![]() |
![]() |
![]() |
По Материалам V Всероссийской научной конференции с международным участием «Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге», посвященной памяти Веры Ивановны Есыревой (Нижний Новгород, 2020) Антарктические цианобактерии рода Pseudanabaena – пример психротолерантных микроорганизмов
Аверина С.Г.1, Цветикова С.А.2, Полякова Е.Ю.1, Величко Н.В.1, Пиневич А.В.1 Svetlana G. Averina, Sofya A. Tsvetikova, Elena Y. Poliakova, Natalia V. Velichko, Alexander V. Pinevich
1Cанкт-Петербургский Государственный Университет (Санкт-Петербург, Россия)
УДК 582.232.2
Работа посвящена исследованию антарктических штаммов цианобактерий рода Pseudanabaena, в частности, их способности расти при низких температурах, а также анализу их филогенетического положения. Штаммы Pseudanabaena sp. CALU 1773, CALU 1785, CALU 1787 и CALU 1791 выращивали при различных температурах, рост оценивали путем определения оптической плотности суспензий и биомассы по сухому весу. Дополнительно проводили морфометрический анализ клеток. Полученные результаты позволяют рассматривать антарктические штаммы р. Pseudanabaena как психротолерантные организмы, имеющие температурный оптимум при ˂15°С и способные расти при температуре 20°С. При неоптимальных температурах роста (4°С и 22°С) наблюдается деформация клеток. Анализ последовательностей гена 16S рРНК показал, что представители р. Pseudanabaena в целом отличаются высоким уровнем генетической вариабельности. Исследуемые антарктические штаммы образуют общую ветвь, но дистанцированы от арктического психротолерантного штамма Pseudanabaena catenata USMAC16. Полученные данные свидетельствуют о том, что адаптация к росту при низких температурах могла возникать у представителей р. Pseudanabaena неоднократно. Ключевые слова: цианобактерии; психротолерантность; молекулярная филогения
Способность осуществлять оксигенную фототрофию в сочетании с ассимиляцией неорганического углерода позволяет цианобактериям занимать самые разнообразные, порой очень суровые, местообитания. В составе низкотемпературных экологических ниш (полярные регионы и высокогорные участки) они часто являются основными первичными продуцентами (Straka, Stokes, 1960; Pandey et al., 2004; Zakhia et al., 2008). Несмотря на способность многих цианобактерий расти и размножаться при низких температурах, описано мало истинно психрофильных форм (Tang et al., 1997; Tang, Vincent, 1999; Nadeau, Castenholz, 2000; Hong et al., 2013; Khan et al., 2017), имеющих оптимум роста при температуре ниже 15°С и не растущих при температуре выше 20°С (Morita, 1975). Выделение и изучение цианобактерий из холодных мест обитания позволяет расширить наши теоретические знания об адаптациях в этой экстремальной нише, а также получить новые штаммы-продуценты, перспективные в отношении синтеза разнообразных биологически активных соединений. Штаммы цианобактерий Pseudanabaena sp. CALU 1773, CALU 1785, CALU 1787 и CALU 1791 были выделены из биомассы биопленок и обрастаний оз. Степпед (Восточная Антарктида, оазис Холмы Ларсеманн) в 2015 г. из накопительных культур, выращенных при температуре 8–10°С на среде BG11, и поддерживались в тех же условиях. Штаммы отличались по составу вспомогательных пигментов фотосинтетического аппарата. На спектрах поглощения культур CALU 1785, CALU 1787 и CALU 1791 (спектрофотометр Unico 2802S UV/VIS) были выявлены две основные формы фикобилипротеинов: фикоэритрин и фикоцианин, причем содержание первого было достаточно высоким, и биомасса приобретала малиновую или коричневую окраску. Штамм CALU 1773 содержал лишь фикоцианин и имел сине-зеленую окраску. Для выявления температурного оптимума роста исследуемые штаммы культивировали в течение 28 суток в жидкой среде BG11 при температурах 4–6, 8–10, 12–13 и 22–24°С и постоянном освещении интенсивностью 500 лк. Рост оценивали, измеряя оптическую плотность культур при 680 нм (спектрофотометр Unico 2802S UV/VIS) и сухой вес биомассы. Кроме того, проводили морфометрию клеток на разных этапах культивирования (микроскоп Leica DM2500, снабженный камерой Leica DFC500). Выделение тотальной ДНК из клеток осуществляли с использованием СТАВ-метода (Murray, Thompson, 1980). Амплификацию фрагмента гена 16S рРНК проводили праймерами 27f и 1492r (Lane, 1991) в режиме: предварительная денатурация при 95°С (5 мин); 30 циклов амплификации с денатурацией при 95°С (1 мин), отжигом праймеров при 54°С (30 с), элонгацией при 72°С (1,5 мин); заключительный синтез при 72°С (10 мин). Амплификацию участка ITS проводили с праймерами 322f и 340r (Iteman et al., 2000) в следующем режиме: предварительная денатурация при 94°С (5 мин); 30 циклов амплификации с денатурацией при 94°С (45 с), отжигом праймеров при 57°С (30 с), элонгацией при 72°С (1 мин); заключительный синтез при 72°С (10 мин). Для амплификации использовали набор ScreenMix-HS (Евроген, Россия). Объем пробы составлял 25 мкл и включал праймеры в концентрации 80 нМ и 10–20 нг ДНК-матрицы. ПЦР-фрагменты выделяли с использованием набора Nucleospin® Gel & PCR Clean-Up (Macherey Nagel) и секвенировали по Сэнгеру. Дендрограммы филогенетического сходства строили с использованием программы MEGA5 (Tamura et al., 2011) методом Neighbor-Joining (Saitou, Nei, 1987). Эволюционные расстояния рассчитывались с использованием метода K2+G (Nei, Kumar, 2000). Для анализа, помимо оригинальных последовательностей, использовали данные из GenBank. Согласно полученным результатам, активный рост штаммов CALU 1785, CALU 1787 и CALU 1791 происходил при температурах 8–10 и 12–13°С, при этом выход биомассы был почти одинаковым. Штамм CALU 1773 наиболее интенсивно рос при температуре 12–13°С. В пользу того, что указанные температуры являются оптимальными для роста наших штаммов, свидетельствуют данные морфометрии клеток в процессе культивирования: средние длина и ширина клеток, а также значения стандартного отклонения оставались постоянными. Развитие культур при температурах 4–6 и 22–24°С приводило к искажению формы, изменению средних значений размеров клеток и увеличению значений стандартного отклонения. Например, у штамма CALU 1773 при температуре 4–6°С происходило резкое увеличение длины клеток, причиной которого могут быть нарушения в процессе клеточного деления, а диаметр изменялся мало. При температуре 22–24°С у этого штамма резко увеличивался диаметр клеток, что приводило к «раздуванию» и деформации и может объясняться нарушением процессов синтеза компонентов оболочки. Для штаммов CALU 1785, CALU 1787 и CALU 1791 наиболее значительные искажения морфологии обнаруживались в условиях роста при 22–24°С. Из-за нарушения процесса деления клеток, в культурах образовывались нитевидные структуры, длина которых в 3–4 раза превышала длину клеток, зарегистрированную в оптимальных условиях роста. Клетки раздувались и приобретали нетипичную для представителей р. Pseudanabaena веретенообразную форму. Таким образом, исследуемые штаммы антарктических цианобактерий рода Pseudanabaena (CALU 1773, 1785, 1787 и 1791) являются психротолерантными микроорганизмами с оптимумом роста в диапазоне температур 8–13°С и способностью развиваться при температурах выше 20°С. Согласно анализу данных литературы, арктический штамм Pseudanabaena catenata USMAC16, выделенный из бентосного сообщества Шпицбергена, также является психротолерантным, поскольку растет с максимальной скоростью при температуре 15°С и способен расти при 25°С (Khan et al., 2017). Для оценки генетического сходства исследуемых антарктических штаммов цианобактерий рода Pseudanabaena были проанализированы последовательности генов 16S рРНК и участков внутренних транскрибируемых спейсеров рибосомного оперона (16–23S ITS). Полученные почти полноразмерные последовательности генов 16S рРНК штаммов (~1350 п.н.) сравнивали с последовательностями из базы данных с использованием инструмента BLAST (The Basic Local Alignment Search Tool). Результаты сравнения свидетельствуют о высоком уровне генетического разнообразия внутри рода Pseudanabaena. Например, штамм CALU 1773, имел степень сходства с другими представителями рода в пределах 89–98%, в то время как степень сходства с одноклеточной цианобактерией Synechococcus sp. PCC7009 составляет 86%. Полученные результаты также подтверждают филогенетическую близость цианобактерий рода Pseudanabaena с представителями р. Limnothrix. Для штаммов с малиновой окраской клеток CALU 1785, 1787, 1791 уровень сходства последовательности гена 16S рРНК с соответствующими последовательностями Limnothrix sp. составляет 98%. Согласно полученным данным, последовательности антарктических штаммов цианобактерий р. Pseudanabaena, имеющих малиновую окраску клеток (штаммы CALU 1785, 1787, 1791), образуют отдельную ветвь. Штамм CALU 1773 с сине-зеленой окраской занимает соседнее с вышеуказанной ветвью положение. Все наши последовательности локализованы обособленно от референсных форм рода Pseudanabaena – штаммов коллекции РСС (Castenholz et al., 2001). Арктический психротолерантный штамм Pseudanabaena catenata USMAC16 расположен на дендрограмме дистантно от исследуемых штаммов и группируется со штаммом Pseudanabaena sp. PCC 7408. Последовательности внутренних транскрибируемых спейсеров рибосомного оперона в последнее время активно используются с целью сравнения и разделения цианобактерий на внутриродовом уровне. Анализ ITS исследуемых штаммов выявил присутствие в их составе последовательностей двух тРНК (для аминокислот изолейцина и аланина). Обнаружены особенности вторичной структуры отдельных маркерных участков, таких как D1-D1′-домен и B-box, в сравнении с таковыми у мезофильных штаммов рода Pseudanabaena и психротолерантного арктического штамма Pseudanabaena catenata USMAC16. Таким образом, исследуемые штаммы являются психротолерантными формами цианобактерий, способными активно расти и размножаться при температурах 8–13°С. Возможно, они образуют обособленную филогенетическую группу в составе р. Pseudanabaena. Вероятно, адаптация к росту в условиях низких температур возникала у представителей р. Pseudanabaena неоднократно, о чем свидетельствуют данные о дистантном филогенетическом положении арктического психротолерантного штамма Pseudanabaena catenata USMAC16. Механизмы возникновения подобных адаптаций до сих пор еще полностью не исследованы и требуют дальнейшего изучения.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 20-04-00020а. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.
Список литературы
Статья поступила в редакцию 30.06.2020
Об авторах Аверина Светлана Геннадиевна – Svetlana G. Averina кандидат биологических наук s.averina@spbu.ru Цветикова Софья Андреевна – Sofya A. Tsvetikova студент, Санкт-Петербургский национальный исследовательский Университет информационных технологий, механики и оптики (ITMO National Research University, Saint Petersburg, Russia), лаборатория микробиологии zvetikova@scamt-itmo.ru Полякова Елена Юрьевна – Elena Y. Poliakova студент, Санкт-Петербургский Государственный Университет, Санкт-Петербург, Россия (Saint Petersburg State University, St Petersburg, Russia), кафедра микробиологии helen159951@gmail.com Величко Наталия Владиславовна – Natalia V. Velichko кандидат биологических наук n.v.velichko@mail.ru Пиневич Александр Васильевич – Alexander V. Pinevich доктор биологических наук a.pinevich@spbu.ru Корреспондентский адрес: 199178, Россия, г. Санкт-Петербург, 16-я линия В.О., д. 29, каф. микробиологии СПбГУ. Телефон (812) 321-33-59.
ССЫЛКА: Аверина С.Г., Цветикова С.А., Полякова Е.Ю., Величко Н.В., Пиневич А.В. Антарктические цианобактерии рода Pseudanabaena – пример психротолерантных микроорганизмов // Вопросы современной альгологии. 2020. № 2 (23). С. 57–62. URL: http://algology.ru/1659 DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2020-2(23)-57-62
Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно.
Antarctic cyanobacteria of the genus Pseudanabaena – an example Svetlana G. Averina1, Sofya A. Tsvetikova2, Elena Y. Poliakova1, Natalia V. Velichko1, Alexander V. Pinevich1 1Saint Petersburg State University (St Petersburg, Russia) This research focuses on the Pseudanabaena genus Antarctic strains, in particular on their ability to grow at low temperature, as well as on their phylogenetic relatedness with other cyanobacteria. Pseudanabaena sp. strains CALU 1773, CALU 1785, CALU 1787 and CALU 1791 were cultured at various temperatures. Culture growth was monitored via cell suspension optical density, and biomass was measured by cell dry weight; additionally, a morphometric analysis was performed. Based on the obtained data, it was concluded that Antarctic Pseudanabaena strains represent psychrotolerant objects (they are able to grow at 20°С although their growth optimum is ˂15°С). At suboptimal temperatures (4°С and 22°С), cells get deformed. Analysis of 16S rRNA sequences of studied strains together with those from GenBank demonstrated a high genetic variability within the genus Pseudanabaena. The studied Antarctic strains formed branch which is distinct from the Arctic psychotolerant strain of Pseudanabaena catenata USMAC16. The obtained data indicate that adaptation to low temperatures could occur in representatives of the genus Pseudanabaena more than once. Key words: cyanobacteria; psychrotolerance; molecular phylogeny.
References
Authors Averina Svetlana G. Orcid ID – https://orcid.org/0000-0003-0890-1834 Saint Petersburg State University, St. Petersburg, Russia s.averina@spbu.ru Tsvetikova Sofya A. Orcid ID – https://orcid.org/0000-0003-0580-9522 ITMO National Research University, St. Petersburg, Russia zvetikova@scamt-itmo.ru Poliakova Elena Y. Orcid ID – https://orcid.org/0000-0003-4117-7884 Saint Petersburg State University, St. Petersburg, Russia helen159951@gmail.com Velichko Natalia V. Orcid ID – https://orcid.org/0000-0002-0540-9425 Saint Petersburg State University, St. Petersburg, Russia n.v.velichko@mail.ru Pinevich Alexander V. Orcid ID – https://orcid.org/0000-0002-3949-156X Saint Petersburg State University, St. Petersburg, Russia a.pinevich@spbu.ru
ARTICLE LINK: Averina S.G., Tsvetikova S.A., Poliakova E.Y., Velichko N.V., Pinevich A.V. Antarctic cyanobacteria of the genus Pseudanabaena – an example of psychrotolerant microorganisms. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2020. № 2 (23). С. 57–62. URL: http://algology.ru/1659 DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2020-2(23)-57-62
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.
На ГЛАВНУЮ![]() |
![]() |
|
![]() | ![]() | ||
|
|