The Particularities of Nonspecific stress Resistance mechanism activation in Baikalian endemic amphipod Gmelinoides fasciatus (Stebb, 1899) under thermal stress

Journal of Stress Physiology & Biochemistry, Vol. 10 No. 4 2014, pp. 131-138 ISSN 1997-0838 Original Text Copyright © 2014 by Vereshchagina, Lubyaga, Axenov-Gribanov, Gurkov, Kondratieva, Shchapova, Prokosov and Shatilina

ORIGINAL ARTICLE

The Particularities of Nonspecific Stress Resistance Mechanism Activation in Baikalian Endemic Amphipod Gmelinoides fasciatus (Stebb, 1899) under Thermal Stress

Vereshchagina K.P.1,2*, Lubyaga Y.A.1,2, Axenov-Gribanov D.V.1,2,

Gurkov A.N. 12, Kondratieva E.S.1’^, Shchapova E.P.1’*,

1,2

1,2

Prokosov S.O.1,2, Shatilina Z.M.

2

11rkutsk State University. 664003 Irkutsk, K. Marx str., 1, Russia 2 Institute of Biology at Irkutsk State University. 664003 Irkutsk, Lenin str., 3, Russia

*Tel.:+7(3952) 243077

*E-Mail: k.D.vereshasina@smail.com

Received November 24, 2014

The aim of the current study was to determine the characteristics of the stress response in endemic species Gmelinoides fasciatus (Stebb., 1899) in comparison with other Baikal amphipods under short term thermal stress. It were shown the changes in activity of antioxidant enzymes, and lactate dehydrogenase correlated with content of lactate under the influence of gradual temperature increase.

While the changes of cellular stress - markers content or their activity in other Baikal species occurred beyond the thermal preference zone, the cellular stress - markers content or their activity in G. fasciatus associated with entrance into the thermal preference zone. Thus we concluded that the relict endemic species G. fasciatus has a different stress resistance mechanism to elevated temperature than other Baikal amphipods species.

Key words: Amphipods, Baikal, stress, antioxidant enzymes, lactatdehydrogenase, lactate

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

132

The Particularities of Nonspecific Stress Resistance ...

ORIGINAL ARTICLE

Особенности активации неспецифических механизмов стресс-резистентности у байкальского эндемичного вида амфипод Gmelinoides fasciatus (Stebb., 1899) в условиях постепенного температурного стресса

Верещагина К.П.1,2*, Лубяга ЮА1’^, Аксенов-Грибанов Д.В.1’^,

1,2

1,2

Гурков А.Н. 12, Кондратьева Е.С. 'Л Щапова Е.П. '*,

1,2

1,2

1 2

Прокосов С.О. ’ , Шатилина Ж.М.

2

1 ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»,664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса 1

2 НИИ биологии ФГБОУ ВПО «ИГУ» 664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 3

*Тел.:+7(3952) 243077

*E-Mail: k.y.vereshasina @smail.com

Поступила в редакцию 24 Ноября 2014 г.

Целью данного исследования являлось выявление особенностей стресс-ответа у эндемичного вида Gmelinoides fasciatus (Stebb., 1899) в сравнении с другими байкальскими видами амфипод в условиях повышения температуры среды обитания. Показано, что при воздействии постепенного повышения температуры среды происходит изменение активности ферментов антиоксидантной системы и лактатдегидрогеназы, а также изменение содержания лактата. Именение содержания клеточных стресс-маркеров и их активности у литоральных и глубоководных байкальских видов амфипод наблюдали за пределами зоны термопреференции, напротив изменение содержания (активности) клеточных стресс-маркеров у G. fasciatus происходило одновременно со входом в данную зону. Таким образом, по результатам анализа полученных данных сделан вывод, что реликтовый эндемичный вид G. fasciatus обладает иными активирующимися механизмами стресс-резистентности в ответ на воздействие повышенных температур среды, чем другие эндемичные байкальские виды.

Key words: амфиподы, Байкал, стресс, ферменты антиоксидантной системы, лактатдегидрогеназа, лактат

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

Vereshchagina et al.

133

В последнее время приобретают актуальность уровень их экологической пластичности и

исследования, направленные на изучение влияния возможность адаптации к новым условиям

климатических изменений и повышенной обитания. Одним из наиболее вероятных

антропогенной нагрузки на состояние водных объяснений этих характеристик может быть

экосистем (Kerr, 2005; Portner, 2008). Изменение способность видов к эффективному

температурного режима водоема приводит к смене энергообеспечению стресс-реакций. Можно

ключевых параметров среды обитания, таких как предположить, что именно способности к

газовый режим и растворимость веществ, в том эффективному поддержанию повышенных уровней

числе и токсичных компонентов, поступающих в реакции стресс-систем в широком диапазоне

водоем с грунтовыми и сточными водами. изменений характеристик среды обитания

Повышенная температура воды может усилить определяют конкурентные преимущества успешных

негативное влияние различных компонентов видов-вселенцев, по сравнению с аборигенными

(например, ксенобиотиков) на организмы, видами.

населяющие водные экосистемы. Поэтому Целью данного исследования являлось

представляется актуальным изучение механизмов выявление особенностей стресс-ответа

стресс-реакции водных организмов в условиях эндемичного вида Gmelinoides fasciatus (Stebb.,

изменения температуры среды. 1899) в сравнении с другими байкальскими видами

Экологические и эволюционные амфипод в условиях повышения температуры

характеристики видов, в частности показатели среды обитания.

терморезистентности и термопреференции, могут MATERIALS AND METHODS

играть решающую роль в их способности В качестве объекта исследования был выбран

противостоять различным стрессовым факторам и эндемичный вид амфипод озера Байкал G.

антропогенным нагрузкам (Hofmann, Parsons, fasciatus (Stebb., 1899). Для сравнительной оценки

1991; Imshaeva, 1999; Evgen'ev 2007). был использован другой байкальский вид, близкий

Одной из проблем, проявляющихся в условиях по своим экологическим и терморезистентным

климатических изменений и повышенной характеристикам - Eulimnogammarus cyaneus

антропогенной нагрузки, являются инвазии видов и (Dyb., 1874) (Timofeyev, 2010).

вытеснение ими аборигенной фауны. Вероятные Байкальский вид амфипод Gmelinoides

причины способности вселенцев к успешному fasciatus (Amphipoda, Crustacea) представляет

освоению водоемов за пределами естественного собой уникальный объект для исследований

ареала и внедрению в нехарактерные экосистемы адаптивных способностей гидробионтов в аспекте

могут быть связаны с физиолого-биохимическими проблемы биологических инвазий и изменений

особенностями видов, обеспечивающими высокий климатических условий. По оценкам ряда

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

134

The Particularities of Nonspecific Stress Resistance ...

исследователей, возраст вида превышает возраст Определение активности лактатдегидрогеназы и

Байкала и составляет более 30 млн. лет. Таким содержания лактата проводили энзиматическими

образом, G. fasciatus - реликтовый вид, спектрофотометрическими методами с

представляющий фауну добайкальского применением стандарт-наборов «ЛДГ-витал» и

происхождения. В естественном ареале «Лактат-витал» (Vital-Diagnostics Spb) (Timofeyev,

распространение вида ограничено литоралью 2010; Axenov-Gribanov, 2013). Измерения

Байкала. В байкальском регионе за пределами проводили на спектрофотометре Cary 50 (Varian,

Байкала G. fasciatus встречается в ограниченном США) при А=340 нм для пероксидазы и

числе водоемов (чаще всего с антропогенно- лактатдегидрогеназы, при А=240 нм для каталазы

нарушенными условиями), в которых вид и при А=436 нм для глутатион S- трансферазы.

испытывает жесткую конкуренцию со стороны Определение содержания лактата проводили при

широкораспространенного Gammarus lacustris А=505 нм. Все эксперименты проведены в 5

Sars (Berezina, 2009). В середине XX века G. биологических параллелях. Биохимический анализ

fasciatus был интродуцирован в европейские каждой пробы проведен в 3-х аналитических

водоемы, где после первичной интродукции измерениях. Оценку достоверности проводили,

приспособился к обитанию в новых условиях и в используя двувыборочный u-критерий Манна-

дальнейшем широко распространился в водоемах Уитни. Статистический анализ проводили с

европейской части России, став массовым видом- использованием программы Statistica 8.0.

вселенцем. RESULTS AND DISCUSSION

В ходе исследования проведены эксперименты При экспозиции в условиях постепенной

по экспонированию рачков в условиях гипертермии, у амфипод наблюдали

постепенного повышения температуры с 6°С видоспецифическое изменение активности

(средняя температура среды обитания, ферментов антиоксидантной системы и

температура акклимации) до температуры, при лактатдегидрогеназы, а также изменение

которой ранее отмечали гибель 100% особей более содержания лактата. В условиях постепенного

термочувствительного E. cyaneus (30°С). Скорость повышения температуры среды, у амфипод вида E.

изменения температуры составила 1°СЧ\ cyaneus не наблюдали изменения активности

Оценку изменения активности ферментов ферментов антиоксидантной системы на

антиоксидантной системы (пероксидазы, каталазы, протяжении всего эксперимента (Рис.1, - 3), не

глутатион S - трансферазы) производили смотря на то, что данный вид считается немного

методами спектрофотометрического анализа, менее терморезистентным в сравнении с G.

согласно методикам Drotar (1985), Aebi (1984) и fasciatus (Timofeyev, 2010). При экспозиции G.

Habig (1974) соответственно (Timofeyev, 2010). fasciatus в данных условиях, при достижении

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

Vereshchagina et al.

135

температуры среды выше 24°С отмечали увеличение активности пероксидазы (Рис. 1). Активность глутатион S-трансфеазы

кратковременно увеличивалась при достижении температуры среды 14-16°С (Рис. 2), после чего снижалась до контрольных значений. В то же время в изменении активности каталазы наблюдали кратковременное снижение при достижении температур 9-11 и 24-30°С (Рис. 3).

При экспозиции амфипод в условиях постепенного повышения температуры наблюдали увеличение содержания лактата у обоих видов (Рис. 4). При этом увеличение содержания лактата у G. fasciatus происходило раньше и при меньших

температурах, чем у E. cyaneus. Повышение содержания лактата у G. fasciatus отмечали при достижении температуры выше 9°С, тогда как у E. cyaneus изменение содержания лактата наблюдали только при достижении температур экспозиции выше 24° С.

Изменение активности лактатдегидрогеназы также отмечали у обоих видов (Рис. 5). При этом, наблюдали снижение активности фермента, отрицательно коррелирующее с повышением содержания лактата. Снижение активности лактатдегидрогеназы у E. cyaneus отмечали при температурах экспозиции выше 19°С, и при температурах экспозиции выше 9°С у G. fasciatus .

Рисунок 1. Изменение активности пероксидазы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод E.

cyaneus и G. fasciatus в условиях постепенного повышения температуры среды.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

136

The Particularities of Nonspecific Stress Resistance ...

Рисунок 2. Изменение активности глутатион S-трансферазы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод E. cyaneus и G. fasciatus в условиях постепенного повышения температуры среды.

Рисунок 3. Изменение активности каталазы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод E. cyaneus и G. fasciatus в условиях постепенного повышения температуры среды.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

Vereshchagina et al.

137

Рисунок 4. Изменение активности лактата (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод E. cyaneus

и G. fasciatus в условиях постепенного повышения температуры среды.

Рисунок 5. Изменение активности лактатдегидрогеназы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод E. cyaneus и G. fasciatus в условиях постепенного повышения температуры среды.

После сравнения результатов, представленных в данном исследовании с ранее проведенными материалами показано, что реликтовый эндемичный вид G. fasciatus имеет специфические механизмы стресс-ответа на воздействие повышенных температур среды. При повышении

температуры среды накопление лактата в тканях G. fasciatus происходило при меньших температурах, чем у других изученных видов амфипод литорали озера Байкал. В то время как изменение содержания клеточных стрессмаркеров и их активности у E. cyaneus и других

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

138

The Particularities of Nonspecific Stress Resistance ...

байкальских видов (Ommatogammarus flavus, E. verrucosus) наблюдали за пределами зоны термопреференции (Axenov-Gribanov, 2013), изменение содержания (активности) клеточных стресс-маркеров у G. fasciatus связано с входом в данную зону.

Таким образом, в ходе проведенного исследования показана специфика стресс-ответа вида G. fasciatus в условиях экспериментально повышенной температуры среды.

ACKNOWLEDGEMENT

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 14-04-00501_а (приобретение расходных материалов), РНФ 1414-00400 (приобретение расходных материалов), базовой (1354) и проектной (6.382.2014) частей государственного задания, программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИГУ» (приобретение расходных материалов), гранта молодых ученых ФГБОУ ВПО «ИГУ» и совместной программы академических обменов DAAD -Минобрнауки РФ М. Ломоносов 2014-2015.

REFERENCES

Aebi, H. (1984) Catalase in vitro. Methods Enzymol. 105, 121-126.

Axenov-Gribanov D.V. (2012) Determination of Lake Baikal endemic amphipod Eulimnogammarus verrucosus (Gerstf., 1858) thermal optima limits by changes in its metaboliс markers. Journal of stress physiology and biochemistry. 8, 289-301.

Axenov-Gribanov D.V. (2013) The comparative assessment of temperature challenge on Baikal and Palearctic organisms by energetic metabolism parameters and nonspecific reactions of stress response. Thesis for Ph.D. degree. Irkutsk, 169.

Berezina N.A. (2009) Interspecific interactions of amphipods Gammaris lacustris and Gmelinoides fasciatus. Ecology. 2. 91-95

Drotar, A., Phelps, P., and Fall, R. (1985) Evidence for glutathione peroxidase activities in cultured plant cells. Plant Sci. 42, 35-40.

Evgen’ev M.B. (2007) Molecular mechanisms underlying thermal adaptation of xeric animals. Journal of biosciences. 32, 489499.

Habig, W.H., Pabst, M.J., and Jakoby, W.B. (1974) Glutathione S-transferases. The first enzymatic step in mercapturic acid formation. J. Biol. Chem. 249, 7130-7139.

Hofmann A. A., Parsons P. (1991) Evolutionary genetics and environmental stress. - Oxford University Press.

Imshaeva A.G. (1999) Stressful environmental conditions and genetic variability in animal populations. Genetics. 35, 421-431.

Kerr R. A. (2005) Atlantic climate pacemaker for millennia past, decades hence? Science. 309, 41-42.

Portner H.O. (2008) Ecology. Physiology and climate change. Science. 322, 690-692.

Timofeyev M.A. (2010) Ecological and physiological aspects of adaptation to abiotic environmental conditions of Baikalian endemic and Palearctic amphipods. Thesis for Dr.Sci. degree. Tomsk, 384.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014