Цианопрокариоты в коллекции живых культур Института биологии Коми НЦ УрО РАН (sykoa)

УДК 069.5:631.466.3:061.6:57

И. В. Новаковская, Е. Н. Патова

Институт биологии Коми НЦ УрО РАН

ЦИАНОПРОКАРИОТЫ В КОЛЛЕКЦИИ ЖИВЫХ КУЛЬТУР ИНСТИТУТА БИОЛОГИИ КОМИ НЦ УРО РАН

Аннотация. В статье представлено описание штаммов из отдела Cyanoprokaryota содержащихся в коллекции живых культур цианопрокариот и водорослей SYKOA из наземных и водных местообитаний арктических регионов России. Приведены места сбора, морфологические и молекулярно-генетические данные для таксонов, а также сведения об использовании штаммов для научных и прикладных задач.

Ключевые слова: Cyanoprokaryota, коллекция водорослей, штамм, культура.

I. V. Novakovskaya, E. N. Patova CYANOPROKARYOTA IN THE COLLECTION OF ALIVE CULTURES INSTITUTE OF BIOLOGY, KOMI SCIENCE CENTRE

Abstract. The article deals with Cyanoprokaryota strains from alive collection of algae and cyanoprokaryota cultures (SYKOA). Cyanoprokaryota strains were collected in terrestrial and aquatic habitats in arctic regions of Russia. In the article, we describe habitats where the samples were taken, morphological and genetic features of the specimens, and practical use of the strains for scientific and other purposes.

Key words: Cyanoprokaryota, collection, strain, culture. Введение

Цианопрокариоты и эукариотные водоросли играют большую роль в наземных и водных экосистемах. Они выделяют в окружающую среду биологически активные вещества, участвуют в создании органической продукции почвы и в круговороте биогенных элементов. Повсеместное распространение, большое разнообразие, высокая скорость роста и содержание различных веществ (масла, витамины, липиды и др.) определяет широкое использование этих микроорганизмов в промышленности и в сельском хозяйстве. Создание и поддержание живых коллекций является необходимым для использования водорослей в фундаментальных и прикладных исследованиях. Коллекции имеют большое значение для сохранения биоразнообразия микроорганизмов и изучения их свойств.

Коллекция живых культур цианопрокариот и водорослей (SYKOA) из наземных и водных местообитаний арктических регионов России создана в 2010 г. под эгидой гербария SYKO Института биологии (ИБ) Коми НЦ УрО РАН.

Основная задача коллекции - поддержание и пополнение фонда штаммами цианопрокариот и эукариотных водорослей, выделенных из арктических регионов России с целью дальнейшего их использования при проведении флористических, систематических, эволюционных, молекулярно-генетических

исследований. Актуально использование выделенных штаммов, как биотехнологических объектов для решения прикладных задач, таких, как поиск перспективных видов водорослей для получения биодизеля, изучения токсичных видов, для биологической рекультивации и ремедиации техногенно нарушенных земель, очистки сточных вод, производства удобрений и биологически активных веществ, научного и коммерческого обмена штаммами с ведущими европейскими исследовательскими центрами, а также для использования в научно-образовательном процессе.

Материалы и методы

В коллекции представлены штаммы цианопрокариот выделенные из почвенно-альгологических и водных проб, собранных на Полярном и Приполярном Урале (крайний северо-восток Европейской части России), из южной части архипелага Шпицберген, Иркутской и Вологодской области. Кроме северных и арктических регионов поддерживаются штаммы из горных районов Абхазии и Украины. Большая часть проб отобрана Е.Н. Патовой и И.В. Новаковской (при сборе другими специалистами в статье указывается автор).

Выделенные штаммы хранятся в стеклянных пробирках на 20 мл с притертыми пробками на агаризованной и жидкой (часть штаммов) питательной среде Bg 11 - рН 7.06 (Каталог ..., 1991). Каждый штамм представлен в двух повторностях (1 - возраст до 3-12 месяцев, 2 - до 1.5-2 года). Культуры поддерживаются в холодильной установке при температуре +10-14 °С, оснащенной дополнительной лампой дневного освещения - ЛБ-40 (ФАР 15 мкмоль м"2с-1), с соблюдением соотношения периодов свет/темнота - 12/12 часов. Пересевы культур проводятся один раз в 6-12 месяцев. Чистота штаммов контролируется при пересеве на свежие питательные среды, а также при проведении научно-исследовательских работ с конкретными штаммами и при выдаче штаммов по заявкам. Идентификация видов проводится на основе морфологических параметров с использованием отечественных и зарубежных определителей (Голлербах, 1953; Komarek 1998, 2013; Komarek, Anagnostidis, 2005). Для ряда штаммов проведен молекулярно-генетический анализ на базе центра коллективного пользования Института биологии «Молекулярная биология» на основе изучения 16S рРНК.

Результаты и обсуждение

На сайте Института биологии Коми НЦ УрО РАН создан электронный каталог коллекции (http://ib.komisc.ru/sykoa), где для каждого штамма указан коллекционный номер, место сбора, растительное сообщество из которого был изолирован штамм, питательная среда, используемая для культивирования, а также авторы определения. Для всех штаммов имеются микрофотографии. Коллекция SYKOA зарегистрирована во Всемирном каталоге коллекций культур микроорганизмов GCM (Global Catalogue of Microorganisms) под номером 1125 (http://gcm.wfcc.info/).

Всего в коллекционном фонде представлено 240 альгологически чистых штаммов (Новаковская, Патова, 2012), которые относятся к 5 отделам (рис. 1). Основу коллекционного фонда составляют зеленые водоросли; цианопрокариоты представлены 25 штаммами из 5 семейств и 8 родов (табл. 1). Все штаммы являются альгологически чистыми, не аксеничными.

СЫ1огорЫу1а 72%

Рис. 1. Соотношение видового разнообразия водорослей, представленных в коллекции 8УКОЛ по отделам.

Таблица 1

Таксономическая структура Сyanoprokaryota_

Таксон Число штаммов

Класс Oscillatoriophycideae 11

Порядок О8сШа1ог1а1е8 11

Семейство Pseudanabaenaceae 5

Род Pseudanabaena 1

Род Leptolyngbya 4

Семейство Phormidiaceae 4

Род Phormidium 4

Семейство Microcoleaceae 2

Род Porphyrosiphon 1

Род Pseudophormidium 1

Класс Nostocophycideae 14

Порядок Ко81;оса1е8 14

Семейство Microchaetaceae 1

Род Tolypothrix 1

Семейство Nostocaceae 13

Род Nostoc 12

Род Desmonostoc 1

Основная часть культур, содержащихся в коллекции, относится к роду Nostoc, виды которого являются доминантами в наземных и водных сообществах арктических регионов, довольно легко выделяются в культуру. Ниже приведено описание штаммов.

Nostoc commune Vauch. ex Born. et Flah. - молодые колонии шаровидной формы, с возрастом приобретают форму в виде плоско-распростертых слоевищ оливковозеленого, желтокоричневого, коричневого и темнокоричневого цвета. Клетки короткобоченкообразные или почти сферические до 5 мкм в диаметре. В культуре морфология макроскопических талломов меняется, разрастания представлены в основном шаровидными колониями, распростертые плоские слоевища не формируются. Вид космополитный. Штаммы депонированы: Е. Н Патовой, А. Д. Патовой.

В коллекционном фонде содержится 8 штаммов:

SYKOA С-021-11 - архипелаг Шпицберген, Норвегия, 2011 г. (78°04'29.0"с.ш.; 13°47'07.3"в.д.). Результаты анализа депонированы в GenBank: KF361485.

SYKOA С-022-12 - бассейн р. Балбанъю, на г. Баркова, хр. Малдыиз, Приполярный Урал, Россия, 2012 г. (1308 м над ур. м., 65°11'18.5"с.ш.; 60°18'24"в.д.). Результаты анализа депонированы в GenBank: KF361486.

SYKOA С-023 Забайкальский край, межгорные котловины Хэнтей-Чикойского нагорья, Россия, 2012 г. Результаты анализа 16S рРНК зарегистрированы в GenBank под номером KF361487. Сборы И.Н. Егоровой.

SYKOA С-024-06 - г. Мамзышха, Абхазия, 2006 г. (230 м над ур. м., 43°18'54"с.ш., 40°15'11"в.д.). Результаты анализа 16S рРНК зарегистрированы в GenBank под номером KF361488.

SYKOA С-025-13 - окрестности оз. Очеты, Полярный Урал, Россия, 2013 г. (288 м над ур. м., 68°06'37"с.ш., 65°49'27"в.д.).

SYKOA С-026-13 - Днепропетровская обл., Украина, 2013 г. Сборы С.А. Ярового.

SYKOA С-027-13 - Желтокаменский известняковый карьер Апостоловский район, Днепропетровская область, Украина, 2013 г. Результаты анализа 16S рРНК зарегистрированы в GenBank под номером KF361482. Сборы С.А. Ярового.

SYKOA С-028-13 - окрестности оз. Есто-то, Полярный Урал, Россия, 2013 г. (249 м над ур. м., 67°19'13"с.ш., 65°36'46"в.д.).

Nostoc pruniforme C. Ag. ex Born. et Flah. - колонии шаровидной или эллипсоидной формы, яркосинезеленые, оливковые или чернокоричневые. Клетки короткобоченкообразные или удлиненные до 5.5 мкм в диаметре. В культуре морфология талломов меняется, разрастания представлены в основном неправильно-шаровидными слоевищами, круглые макроскопические колонии не формируются. Редкий вид, внесен в Красную книгу Республики Коми (2009) и списки редких видов ряда сопредельных регионов. Вид космополитный. В коллекции представлен тремя штаммами:

SYKOA С-029-14, SYKOA С-030-14, SYKOA С-031-14 - оз. Дмитриевское, Вологодская область, Россия, 2014 г. (170 м над ур. м., 59°17'04"с.ш., 39 04'44"в.д.). Сборы Д.А. Филиппова. Депонирован: Е.Н. Патовой.

Nostoc punctiforme (Kütz. ex Hariot) Hariot - колонии микроскопические, непровильно-шаровидной формы, темносинезеленые. Клетки

короткобоченкообразные, иногда сферические или эллипсоидные, до 4.5 мкм в диаметре. Отмечается с высокой частотой встречаемости в наземных сообществах горно-тундровых регионов. Вид космополитный.

SYKOA C-004-09 выделен из почвы кустарничково-лишайникового сообщества г. Баркова, Приполярный Урал, Россия, 2009 г. (650 м над ур. м., 65°12'59.1"с.ш.; 60°15'40.1"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Desmonostoc muscorum (C. Ag. ex Born. et Flah.) Hrouz. et Ventura -молодые колонии шаровидной формы, с возрастом плоско-распростертые в поперечнике, синезеленого, желтокоричневого и оливковозеленового цвета. Клетки короткобоченкообразные или цилиндрические, до 4.5 мкм в диаметре. Доминирует либо отмечается с высокой частотой встречаемости в наземных сообществах горно-тундровых регионов. Вид космополитный.

SYKOA C-005-09 изолирован из кустарничково-лишайникового сообщества г. Баркова, Приполярный Урал, Россия, 2009 г. (650 м над ур. м., 65°12'59.1"с.ш.; 60°15'40.1"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Phormidium aerugineo-caeruleum (Gom.) Anagn. et Komarek - формирует слизистое слоевище или представлен отдельными распростертыми нитями темносинезеленого цвета. Трихомы бледно или яркосинезеленого цвета, шириной 5-6 мкм и длиной 5-7.8 мкм. Вид космополитный.

SYKOA C-006-10 изолирован из почвы осоково-лишайниково-мохового сообщества, Приполярный Урал, Россия, 2010 г. (1331 м. над ур. м., 65°11'18.5"с.ш., 60°18'14.8"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Phormidium ambiguum Gom. - распростертое слоевище от яркосинезеленого до темнозеленого или желтозеленого цвета. Трихомы яркосинезеленые или оливковозеленые 4-5 мкм шириной и 3-5 мкм длиной. Отмечается с высокой частотой встречаемости в наземных сообществах горнотундровых регионов. Вид космополитный. Олигогалоб-индифферент. Нейтрофил.

SYKOA C-007-10 изолирован из почвы осоково-мохового сообщества, Приполярный Урал, Россия, 2010 г. (1301 м над ур. м., 65°11'26.6"с.ш., 60°18'00.5"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Phormidium autumnale (C. Ag.) Trev. ex Gom. - формирует распростертое плотное кожистое слоевище темнокоричневого, темносинезеленого, коричневозеленого или оливкового цвета. Трихомы яркосинезеленые или темнозеленые, 4-5 мкм шириной и до 5 мкм длиной. Отмечается с высокой частотой встречаемости в наземных сообществах горно-тундровых регионов. Космополитный.

SYKOA C-008-11 выделен из почвы травяно-моховой тундры, Полярный Урал, Россия, 2011 г. (186 м над ур. м., 68°28'236"с.ш., 66°20'315"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Phormidium corium Gom. - слоевище тонкое, распростертое синезеленого, темнозеленого или темнокоричневого цвета. Трихомы яркосинезеленые, темнозеленые или изумруднозеленого цвета, 4-6 мкм шириной и до 5 мкм длиной. Космополитный.

SYKOA C-009-09 изолирован из почвы пятнисто-каменисто-лишайникового сообщества, Приполярный Урал, Россия, 2009 г. (700 м над ур. м., 65°09'21.0"с.ш.; 60°13'54.6"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Leptolyngbya voronichiniana Anagn. et Komarek - нити на поверхности субстрата образуют дерновинки хлопьевидной формы синезеленого цвета. Трихомы 0.8-1.3 мкм ширины и 1.2-1.5 мкм длины.

SYKOA C-001-09 выделен из почвы травянистых ивняков, Приполярный Урал, Россия, 2009 (650 м над ур. м., 65°12'59.1"с.ш.; 60°15'40.1"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Leptolyngbya foveolarum (Rabenh. et Gom.) Anagn. et Komarek - формирует тонкое черноватозеленоватое слоевище. Трихомы яркосинезеленые 1.5-2 мкм ширины и 1-2 мкм длины. Отмечается с высокой частотой встречаемости в наземных сообществах горно-тундровых регионов. Вид космополитный. Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

SYKOA С-002-10 - изолирован из почвы участка, с нарушенным растительным покровом в следствие перевыпаса оленей, Приполярный Урал, Россия, 2009 г. (690 м над ур. м., 65°09'21.0"с.ш., 60°13'54.6"в.д.).

SYKOA С-003-10 - изолирован из почвы кустарничково-лишайниково-мохового сообщества, Приполярный Урал, Россия, 2010 г. (803 м над ур. м., 65°18'19.2"с.ш., 60°31'24.7"в.д.).

SYKOA С-015-09 - из почвы пятнисто-каменисто-лишайникового сообщества, Приполярный Урал, Россия, 2009 г. (700 м над ур. м., 65°09'21.0"с.ш.; 60°13'54.6"в.д.).

Pseudanabaena frigida (Fritsch) Anagn. - слоевище синезеленое, тонкое, кожистое. Трихомы 1-1.5 мкм шириной и 1.5-2 мкм длиной. Отмечается с высокой частотой встречаемости в наземных сообществах горно-тундровых регионов. Космополитный.

SYKOA C-012-10 - изолирован из осоково-лишайниково-мохового сообщества, Приполярный Урал, Россия, 2010 г. (1331 м над ур. м., 65°11'18.5"с.ш., 60°18'14.8"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Pseudophormidium hollerbachianum (Elenk.) Anagn. - слоевище слизистое, тонкое, темнокоричневозеленого или яркооливковозеленого цвета. Трихомы яркосинезеленые 3-4 мкм ширины и 3-5 мкм длины.

SYKOA C-013-09 - г. Баркова, антропогенно трансформированный участок без растительности с выносом кварцевого песка из штольни, Приполярный Урал, Россия, 2009 (850 м над ур. м., 65°13'35.3"с.ш., 60°14'43.7"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Tolypothrix tenuis Kütz. ex Bornet et Flahault - слоевище кустистое синезеленое, оливковозеленое или коричневое. Трихомы синезеленые или оливковозеленые, 3-8 мкм шириной и 3-8 мкм длиной. Доминант или отмечается с высокой частотой встречаемости в наземных сообществах горно-тундровых регионов. Арктобореальный.

SYKOA C-014-11 изолирован из ерниково-травяно-мохового сообщества, Полярный Урал, Россия, 2011 г. (185 м над ур. м., 68°76'779"с.ш., 66°18'717"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Porphyrosiphon lomniczensis (Kol) Anagn. et Komarek - дерновинки желто-коричневого цвета. Ширина трихомов 3-4 мкм, с чехлом до 5 мкм и длина 1.5 мкм. Впервые отмечен для России и Арктики. Этот вид ранее был обнаружен только в горных экосистемах Альп (Komarek, Anagnostidis, 2005).

SYKOA C-011-09 выявлен из антропогенного местообитания на кварцевом песке штольни, г. Баркова, Приполярный Урал, Россия, 2009 г. (850 м над ур. м., 65°13'35.3"с.ш., 60°14'43.7"в.д.). Депонирован: И.В. Новаковской, Е.Н. Патовой.

Заключение

Созданная коллекция 8УКОЛ имеет научное значение для расширения представлений о видовом разнообразии фототрофных азотфиксирующих микроорганизмов в арктических и горных регионах России. Выделенные штаммы активно исследуются с привлечением широкого круга специалистов биологов и биотехнологов Институтов биологии и физиологии Коми НЦ УрО РАН, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Ряд штаммов, культивируемых в коллекции SYKOA используются для решения прикладных биотехнологических задач совместно с компанией ООО «БИОЭКОБАЛАНС». Определено содержание внеклеточных полисахаридов и аминокислотный состав (Шубаков и др., 2015; Khudyakov et а1., 2015) для штаммов рода Nostoc. Проводятся исследования по оценке эффективности использования ряда штаммов цианопрокариот для очистки сточных вод промышленных предприятий, нефтезагрязненных вод и почв (Щемелинина и др., 2015). Живые штаммы из коллекции SYKOA используются на лабораторных и практических занятиях в Сыктывкарском государственном университете имени Питирима Сорокина.

Для развития коллекции 8УКОА планируется:

• пополнить коллекционный фонд цианопрокариот,

• освоить приемы культивирования редких видов и штаммов, перспективных для решения прикладных задач.

• провести молекулярно-генетический анализ выделенных штаммов и депонировать полученные данные в СспВапк.

• освоить новые методы хранения штаммов (криоконсервирование).

• провести исследование функциональных и биохимических особенностей выделенных штаммов с привлечением специалистов из разных научных учреждений.

обмениваться штаммами с различными исследовательскими

центрами.

использовать штаммы в научно-образовательном процессе. Благодарности

Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта РФФИ «Исследование роли цианопрокариот криптогамных корок и моховых ассоциаций в циклах углерода и азота наземных экосистем Российской Арктики в условиях меняющегося климата» № 15-04-06346, ГР 115012130014 и РФФИ-Коми «Оценка состояния и динамики популяций редких видов растений, грибов и животных, занесенных в Красные книги Республики Коми и Российской Федерации» № 16-44-110167.

Литература

Голлербах М.М., Коссинская Е.К., Полянский В.И. Синезеленые водоросли. Определитель пресноводных водорослей СССР. Вып. 2. М.: Сов. наука, 1953. 630 с.

Каталог культур микроводорослей в коллекциях СССР. Отв. ред. В.Е. Семененко. М., 1991. 227 с.

Красная книга Республики Коми. Сыктывкар, 2009. 791 с.

Новаковская И.В., Патова Е.Н. Коллекция живых штаммов микроводорослей Института биологии Коми НЦ УрО РАН и перспективы ее использования // Изв. Коми научного центра УрО РАН, 2012. № 2 (10). С. 36-41.

Шубаков А.А., Патова Е.Н., Попейко О.В., Витязев Ф.В., Михайлова Е.А. Общая химическая характеристика внеклеточных полисахаридов цианобактерии Nostoc muscorum Ag. ex Born. et Flah. // Бутлеровские сообщения. 2015. Т. 44, № 11.С. 146-150.

Щемелинина Т.Н., Патова Е.Н., Тарабукин Д.В., Анчугова Е.М., Очеретенко Д.П., Володин В.В. Очистка сточных вод лесопромышленного комплекса с использованием микроводорослей // Экология и промышленность России. 2015. Т. 19. № 7. С. 44-47

Khudyakov A.N., Polezhaeva T.V., Zaitseva O.O., Günter E.A., Solomina O.N., Popeyko O.V., Shubakov A.A., Vetoshkin K.A. The cryoprotectant effect of Polysaccharides from plants and microalgae on human white blood cells // Biopreservation and Biobanking. 2015. Vol. 13, № 4. P. 240-246.

Komarek J.Cyanoprokaryota 1. Teil: Chroococcales / J. Komarek, K. Anagnostidis. Heidelberg, Berlin: Spektrum Akademischer Verlag, 1998. 584 p. (Süßwasserflora von Mitteleuropa; Bd. 19/1).

Komarek J. Cyanoprokaryota 3. Teil: Heterocytous genera / J. Komarek. Berlin, Heidelberg,: Springer-Spektrum, 2013. 1130 p. (Süßwasserflora von Mitteleuropa; Bd. 19/3).

Komarek J., Anagnostidis K. Cyanoprokaryota I. Teil: Oscillatoriales // Süßwasserflora von Mitteleuropa. München. 2005. Bd. 19 (2). 643 р. (Süßwasserflora von Mitteleuropa; Bd. 19/2).

Дата поступления: 28.09.2016

Сведения об авторах Новаковская Ирина Владимировна

кандидат биологических наук, научный сотрудник Института биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, novakovskaya@ib.komisc.ru. Патова Елена Николаевна

кандидат биологических наук, доцент, заведующий лабораторией Института биологии Коми НЦ УрО РАН, patova@ib.komisc.ru.