= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =
УДК 579.262.017.6
изменение ультраструктуры клеток галоалкалофильной эндоэвапоритовой цианобактерии 'ЕиШЮТИЕСЕ
ттютрипА' при фоссилизации
© 2011 г. О. И. Баулина*, О. С. Самылина**, 1, Л. М. Герасименко**
*Биологический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова **Учреждение Российской академии наук Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва
Поступила в редакцию 11.01.2011 г.
Изучена ультраструктура галоалкалофильной эндоэвапоритовой цианобактерии 'ЕыкаШкеее пМгопв-ркИа' /-М001 из содового озера Магади на начальных стадиях фоссилизации в модельной экспериментальной системе, предусматривающей культивирование в концентрированном карбонатном рассоле при внесении хлористого кальция. Показано, что образующийся в этих условиях аморфный СаС03 может взаимодействовать с клеточной оболочкой на первых этапах кальцификации Е. па-?гопоркИа'. Получены данные, свидетельствующие о том, что поверхностный слой оболочки 'Е. па-КопоркИа', предположительно включающий полисахаридные и/или (глико)протеиновые компоненты, может участвовать в адсорбции и дальнейшей кристаллизации СаС03 с образованием массивной "скорлупы", в которую заключаются морфологически неизмененные клетки. Установлено, что в процессе минерализации СаС03 изменяется ультраструктура клеточной стенки и внутритилакоидного пространства. На последующих этапах фоссилизации клетки, заключенные в кальцийсодержащую "скорлупу", очевидно, мумифицируются и, в основном, сохраняют форму. По-другому происходит включение цианобактерий в глобулу троны. Оно сопровождается, по-видимому, прочным связыванием вещества растущего кристалла с элементами гликокаликса, заякоренными в наружную мембрану, что может приводить к ее отрыву от подлежащего слоя пептидогликана. Последний при этом сохраняется, а протопласты остаются сходными по ультраструктуре с интактными. Цианобактерии, инкорпорированные в крупные кристаллы троны, подвергаются деградации, деформируются и разрушаются. Этим можно объяснить, почему в массовых залежах троны озера Магади не обнаруживают фосси-лий цианобактерий, которые в избытке находят в кальцийсодержащих слоях.
Ключевые слова: галоалкалофильная эндоэвапоритовая цианобактерия, 'ЕыкаШкеее па^опоркПа', фос-силизация, ультраструктура, карбонат кальция, трона, клеточная поверхность, наружная мембрана, тилакоиды.
Мелководное экваториальное озеро Магади, в котором происходит обильное развитие микро-биоты над слоем осадка соды, является классическим примером содового водоема. Первичная продукция органического вещества озера обусловлена массовым развитием фототрофных организмов, в первую очередь, разнообразных цианобактерий [1].
В древних осадочных породах озера (т.н. зеленые слои) обнаружены массовые микрофоссилии одноклеточных цианобактерий, идентифицированные по морфологическим признакам на основании данных сканирующей электронной микроскопии как представители родов Pleurocapsa, Gloeocapsa, Entophysalis, Chroococcus и Synechococcus [2]. Преципитация карбоната кальция, по всей вероятности, происходила в слизистых капсулах, и сопровождалась сохранением морфологии коло-
1 Автор для корреспонденции: (e-mail: olga.samylina@gmail. com).
ний Pleыгoеapsa и Gloeoеapsa. При этом внутреннее содержимое клеток, судя по электронно-микроскопическому изображению, не подвергалось минерализации. Род Syneекoеoееыs характеризуется тем, что не имеет развитых слизистых поверхностных структур, то есть капсул или чехлов. Но вопрос о взаимодействии карбоната кальция с клеточной поверхностью цианобактерий этого рода в цитируемой статье не рассматривался. Однако в других работах при исследовании Syneекoеoееыs 8р. ОЬ24, имеющего на поверхности клеток (глико)протеи-новые 8-слои, доказано их участие в формировании кальцийсодержащих минералов [3, 4]. Кроме того, установлено, что у S. leopoliensis РСС 7942, способного продуцировать непрочно связанное с клеткой экстрацеллюларное полимерное вещество, инициальные стадии преципитации карбоната кальция происходят на поверхности наружной мембраны [5, 6].
787
5*
В настоящее время проведен подробный теоретический анализ клеточной поверхности бактерий, в том числе и цианобактерий, с точки зрения возможного участия различных по локализации и химической природе макромолекул в минерализации клеток [7]. Конкретно, при изучении процесса осаждения карбоната кальция цианобактериями, инициальным этапом которого считается связывание Са2+, установлена зависимость этого процесса не только от наличия, структурной организации и химического состава слизистых поверхностных структур [8], а также 8-слоев [3], но и от физико-химических свойств поверхности клеточной стенки [9], рН [5], состава среды и фазы роста микроорганизма [6].
'Е. паШпорНИа'является представителем натро-нофильной эндоэвапоритовой микробиоты озера Магади. Развиваясь в насыщенных растворах №С1 и №НС03, среди минералов галита и троны, эта цианобактерия может обеспечивать первичную продукцию озера в засушливые периоды. Настоящая работа является продолжением комплексного исследования процесса фоссилизации 'Е. па^опо-рННа'. В результате проведенных экспериментов [10] нами установлена структурная и химическая разнородность образующихся в модельной системе минералов, основными из которых являются карбонат кальция и трона. При этом карбонатиза-ция алкалофильных цианобактерий в среде, имитирующей состав содового озера, где кальций не может находиться в растворенной форме в виде свободного катиона, связана, по-видимому, с адсорбцией аморфного СаСО3 на клеточной поверхности с дальнейшей его кристаллизацией. Клетки, заключенные в разрастающиеся кристаллы троны, вследствие давления со стороны кристалла сминаются, деформируются и разрушаются [10].
Данные, представленные в статье [10], свидетельствуют о том, что только свободные от минералов клетки 'Е. паШпорНИа' активно фотосинте-зируют, в то время как клетки, заключенные в минералы, — нет. По всей видимости, после образования минеральной "скорлупы" вокруг клетки происходит ее постепенное отмирание. Следовательно, при существовании в эндоэвапо-ритовой системе у определенной части клеток в популяции 'Е. паШпорНИа' могут реализовываться некие защитные механизмы, блокирующие взаимодействие клеток с минерализующими агентами. Недавно аналогичный вывод был сделан при исследовании цианобактерий Бупвскососсш 8р. и Р1апкМкгх 8р., культивируемых при рН 8—10 в присутствии Са2+ [11]. Результаты этой работы свидетельствуют о наличии механизма, основанного на метаболическом поддержании положительного поверхностного заряда, предотвращающего адсорбцию Са2+ и последующее осаждение карбоната на поверхности клетки.
В определенной степени возможность процесса кальцификации может быть связана не только с химическими и структурными свойствами клеточной поверхности, но и с их адаптационными модификациями. Однако структурная организация и химический состав периферического слоя клеточной оболочки 'Е. natronophila' и его участие в преципитации минералов до сих пор не изучались. Большое значение в исследовании пространственной организации пограничной области между клеткой и формирующимся кристаллом имеет применение принципиально новых методов электронной микроскопии, не связанных с химической фиксацией, однако и они имеют ограничения [12]. В то же время, традиционный метод ультратонких срезов позволяет исследовать перестройку ультраструктурной организации как оболочки, так и протопласта цианобактерий в процессе минерализации.
Таким образом, целью данной работы является, во-первых, изучение ультраструктурной организации клеток 'Е. natronophila' Z-M001 в оптимальных для роста условиях; во-вторых, выявление ультраструктурных изменений клеток этой цианобак-терии в процессе фоссилизации при взаимодействии с разными типами кристаллов в разработанной нами модельной системе.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования являлась одноклеточная галоалкалофильная натронофильная ци-анобактерия 'Euhalothece natronophila' штамм Z-M001, выделенная из содового озера Магади (Кения), в экспериментальной системе, моделирующей процесс фоссилизации, как описано в предыдущей статье [10].
Условия культивирования. Клетки выращивали на качалке при 30°C, постоянном освещении лампами накаливания и общей освещенности 2000 люкс с на среде "М" следующего состава (мМ): Na2CO3 - 1000, NaCl - 800, KCl - 27, Na2SO4 - 10, KNO3 - 20, K2HPO4 • 3H2O - 2, FeCl3 - 1.8 x 10-3, микроэлементы A5 - 1 мл, pH 10-10.5.
Постановка экспериментов для изучения процесса кальцификации. Моделирование процесса фоссилизации в естественных условиях предусматривало внесение в трехсуточную культуру раствора CaCl2 до конечной концентрации 17 мМ. Продолжительность опыта 2-е сут.
Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ). Образцы контрольных (без Са02) и опытных (с 17 мМ Са02) клеток в логарифмической фазе роста после 2-х сут инкубирования фиксировали 2% или 0.5% раствором глютарового альдегида в 0.1 М Na-кокадилатном буфере или буфере Миллонига [13] соответственно в течение 30 мин. Постфиксацию проводили 1% О8О4 в соответству-
Рис. 1. Ультраструктурная организация контрольных клеток 'Eыhalotheеe паП-опоркИа' Z-M001, выращенных в оптимальных условиях на среде "М", содержащей 100 г/л ^2С0з и 50 г/л №С1: а) общий вид клетки; б) область оболочки с фибриллами поверхностного слоя, связанными с наружной мембраной; в) область оболочки с фибриллами поверхностного слоя, параллельными наружной мембране; г) организация тилакоидов. Н — нуклеоид, Р — рибосомы, Т — ти-лакоиды, ВТП — внутритилакоидное пространство, МТ — мембрана тилакоида, КС — клеточная стенка, ПС — поверхностный слой, Пг — пептидогликановый слой, НМ — наружная мембрана. Стрелками указаны фибриллы, перпендикулярные наружной мембране и связанные с ней, а также фибриллы, параллельные наружной мембране.
ющем буфере в течение 4 ч. Затем образцы обезвоживали в серии растворов этанола возрастающей концентрации, включая абсолютный этанол, насыщенный уранилацетатом, и заключали в арал-дит. Ультратонкие сре
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.