Яковийчук А.В.¹, Мальцев Е.И.², Куликовский М.С.²

Aleksandr V. Yakoviichuk, Yevhen I. Maltsev, Maxim S. Kulikovskiy

¹Мелитопольский государственный университет (Мелитополь, Россия)

²Институт физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН (Москва, Россия)

УДК 581.198

Проведено комплексное исследование показателей антиоксидантного статуса двух штаммов диатомовых водорослей: морского svn544 Navicula salinicola и почвенного MZ–BL Mayamaea fossalis. Результаты позволили установить различия в формировании антиоксидантного ответа клеток на стресс, которые обусловлены как видовыми, так и экологическими особенностями исследованных штаммов.

Ключевые слова: Navicula salinicola; Mayamaea fossalis; ферменты; витамины; жирные кислоты; каротиноиды; хлорофиллы

Многие штаммы диатомовых водорослей широко используются для биотехнологического производства биологически-активных веществ (Smerilli et al., 2016). Однако вопрос поиска продуктивных и неприхотливых к условиям культивирования штаммов все же стоит очень остро. Кроме того, устойчивые штаммы являются наиболее интересными, ведь производство многих веществ индуцируется стрессорами различного генеза, однако любые процессы стрессирования сопровождаются интенсификацией процессов липидной пероксидации (ПОЛ), и основная нагрузка ложиться на систему антиоксидантной защиты (АОЗ). Это ведет к развитию оксидативного стресса – нарушению баланса между производством и инактивацией активных форм кислорода АФО (Almeida et al., 2017), или формированию антиоксидантного ответа (Kurutas, 2016; Cao et al., 2022). Антиоксидантный ответ сопровождается метаболическими перестройками систем клетки, которые как напрямую (система АОЗ), так и опосредованно (жирнокислотный состав, энергетическая система, вторичный метаболизм и др.) принимают участие в формировании компенсаторной реакции на стресс (McLain et al., 2011; Naudí et al., 2013; Cao et al., 2022). Так же стоит отметить, что антиоксидантный ответ реализуется специфически для различных родов, видов и, как ранее установлено, изолятов одного вида микроводорослей, так же, как и накопление вторичных метаболитов (Goiris et al., 2012; Yakoviichuk et al., 2023). Поэтому комплексное изучение состояния системы антиоксидантной защиты, жирнокислотного состава, состояния энергетической системы и содержания различных низкомолекулярных антиоксидантов является первоочередными в стратегии выбора штаммов для дальнейшего биотехнологического использования.

На данный момент представленной в литературе информации недостаточно для того, чтобы установить закономерности накопления метаболитов и формирования антиоксидантного ответа для отдельных видов диатомовых водорослей, в частности представителей родов Navicula Bory и Mayamaea Lange-Bertalot. Если принять во внимание чувствительность биохимических маркеров к экологическим и другим факторам культивирования, становиться очевидной необходимость глубоких комплексных исследований отдельных видов и штаммов.

Была поставлена цель на основании биохимических маркеров проанализировать антиоксидантный статус штаммов svn544 Navicula salinicola Hustedt и MZ–BL Mayamaea fossalis (Krasske) Lange-Bertalot, представляющих различные биотопы (морские, почвенные).

Культивирование морского штамма проводили на среде ESAW, а почвенного – на среде WC в течении 15 дней. Изучали следующие биохимические показатели: Содержание хлорофиллов (Chla, b, c); содержание каротиноидов (Car); содержание витаминов А, Е; глутатионпероксидазную активность (ГПО); каталазную активность (КАТ); супероксиддисмутазную активность (СОД); активность сукцинатдегидрогеназы (СД); содержание ТБК-активных продуктов в исходном гомогенате (TBAAP) и после индукции пероксидного окисления липидов ионами Fe²⁺ (TBAAP_i); состав жирных кислот липидов (ЖК); коэффициент антиоксидантной активности (К_АОА); общую ненасыщенность ЖК липидов (N); содержания протеинов. Исследования осуществляли при достижении культурами стационарной фазы роста.

Скрининг штаммов демонстрирует наличие относительно низкого содержания хлорофиллов у штаммов, что характерно для стационарной стадии роста, которая сопровождается катаболизмом хлорофиллов, белков и накопление веществ–цитопротекторов. Стоит отметить, что пигментный состав svn544 представлен тремя типами хлорофиллов Сhla, Chlb, Chlc в концентрациях (0,12±0,01; 0,08±0,07; 0,13±0,06 мг/г сухой массы (DW)). Для MZ–BL весь пул фотосинтетических пигментов сформирован Сhla в концентрации 0,23±0,04 мг/г, что на 91,67 % выше, чем содержание данного пигмента для svn544. Отсутствие хлорофиллов b, c у MZ–BL скорее связано с их распадом, что может быть одним из механизмов адаптации к неблагоприятным условиям, и использованием продуктов распада в качестве питательных компонентов, поскольку стационарная фаза обычно наступает из-за лимитированной доступности питательных компонентов в среде культивирования. Хотя суммарное содержание хлорофиллов выше у svn544, соотношение общего содержания каротиноидов к содержанию хлорофилла а (Car/Chla) ниже для MZ–BL (17,44 мг/г DW для MZ–BL и 41,08 мг/г DW для svn544), что указывает на повышенную фотосинтетическую активность клеток MZ–BL по отношению к svn544. Повышенный метаболический потенциал подтверждается в 44,79 раз увеличенным содержанием α-токоферола (361,48±22,91 мкг/г DW и 8,06±0,06 мкг/г DW для MZ–BL и svn544), синтез которого происходит при активном фотосинтезе. Это также подтверждается повышенным в 4,78 (в гомогенате) и 1,74 раз (после активации пероксидного окисления ионами Fe²⁺) содержанием вторичных продуктов распада липидов, поскольку во время фотосинтеза и интенсификации энергетических процессов значительно возрастает генерация АФО (Foyer, Hanke, 2022). Однако анаэробное окисление энергетических субстратов протекает более интенсивно в клетках штамма svn544, на что указывает повышенная на 77,24% активность сукцинатдегидрогеназы, это в свою очередь вызывает снижение антиоксидантного статуса клетки, поскольку СД при превращении субстрата генерирует АФО (Manhas et al., 2020), которые ведут к активации ферментов антиоксидантной защиты. Так у штамма svn544 СОД-активность повышена в 2,63, а ГПО-активность в 2,44 раз относительно MZ–BL, при идентичной КАТ-активности, что указывает на выработку именно супероксида и поражение им двойных связей жирных кислот с образованием пероксидов липидов. Вероятно, это приводит к понижению ненасыщенности ЖК липидов у MZ–BL, и реализует один из альтернативных механизмов повышения антиоксидантной устойчивости клеток. Данный фактор необходимо учитывать при использовании штамма в качестве источника липидов, поскольку формирование антиоксидантного ответа MZ–BL идет с конвертацией или оксидацией ненасыщенных ЖК, что сопровождается снижением пищевой ценности получаемых продуктов. На 72,54% ниже ненасыщенность ЖК липидов MZ–BL относительно svn544, которая реализована в большей степени за счет пониженного в 5,04 раза общего содержания полиненасыщенных ЖК, в основном ω-3 (0,53% и 8,37% для MZ–BL и svn544). В таком случае штамм svn544 может быть ценным с точки зрения получения обогащенных незаменимыми ЖК липидов, так как не задействует, либо задействует в меньшей мере механизм понижения ненасыщенности при формировании антиоксидантного ответа.

В то же время содержание каротиноидов для штаммов находилось на уровне 4,01±1,10 – 4,93±0,58 мг/г DW, что в среднем приближено к нижней границе концентраций для представителей диатомовых – от 2,24 до 21,67 мг/г DW (Kim et al., 2012; Safafar et al., 2015; Hamidi et al., 2019), а содержание продукта их прямой конвертации – ретинола было выше у svn544 (12,76±0,58 – svn544; 9,48±1,62 мкг/г DW – MZ–BL). Из чего следует вывод, что каротиноиды и их производные имеют незначительный вклад в формирование антиоксидантного ответа для данных штаммов.

Учитывая, что антиоксидантная активность клеток штамма MZ–BL в 2,76 раз выше (К_АОА = 0,21 и 0,58, для svn544 и MZ–BL соответственно), а также анализируя описанные выше результаты, очевидно в формировании антиоксидантного ответа для svn544 основной вклад вносит ферментативная ветвь антиоксидантной защиты (СОД, КАТ, ГПО), поскольку их активность значительно повышена при низких концентрациях низкомолекулярных антиоксидантов (каротиноиды, ретинол, α-токоферол), и не задействуются альтернативные механизмы повышения антиоксидантной устойчивости (снижение ненасыщенности жирных кислот липидов, понижение активности энзимов энергообеспечения). У штамма MZ–BL судя по данным, антиоксидантный ответ реализуется за счет низкомолекулярных антиоксидантов, в первую очередь, α-токоферола, значительного снижения ненасыщенности жирных кислот липидов, а также понижением активности сукцинатдегидрогеназы. Ферментативная ветвь системы АОЗ, вероятно, активируется в условиях более интенсивного или длительного воздействия лимитирующих стресс-факторов и вносит меньший вклад в общий антиоксидантный статус клетки.

Выводы. Установлен повышенный антиоксидантный статус почвенного штамма MZ–BL Mayamaea fossalis относительно морского svn544 Navicula salinicola. Основной вклад в формирование антиоксидантного ответа у штамма svn544 вносит ферментная система АОЗ, а для MZ–BL – это низкомолекулярное звено АОЗ (α-токоферол), и альтернативные механизмы задействующие энергетический и липидный обмен. С точки зрения биотехнологического использования биомасса данных штаммов представляют собой ценное сырье, которое может использоваться в разных целях из-за различий в реализации антиоксидантной защиты клеток в стресс-условиях. MZ–BL может быть интересен в качестве источника α-токоферола, который наряду с пониженным содержанием ненасыщенных ЖК будет иметь высокую сохранность. Штамм svn544 является потенциальным источником липидов, обогащенных незаменимыми ω-3,6 жирными кислотами, которые не затрагиваются в процессе формирования антиоксидантного ответа.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 19-14-00320–П).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

Список литературы

1. Almeida A.C., Gomes T., Langford K., Thomas K.V., Tollefsen K.E. Oxidative stress in the algae Chlamydomonas reinhardtii exposed to biocides // Aquatic Toxicology. 2017. V.189. P. 50–59. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2017.05.014
2. Cao Y., Yang K., Liu W., Feng G., Peng Y., Li Z. Adaptive responses of common and hybrid bermudagrasses to shade stress associated with changes in morphology, photosynthesis, and secondary metabolites // Frontiers in Plant Science. 2022. V.13. P. 817105. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2022.817105
3. Foyer C.H., Hanke G. ROS production and signalling in chloroplasts: cornerstones and evolving concepts // The Plant Journal: For Cell and Molecular Biology. 2022. V.111, №3. P. 642–661. DOI: https://doi.org/10.1111/tpj.15856
4. Goiris K., Muylaert K., Fraeye I., Foubert I., De Brabanter J., De Cooman L. Antioxidant potential of microalgae in relation to their phenolic and carotenoid content // Journal of Applied Phycology. 2012. V.24. P. 1477–1486. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-012-9804-6
5. Hamidi M., Kozani P.S., Kozani P.S., Pierre G., Michaud P., Delattre C. Marine bacteria versus microalgae: Who is the best for biotechnological production of bioactive compounds with antioxidant properties and other biological applications? // Marine Drugs. 2019. V.18, №1. P. 28. DOI: https://doi.org/10.3390/md18010028
6. Kim S.M., Jung Y.J., Kwon O.N., Cha K.H., Um B.H., Chung D., Pan, C.H. A potential commercial source of fucoxanthin extracted from the microalga Phaeodactylum tricornutum // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2012. V.166, №7. P. 1843–1855. DOI: https://doi.org/10.1007/s12010-012-9602-2
7. Kurutas E.B. The importance of antioxidants which play the role in cellular response against oxidative/nitrosative stress: current state // Nutrition Journal. 2016. V.15, №1. P. 71. DOI: https://doi.org/10.1186/s12937-016-0186-5
8. Manhas N., Duong Q.V., Lee P., Richardson J.D., Robertson J.D., Moxley M.A., Bazil J.N. Computationally modeling mammalian succinate dehydrogenase kinetics identifies the origins and primary determinants of ROS production // The Journal of Biological Chemistry. 2020. V.295, №45. P. 15262–15279. DOI: https://doi.org/10.1074/jbc.RA120.014483
9. McLain A.L., Szweda P.A., Szweda L.I. α-Ketoglutarate dehydrogenase: a mitochondrial redox sensor // Free Radical Research. 2011. V.45, №1. P. 29–36. DOI: https://doi.org/10.3109/10715762.2010.534163
10. Naudí A., Jové M., Ayala V., Portero-Otín M., Barja G., Pamplona R. Membrane lipid unsaturation as physiological adaptation to animal longevity // Frontiers in Physiology. 2013. V.4. P. 372. DOI: https://doi.org/10.3389/fphys.2013.00372
11. Safafar H., van Wagenen J., Møller P., Jacobsen C. Carotenoids, phenolic compounds and tocopherols contribute to the antioxidative properties of some microalgae species grown on industrial wastewater // Marine Drugs. 2015. V.13, №12. P. 7339–7356. DOI: https://doi.org/10.3390/md13127069
12. Smerilli A., Orefice I., Corato F., Gavalás Olea A., Ruban A.V., Brunet C. Photoprotective and antioxidant responses to light spectrum and intensity variations in the coastal diatom Skeletonema marinoi // Environmental Microbiology. 2016. V.19, №2. P. 611–627. DOI: https://doi.org/10.1111/1462-2920.13545
13. Yakoviichuk A., Krivova Z., Maltseva S., Kochubey A., Kulikovskiy M., Maltsev Y. Antioxidant status and biotechnological potential of new Vischeria vischeri (Eustigmatophyceae) soil strains in enrichment cultures // Antioxidants. 2023. V.12, №3. P. 654. DOI: https://doi.org/10.3390/antiox12030654

Статья поступила в редакцию 23.06.2023
Статья принята к публикации 15.08.2023

Об авторах

Яковийчук Александр Владимирович – Aleksandr V. Yakoviichuk

кандидат биологических наук
старший преподаватель, Мелитопольский государственный университет, Мелитополь, Россия (Melitopol State University, Melitopol, Russia)

alex.yakov1991@gmail.com

Мальцев Евгений Иванович – Yevhen I. Maltsev

кандидат биологических наук, доцент
ведущий научный сотрудник, Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва, Россия (Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia)

maltsev.ye@yandex.ru

Куликовский Максим Сергеевич – Maxim S. Kulikovskiy

доктор биологических наук
главный научный сотрудник, зав. Лабораторией молекулярной систематики водных растений, Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва, Россия (Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia)

max-kulikovsky@yandex.ru

Корреспондентский адрес: 127276, Россия, Москва, Ботаническая ул., 35, ИФР РАН.

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:

Яковийчук А.В., Мальцев Е.И., Куликовский М.С. Особенности антиоксидантной защиты отдельных представителей пеннатных диатомовых водорослей // Вопросы современной альгологии (Issues of modern algology). 2023. № 2 (32). С. 195–198. URL: http://algology.ru/2089

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2023-2(32)-195-198

EDN – ZNQGES

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Antioxidant protections features of individual pennate diatoms representatives

Aleksandr V. Yakoviichuk¹,Yevhen I. Maltsev², Maxim S. Kulikovskiy²

¹Melitopol State University (Melitopol, Russia)
²Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS (Moscow, Russia)

A comprehensive study of the indicators of the antioxidant status of two strains of diatoms was carried out: marine svn544 Navicula salinicola and soil MZ–BL Mayamaea fossalis. The results allowed us to establish differences in the antioxidant response of cells to stress, which are due to both species and environmental characteristics of the studied strains.

Key words: Diatomae; Navicula salinicola; Mayamaea fossalis; enzymes; vitamins; fatty acids; carotenoids; chlorophylls

References

1. Almeida A.C., Gomes T., Langford K., Thomas K.V., Tollefsen K.E. Oxidative stress in the algae Chlamydomonas reinhardtii exposed to biocides. Aquatic Toxicology. 2017. V. 189. P. 50–59. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2017.05.014
2. Cao Y., Yang K., Liu W., Feng G., Peng Y., Li Z. Adaptive responses of common and hybrid bermudagrasses to shade stress associated with changes in morphology, photosynthesis, and secondary metabolites. Frontiers in Plant Science. 2022. V. 13. P. 817105. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2022.817105
3. Foyer C.H., Hanke G. ROS production and signalling in chloroplasts: cornerstones and evolving concepts. The Plant Journal: For Cell and Molecular Biology. 2022. V. 111, № 3. P. 642–661. DOI: https://doi.org/10.1111/tpj.15856
4. Goiris K., Muylaert K., Fraeye I., Foubert I., De Brabanter J., De Cooman L. Antioxidant potential of microalgae in relation to their phenolic and carotenoid content. Journal of Applied Phycology. 2012. V. 24. P. 1477–1486. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-012-9804-6
5. Hamidi M., Kozani P.S., Kozani P.S., Pierre G., Michaud P., Delattre C. Marine bacteria versus microalgae: Who is the best for biotechnological production of bioactive compounds with antioxidant properties and other biological applications? Marine Drugs. 2019. V. 18, № 1. P. 28. DOI: https://doi.org/10.3390/md18010028
6. Kim S.M., Jung Y.J., Kwon O.N., Cha K.H., Um B.H., Chung D., Pan, C.H. A potential commercial source of fucoxanthin extracted from the microalga Phaeodactylum tricornutum. Applied Biochemistry and Biotechnology. 2012. V. 166, № 7. P. 1843–1855. DOI: https://doi.org/10.1007/s12010-012-9602-2
7. Kurutas E.B. The importance of antioxidants which play the role in cellular response against oxidative/nitrosative stress: current state. Nutrition Journal. 2016. V. 15, № 1. P. 71. DOI: https://doi.org/10.1186/s12937-016-0186-5
8. Manhas N., Duong Q.V., Lee P., Richardson J.D., Robertson J.D., Moxley M.A., Bazil J.N. Computationally modeling mammalian succinate dehydrogenase kinetics identifies the origins and primary determinants of ROS production. The Journal of Biological Chemistry. 2020. V. 295, № 45. P. 15262–15279. DOI: https://doi.org/10.1074/jbc.RA120.014483
9. McLain A.L., Szweda P.A., Szweda L.I. α-Ketoglutarate dehydrogenase: a mitochondrial redox sensor. Free Radical Research. 2011. V. 45, № 1. P. 29–36. DOI: https://doi.org/10.3109/10715762.2010.534163
10. Naudí A., Jové M., Ayala V., Portero-Otín M., Barja G., Pamplona R. Membrane lipid unsaturation as physiological adaptation to animal longevity. Frontiers in Physiology. 2013. V. 4. P. 372. DOI: https://doi.org/10.3389/fphys.2013.00372
11. Safafar H., van Wagenen J., Møller P., Jacobsen C. Carotenoids, phenolic compounds and tocopherols contribute to the antioxidative properties of some microalgae species grown on industrial wastewater. Marine Drugs. 2015. V. 13, № 12. P. 7339–7356. DOI: https://doi.org/10.3390/md13127069
12. Smerilli A., Orefice I., Corato F., Gavalás Olea A., Ruban A.V., Brunet C. Photoprotective and antioxidant responses to light spectrum and intensity variations in the coastal diatom Skeletonema marinoi. Environmental Microbiology. 2016. V. 19, № 2. P. 611–627. DOI: https://doi.org/10.1111/1462-2920.13545
13. Yakoviichuk A., Krivova Z., Maltseva S., Kochubey A., Kulikovskiy M., Maltsev Y. Antioxidant status and biotechnological potential of new Vischeria vischeri (Eustigmatophyceae) soil strains in enrichment cultures. Antioxidants. 2023. V. 12, № 3. P. 654. DOI: https://doi.org/10.3390/antiox12030654

Authors

Yakoviichuk Aleksandr V.

ORCID – https://orcid.org/0000-0003-4667-3684

Melitopol State University, Melitopol, Russia

alex.yakov1991@gmail.com

Maltsev Yevhen I.

ORCID – https://orcid.org/0000-0003-4710-319X

Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia

maltsev.ye@yandex.ru

Kulikovskiy Maxim S.

ORCID – https://orcid.org/0000-0003-0999-9669

Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia

max-kulikovsky@yandex.ru

ARTICLE LINK:

Yakoviichuk A.V., Maltsev Ye.I., Kulikovskiy M.S. Antioxidant protections features of individual pennate diatoms representatives. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2023. № 2 (32). P. 195–198. URL: http://algology.ru/2089

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2023-2(32)-195-198

EDN – ZNQGES

When reprinting a link to the site is required

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. 
Address - info@algology.ru

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147