Новаковская И.В.¹, Егорова И.Н.², Кулакова Н.В.², Патова Е.Н.¹

Irina V. Novakovskaya, Irina N. Egorova, Nina V. Kulakova, Elena N. Patova

¹Институт биологии Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар, Россия)
²Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН (Иркутск, Россия)

 

УДК 582.263

Изучено пять штаммов рода Coelastrella из коллекций живых культур водорослей Института биологии, Сыктывкар, Россия (SYKOA Ch-045-09, SYKOA Ch-047-11, SYKOA Ch-072-17) и Сибирского института физиологии и биохимии растений, Иркутск, Россия (IRK-А 2, IRK-А 173). Обнаружено, что несмотря на их высокое морфологическое сходство, они имеют разные филогенетические связи. Проведенный анализ нуклеотидных последовательностей 18S рДНК и ITS1-ITS2 показал, что исследованные штаммы относятся к видам C. terrestris (IRK-A 173), C. oocystiformis (SYKOA Ch-045-09; IRK-A 2) и C. aeroterrestrica (SYKOA Ch-047-11). Штамм SYKOA Ch-072-17, вероятно, является новым видом для рода. Полученные результаты подтверждают высокую фенотипическую изменчивость и скрытое разнообразие среди представителей этой группы зеленых водорослей.

Ключевые слова: Coelastrella; морфология; филогения; 18S рДНК; ITS1-5.8S-ITS2

Род Coelastrella включает свободноживущие зеленые водоросли, распространенные по всему миру в наземных и водных местообитаниях. Это таксономически сложная группа, вследствие простой морфологии ее представителей, высокой фенотипической изменчивости видов и наличия криптических таксонов. Представители рода Coelastrella отличаются высоким содержанием липидов, белков, углеводов. Они рассматриваются как перспективные источники для получения биологически активных веществ и биотоплива (Hu et al., 2013; Karpagam et al., 2018). Эти организмы также являются хорошими биоиндикаторами состояния окружающей среды (Abe et al., 2004; Aburai et al., 2018 и др.). Род Coelastrella был описан R. Chodat в 1922 году. Типовым видом этого рода является Coelastrella striolata Chodat. В настоящее время к роду принадлежит 16 видов и 3 разновидности (Guiry, Guiry 2020). Таксономическое положение видов рода неоднократно пересматривалось. Молекулярно-генетические исследования представителей рода Coelastrella показали, что морфологически различные виды имеют тесные филогенетические связи. С другой стороны, близкие по морфологии таксоны по результатам анализа различных фрагментов ДНК относили к разным видам, что подтверждает наличие криптических видов в этой группе водорослей (Zou et al., 2016; Terlowa, Lewis, 2019).

В связи с этим была поставлена следующая цель – изучить морфологические особенности и установить филогенетические связи фенотипически сходных представителей Coelastrella, выделенных из горных экосистем хребтов северной части Урала и Хэнтэя (Россия, Монголия).

В исследование было включено пять штаммов Coelastrella sp. из коллекций живых культур водорослей Института биологии Коми НЦ УрО РАН (http://ib.komisc.ru/sykoa): SYKOA Ch-047-11, SYKOA Ch-045-09, SYKOA Ch-072-17 и Сибирского института физиологии и биохимии растений (http://sifibr.irk.ru/collection.html): IRK-A 2, IRK-A 173. Штаммы выделены из кислых и сухих почв горных систем Урала (Полярного, Приполярного и Северного Урала) и из проб эпилитных и эпифитных мхов, собранных на территории российского и монгольского Хэнтэя. Морфологические особенности штаммов изучали в течение двух лет с помощью световых микроскопов Nikon Eclipse80i с DIC системой и Axio Scope A1. На протяжении двух месяцев измеряли длину и ширину клеток (не менее 100 клеток) еженедельно. Для идентификации видов использовали определители (Андреева, 1998; Ettl, Gärtner, 2014). ДНК выделена с помощью набора «FastDNASpinKit» (QBioGene, Canada). Для амплификации фрагмента последовательности гена 18S и ITS1-5.8S-ITS2 использовали праймеры, представленные в публикациях A. Katana (Katana et al., 2001) и T.J. White с соавторами (White et al., 1990), соответственно. Фрагменты ядерного гена 18S рДНК и ITS1-5.8S-ITS2 штаммов были депонированы в GenBank под номерами MK480613, MK478814, MK450459, MK504637, MK504638. Для филогенетического анализа исследованных штаммов из базы данных GenBank были взяты 76 последовательностей 18S рДНК и 66 – ITS1–5.8S–ITS2 представителей рода Coelastrella и семейства Scenedesmaceae из мировых коллекций водорослей (CCALA, CCAP, SAG, UTEX и др.).

Все исследованные штаммы по морфологическим признакам в большей степени соответствовали описанию вида Coelastrella terrestris (Reisigl) E. Hegewald et Hanagata, т.к. имели одиночные лимоновидные или широкоэллипсоидные клетки с 2 полярными утолщениями на концах, 8 и более четко видимыми меридиональными ребрами на оболочке и акинетами. Длительные наблюдения за морфологической изменчивостью штаммов также не показали существенных различий в размерах клеток исследуемых штаммов. Средняя длина варьировала от 12,45±3,59 до 14,42±3,23 мкм, а ширина от 8,73±2,5 до 9,71±2,21 мкм. Выявленные размеры клеток являются еще одним свидетельством высокого сходства изученных штаммов.

Проведенный анализ 18S рДНК отразил филогенез на уровне рода Coelastrella, но не позволил выяснить филогенетические положения видов. Изученные штаммы были выделены в одну хорошо поддерживаемую (98%/1, ML/MrB) монофилетическую кладу Coelastrella sensu lato. Все штаммы, кроме IRK-A 2, для которого успешно была секвенирована только часть рДНК 18S, сгруппированы со штаммами «core» Coelastrella. Топология полученного нами дерева 18S рДНК согласуется с ранее опубликованными данными (Kaufnerová, Eliáš, 2013; Kawasaki et al., 2019; Wang et al., 2019).

Филогенетический анализ последовательностей ITS1-5.8S-ITS2 показал лучшее разделение на уровне видов. Четыре из изученных штаммов были сгруппированы в клады: С. aeroterrestrica Tschaikner, G. Gärtner & Kofler (SYKOA Ch-047-11), C. oocystiformis (J.W.G. Lund) E. Hegewald & Hanagata (SYKOA Ch-045-09, IRK-A 2) и C. terrestris (IRK-A 173) с высокой статистической поддержкой. Штамм SYKOA Ch-072-17 показал наибольшее сходство с C. rubescens var. oocystiformis Q. Wang, H. Song, X. Liu, G. Liu & Z. Hu FACHB-2297.

Для подтверждения видовых различий у исследованных штаммов дополнительно был проведен анализ вторичной структуры ITS2. Этот подход позволил найти изменения во вторичной структуре (компенсаторные CBC и полукомпенсаторные замены hCBC) в консервативных областях ITS2 среди штаммов Coelastrella. Только одна замена CBC была обнаружена у SYKOA Ch-045-09, которая отличает этот штамм от всех других видов, кроме C. oocystiformis. Все другие замены в ITS2 были hCBC или вариабельными положениями нуклеотидов в петлевых структурах ITS2. Четыре из проанализированных в этом исследовании штаммов были отнесены к трем известным видам, а именно IRK-A 173 – C. terrestris, SYKOA Ch-047-11 – C. aeroterrestrica, IRK-A 2 и SYKOA Ch-045-09 – C. oocystiformis. Штамм SYKOA Ch-072-17 имел две отдельные hCBC в Helix III, и эти hCBC не были обнаружены у других видов. В связи с этим можно предположить, что это новый ранее не описанный вид.

Несмотря на морфологическое, экологическое и географическое сходство, молекулярно-генетический анализ показал, что генотип большинства изученных штаммов отличается от генотипа C. terrestris. Из исследованных нами штаммов только IRK-A 173 соответствовал всем критериям аутентичного штамма (по размерному диапазону, форме клеток, числу ребер, экологической приуроченности, структуре нуклеотидных последовательностей 18S рДНК и ITS1-ITS2) и был отнесен к C. terrestris. Мультилокусный подход и анализ вторичной структуры ITS2 позволил уточнить филогенетическое положение исследованных водорослей, а также подтвердил наличие скрытого видового разнообразия у представителей этого рода.

Работа выполнена в рамках Госзадания АААА-А17-117011810101-8 и АААА-А19-119011790022-1 и при поддержке гранта РФФИ № 18-04-00643.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данном сообщении.

Список литературы

1. Андреева В.М. Почвенные и аэрофильные зеленые водоросли (Chlorophyta: Tetrasporales, Chlorococcales, Chlorosarcinales). – СПб: Наука, 1998. – 352 с.
2. Abe K., Takizawa H., Kimura S., Hirano M. Characteristics of Chlorophyll Formation of the Aerial Microalga Coelastrella striolata var. multistriata and its Application for Environmental Biomonitoring // Journal of Bioscience and Bioengineering. 2004. №9. P. 34–39. DOI – https://doi.org/10.1263/jbb.98.34
3. Aburai N., Kazama H., Tsuoraka A., Goto M., Abe K. Development of whole-cell-based screening method for a carotenoid assay using aerial microalgae // Journal of Biotechnology. 2018. №268. P. 6–11. DOI – https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2017.12.025.
4. Ettl H., Gärtner G. Syllabus der Boden-, Luft- und Flechtenalgen. 2 ergänzte Auflage. – Berlin & Heidelberg: Springer Spektrum, 2014. – 773 p.
5. Guiry M.D., Guiry G.M. AlgaeBase. World-wide electronic publication, National University of Ireland, Galway. 2020. http://www.algaebase.org (дата обращения: 28.12.2020).
6. Hu Ch.-W., Chuang L.-T., Yu P.-Ch., Chen Ch.-N.N. Pigment production by a new thermotolerant microalga Coelastrella sp. F50 // Food Chemistry. 2013. №138. P. 2071–2078. DOI – https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2012.11.133
7. Karpagam R., Jawaharraj K., Ashokkumar B., Sridhar Ja., Varalakshmi P. Unraveling the lipid and pigment biosynthesis in Coelastrella sp. M-60: Genomics-enabled transcript profiling // Algal Research. 2018. №29. P. 277–289. DOI – https://doi.org/10.1016/j.algal.2017.11.031
8. Katana A., Kwiatowski J., Spalik K., Zakryś B., Szalacha E., Szymańska H. Phylogenetic position of Koliella (Chlorophyta) as inferred from nuclear and chloroplast small subunit rDNA // Journal of Phycology. 2001. №37. P. 443–451. DOI – https://doi.org/10.1046/j.1529-8817.2001.037003443.x
9. Kaufnerová V., Eliáš M. The demise of the genus Scotiellopsis Vinatzer (Chlorophyta) // Nova Hedwigia. 2013. №97. P. 415–428. DOI – https://doi.org/10.1127/0029-5035/2013/0116
10. Kawasaki S., Yoshida R., Ohkoshi K., Toyoshima H. Coelastrella astaxanthina sp. nov. (Sphaeropleales, Chlorophyceae), a novel microalga isolated from an asphalt surface in midsummer in Japan // Phycological Research. 2019. V.68, №2. P. 107–114. DOI – https://doi.org/10.1111/pre.12412Terlowa E.F., Lewis L.A. A new species of Tetradesmus (Chlorophyceae, Chlorophyta) isolated from desert soil crust habitats in southwestern North America // Plant and Fungal Systematics. 2019. №64. P. 25–32. DOI – https://doi.org/10.2478/pfs-2019-0004
11. Wang Q., Song H., Liu X., Zhu H., Zhengyu Hu, Liu G. Deep genomic analysis of Coelastrella saipanensis (Scenedesmaceae, Chlorophyta): comparative chloroplast genomics of Scenedesmaceae // European Journal of Phycology. 2018. №54. P. 52–65. DOI – https://doi.org/10.1080/09670262.2018.1503334
12. White T.J., Bruns T.D., Lee S.B., Taylor J.W. Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics // Innis M.A. (ed.). PCR protocols: A Guide to Methods and Applications. – San Diego: Academic Press, 1990. – P. 315–322. DOI – https://doi.org/10.1016/B978-0-12-372180-8.50042-1
    
13. Zou Sh., Fei C., Wang Ch., Gao Zh., Bao Ya., He M., Wang Ch. How DNA barcoding can be more effective in microalgae identification: a case of cryptic diversity revelation in Scenedesmus (Chlorophyceae) // Scientific Reports. 2016. №6. P. 1–12. DOI – https://doi.org/10.1038/srep36822

Статья поступила в редакцию 30.06.2020
После доработки 1.06.2021
Статья принята к публикации 10.06.2021

Об авторах

Новаковская Ирина Владимировна – Irina V. Novakovskaya

кандидат биологических наук
научный сотрудник, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, Россия (Institute of Biology of Komi Scientific Centre, Ural Branch of RAS, Syktyvkar, Russia)

novakovskaya@ib.komisc.ru

Егорова Ирина Николаевна – Irina N. Egorova

кандидат биологических наук
старший научный сотрудник, Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, Иркутск, Россия (Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry Siberian Branch of RAS, Irkutsk, Russia)

irina-egorova-1978@inbox.ru

Кулакова Нина Викторовна – Nina V. Kulakova

старший научный сотрудник, Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, Иркутск, Россия (Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry Siberian Branch of RAS, Irkutsk, Russia)

ninkul@mail.ru

Патова Елена Николаевна – Elena N. Patova

кандидат биологических наук
ведущий научный сотрудник, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, Россия (Institute of Biology of Komi Scientific Centre, Ural Branch of RAS, Syktyvkar, Russia)

patova@ib.komisc.ru

Корреспондентский адрес: 167982, Россия, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28, ИБ КНЦ УрО РАН. Телефон (8212) 21-68-55.

ССЫЛКА:

Новаковская И.В., Егорова И.Н., Кулакова Н.В., Патова Е.Н. Морфология и молекулярная филогения представителей рода Coelastrella Chodat, выделенных из горных систем Урала и Хэнтэя // Вопросы современной альгологии. 2021. № 1 (25). С. 93–97. URL: http://algology.ru/1630

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2021-1(25)-93-97

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

Morphology and molecular phylogeny of representatives of the genus Coelastrella Chodat from the Urals and Khentei mountain systems

Irina V. Novakovskaya¹, Irina N. Egorova², Nina V. Kulakova², Elena N. Patova¹

¹Institute of Biology of Komi Scientific Centre, UB RAS (Syktyvkar, Russia)
²Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS (Irkutsk, Russia)

Five strains of the genus Coelastrella were studied from the Collections of live cultures of algae of the Institute of Biology, Syktyvkar, Russia (SYKOA Ch-045-09, SYKOA Ch-047-11, SYKOA Ch-072-17) and the Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Irkutsk, Russia (IRK-A 2, IRK-A 173). It was found that, despite their high morphological similarity, the strains have different phylogenetic relationships. Analysis of the 18S rDNA and ITS1-ITS2 showed that the studied strains belong to the species: C. terrestris (IRK-A 173), C. oocystiformis (SYKOA Ch-045-09; IRK-A 2) and C. aeroterrestrica (SYKOA Ch-047-11). The SYKOA Ch-072-17 strain is probably a new species for the genus. The results confirm the high phenotypic variability and hidden diversity among the representatives of this group of green algae.

Key words: Coelastrella; morphology; phylogeny; 18S rDNA; ITS1-5.8S-ITS2.

References

1. Abe K., Takizawa H., Kimura S., Hirano M. Characteristics of Chlorophyll Formation of the Aerial Microalga Coelastrella striolata var. multistriata and its Application for Environmental Biomonitoring. Journal of Bioscience and Bioengineering. 2004. №9. P. 34–39. DOI: https://doi.org/10.1263/jbb.98.34
2. Aburai N., Kazama H., Tsuoraka A., Goto M., Abe K. Development of whole-cell-based screening method for a carotenoid assay using aerial microalgae. Journal of Biotechnology. 2018. №268. P. 6–11. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2017.12.025
3. Andreyeva V.M. Pochvennye i aerofil'nye zelenye vodorosli (Chlorophyta: Tetrasporales, Chlorococcales, Chlorosarcinales) [Soil and aerophilic green algae (Chlorophyta: Tetrasporales, Chlorococcales, Chlorosarcinales)]. Nauka, Saint Petersburg, 1998. 352 p. (In Russ.)
4. Ettl H., Gärtner G. Syllabus der Boden-, Luft- und Flechtenalgen. 2 ergänzte Auflage. Springer Spektrum, Berlin & Heidelberg, 2014. 773 p.
5. Guiry M.D., Guiry G.M. AlgaeBase. World-wide electronic publication, National University of Ireland, Galway. 2020. http://www.algaebase.org (date: 5.05.2020).
6. Hu Ch.-W., Chuang L.-T., Yu P.-Ch., Chen Ch.-N.N. Pigment production by a new thermotolerant microalga Coelastrella sp. F50. Food Chemistry. 2013. №138. P. 2071–2078. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2012.11.133
7. Karpagam R., Jawaharraj K., Ashokkumar B., Sridhar Ja., Varalakshmi P. Unraveling the lipid and pigment biosynthesis in Coelastrella sp. M-60: Genomics-enabled transcript profiling. Algal Research. 2018. №29. P. 277–289. DOI: https://doi.org/10.1016/j.algal.2017.11.031
8. Katana A., Kwiatowski J., Spalik K., Zakryś B., Szalacha E., Szymańska, H. Phylogenetic position of Koliella (Chlorophyta) as inferred from nuclear and chloroplast small subunit rDNA. Journal of Phycology. 2001. №37. P. 443–451. DOI: https://doi.org/10.1046/j.1529-8817.2001.037003443.x
9. Kaufnerová V., Eliáš M. The demise of the genus Scotiellopsis Vinatzer (Chlorophyta). Nova Hedwigia. 2013. №97. P. 415–428. DOI: https://doi.org/10.1127/0029-5035/2013/0116
10. Kawasaki S., Yoshida R., Ohkoshi K., Toyoshima H. Coelastrella astaxanthina sp. nov. (Sphaeropleales, Chlorophyceae), a novel microalga isolated from an asphalt surface in midsummer in Japan. Phycological Research. 2019. V.68, №2. P. 107–114. DOI: https://doi.org/10.1111/pre.12412
11. Terlowa E.F., Lewis L.A. A new species of Tetradesmus (Chlorophyceae, Chlorophyta) isolated from desert soil crust habitats in southwestern North America. Plant and Fungal Systematics. 2019. №64. P. 25–32. DOI: https://doi.org/10.2478/pfs-2019-0004
12. Wang Q., Song H., Liu X., Zhu H., Zhengyu Hu, Liu G. Deep genomic analysis of Coelastrella saipanensis (Scenedesmaceae, Chlorophyta): comparative chloroplast genomics of Scenedesmaceae. European Journal of Phycology. 2018. №54. P. 52–65. DOI: https://doi.org/10.1080/09670262.2018.1503334
13. White T.J., Bruns T.D., Lee S.B., Taylor J.W. Amplification and direct sequencing of fungal ribosomal RNA genes for phylogenetics. In: Innis M.A. (ed.). PCR protocols: A Guide to Methods and Applications. San Diego: Academic Press, 1990. P. 315–322. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-372180-8.50042-1
    
14. Zou Sh., Fei C., Wang Ch., Gao Zh., Bao Ya., He M., Wang Ch. How DNA barcoding can be more effective in microalgae identification: a case of cryptic diversity revelation in Scenedesmus (Chlorophyceae). Scientific Reports. 2016. №6. P. 1–12. DOI: https://doi.org/10.1038/srep36822

Authors

Novakovskaya Irina V.

ORCID – https://orcid.org/0000-0001-5056-9965, eLIBRARY Author ID – 173831

Institute of Biology of Komi Scientific Centre, Ural Branch of RAS, Syktyvkar, Russia

novakovskaya@ib.komisc.ru

Egorova Irina N.

ORCID – https://orcid.org/0000-0003-2774-1653, eLIBRARY Author ID – 110558

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry Siberian Branch of RAS, Irkutsk, Russia

irina-egorova-1978@inbox.ru

Kulakova Nina V.

ORCID – https://orcid.org/0000-0001-5762-8817, eLIBRARY Author ID – 95402

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry Siberian Branch of RAS, Irkutsk, Russia

ninkul@mail.ru

Patova Elena N.

ORCID – http://orcid.org/0000-0002-9418-1601, eLIBRARY Author ID – 63795

Institute of Biology of Komi Scientific Centre, Ural Branch of RAS, Syktyvkar, Russia

patova@ib.komisc.ru

ARTICLE LINK:

Novakovskaya I.V., Egorova I.N., Kulakova N.V., Patova E.N. Morphology and molecular phylogeny of representatives of the genus Coelastrella Chodat from the Urals and Khentei mountain systems.Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2021. № 1 (25). P. 93–97. URL: http://algology.ru/1630

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2021-1(25)-93-97

When reprinting a link to the site is required

Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor, please and we send it to you with pleasure for free. 
Address - info@algology.ru

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147