ИСТИНА

Цианобактериальные сообщества оказывают значительное влияние на свойства почвы, выщелачивая зольные элементы кристаллической решетки минералов и вовлекая их в биологический круговорот. Выяснение межорганизменных отношений в природных цианобактериальных сообществах и растительных синцианозах делает необходимым исследование вопросов взаимодействия и функционирования цианобактерий и актиномицетов в экспериментальных ассоциациях. Настоящий проект направлен на выявление характера взаимодейстяия цианобактерий и актиномицетов, их функций в экспериментально сформированных цианобактериально-актиномицетных ассоциациях и оценку влияния этих ассоциаций на структуру глинистых минералов. Планируется с привлечением новейших и разнообразных, в том числе молекулярно-генетических методов, провести широкое обследование природных цианобактериальных сообществ и растительных синцианозов, оценить численность, биомассу и таксономическое разнообразие актиномицетов в них. В результате выполнения проекта будет дана характеристика актиномицетов как структурного и функционального компонента природных цианобактериальных сообществ и растительных синцианозов; качественная и количественная характеристика связи партнеров в экспериментально сконструированной цианобактериально-актиномицетной ассоциации; анализ эмерджентных функциональных особенностей ассоциации, включая влияние цианобактериально-актиномицетных ассоциаций на структуру глинистых минералов. Знание масштабов участия актиномицетов в природных цианобактериальных сообществах, синцианозах, выявление взаимоотношений цианобактерий и актиномицетов в них важно не только с теоретических позиций -понимания симбиоза как многокомпонентной системы, но и в практическом аспекте в связи с участием цианобактериально-актиномицетных ассоциаций в почвообразовательных процессах, биоконтроле фитопатогенов, токсичности почв, использовании цианобактериально-актиномицетных ассоциаций в биотехнологии.

Повсеместное развитие цианобактериальных сообществ, компонентный состав которых представлен разнообразными бактериями, в том числе и мицелиальными актинобактериями – актиномицетами, определяет исключительное значение этих организмов в формировании и устойчивом развитии биосферы (Заварзин, Колотилова, 2001). Являясь первопоселенцами на выветриваемых скальных породах, цианобактериальные сообщества, принимают активное участие во многих биохимических процессах (накоплении органического вещества, его минерализации, разрушении минеральных субстратов, выщелачивании и распределении различных элементов), способствуя тем самым изменению субстрата, ведущее к формированию почвы. Результатом трансформации, разрушения и перемещения глинистых материалов под влиянием микроорганизмов является изменение порозности, водопроницаемости, катионообменной способности почв, что определяет формирование почвенного профиля. Однако вследствие того, что изучение взаимодействия микроорганизмов в природных сообществах затруднено, исследование взаимного влияния цианобактерий и актиномицетов возможно путем создания модельных ассоциаций. Альго-циано-бактериальные сообщества являются высокопродуктивной системой. В этой системе фототрофный компонент – цианобактерии – главный продуцент органического вещества всего сообщества, которое может использоваться в качестве источника углерода и энергии гетеротрофными компонентами сообщества. Вступая в ассоциации с бактериями, цианобактерии участвуют в формировании трофических цепей (Заварзин, 1997). В альгобактериальных ценозах на выходах карбонатных пород актиномицетный компонент является доминирующим среди гетеротрофных прокариотных организмов. Cтрептомицеты в водорослевых разрастаниях на выходах карбонатных пород представлены видами секций Cinereus, Albus, Helvolo-flavus, Roseus и составляют до 90% биомассы прокариотных гетеротрофных микроорганизмoв ценоза. Выделенные из апогеотропных корней сапговникового растения стрептомицеты идентифицированы согласно фенотипическим и геносистематическим признакам как Streptomyces pluricolorescens шт. 1 и Streptomyces cyaneofuscatus шт. №2. Нуклеотидные последовательности гена 16S rRNA штаммов 1 и 2 депонированы в GenBank NCIB с присвоением индивидуальных номеров доступа: Streptomyces pluricolorescens №1 FR837629 и Streptomyces cyaneofuscatus №2 FR837630. Экспериментально сконструированы цианобактериально-актиномицетные ассоциациативные талломы и проведено сравнительное исследование физиолого-морфологических особенностей талломов и их компонентов. Компонентами талломов явились: 1) аксеничная культура свободноживущей гетероцистообразующей цианобактерии Anabaena variabilis Kutz. АТСС 29413, полученная из музея кафедры физиологии микроорганизмов биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. Исходная культура получена доктором С. Р. Wolk (коллекция American Type Culture Collection (CША); 2) актиномицеты, выделенные из апогеотропных корней саговникового растения Strangeria eriopus (G. Kuntze) Nash. (рис. 2) и идентифицированные с использованием полифазного подхода как Streptomyces cyaneofuscatus шт. №1 (рис. 3) и Streptomyces pluricolorescens шт. №1. Саговниковое растение выращивалось в условиях субтропического климата в оранжерее ГБС РАН им. Н. В. Цицина, возраст растения составлял 15 лет. Показан симбиотический характер взаимодействия цианобактерий и актиномицетов в ассоциативном талломе. Отмечено существенное увеличение биомассы цианобактерии в талломе экспериментальной ассоциации по сравнению с монокультурой в адекватных условиях. Зафиксированы морфологические изменения в клетках цианобактерии и актиномицета в ассоциативном талломе по сравнению с монокультурами - наличие признаков несбалансированного роста клеток цианобактерии и появление в ассоциативном цианобактериально-актиномицетном талломе морфологически измененных клеток цианобактерии, не выявляемых в монокультуре; установлено образование новых морфологических структур в талломе в виде слизистого матрикса, в который погружены контактирующие клетки цианобактерии и гифы актиномицета; впервые в ассоциативном талломе обнаружены L-подобные формы актиномицетов. В ассоциативном талломе зарегистрированы и физиологические изменения, выражающиеся в присутствии протонов “свободной” (доступной) воды в ассоциативном талломе (и отсутствие таковых в монокультурах), высокой “выживаемости” цианобактерии в ассоциации с актиномицетом в условиях экстремально низкой влажности (при aw=0,50). Установлено изменение фотосинтетической работы хлоропластов цианобактерии в ассоциациативном талломе по сравнению с монокультурой цианобактерии. Показано расширение спектра и усиление антибиотической активности таллома по сравнению с монокультурами. Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен данный проект, связана с анализом межмикробных взаимодействий с участием мицелиальных актинобактерий, которые по биомассе являются минорным компонентом природных микробных систем. Тем не менее, есть основания полагать, что эти микроорганизмы играют ключевую роль в контроле основных структурных и функциональных характеристик природных микробных сообществ посредством присущей актиномицетам способности к синтезу разнообразных вторичных метаболитов. Как известно, актиномицеты являются продуцентами большинства антибиотиков, с широким использованием которых на глобальном уровне произошли революционные изменения в медицине (“антибиотическая эра”). Однако экологическая роль этого механизма регуляции в природе до сих пор не выяснена. В настоящее время имеется новая информация, на основе которой можно с помощью современных системных подходов проанализировать экологическую роль актиномицетов с упором на синтезируемые ими вторичные метаболиты, по традиции рассматриваемые как антибиотики, т.е. “оружие в борьбе за существование“. Проведенный теоретический анализ имеющейся в мировой литературе информации позволил по-новому представить экологическую роль данных вторичных метаболитов актиномицетов. Налицо признаки мультифункциональности метаболитов, в названии которых отражена лишь возможность подавления или уничтожения других популяций (антибиотик – “против жизни“). Чтобы более наглядно показать необходимость пересмотра прежних представлений, воспользуемся популярной в современной экологии простой моделью на основе известной игры “камень-ножницы-бумага“. Рассматривается взаимодействие двух популяций, одна из которых представлена популяцией актинобактерией, а вторая любым другим микроорганизмом (включая, и цианобактерии). Допустим, что каждая из двух взаимодействующих микробных популяций может реализовать одну из трех экологических стратегий. Стратегия ANT (“киллер”) предполагает синтез антибиотика для уничтожения конкурентов. Для стратегии RES (“резистентность”) необходимы механизмы устойчивости к антибиотику. Если микроорганизм не синтезирует антибиотик и не имеет защитных механизмов, речь идет о стратегии SENS (“sensitive“). Теория игр предполагает анализ платежной матрицы. Для ее составления примем во внимание следующие особенности. Популяция со стратегией ANT для биосинтеза антибиотика должна затрачивать дополнительно ресурсы и энергию метаболизма, что существенно снижает скорость роста. Для реализации стратегии RES также необходимы дополнительные “расходы” для функционирования механизмов защиты, но не столь выраженные по сравнению с ANT стратегией (относительно более высокая скорость роста). Самая высокая скорость роста ожидается в случае с SENS стратегией, когда популяция не расходует ресурсы на биосинтез антибиотика и (или) его нейтрализацию. Принятые допущения вытекают из системного анализа экологических стратегий микроорганизмов. Две популяции одновременно реализуют одну из трех представленных стратегий. Если они реализуют одну и ту же стратегию, получаем ничейный результат (0). В противном случае результат (1- выигрыш; -1 – проигрыш) определяется тем, что продуцент антибиотика с ANT стратегией уничтожает чувствительную популяцию с SENS стратегией, по скоростям роста антиотикоустойчивая популяция (RES) побеждает продуцента (ANT), а чувствительная (SENS) вытесняет устойчивую (RES). Получаем матрицу 3x3. Анализ показывает, что в данной игре отсутствуют седловая точка и доминирующая стратегия. Для сосуществования популяциям в условном примере достаточно использовать все указанные три чистые стратегии с одинаковыми частотами. Таким образом, возможность синтеза антибиотиков in situ, как это не парадоксально, может существенно снижать роль конкуренции как механизма вытеснения популяций по правилу (теореме) Гаузе. Представляет интерес, что известный отечественный ученый Г.Ф. Гаузе после классических экологических работ не занимался экологической проблемой конкуренции, а все внимание уделил поиску и выделению актиномицетов как продуцентов разнообразных антибиотиков. Возможность сохранения биологического разнообразия в простом примере продемонстрирована даже в том случае, когда одна из стратегий (ANT) предполагает однозначный киллерный эффект вещества, продуцируемого популяцией. Между тем, знак эффекта может измениться с отрицательного значения на положительное при снижении концентрации антибиотика (гормезис). Почва представляет собой природное местообитание с выраженной гетерогенностью и гетерохронностью с ярко выраженными градиентами концентраций веществ. В зависимости от пространственно-временного масштаба один и тот же антибиотик в природной среде может выполнять функции подавления и активации. Поэтому стратегию ANT следует разделить на две стратегии с разными знаками. Напомним также о возможности специфической модуляции экспрессии генов бактерий антибиотиками в субингибиторных концентрациях. Эти и другие примеры показывают, что введенный С. Ваксманом в 1942 году термин “антибиотики”(“против жизни”) в настоящее время представляется весьма ограниченным. Вместе с тем, практическое применение данного частного механизма регуляции микробных сообществ (антибиоз) привело к выдающимся революционным результатам в медицине и смежных областях. Можно сказать, что произошла делокализация одного частного события в почвенной микрозоне (антибиоз) с последующим использованием механизма в глобальном масштабе планеты. Однако сейчас в этом же масштабе проявляется возрастание резистентности микроорганизмов к антибиотикам, что по некоторым пессимистическим прогнозам означает возвращение в доантибиотическую эру. Науке приходиться снова возвращаться на уровень почвенной микрозоны, чтобы осознать частный характер киллерного эффекта антибиотиков и огромный функциональный потенциал природных микробных сообществ, в структуре которых основную долю занимают неизученные формы. Есть достаточные основания полагать, что в природной среде вторичные метаболиты, которые в свое время были названы “антибиотиками“ на самом деле выполняют разнообразные функции, включая роль информационных (сигнальных) молекул в экосистемах. По всей видимости, для понимания роли данных веществ в природе и разумного использования их функционального потенциала на практике необходимо перейти от термина “антибиотики“ к термину “информбиотики“ (“informbiotics”).