Kenntnis der Variabilität und Systematik der Gattung
Chlamydomonas. Arch. Protistenk. 94(3): 311-502. Matsuzaki R., Hara Y., Nozaki Н. 2012. A taxonomic revision of Chloromonas reticulata (Volvocales, Chlorophyceae), the type species of the genus Chloromonas, based on multigene phylogeny and comparative light and electron microscopy. Phycolo-gia. 51(1): 74-85.
Morel-Laurens N. M. L., Bird D. J. 1984. Effects of cell division on the stigma of wild-type and an «eyeless» mutant of Chlamydomonas. J. Ultrastruct. Res. 87(1): 46-61.
[Novakovskaya, Patova] Новаковская И. В., Патова Е. Н. Коллекция живых штаммов микроводорослей Института биологии Коми НЦ УрО РАН и перспективы ее использования. 2012. Изв. Коми научн. центра УрО РАН. 2(10): 36-41. Pröschold T., Marin B., Schlösser U. G., Melkonian M. 2001. Molecular phylogeny and taxonomic revision of Chlamydomonas (Chlorophyta). I. Emendation of Chlamy-domonas Ehrenberg and Chloromonas Gobi and description of Oogamochlamys gen. nov. and Lobochlamys gen. nov. Protist. 152(4): 265-300. [Rundina] Рундина Л. А. 2006. Отдел Chlorophyta. Водоросли, вызывающие «цветение» водоемов Северо-Запада России. М.: 219-291. Schlösser U. G. 1994. SAG — Sammlung von Algenkulturen at the University of Göttingen. Catalogue of strains. Bot. Acta. 107(1/2): 113-186.
References
Boldina O. N. 2011. Classification principles of pyrenoids in green monads. Vodorosli: taksonomiya, ekologiya i ispolzovanie v monitoringe [The Algae: taxonomy, ecology and use in the monitoring]. Yekaterinburg: 34-41. (In Russ. with Engl. abstract). Boldina O. N. 2016. Сhlamydomonads (Chlamydomonadaceae) from St. Petersburg and the Leningrad Region: current knowledge and new records. Novosti Sist. Nizsh. Rast. 50: 5-22. (In Russ. with Engl. abstract).
Ettl H. 1983. Chlorophyta I (Phytomonadina). Süsswasserflora von Mitteleuropa. Bd 9. Stuttgart: 807 S.
Gerloff J. 1940. Beiträge zur Kenntnis der Variabilität und Systematik der Gattung Chlamydomonas. Arch. Protistenk. 94(3): 311-502.
Matsuzaki R., Hara Y., Nozaki Н. 2012. A taxonomic revision of Chloromonas reticulata (Volvocales, Chlorophyceae), the type species of the genus Chloromonas, based on multigene phylogeny and comparative light and electron microscopy. Phycolo-gia. 51(1): 74-85.
Morel-Laurens N. M. L., Bird D. J. 1984. Effects of cell division on the stigma of wild-type and an «eyeless» mutant of Chlamydomonas. J. Ultrastruct. Res. 87(1): 46-61.
Novakovskaya I. V., Patova E. N. Collection of living microalgae strains of the Institute of Biology, Komi Science Centre, Ural Branch, RAS, and its perspective using. 2012. Izv. Komi nauchn. tsentra UrO RAN. 2(10): 36-41. (In Russ.).
Pröschold T., Marin B., Schlösser U. G., Melkonian M. 2001. Molecular phylogeny and taxonomic revision of Chlamydomonas (Chlorophyta). I. Emendation of Chlamy-domonas Ehrenberg and Chloromonas Gobi and description of Oogamochlamys gen. nov. and Lobochlamys gen. nov. Protist. 152(4): 265-300.
Rundina L. A. 2006. Division Chlorophyta. Vodorosli, vyzyvayushchie «tsvetenie» vodoemov Severo-Zapada Rossii [Bloom-forming algae in water bodies of Northwestern Russia]. Moscow: 219-291. (In Russ.).
Schlösser U. G. 1994. SAG — Sammlung von Algenkulturen at the University of Göttingen. Catalogue of strains. Bot. Acta. 107(1/2): 113-186.
Таблица I. Клетки Chloromonas typhlos в световом микроскопе. а — SYKOA Ch-063-17, b — SAG 26.86. Синие стрелки указывают на папиллу, розовые — на стигму, кресты — на пиреноид. Масштабные линейки: 1 мкм. Cells of Chloromonas typhlos in light microscope. а — SYKOA Ch-063-17, b — SAG 26.86. Blue arrows indicate papilla, pink — stigma; red crosses — pyrenoid. Scale bars: 1 цт.
Таблица II. Клетки штамма SYKOA Ch-063-17 Chloromonas typhlos в ТЭМ. 1 — молодая клетка; 2, 4 — фрагменты клеток; 3 — фрагмент клеточной оболочки; 5 — фрагмент пиреноида с тилакоидами. b — строма пиреноида, c — крахмальное зерно, d — диктиосома, e — обкладка пиреноида, i — внутренний слой оболочки, l — средний (ламеллярный) слой оболочки, m — митохондрия, n — ядро, o — наружный слой оболочки, p — плазмалемма, v — вакуоль, w — клеточная оболочка. Белые стрелки указывают на комплексы тилакоидов. Масштабные
линейки: 1, 4 — 1 мкм; 2, 5 — 0.5 мкм; 3 — 0.2 мкм. Cells of the Chloromonas typhlos strain SYKOA Ch-063-17 in transmission
electron microscope. 1 — young cell, 2, 4 — cell fragments, 3 — cell wall fragment, 5 — pyrenoid fragment with thylakoids. b — pyrenoid body (stroma), c — starch corn, d — dyctiosome, e — pyrenoid envelope, i — inner layer of cell wall, l — lamellar layer of cell wall, m — mitochondrium, n — nucleus, o — outer layer of cell wall, p — plasmalemma, v — vacuole, w — cell wall. White arrowheads indicate thylakoid aggregation (complexes).
Scale bars: 1, 4 — 1 ^m; 2, 5 — 0.5 ^m; 3 — 0.2 ^m.
Таблица III. Клетки штамма SAG 26.86 Chloromonas typhlos в ТЭМ. Обозначения см. табл. II. Масштабные линейки: 1, 2 — 1 мкм; 3 — 0.2 мкм; 4 —
0.5 мкм.
Cells of the strain SAG 26.86 Chloromonas typhlos in transmission electron
microscope.
For symbols see Plate II. Scale bars: 1, 2 — 1 ^m; 3 — 0.2 ^m; 4 — 0.5 ^m.
