научная статья по теме ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРИБОВ ПО РАСПИСАНИЮ ПОЯВЛЕНИЯ КОЛОНИЙ НА ТВЕРДЫХ СРЕДАХ Биология

Текст научной статьи на тему «ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРИБОВ ПО РАСПИСАНИЮ ПОЯВЛЕНИЯ КОЛОНИЙ НА ТВЕРДЫХ СРЕДАХ»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 579.26

ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРИБОВ ПО РАСПИСАНИЮ ПОЯВЛЕНИЯ КОЛОНИЙ НА ТВЕРДЫХ СРЕДАХ

© 2014 г. С. А. Харин*, А. В. Кураков**, 1

*Институт медико-биологических проблем Российской академии наук **Биологический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Поступила в редакцию 17.04.2013 г.

Доказана применимость уравнения распределения Пуассона для описания динамики появления грибных колоний в посевах чистых культур и природных образцов, что указывает на возможность использования подхода Хаттори для оценки физиологического состояния грибов. По показателям — времени задержки появления колоний и X — потенциальной способности клеток к размножению выявлены различия в физиологической активности грибов разных видов, находящихся в форме спор и мицелия, а также грибных популяций в различных местообитаниях.

Ключевые слова: грибы, метод посева, физиологическое состояние, лаг-фаза, вероятность размножения, распределение Пуассона, уравнение Хаттори, почва, дождевые черви.

БОТ: 10.7868/80026365614010054

На протяжении более ста лет метод посева являлся основным экспериментальным приемом, позволяющим микробиологам проводить разнообразные исследования. С помощью этого метода оценивают относительное обилие и изолируют чистые культуры микроорганизмов из природных и техногенных местообитаний, изучают спектры утилизируемых соединений, влияние физико-химических факторов на рост микроорганизмов. Метод посева позволяет определить также физиологическое состояние микробных популяций в природе. Активность микробных популяций и формирующихся из них сообществ микроорганизмов неодинакова в разнообразных по условиям средах обитания. Достаточно очевидно, что это связано с такими внешними факторами, как влажность, температура, доступность питательных элементов, кислорода, кислотность среды, наличия токсикантов, а также зависит от стадий жизненного цикла организмов, видового состава сообщества. Пионерные исследования в этой области связаны с именем японского микробиолога Тсутому Хаттори [1, 2]. В результате сравнительных наблюдений за посевами разных видов бактерий на твердые питательные среды им было установлено, что их колонии при прочих равных условиях (температуре, составе питательной среды и т.д.) имеют различную динамику появления. Детальное изучение времени обнаружения видимых колоний показало, что динамика их появления на твердых питательных средах подчиняется

1 Автор для корреспонденции (е_шаП: kurakov57@mail.ru).

распределению Пуассона и описывается уравнением:

N(0 = N„(1 - ^ - г)) ц > гг), (1)

где N(0 — количество колоний в момент времени N„1 — финальное число колоний; X — вероятность образования колоний отдельной клеткой популяции в единицу времени; — время задержки (включающее в себя лаг-период и время до образования видимой невооруженным глазом колонии). N(0 и ? являются переменными значениями, а X и — постоянными параметрами, характеризующими физиологическое состояние бактериальных популяций [3, 4].

Подсчет образовавшихся на твердой питательной среде колоний через определенные интервалы времени позволяет составить расписание появления колоний и затем вычислить параметры X и В соответствии с распределением Пуассона некоторое событие, запускающее процесс размножения клетки, происходит с вероятностью в единицу времени X, а результатом процесса будет появление колоний через время Показатель X характеризует потенциальную способность клеток к размножению, причем между X и скоростью размножения "потомства" нет прямой связи. Поэтому вероятность размножения клеток должна изменяться на разных стадиях развития микроорганизмов, зависеть от стрессов, содержания запасных веществ в клетке и т.д. [3, 5].

Именно таким образом Хаттори с соавторами [2—4, 6] в своих исследованиях определили физиологическое состояние для чистых культур бак-

83

6*

терий олиготрофных и копиотрофных видов. Значения X для активных бактериальных клеток были более 0.042 ч-1, для покоящихся клеток X < 0.021 ч-1, а клетки с показателями 0.042 ч-1 < < X < 0.021 ч-1 находились в промежуточной фазе клеточного цикла развития. Предложенный им подход позволил дать количественную оценку различиям в активности бактериальных популяций в разнообразных эконишах, почвах разных типов, а также в ризосфере и водоемах [2-6]. Несмотря на эффективность данного подхода в исследованиях экологии бактерий, не было предпринято попыток показать возможность его использования и перспективность для характеристики физиологического состояния грибов в различных условиях их развития.

Целью работы было выяснение применимости подхода Хаттори для оценки физиологического состояния грибов в чистых культурах и грибных популяций в природных местообитаниях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Микромицеты. Оценку физиологического состояния грибов проводили для : культур Aspergillus niger 3П42 и Alternaría alternata 1С321 (споровой и мицелиальной форм); штамма Penicillium auran-tiogriseum 5П623, инокулированного в стерильную дерново-подзолистую почву; комплексов (популяций) микроскопических грибов нативной дерново-подзолистой почвы; пищеварительного тракта, его содержимого и копролитов дождевых червей Aporrectodea caliginosa, обитающих в этой почве.

Для получения мицелиальной суспензии культуры Asp. niger и Al. alternata выращивали на твердой среде Чапека в течение одних суток при 27°C. Такая продолжительность инкубации давала возможность получить мицелий грибов без конидий. Биомассу мицелия переносили в пробирку со стерильной водой, измельчали, встряхивая ее на вортексе в течение 5 мин, и разбавляли стерильной водой до концентрации не более 50 КОЕ на 100 мкл суспензии. Споры Asp. niger и Al. alternata получали после семисуточного культивирования грибов на среде Чапека при 27°C. Исходную споровую суспензию готовили смывом конидий стерильной водой с поверхности колоний, и затем разбавляли до концентрации 10-50 спор в 100 мкл суспензии.

Почва. Использовали свежие образцы окультуренной дерново-подзолистой почвы под бобо-во-злаковой растительностью с многолетнего опыта кафедры агрохимии МГУ имени М.В. Ломоносова (Московская область, Почвенно-эко-логический центр МГУ "Чашниково"). Содержание общего углерода в почве - 1.72%, азота -0.13%, pH водной вытяжки - 5.7. В 1989 г. была

применена известь в дозах, достаточных для нейтрализации гидролитической кислотности. Почва получала в течение 1990-1999 гг. 340 т/га органических удобрений и минеральные удобрения N100P500K500 в год. В течение 1994-1999 гг. вносили в среднем N100P40K100 в год.

Дождевые черви. Дождевые черви Aporrectodea caliginosa были отобраны из горизонта 0-20 см исследуемой почвы. Червей содержали в садках с почвой при 12-15°C.

Для получения содержимого желудка и очищенного пищеварительного тракта червя его помещали на 1 с в воду при 100°C, и затем на морозильный столик (элемент Пелтье), где он охлаждался до - 16°C за 20-30 с [7]. Далее производили вскрытие червя и в момент размораживания извлекали содержимое кишечника и пищеварительный тракт. Очищение пищеварительной системы червей от почвы и растительных остатков проводили в стаканчиках на 100 мл со стерильным песком в течение 5-7 дней (по 3-5 червей в стакане).

Образцы свежих копролитов получали путем выдерживания червей в чашках Петри на увлажненной стерильной фильтровальной бумаге при температуре 4-5°C в течение нескольких часов. Использовали также трехсуточные копролиты после инкубации червей на поверхности почвы в течение 3 сут.

Для оценки физиологического состояния грибов составляли расписание появления колоний грибов на плотной среде и оценивали соответствие полученного расписания распределению Пуассона согласно подходу Хаттори. Критерием соответствия служило равенство среднего и дисперсии, которое является основным признаком распределения Пуассона и может использоваться для его доказательства [8]. Посевы проводили на глюкозо-пептонно-дрожжевой агар (ГПДА), (г/л): глюкоза - 1.0; пептон - 2.0; дрожжевой экстракт - 1.0; гидролизат казеина - 1.0; КН2РО4 -0.5; K2HPO4 - 0.5; агар - 15.0; 1 л водопроводной воды, pH 7.2. Рост бактерий подавляли добавлением в среду стрептомицина (30 мг/л). Десорбцию грибов с частиц почвы, содержимого кишечника, пищеварительного тракта и копролитов A. caliginosa проводили в гомогенизаторе DIAX 9000 ("Heidolph"). Чашки с посевами инкубировали в термостате при 27° C и через определенные промежутки времени учитывали количество вновь образовавшихся колоний, отмечая их маркером на обратной стороне чашки Петри. Опыты проводили в десятикратной повторности чашек с периодичностью подсчета колоний каждые 3-8 ч в течение 3-14 сут с момента появления первой колонии. В случае соответствия их появления распределению Пуассона, т.е. применимости уравнения (1), оценивали физиологическое со-

стояние грибных популяций по показателям вероятности размножения X и продолжительности лаг-фазы из уравнения (1). Эти параметры вычисляли линейным способом метода наименьших квадратов по имеющимся экспериментальным данным N(0 и I согласно расписанию появления колоний.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Доказательство применимости распределения Пуассона для описания динамики появления грибных колоний на твердой среде. Условием применения уравнения (1) для определения — длительности лаг-фазы и X — вероятности размножения клеток, которые характеризуют их физиологическое состояние, служит соответствие расписания появления колоний микроорганизмов распределению Пуассона:

Р (х) = Хсхр ^Хср/х!, (2)

где х — дискретная величина, х! — факториал дискретной величины, Р(х) — вероятность проявления значений этой величины, хср — среднее значение дискретной величины (параметр распределения), е — основание натурального логарифма 2.7182.

Одним из доказательств того, что на твердых питательных средах колонии появляются с частотой, соответствующей распределению Пуассона, является достоверное равенство среднего числа появления колоний в единицу времени на одной

чашке Петри и дисперсии этого среднего [5]:

*ср = а ,

(3)

где хср — с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком