научная статья по теме РЕПРОДУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ: ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ И БИОТЕХНОЛОГИИ Биология

Текст научной статьи на тему «РЕПРОДУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ: ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ И БИОТЕХНОЛОГИИ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 2, с. 167-175

= ОБЗОРЫ =

УДК 581.1:601.2

РЕПРОДУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ: ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ И БИОТЕХНОЛОГИИ

© 2015 г. Н. А. Давидович*, О. И. Давидович*, Ю. А. Подунай*, К. И. Шоренко*, М. С. Куликовский**

*Карадагский природный заповедник, Феодосия, Крым ** Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, п. Борок Поступила в редакцию 01.07.2014 г.

Одноклеточные водоросли, и в частности диатомовые (ВасШагюрЬу1а), привлекают все большее внимание как объекты производства биотехнологической отрасли. Широко известна способность диатомовых синтезировать жиры и жироподобные вещества (основа производства биодизеля), му-кополисахариды, необычные пигменты (например, мареннин), наноразмерные кремнеземные структуры. При этом следует отметить, что число используемых в биотехнологии видов диатомовых поразительно мало в сравнении с их общим количеством на планете. По приблизительным оценкам в природе существует около 100 тысяч видов диатомовых. Одной из существенных причин, тормозящих развитие биотехнологического производства с использованием диатомовых, является слабая изученность их жизненного цикла и биологии воспроизведения. Настоящая работа посвящена систематизации сведений о биологических свойствах диатомовых, которые следует учитывать при их использовании в качестве объектов для культивирования, в особенности в виде клонов.

Ключевые слова: БасШапорку(а — культивирование — клон — биология воспроизведения

Б01: 10.7868/80015330315020049

ВВЕДЕНИЕ

Последние несколько десятилетий ведется активный поиск новых объектов, и в первую очередь микроорганизмов, для промышленного культивирования с целью получения полезных для человека субстанций. В этом плане все более привлекательными становятся диатомовые водоросли (ВасШагюрИуа), способные синтезировать различные по своей природе вещества, включая жиры, жирные кислоты, полисахариды, жиро- и водорастворимые пигменты, наноструктуриро-ванный аморфный кремнезем и др. [1—3]. Группа диатомовых водорослей эволюционно сравнительно молода, но в то же время она включает более 100 тыс. видов и является одной из самых разнообразных [4, 5]. В эволюционном плане диатомовые довольно уникальны. Считается, что они произошли в результате нескольких последовательных актов симбиогенеза изначально гетеротрофного организма с другими водорослями [6— 8]. В результате в геноме диатомовых, помимо генов исходного гетеротрофного эукариота, инкор-

Адрес для корреспонденции: Давидович Николай Александрович. 298188 Крым, Феодосия. Карадагский природный заповедник. Электронная почта: karadag-algae@yandex.ru, nickolaid@yandex.ru

порированы гены организмов-симбионтов — зеленой [9] и красной водорослей [10], а за счет горизонтального переноса они получили гены бактерий и простейших. У диатомовых обнаруживается рекордное количество генов, заимствованных на разных этапах, в том числе и организмами-симбионтами, у различных прокариот: ци-анобактерий, протеобактерий, архей [10]. Такой политипичный генетический набор обуславливает необычные свойства и возможности диатомовых, включая нетривиальные пути биосинтеза. В качестве фотосинтетических пигментов у диатомовых имеются хлорофиллы а и с, фукоксан-тин, диадиноксантин, диатоксантин.

Несмотря на огромное видовое разнообразие, в настоящее время всего лишь несколько видов диатомовых используют для массового культивирования. Одним из основных препятствий, которое тормозит прогресс в освоении и эксплуатации новых объектов культивирования, является очень низкий уровень знаний, касающихся их биологии воспроизведения, и в частности жизненных циклов, систем скрещивания и процесса полового воспроизведения. Эффективным и целесообразным, имеющим наибольший технологический и продукционный потенциал, представляется со-

Рис. 1. Схема жизненного цикла центрической диатомовой водоросли Melosira moniliformis (O.F. Müller) C. Agardh. ИК — инициальная клетка, полученная в результате полового воспроизведения, она дает начало новому клону и характеризуется максимальными видоспецифическими размерами; А — ауксоспора — быстро (в течение нескольких часов) растущая клетка, произошедшая из зиготы; МГ — пустые панцири мужских гаметангиев. Пунктиром обозначена критическая граница размеров, перейдя которую клетки становятся сексуально индуцибельными. Большую часть жизненного цикла, общая продолжительность которого составляет у этого вида 3—6 месяцев, клетки находятся в диплоидном состоянии (2n), гаплоидны (n) только гаметы.

держание культур в виде клонов (штаммов). При этом подразумевается решение двух задач: во-первых, получение (выделение из природной среды, селекция, генетическое конструирование) наиболее эффективных генетических линий и, во-вторых, длительное содержание штаммов в культуре без изменения их генетической чистоты.

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы на основе имеющегося многолетнего опыта содержания культур обобщить и систематизировать теоретические сведения о биологии диатомовых водорослей, которые могут оказаться полезными при решении задачи их практического содержания в виде клонов — генетически однородных линий.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ

Сведения о жизненном цикле диатомовых водорослей достаточно широко представлены в литературе, они касаются как особенностей отдельных видов, так и общих закономерностей (на-

пример [11—19] и др.). Жизненный цикл диатомовых водорослей весьма специфичен, и первое, на что следует обратить внимание, это характерное изменение их размеров (рис. 1). Самые большие размеры имеют инициальные клетки. Они появляются вследствие полового воспроизведения, и каждая из них дает начало новому клону вегетативно делящихся клеток с неповторимым генетическим набором. В период вегетативной фазы жизненного цикла (рис. 2) клетки диатомовых водорослей делятся надвое, и поскольку они несут защитный кремнеземный панцирь, состоящий из двух половинок (створок), одна из которых накрывает другую как крышка в коробке ("коробочная" модель), — каждой из дочерних клеток достается одна половинка. Вторая недостающая часть достраивается, причем происходит это внутри уже имеющейся створки. Как следствие, после деления одна клетка имеет такой же размер, что и родительская, а вторая оказывается немного меньшей.

D C BE A

° S :,v&¡ а- ■ ■■■н ЬФ ■■ ■■ ■■■С« .О Репродуктивная Ш ш ¡SS? Инициальные клетки ж Ш Ш Щ

фаза 1 í# I Допрепродуктивная фаза ж Ш i:-т

Размер ^ 1 клеток

г

0 50 100 %

Рис. 2. Фазы онтогенеза диатомовых водорослей и размеры клеток в соответствующих фазах. A—E — кардинальные точки (границы фаз) в онтогенезе.

Такое явление наблюдается за редкими исключениями [20] у подавляющего числа видов диатомовых. Уменьшение размеров примерно соответствует удвоенной толщине створки в ободочной зоне (зона перекрытия створок), и для одного деления оно оказывается сравнительно небольшим и измеряется долями микрометра. Однако по прошествии многих делений (по времени это занимает от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от вида и условий роста) клетки становятся критически маленькими, и их дальнейшее существование оказывается под вопросом.

Новый этап формирования инициальных клеток позволяет избежать продолжающегося уменьшения размеров; они восстанавливаются до исходных, характерных для вида в начале жизненного пути. Происходит это путем ауксоспорообразова-ния (рис. 2). Ауксоспора, или спора роста — клетка, образующаяся из зиготы — продукта слияния гамет. Ауксоспоры и ауксоспорообразование известны только у диатомовых водорослей. Ауксоспоры увеличиваются, достигая максимальных, характерных для вида размеров за несколько часов. По окончании роста ауксоспоры внутри нее откладывается панцирь будущей инициальной клетки. Важно подчеркнуть, что ауксоспора — это не просто клетка, способная увеличиваться в размерах. Она является продуктом полового воспроизведения, несущим новый генетический "пасьянс".

Изложенная схема уменьшения и восстановления размеров в жизненном цикле была описана в конце 19 века [21, 22] и носит название правила МакДональда—Пфитцера [17, 23]. Из этой схемы вытекает несколько важных для практики культивирования замечаний.

1) Конкретный штамм (клон) водоросли, подверженной действию правила МакДональда— Пфитцера, невозможно культивировать бесконечно долго: продолжительность существования штамма определяется продолжительностью его жизненного цикла. Поскольку скорость прохождения жизненного цикла зависит от темпа деления

клеток, этим можно воспользоваться для консервации и последующего использования части клона, например, поместив эту часть в условия низкой освещенности и пониженной температуры.

2) Культивируемый клон теряет свою генетическую однородность, как только в нем происходит процесс полового воспроизведения, в результате появляется множество новых генетических линий. Половое воспроизведение внутри клона (гомоталлическое воспроизведение) возможно, но оно, являясь типичным для центрических и некоторых пеннатных диатомей (см. ниже), характерно не для всех диатомовых. Самым простым индикатором того, что в клоне произошло внутриклоновое воспроизведение, может служить появление инициальных клеток. Инициальные клетки заметно выделяются своими размерами: апикальная длина (у пеннатных) или диаметр (у центрических) в несколько раз больше соответствующего размера клеток родительского клона.

3) В тех случаях, когда важно не избежать, а, напротив, получить половое воспроизведение, например, в целях селекции определенных штаммов, важно учитывать тот факт, что жизненный цикл диатомовых делится на две фазы: дорепро-дуктивную и репродуктивную (генеративную) (рис. 2). В дорепродуктивной фазе клетки, начиная с инициальных, осуществляют исключительно вегетативное деление. Одним из непременных условий вступления в генеративную фазу является достижение клетками некой критической границы размеров — кардинального пункта в жизненном цикле по Geitler [11, 24]. Критический размер для большинства видов диатомовых близок к 50% от

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

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»