Динофлагелляты — одноклеточные водоросли, важная часть водных экосистем, вызывают цветение водоемов, а также выделяют токсины, опасные для человека. Вероятно, именно они были одной из причин отравления моря на Камчатке. Попадая в неблагоприятные условия — при понижении температуры или изменении солености,— клетка перестраивает свои поврежденные покровы (линяет) и адаптируется. Биологи изучили, как протекает этот процесс и что является его триггерами. Работа выполнена при поддержке Президентской программы Российского научного фонда.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
Динофлагеллят можно обнаружить по всему миру; именно их мы видим на картинках со светящимся в ночи морем. Эти одноклеточные водоросли принимают большое участие в создании экосистем водоемов и вызывают вредоносные цветения воды. Также динофлагелляты вырабатывают токсины, которые опасны для человека и водных обитателей. Кроме биолюминесценции эти одноклеточные удивительны своим уникальным механизмом перестройки клеточных покровов (линьки, или экдизиса).
«Для водорослей это адаптация, ответ на повреждение мембраны в результате неблагоприятных условий и возможность их пережить. Пока клетка претерпевает этот процесс, она находится в состоянии цисты, когда ее жизнедеятельность замедлена. Поскольку процесс экдизиса влияет на активность клеток и может быть вызван различными внешними воздействиями — от сильного перемешивания до понижения температуры и действия некоторых химических веществ,— он влияет на численность динофлагеллят в природе, в том числе на начало и завершение вредоносных цветений»,— рассказывает руководитель исследования Ольга Матанцева, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института цитологии РАН.
Колбы с культурами динофлагеллят
Колбы с культурами динофлагеллят
В своих исследованиях ученые из лаборатории цитологии одноклеточных организмов Института цитологии РАН (Санкт-Петербург) использовали «армированный» вид Prorocentrum cordatum. Эти динофлагелляты инвазивны, то есть способны захватывать новые местообитания, вытесняя из них коренные виды, обитают практически во всех уголках земного шара, потенциально токсичны и часто вызывают вредоносное цветение воды. Экдизис у P. сordatum протекает в два этапа. Сначала плазматическая мембрана и жгутики сбрасываются. Одновременно с этим происходит слияние амфиесмальных пузырьков, содержащих жесткие целлюлозные пластины, из-за которых вид и отнесли к армированным. Эти пузырьки сливаются в один, опоясывающий всю клетку, после чего его наружная мембрана отслаивается. Клетка на этом этапе представляет собой цисту, окруженную текальными пластинами (самый внешний слой) и внутренней мембраной слившихся амфиесмальных пузырьков — новой плазматической мембраной. Во время второго этапа под новой плазматической мембраной формируются жгутики, и клетка выходит из текальных пластин. В этот момент она не имеет клеточной стенки, но очень скоро под плазматической мембраной формируются новые амфиесмальные пузырьки, в которых накопится целлюлоза. После этих преображений P. сordatum приобретает свой прежний вид.
Процесс экдизиса у P. cordatum
Процесс экдизиса у P. cordatum
«На основании полученных данных мы сделали вывод о том, что изучаемый нами вид формирует особый вид цист — текальные цисты. В неактивном состоянии клетки остаются защищенными целлюлозными пластинами, что нетипично для большинства изученных динофлагеллят»,— пояснила Ольга Матанцева.
Изучая причины линьки, исследователи воспроизвели большинство внешних неблагоприятных факторов, с которыми могут столкнуться динофлагелляты. Так, повышение или понижение температуры может быть связано со сменой сезонов, сильными ветрами и внезапным холодным течением. Лабораторные эксперименты показали, что резкое понижение температуры среды вызывает интенсивную линьку в культуре P. cordatum, а вот повышение температуры до 35 клетки переносят, не претерпевая структурных изменений. Опыты с механическим воздействием показали довольно противоречивые результаты. Встряхивание пробирки в течение одной минуты не приводило к перестройке покровов, а центрифугирование при 2,5 тыс. оборотов в минуту запускало этот процесс лишь у небольшой части клеток в культуре. После этого ученые повысили скорость вращения до 8 тыс. и 12 тыс. оборотов в минуту. В этих неестественных условиях более чем у 80% клеток началась линька. Проверяя жизнеспособность клеток, претерпевающих реорганизацию покровов, исследователи обнаружили, что большинство прошедших экдизис клеток возвращались к нормальной жизнедеятельности.
«На сегодняшний день молекулярные механизмы экдизиса остаются неясными. Однако вид Prorocentrum cordatum подходит для эффективного изучения этого удивительного процесса. Теперь мы знаем, какие факторы могут запустить его в культуре, а значит, можем получить достаточно клеток для исследований методами клеточной биологии. Наши результаты доказывают, что эти динофлагелляты реагируют на различные триггеры одними и теми же изменениями вне зависимости от штамма: они начинают менять поврежденный внешний покров путем линьки. Кроме того, некоторые триггеры не только вызывают экдизис, но также подавляют образование новых текальных пластин. В дальнейшем эти триггеры помогут нам выяснить роль целлюлозы и текальных пластинок в линьке армированных видов»,— комментирует результаты Ольга Матанцева.
Использованы материалы статьи Stressor-induced ecdysis and thecate cyst formation in the armoured dinoflagellates Prorocentrum cordatum; Olga Matantseva, Mariia Berdieva, Vera Kalinina, Ilya Pozdnyakov, Sofia Pechkovskaya, Sergei Skarlato; журнал Scientific Reports, ноябрь 2020 г.