|
 |
|
Альгологическая коллекция Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ACSSI): состояние и перспективы развития
Москаленко С.В.1, Темралеева А.Д.1, Дронова С.А. 1,2, Пинский Д.Л.1,2 Svetlana V. Moskalenko1, Anna D. Temraleeva1,2, Sofia A. Dronova1,2,
1Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
УДК 58.006:[582.232+582.263+582.271]+58.082.115
В статье описано состояние и перспективы развития Альгологической коллекции ACSSI (Algal Collection of Soil Science Institute), созданной на базе ИФХиБПП РАН (Пущино, Россия). Дана характеристика коллекционного фонда, используемые условия и методы изоляции, культивирования, очистки, сохранения и описания альгологических штаммов. Обозначены основные направления развития коллекции и возникающие проблемы. Ключевые слова: биологические коллекции; цианобактерии; водоросли; наземные экосистемы; ACSSI.
Введение Создание, поддержание и развитие биологических коллекций являются приоритетами комплексной программы развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года (утв. Правительством РФ от 24 апреля 2012 г. N 1853п-П8). Биологические коллекции являются не только банками хранения генофонда живых организмов, но и ведущими научно-исследовательскими центрами. По данным Всемирной федерации коллекций культур (World Federation for Culture Collection – WFCC, http://www.wfcc.info) в России зарегистрировано всего 22 биологические коллекции, из которых только 7 содержат в фондах штаммы водорослей: ACCS – Algae Culture Collection of Siberia (Сибирский государственный университет, Красноярск), BCAC – Bashkortostan Collection of Algae and Cyanobacteria (Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы, Уфа), BOROK – The Collection of algae (Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, Борок), CALU – Collection of Algae St. Petersburg (Leningrad) State University (Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург), CCCS – Culture Collection of Ciliates and their Symbionts (Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург), PGC – Peterhof Genetic Collection of Microalgae (Санкт-Петербургский государственный университет, Старый Петергоф), IPPAS – Culture Collection of Microalgae (Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва). Цианобактерии и водоросли являются не только объектами фундаментальной науки: неотъемлемым компонентом биоразнообразия различных экосистем, модельными организмами в экологии, фотобиологии, генной инженерии, но и широко применяются для решения ряда прикладных биотехнологических задач (аквакультура, биотопливо, биоремедиация, производство удобрений и биологически активных веществ противовирусного, антибактериального, противомикозного действия, синтез вторичных метаболитов: экзополисахаридов, витаминов, токсинов, ферментов, лекарственных препаратов и др.). Следовательно, необходимость и важность создания, сохранения и развития альгологических коллекций не вызывает сомнения. Альгологическая коллекция ACSSI В 2010 году в Институте физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН была создана Альгологическая коллекция – Algal Collection of Soil Science Institute (ACSSI), цель которой заключается в сохранении и поддержании уникальных штаммов цианобактерий и водорослей, выделенных преимущественно из наземных экосистем России и других стран. Инициатором и руководителем Коллекции является к.б.н., с.н.с. А.Д. Темралеева, куратором – м.н.с. С.В. Москаленко. В задачи Коллекции входит: 1) изолирование, культивирование, идентификация и депонирование цианобактерий и водорослей интересных и полезных в плане систематики, экологии и биотехнологии; 2) описание штаммов ACSSI с использованием традиционных морфологических и современных молекулярно-генетических методов; 3) депонирование и поддержание ценных альгологических штаммов из других коллекций, а также обмен; 4) поиск оптимальных условий и методик изоляции, культивирования, очистки и хранения штаммов; 5) обеспечение доступа пользователей к информации о штаммах, продуктам и услугам Коллекции. В настоящее время в состав ACSSI входит 294 альгологически чистых штамма, из них 83% относится к отделу Chlorophyta, 15% – Cyanobacteria, 1% – Ochrophyta и 1% – Charophyta (рис. 1).
Рис. 1. Доля штаммов ACSSI по отделам. Fig 1. The proportion of ACSSI strains by phylum.
Основная часть коллекции представлена штаммами зеленых водорослей (Chlorophyta), принадлежащих двум классам: Chlorophyceae (23 рода) и Trebouxiophyceae (13 родов). Самыми многочисленными по количеству штаммов родами класса Chlorophyceae являются Chlorococcum, Tetracystis, Palmellopsis и Bracteacoccus, а Trebouxiophyceae – Chlorella, Chloroidium, Heterochlorella и Watanabea. Отдел Cyanobacteria включает 1 класс Cyanophyceae и представлен в коллекции штаммами трех родов: Nostoc, Cylindrospermum и Leptolyngbya. Штаммы охрофитовых и харофитовых водорослей малочисленны. Список депонированных в коллекцию родов цианобактерий и водорослей и количество штаммов отражены в табл. 1 (роды в пределах одного класса расположены в порядке убывания количества штаммов). Таблица 1. Таксономическое разнообразие цианобактерий и водорослей ACSSI
Помимо собственных штаммов Коллекции, составляющих 54%, в ACSSI депонированы штаммы из других коллекций: 35% из SAG (Германия), 10% из ACKU (Украина) и 1% из BCAC (Россия, Башкортостан) (рис. 2).
Рис. 2. Доля штаммов цианобактерий и водорослей ACSSI, депонированных из других альгологических коллекций.
Все штаммы ACSSI характеризуются широким географическим распространением (рис. 3). Наибольшее число штаммов цианобактерий и водорослей изолировано из разных местообитаний территории России (60%), хорошо представлены штаммы из различных экосистем США (14%), Украины (3%), Бельгии (3%), Чехии и Словакии (3%). Штаммы, выделенные из биотопов других стран (Австрия, Болгария, Германия, Голландия, Израиль, Италия, Франция, Швейцария, Швеция, Япония и др.), являются малочисленными. Их суммарная доля не превышает 17%.
Рис. 3. Доля штаммов ACSSI, выделенных из экосистем разных стран. Fig 3. The proportion of ACSSI strains isolated from ecosystems of different countries.
В ACSSI хранятся 106 аутентичных штаммов зеленых водорослей, что составляет 36% от всех штаммов Коллекции (рис. 4).
Fig 4. The proportion of authentic and non-authentic ACSSI strains.
Они представлены 52 видами из отдела Chlorophyta, классов Chlorophyceae (39 видов, 80 штаммов) и Trebouxiophyceae (13 видов, 26 штаммов) (табл. 2). Из них 50 видов (102 штамма) является субкультурами аутентичных штаммов из коллекций SAG, ACKU и BCAC, а 2 вида (4 штамма) – Spongiosarcinopsis terrestris и Watanabea pyrenoidosa – были изолированы руководителем коллекции Темралеевой А.Д. из серой лесной почвы под смешанным лесом (Московская обл., Россия). Фотографии некоторых аутентичных штаммов водорослей (Chlorophyta) представлены на рис. 5.
Рис. 5. Фотографии некоторых аутентичных штаммов ACSSI (Chlorophyta): а. - Tetracystis pampae; б. - Oocystella oogama; в. - Borodinellopsis texensis; г. - Chlorococcum costatozygotum. Fig 5. The pictures of authentic ACSSI strains (Chlorophyta): а. - Tetracystis pampae; б. - Oocystella oogama; в. - Borodinellopsis texensis; г. - Chlorococcum costatozygotum.
Таблица 2. Аутентичные штаммы ACSSI (Chlorophyta).
Таблица 2. (Продолжение) Аутентичные штаммы ACSSI (Chlorophyta)
Таблица 2. (Продолжение) Аутентичные штаммы ACSSI (Chlorophyta)
Таблица 2. (Продолжение) Аутентичные штаммы ACSSI (Chlorophyta)
Таблица 2. (Окончание) Аутентичные штаммы ACSSI (Chlorophyta)
Согласно классификации AlgaeBase (Guiry, Guiry, 2015) в коллекционном фонде ACSSI находятся альгологические штаммы 4-х экологических групп: наземные, наземные/пресноводные, пресноводные и морские. Основная доля цианобактерий и водорослей (85%) изолирована из наземных экосистем (рис. 6).
Рис. 6. Доля штаммов ACSSI разных экологических групп. Fig 6. The proportion of ACSSI strains from different ecological groups.
Собственные штаммы ACSSI были выделены из серой лесной (70%), бурой полупустынной (14%) и каштановой (12%) почв, а также солонцов (4%) (рис. 7).
Рис. 7. Доля собственных штаммов ACSSI, выделенных из фоновых почв территории России. Fig 7. The proportion of own ACSSI strains isolated from background soils of Russia.
Особую уникальность и ценность в коллекции составляют штаммы водорослей, впервые изолированные из погребенных почв (Picochlorum eukaryotum, cf. Heterochlorella luteo-viridis), а также виды новые для науки (Spongiosarcinopsis terrestris, Watanabea pyrenoidosa) и впервые обнаруженные в наземных экосистемах России (Hemiflagellochloris kazakhstanica). Условия и методы изоляции, культивирования, очистки и сохранения штаммов в Коллекции Первым этапом при работе с почвенно-альгологическими пробами является получение накопительных смешанных культур. Этот этап объединяет приемы стимуляции роста и размножения цианобактерий и водорослей следующими наиболее распространенными методами: чашечные культуры со «стеклами обрастания», водно-почвенные культуры и культуры на жидких и твердых питательных средах (подробнее см. Темралеева и др., 2014). Далее обязательно следует очистка смешанных культур и доведение их до альгологически чистых штаммов, используя ряд приемов: посев штрихом, изоляция с помощью микропипетки, последовательного разведения, фототаксиса и антибиотиков (подробнее см. Темралеева и др., 2014). Альгологически чистые штаммы цианобактерий и водорослей поддерживаются в пластиковых культуральных пробирках на агаризованной (1-2%) питательной среде BG-11 (с азотом и без). В условиях интенсивного культивирования штаммы содержатся в культуральном боксе при температуре 23-25 ºС и 12-часовом световом дне с интенсивностью освещения 60-75 μмоль · м-2 · с-1. В условиях длительного хранения штаммы содержатся в холодильном шкафу при температуре 12-15 ºС и круглосуточном освещении с интенсивностью 20 μмоль · м-2 · с-1. Для поддержания коллекционных культур используется субкультивирование водорослей. Штаммы хранятся в двух повторностях. Методы описания штаммов коллекции Для характеристики штаммов ACSSI используются следующие методы: 1. оптическая световая микроскопия (светлое поле и дифференциально интерференционный контраст) с помощью микроскопов Leica DM750 и Carl Zeiss Axio Scope A1 (Германия) – для наблюдений за морфологией и жизненными циклами цианобактерий и водорослей (сроки наблюдения за штаммами составляют от 12 часов до 12 месяцев), а также для контроля за контаминацией культур; 2. сканирующая электронная микроскопия с помощью микроскопа VEGA II LSU, Tescan (Чехия) – для получения данных о структуре поверхности клеток штаммов; 3. молекулярно-генетический анализ, который включает процедуры выделения суммарной ДНК, амплификацию целевых фрагментов, их электрофоретическую детекцию и очистку перед секвенированием. Далее следует предварительная работа с генетическими базами данных (поиск гомологии по алгоритму BLAST, составление набора данных для дальнейшего анализа и др.), множественное выравнивание, определение эволюционной модели нуклеотидных замен, построение филогенетического дерева, статистическая оценка надежности топологии дерева и интерпретация результатов. Основные направления развития Альгологической коллекции На основе штаммов Коллекции проводятся фундаментальные научные исследования в области почвенной альгологии, экологии микроорганизмов, таксономии и молекулярной систематики. Научные сотрудники ACSSI выполняют следующие виды научных работ: 1) осуществляют оценку биологического разнообразия цианобактерий и водорослей различных типов почв (серые лесные, каштановые, бурые полупустынные почвы, солонцы и др.); 2) выделяют и описывают новые таксоны; 3) совершенствуют систему классификации отдельных групп цианобактерий и водорослей на основе полифазного подхода; 4) разрабатывают методы выделения, культивирования и идентификации цианобактерий и водорослей. Штаммы Коллекции используются для решения прикладных научных задач: изучение биотехнологического потенциала цианобактерий и водорослей с целью использования для биоиндикации, производства биологически активных веществ, создания цианобактериальных комплексов и др. Кроме того, сотрудники Коллекции участвуют в образовательном процессе и популяризации науки, используя фонд ACSSI (студенческие практики, стажировки, экскурсии, лекции, мастер-классы, интервью и фотовыставки). В настоящее время Коллекция предоставляет на договорной основе штаммы цианобактерий и водорослей, их фотографии, учебно-методические пособия. Сотрудники ACSSI осуществляют депонирование штаммов водорослей, консультируют по вопросам выделения, культивирования и таксономического определения цианобактерий и водорослей, а также осуществляют морфологическую и молекулярную идентификацию альгологических штаммов. В 2016 году планируется выпустить каталог Коллекции. Проблемы сохранения и развития Альгологических коллекций Поддержание и развитие альгологических коллекций в целом, и в частности ACSSI, сталкивается с рядом материально-технических, юридических, кадровых и других проблем: - отсутствие целевого финансирования для поддержания и развития коллекций; - неучет коллекционной работы при оценке научной эффективности организации; - отсутствие правового регулирования целого ряда аспектов работы с коллекциями, в том числе вопросов международного научного обмена; - отсутствие или недоступность каталогов штаммов или коллекционных образцов; - отсутствие координации и стратегического планирования деятельности биологических коллекций; - использование при идентификации штаммов цианобактерий и водорослей только традиционных методов, основанных на учете морфологических и экологических данных; - скудная приборная оснащенность; - дефицит квалифицированного научного и вспомогательного персонала и др. Тем не менее, важность и необходимость биологических коллекций для сохранения биоресурсного потенциала и генофонда живых организмов не вызывает сомнений. Остается надеяться, что переломить данную ситуацию сможет комплекс мер по системной поддержке коллекций растений и животных, который должен быть реализован по программе «Развитие биотехнологии и генной инженерии» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 18 июля 2013 г. № 1247-р). Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 14-04-31016 мол_а и 13-04-00034 а).
Список литературы 1. Темралеева А.Д., Минчева Е.В., Букин Ю.С., Андреева А.М. Современные методы выделения, культивирования и идентификации зеленых водорослей (Chlorophyta). – Кострома: Костромской печатный дом, 2014. – 215 с. URL: http://www.issp.psn.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=242&Itemid=66 (дата обращения: 06.04.2015). 2. Guiry M. D., Guiry G. M. 2015. AlgaeBase. World-wide electronic publication, National University of Ireland, Galway. URL: http://www.algaebase.org (дата обращения: 02.04.2015). 3. World Federation for Culture Collection. URL: http://www.wfcc.info (дата обращения: 02.04.2015). Статья поступила в редакцию 7.04.2015
Algal Collection of Soil Science Institute (ACSSI): current state and development trends Svetlana V. Moskalenko, Anna D. Temraleeva, Sofia A. Dronova, David L. Pinsky In this article the current state and development trends of Algal Collection ACSSI (Algal Collection of Soil Science Institute) based at the Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of Russian Academy of Sciences (Pushchino, Russia) are described. The characteristic of the ACSSI fund, used conditions and methods of isolation, cultivation, clean up, maintain and description of algal strains are given. The main development trends and challenges of Collection are defined. Key words: biological collections; cyanobacteria; algae; terrestrial ecosystems; ACSSI.
Об авторах Москаленко Светлана Валентиновна - Moskalenko Svetlana Valentinovna младший научный сотрудник Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Россия, (Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of Russian Academy of Sciences, Russian Federation, Pushchino), лаборатория физико-химии почв
Темралеева Анна Дисенгалиевна - Temraleeva Anna Disengalievna кандидат биологических наук
Дронова София Алексеевна - Dronova Sofia Alekseevna инженер Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Россия (Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science of Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russian Federation), лаборатория физико-химии почв;
Пинский Давид Лазаревич - Pinsky David Lazarevich доктор биологических наук
Корреспондентский адрес: Россия, 142290, Московская область, г. Пущино, ул. Институтская, д. 2, ИФХиБПП РАН; телефон: 8(4967)31-81-70.
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Москаленко С. В., Темралеева А. Д., Дронова С. А., Пинский Д. Л. Альгологическая коллекция Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ACSSI): состояние и перспективы развития // Вопросы современной альгологии. 2015. № 1 (8). URL: http://algology.ru/659
При перепечатке ссылка на сайт обязательна
На ГЛАВНУЮ
|
|
|
 | | ||
|
| ||
