Изучение геномных особенностей цианобактерии Symplocastrum sp.

Investigation of the genomic features of the cyanobacterium Symplocastrum sp.

 
Дмитриев И.А.^1,2, Сороковикова Е.Г.¹, Тихонова И.В.¹, Гладких А.С.³, Краснопеев А.Ю.¹, Потапов С.А.¹, Белых О.И.¹
 
Ivan A. Dmitriev^1,2, Ekaterina G. Sorokovikova¹, Irina V. Tikhonova¹,
Anna S. Gladkikh³, Andrey Yu. Krasnopeev¹, Sergey A. Potapov¹, Olga I. Belykh¹

¹Лимнологический институт СО РАН (Иркутск, Россия) 
²Иркутский государственный университет (Иркутск, Россия)​ 
³Санкт-Петербургский НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера (Санкт-Петербург (Иркутск, Россия)​
 

¹Limnological Institute of SB RAS (Irkutsk, Russia)
²Irkutsk State University (Irkutsk, Russia)
³Saint-Petersburg Pasteur Institute (St Petersburg, Russia)

УДК 582.26+577.21

В последнее время явление цветения бентосных цианобактерий наблюдается в озере Байкал. В этот период была зафиксирована массовая гибель байкальских губок. Некоторые цианобактерии демонстрируют активный рост в местах гибели гидробионтов, вероятно, разлагающиеся губки являются субстратом, богатым питательными веществами. Изучение приспособительных стратегий метаболизма цианобактерий является важной задачей для понимания их экологии и контролирования их роста. Нами изучены геномные особенности цианобактерии Symplocastrum sp., выделенной с мест массовой гибели байкальских губок. Обнаружено значительное количество генов, ответственных за получение биогенов и органики из внешних источников, что предполагает, что эти цианобактерии способны к миксотрофному образу жизни. 

Ключевые слова: цианобактерии; миксотрофия; short-gun секвенирование; биогены

Investigating the genome of the cyanobacterium Symplocastrum sp., we found genes encoding proteins that  involved in the assimilation of various organic compounds. Organic substances due to cyanobacterial enzymes become sources of phosphates, fatty acids, and ammonium. Also, a very important strategy is the movement of cyanobacteria towards the pool of nutrients; we have identified the genetic basis for the chemotaxis of the cyanobacterium Symplocastum sp. Thus, this cyanobacterium has a wide ecological plasticity and is adapted to the supply of additional nutrients, and not only to the synthesis of organic matter through photosynthesis.

Keywords: Cyanobacteria; mixotrophy; short-gun sequencing; biogens

Цианобактерии являются распространенными обитателями пресноводного планктона и бентоса. Они способны к быстрому размножению при благоприятных условиях, например, при повышенной температуре воды, интенсивном свете, щелочной рН и повышенном содержании питательных веществ, особенно фосфора и азота. Такие условия способствуют цианобактериальному цветению, которое может негативно сказываться на других живых организмах. Одним из примеров негативного влияния цианобактерий, является массовое заболевание байкальских эндемичных губок. Гибель губок сопровождалась массовым развитием цианобактерий, в бентосе озера Байкал стали доминировать новые для Байкала виды – Tychonema, Symplocastrum и другие осциллаториевые (Sorokovikova et al., 2020). Цианобактерии рода Symplocastrum являются нетипичными для озера Байкал. Предполагается, что они появились в связи с изменением экологических условий на Байкале и увеличением органического вещества в воде озера из-за гибели байкальских губок в прибрежной зоне. Вероятно, они способны к миксотрофному питанию, а колонизация цианобактерий на дне озера и больных губках является вторичным событием. Для осциллаториевых цианобаткрий характерны Целью работы было установление генов, обеспечивающих усвоение органики и различных азота и фосфора цианобактерии Symplocastrum sp. Штамм цианобактерии Symplocastrum был выделен из биопленки, собранной со дна озера Байкал. ДНК выделена с помощью ферментативного лизиса и последующей экстракции фенолом и хлороформом. Секвенирование выполняли на секвенаторе llumina MiSeq System (Illumina, США), библиотеки приготовлены с помощью  Nextera DNA Flex library prep kit (Illumina). Анализ таксономического состава и функциональной категории имеющихся белков проводили с помощью базы данных KEGG, с помощью серверов автоматической аннотации BlastKOALA и GhostKOALА.

Анализ с помощью базы данных KEGG выявил 4090 белков, среди которых 23 белковые группы. К наиболее крупным белковым группам относились белки, ответственные за обработку генетической информации, сигнального и клеточного процессов, белки углеводного обмена, обработки экологической информации, белки метаболизма аминокислот, кофакторов и витаминов и другие менее крупные группы. Выбор генов, ответственных за метаболизм азота, фосфора и органических веществ, а также хемотаксиса, был выполнен на основе литературных данных.

 Таблица 1. Гены цианобактерий и их функции

Таким образом, мы обнаружили ряд генов, кодирующих белки, которые могут участвовать в усвоении различных органических соединений. Органические вещества за счет работы ферментов цианобактерий могут становиться источниками фосфатов, жирных кислот. Также очень важной стратегией является движение в сторону пула питательных веществ, ранее описанное у осциллаториевых водорослей, нами выявлены биохимические основы хемотаксиса цианобактерии Symplocastum sp. Таким образом, эта цианобактерия имеет широкую экологическую пластичность  и адаптирована к поступлению дополнительных питательных веществ, а не только к синтезу органического вещества с помощью фотосинтеза. В условиях дефицита фосфатов в воде, она использует органические вещества, например, свободную ДНК в воде, для высвобождения остатков фосфорной кислоты. Источником азота могут служить не только нитраты, но и соединения аммония, а также аминокислоты. Сахара, липиды и аминокислоты могут транспортироваться в клетку с помощью транспортная системы типа ABC. Ранее миксотрофия уже описана для цианобактерий как адаптивная стратерия для выживания в условиях органического загрязнения (Subashchandrabose et a., 2013). 

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

Работа подготовлена в рамках государственного задания ЛИН СО РАН, темы № 0279-2021-0015.

Список литературы

1. Sorokovikova E., Belykh O., Krasnopeev A., Potapov S., Tikhonova I., Khanaev I., Kabilov M., Baturina O., Podlesnaya G., Timoshkin O. First data on cyanobacterial biodiversity in benthic biofilms during mass mortality of endemic sponges in Lake Baikal // Journal of Great Lakes Research. 2020. 46. С. 75–84. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jglr.2019.10.017.  
2. Subashchandrabose S.R., Ramakrishnan B., Megharaj M., Venkateswarlu K., Naidu R. Mixotrophic cyanobacteria and microalgae as distinctive biological agents for organic pollutant degradation // Environ. Int. 2013. 51. С. 59–72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envint.2012.10.007

Доклад поступил в редакцию 14.12.2021

Об авторах

Дмитриев Иван Алексеевич − Dmitriev Ivan A.

студент, Иркутский государственный университет, Иркутск, Россия (Irkutsk State University, Irkutsk, Russia), Биолого-почвенный факультет, лаборатория водной микробиологии; Лимнологический институт СО РАН, Иркутск, Россия (Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia)

dmitrievivan3@gmail.com

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-9732-3222

Сороковикова Екатерина Георгиевна − Sorokovikova Ekaterina G.

кандидат биологических наук
научный сотрудник, Лимнологический институт СО РАН, Иркутск, Россия (Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia), лаборатория водной микробиологии

katrin@lin.irk.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-1431-6546

Тихонова Ирина Васильевна − Tikhonova Irina V.

кандидат биологических наук
старший научный сотрудник, Лимнологический институт СО РАН, Иркутск, Россия (Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia), лаборатория водной микробиологии

iren@lin.irk.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-4323-6799

Гладких Анна Сергеевна − Gladkikh Anna S.

кандидат биологических наук
старший научный сотрудник, Санкт-Петербургский НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера, Санкт-Петербург, Россия (Saint-Petersburg Pasteur Institute, St Petersburg, Russia), группа молекулярной генетики патогенных микроорганизмов отдела эпидемиологии 

angladkikh@gmail.com

ORCID - https://orcid.org/0000-0001-6759-1907

Краснопеев Андрей Юрьевич − Krasnopeev Andrey Yu.

аспирант
младший научный сотрудник, Лимнологический институт СО РАН, Иркутск, Россия (Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia), лаборатория водной микробиологии

andrewkrasnopeev@gmail.com

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-3368-4678

Потапов Сергей Анатольевич − Potapov Sergey A.

ведущий инженер, Лимнологический институт СО РАН, Иркутск, Россия (Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia), лаборатория водной микробиологии

poet1988@list.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0003-1391-6731

Белых Ольга Ивановна − Belykh Olga I.

кандидат биологических наук
ведущий научный сотрудник, руководитель лаборатории водной микробиологии, Лимнологический институт СО РАН, Иркутск, Россия (Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia)

belykh@lin.irk.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-1188-7351

Корреспондентский адрес: Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, Биологический факультет МГУ. Телефон (495)-939-11-48.

ССЫЛКА:

Дмитриев И.А., Сороковикова Е.Г., Тихонова И.В., Гладких А.С., Краснопеев А.Ю., Потапов С.А., Белых О.И. Изучение геномных особенностей цианобактерии Symplocastrum sp. // Материалы Международной дистанционной научно-практической конференции «Водные экосистемы в современном мире»

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Investigation of the genomic features of the cyanobacterium Symplocastrum sp. 

Ivan A. Dmitriev^1,2, Ekaterina G. Sorokovikova¹, Irina V. Tikhonova¹,
Anna S. Gladkikh³, Andrey Yu. Krasnopeev¹, Sergey A. Potapov¹, Olga I. Belykh¹

¹Limnological Institute of SB RAS (Irkutsk, Russia)
²Irkutsk State University (Irkutsk, Russia)
³Saint-Petersburg Pasteur Institute (St Petersburg, Russia)

Investigating the genome of the cyanobacterium Symplocastrum sp., we found genes encoding proteins that involved in the assimilation of various organic compounds. Organic substances due to cyanobacterial enzymes become sources of phosphates, fatty acids, and ammonium. Also, a very important strategy is the movement of cyanobacteria towards the pool of nutrients; we have identified the genetic basis for the chemotaxis of the cyanobacterium Symplocastum sp. Thus, this cyanobacterium has a wide ecological plasticity and is adapted to the supply of additional nutrients, and not only to the synthesis of organic matter through photosynthesis.

Keywords: Cyanobacteria; mixotrophy; short-gun sequencing; biogens

References

1. Sorokovikova E., Belykh O., Krasnopeev A., Potapov S., Tikhonova I., Khanaev I., Kabilov M., Baturina O., Podlesnaya G., Timoshkin O. First data on cyanobacterial biodiversity in benthic biofilms during mass mortality of endemic sponges in Lake Baikal. Journal of Great Lakes Research. 2020. 46. P. 75–84. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jglr.2019.10.017
2. Subashchandrabose S.R., Ramakrishnan B., Megharaj M., Venkateswarlu K., Naidu R. Mixotrophic cyanobacteria and microalgae as distinctive biological agents for organic pollutant degradation. Environ. Int. 2013. 51. P. 59–72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envint.2012.10.007

Authors

Dmitriev Ivan A.

Irkutsk State University, Irkutsk, Russia; Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia

dmitrievivan3@gmail.com

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-9732-3222

Sorokovikova Ekaterina G.

Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia

katrin@lin.irk.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0003-4265-892X

Tikhonova Irina V.

Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia

 iren@lin.irk.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-4323-6799

Gladkikh Anna S.

Saint-Petersburg Pasteur Institute, St Petersburg, Russia

angladkikh@gmail.com

ORCID - https://orcid.org/0000-0001-6759-1907

Krasnopeev Andrey Yu.

Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia

andrewkrasnopeev@gmail.com

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-3368-4678

Potapov Sergey A.

Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia

poet1988@list.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0003-1391-6731

Belykh Olga I.

Limnological Institute of SB RAS, Irkutsk, Russia

belykh@lin.irk.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-1188-7351

ARTICLE LINK:

Dmitriev I.A., Sorokovikova E.G., Tikhonova I.V., Gladkikh A.S., Krasnopeev A.Yu., Potapov S.A., Belykh O.I. Investigation of the genomic features of the cyanobacterium Symplocastrum sp. // Materials of the International Distance Scientific and Practical Conference “Aquatic Ecosystems in the Modern World”

When reprinting a link to the site is required

Адрес - info@hydrosphere-ecology.ru

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

На ГЛАВНУЮ

К разделу ПУБЛИКАЦИИ

Список литературы

1. Еленкин А.А. Синезеленые водоросли СССР. Специальная (систематическая) часть. Выпуск 1. – Москва, Ленинград: АН СССР, 1938. – 984 с.

2. Еленкин А.А. Синезеленые водоросли СССР. Монография пресноводных и наземных Cyanophyceae, обнаруженных в пределах СССР. Специальная (систематическая) часть. Вып. II. III. Hormogoneae (Geitl.) Elenk. – Москва, Ленинград: АН СССР, 1949. – 1908 с.

3. Завьялов П.О., Арашкевич Е.Г., Бастида И., Гинзбург А.И., Дикарев С.Н., Житина Л.С., Ижиций А.С., Ишниязов Д.П., Костяной А.Г., Кравцова В.И., Кудышкин Т.В., Курбаниязов А.К., Ни А.A., Никишина А.Б., Петров M.A., Сажин А.Ф., Сапожников Ф.В., Кравцова В.И., Шеремет Н.А., Соловьев Д.М., Хан В.M., Шеремет Н.A. Большое Аральское море в начале XXI века: Физика, биология, химия. – М.: Наука, 2012. – 231 с.

4. Маккавеев П.Н., Стунжас П.А. Об изменении солёности в гипергалинных водоёмах (на примере современного Аральского моря). // Океанология. 2017. Т.57, №6. С. 990–996.

5. Мордухай-Болтовский Ф.Д. Атлас беспозвоночных Аральского моря. – М.: Пищевая промышленность, 1974. – 274 с.

6. Рыбы Арала и Амударьи. Сайт города Кунград, Kungrad.com: Живая природа. – http://kungrad.com/nature/fish/ (Дата обращения – 28.08.2018)

7. Arashkevich E.G., Sapozhnikov P.V., Soloviov K.A., Kudyshkin T.V., Zavialov P.O. Artemia parthenogenetica (Branchiopoda: Anostraca) from the Large Aral Sea: Abundance, distribution, population structure and cyst production. // Journal of Marine Systems. 2009. V.76, Is.3, 10. P. 359–366.

8. Carter J.R., Round F.E. Studies on freshwater Amphora species. V. Amphora montana and some rather similar forms // Diatom Research. 1993. 8(1). P. 1–11.

9. Diatoms of North America. https://westerndiatoms.colorado.edu/ (Дата обращения – 28.08.2018)

10. Izhitskiy A.S., Zavialov P.O., Sapozhnikov P.V., Kirillin G B., Grossart H.P., Kalinina O.Y.,  Zalota A.K., Goncharenko I.V., Kurbaniyazov A.K. Present state of the Aral Sea: diverging physical and biological characteristics of the residual basins. // Scientific Reports. 2016. 6, 23906. http://doi.org/10.1038/srep23906

11. John D.M., Whitton B.A., Brook A.J. (Editors) The Freshwater Algal Flora of the British Isles: An Identification Guide to Freshwater and Terrestrial Algae. Second Edition. Edited by David M. John,Brian A. Whitton, and Alan J. Brook. – Cambridge and New York: Cambridge University. 2002. – 878 p.

12. Krammer K., Lange-Bertalot H. Bacillariophyceae. 1. Teil: Naviculaceae // Ettl H., Gerloff J., Heynig H. and Mollenhauer D. (eds) Süsswasser flora von Mitteleuropa, Band 2/1. – Stuttgart, New York: Gustav Fischer Verlag, 1986. – 876 p.

13. Krammer K., Lange-Bertalot H. Bacillariophyceae. 2. Teil: Bacillariaceae, Epithemiaceae, Surirellaceae // Ettl H., Gerloff J., Heynig  H. and Mollenhauer D. (eds) Süsswasserflora von Mitteleuropa, Band 2/2. VEB – Jena: Gustav Fischer Verlag, 1988. – 596 p

14. Krammer K., Lange-Bertalot H. Bacillariophyceae. 3. Teil: Centrales, Fragilariaceae, Eunotiaceae // Ettl H., Gerloff J., Heynig H. and Mollenhauer D. (eds) Süsswasserflora von Mitteleuropa, Band 2/3. – Stuttgart, Jena: Gustav Fischer Verlag, 1991a. – 576 p.

15. Krammer K., Lange-Bertalot H. Bacillariophyceae. 4. Teil: Achnanthaceae, Kritische Ergänzungen zu Navicula (Lineolatae) und Gomphonema, Gesamtliteraturverzeichnis Teil 1-4 // Ettl H., Gärtner G., Gerloff J., Heynig H. and Mollenhauer D. (eds) Süsswasserflora von Mitteleuropa, Band 2/4. – Stuttgart, Jena: Gustav Fischer Verlag, 1991b. – 437 p.

16. Sapozhnikov F.V., Ivanishcheva P.S., Simakova U.V. Modern assemblage changes of benthic algae as a result of hypersalinization of the Aral Sea. // Journal of Marine Systems. 2009. V.76, Is.3, 10. P. 343–358. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924796308001772

17. Sapozhnikov F.V., Arashkevich E.G., Ivanishcheva P.S. Biodiversity. // Kostianoy/Kosarev (ed.) The Handbook of Environmental Chemistry. Vol. 7: The Aral Sea Environment, 1st Edition. XIV. – 2010. – P. 235–282. https://www.nhbs.com/the-aral-sea-environment-book

18. Witkowski A., Lange-Bertalot H., Metzeltin D. Diatom flora of marine coasts. I. // H. LangeBertalot (ed.) Iconographia diatomologica. Vol. 7. – Koeltz Scientific Books, Königstein, Germany, 2000. – 925p.

Статья поступила в редакцию 3.09.2018

Main results of observations of changes in bottom biota and ichthyofauna 
of the Large Aral Sea in the period 2002–2017

Philipp V. Sapozhnikov¹, Olga Yu. Kalinina²

¹Shirshov Institute of Oceanology RAS (Moscow, Russia)
²Lomonosov Moscow State University (Moscow, Russia)

The Large Aral Sea is a climate-forming reservoir of the Central Asia, which during the last 57 years has undergone significant metamorphism of the water area, the level of total mineralization of water in various parts of it, the coastline, the composition of bottom sediments and the bottom surface – and the biota inhabiting it. The investigations carried out on the material of the IORAN expeditions made it possible to trace the main changes in the bottom biota and ichthyofauna of the Large Aral Sea during the stage of ultragalinization of waters (the process of steady salting, which continues beyond the ultra-galaline physiological barrier of 75 ppt), during the stage of changes from 2002 to 2017. The last species of fish (Caspian aterin Atherina boyeri caspia  and Black Sea plaice Platichthys flesus luscus), and mollusks (Syndosmya segmentum) inhabiting the Large Sea disappeared by 2004, with an increase in total mineralization in shallows above 90 ppt. Of the representatives of the bottom macrofauna, by 2015 only the larvae of the chaeronids Baeotendipes noctivaga have survived, from the pelagic-bottom by 2017, the crustacean Artemia parthenogenetica. The most diverse group of organisms inhabiting the ultra-galaline Aral during the studied stage were bottom microphytes (mainly diatoms and cyanoprokaryotes): in the newly formed biotopes stable associations of these creatures were formed, some of which were preserved in the Aral Sea, adapting to an extremely changing environment, others were planted, despite the growth of mineralization, and the third gradually died out. Against the background of the general growth trend of mineralization, it was possible to distinguish between the main formations of bottom microphyte cenoses.

Key words: Large Aral Sea; ultrasalinisation; benthos; ichtiofauna; microphytobenthos.

Сведения об авторах

Сапожников Филипп Вячеславович  
к.б.н., с.н.с., ФГБУН «Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН», Москва, Россия (Shirshov Institute of Oceanology RAS, Russia, Moscow), Лаборатория экологии прибрежных донных сообществ 
fil_aralsky@mail.ru 

Калинина Ольга Юрьевна 
м.н.с., ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова», Москва, Россия (Lomonosov Moscow State University, Russia, Moscow), географический факультет, Лаборатория возобновляемых источников энергии
bio-energymsu@mail.ru

Корреспондентский адрес: Россия, 117997, Москва, Нахимовский пр-т, д. 36, ИОРАН. Телефон (499) 124-79-96.

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ

Сапожников Ф.В., Калинина О.Ю. Основные результаты наблюдений за изменениями донной биоты и ихтиофауны Большого Аральского моря в период 2002–2017 гг. // Экология гидросферы. 2018. №1 (2).  URL: http://hydrosphere-ecology.ru/109

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 

Адрес - info@hydrosphere-ecology.ru

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

На ГЛАВНУЮ

К разделу ПУБЛИКАЦИИ