Одноклеточные водоросли динофлагелляты
являются важной частью водных экосистем, вызывают цветение водоемов и выделяют
токсины, опасные для человека. Попадая в неблагоприятные условия — при понижении
температуры или изменении солености, — клетка перестраивает свои поврежденные покровы
(линяет) и адаптируется. Биологи изучили, как протекает этот процесс и что
является его триггерами. Результаты исследования были опубликованы в журнале
Scientific Reports. Работа выполнена при поддержке Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).
Динофлагеллят можно обнаружить по всему миру, именно их мы видим на
картинках со светящемся в ночи морем. Эти одноклеточные водоросли принимают
большое участие в создании экосистем водоемов и вызывают вредоносные цветения воды.
Также динофлагелляты вырабатывают токсины, которые опасны для человека и водных
обитателей. Кроме биолюминесценции, эти одноклеточные удивительны своим уникальным
механизмом перестройки клеточных покровов (линьки, или экдизиса).
«Для водорослей это адаптация, ответ на повреждение мембраны в
результате неблагоприятных условий и возможность их пережить. Пока клетка
претерпевает этот процесс, она находится в состоянии цисты, когда ее жизнедеятельность
замедлена. Поскольку процесс экдизиса влияет на активность клеток и может быть вызван
различными внешними воздействиями — от сильного перемешивания до понижения
температуры и действия некоторых химических веществ — он влияет на численность
динофлагеллят в природе, в том числе, на начало и завершение вредоносных
цветений», — рассказывает Ольга Матанцева, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат
биологических наук, старший научный сотрудник Института цитологии РАН.
В своих исследованиях ученые из лаборатории цитологии одноклеточных
организмов Института цитологии РАН (Санкт-Петербург) использовали «армированный»
вид Prorocentrum cordatum. Эти
динофлагелляты инвазивны, то есть способны захватывать новые местообитания,
вытесняя из них коренные виды, обитают практически во всех уголках земного
шара, потенциально токсичны и часто вызывают вредоносное цветение воды. Линька у
P. сordatum протекает в два этапа. Сначала плазматическая мембрана и жгутики
сбрасываются. Одновременно с этим происходит слияние амфиесмальных пузырьков, содержащих
жесткие целлюлозные пластины, из-за которых вид и отнесли к армированным. Эти
пузырьки сливаются в один, опоясывающий всю клетку, после чего его наружная мембрана
отслаивается. Клетка на этом этапе представляет собой цисту, окруженную
текальными пластинами (самый внешний слой) и внутренней мембраной слившихся
амфиесмальных пузырьков — новой плазматической мембраной. Во время второго
этапа под новой плазматической мембраной формируются жгутики, и клетка выходит
из текальных пластин. В этот момент она не имеет клеточной стенки, но очень
скоро под плазматической мембраной формируются новые амфиесмальные пузырьки, в
которых накопится целлюлоза. После этих преображений P. сordatum приобретает свой прежний вид.
«На основании полученных данных мы сделали вывод о том, что
изучаемый нами вид формирует особый вид цист — текальные цисты. В неактивном
состоянии клетки остаются защищенными целлюлозными пластинами, что нетипично
для большинства изученных динофлагеллят», — пояснила Ольга Матанцева.
Изучая причины линьки, исследователи воспроизвели большинство
внешних неблагоприятных факторов, с которыми могут столкнуться динофлагелляты. Так,
повышение или понижение температуры может быть связано со сменой сезонов,
сильными ветрами и внезапным холодным течением. Лабораторные эксперименты
показали, что резкое понижение температуры среды вызывает интенсивную линьку в
культуре P. cordatum, а вот повышение
температуры до 35℃
клетки переносят, не претерпевая структурных изменений. Опыты с механическим
воздействием показали довольно противоречивые результаты. Встряхивание пробирки
в течение одной минуты не приводило к перестройке покровов, а центрифугирование
при 2500 оборотов в минуту запускало этот процесс лишь у небольшой части клеток
в культуре. После этого ученые повысили скорость вращения до 8000 и 12000
оборотов в минуту. В этих неестественных условиях более чем у 80% клеток
началась линька. Проверяя жизнеспособность клеток, претерпевающих реорганизацию
покровов, исследователи обнаружили, что большинство прошедших экдизис клеток
возвращались к нормальной жизнедеятельности.
«На сегодняшний день молекулярные механизмы экдизиса остаются неясными.
Однако вид Prorocentrum cordatum подходит
для эффективного изучения этого удивительного процесса. Теперь мы знаем, какие
факторы могут запустить его в культуре, а, значит, можем получить достаточно
клеток для исследований методами клеточной биологии. Наши результаты доказывают,
что эти динофлагелляты реагируют на различные триггеры одними и теми же
изменениями вне зависимости от штамма: они начинают менять поврежденный внешний
покров путем линьки. Кроме того, некоторые триггеры не только вызывают экдизис,
но также подавляют образование новых текальных пластин. В дальнейшем эти
триггеры помогут нам выяснить роль целлюлозы и текальных пластинок в линьке армированных
видов», — комментирует результаты Ольга Матанцева.
Картинка 1. Колбы с культурами динофлагеллят. Источник: Ольга Матанцева/ИЦ
РАН.
Картинка 2. Мария Бердиева, младший научный сотрудник Института
цитологии РАН. Источник: Ольга Матанцева/ИЦ РАН.
Картинка 3. Линька у водоросли P.
cordatum. Источник: Ольга Матанцева/ИЦ РАН.