Лаборатория водорослей и микробиоты

История

Лаборатория водорослей и микробиоты была сформирована как самостоятельное структурное подразделение в 2007 г., хотя уже задолго до этого на Карадаге существовало и развивалось направление исследований, связанное с содержанием в живом, активном состоянии культур диатомовых водорослей. Практика культивирования микроводорослей в лабораторных условиях зародилась на Карадаге в 50-е годы с появлением на биостанции Л.А.Ланской, которая впоследствии переехала в Севастополь и долгое время работала в Институте биологии южных морей (ныне – Институт морских биологических исследований РАН). Основная задача нашей лаборатории – изучение вопросов, связанных с половой репродукцией диатомовых водорослей.

Научная станция на Карадаге (сейчас она носит название Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки "Карадагская научная станция – природный заповедник РАН") – единственное в пределах бывшего СССР научное учреждение, где изучение полового процесса, систем скрещивания, жизненных циклов диатомовых выполняется систематически, не прекращаясь, на протяжении уже более 40 лет несколькими поколениями исследователей.

Штатный состав лаборатории со временем меняется, в данный момент в лаборатории 4 сотрудника. Имеются вакансии.

2017

Выполняемые НИР

В предыдущие годы в лаборатории последовательно выполнялись 5-летние темы НИР:

 «Изучение полового воспроизведения диатомовых водорослей: разнообразие и влияние эколого-физиологических факторов» (1996-2000 гг.)

«Изучение размерно-возрастной и половой структуры популяций диатомовых водорослей» (2001-2005 гг.)

«Изучение половой репродукции, систем воспроизведения и жизненных циклов диатомовых водорослей» (2006-2010 гг.)

В настоящее время согласно госзаданию  выполняется тема "Изучение жизненных циклов и систем воспроизведения диатомовых водорослей" (Регистрационный номер НИОКТР: АААА-А16-116022510089-9).

Сотрудники лаборатории принимали участие в выполнении грантов РФФИ:

"Филогеография и репродуктивные основы разграничения видов диатомовых водорослей" – Проект № 14_04_90427_Укр_а. (2014-2015г.).

"Получение данных о репродуктивной биологии рода Ardissonea, критически важных для понимания филогении диатомовых" – Проект № 15-04-00237_А. Инициативный(2015-2016 гг.).

"Изучение репродуктивных отношений между аллопатрическими популяциями полиморфного вида диатомовой водоросли Nitzschia palea" – Проект № 15-34-50571_мол_нр.Конкурс научных проектов, выполняемых молодыми учеными под руководством кандидатов и докторов наук в научных организациях Российской Федерации (2015 г.).

"Закономерности наследования митохондрий при скрещивании удаленных популяций Ulnaria ulna (Bacillariophyta)" – Проект № 16-34-00790 мол_а. Конкурс научных проектов, выполняемых молодыми учеными – мой первый грант (2016-2017гг.).

Задачи репродуктивной биологии

Репродуктивной биологией диатомовых стали заниматься в конце 17 - начале 18 веков, вскоре после изобретения микроскопии, как метода исследования, и появления микроскопов. Перед репродуктивной биологией стоят следующие задачи, в зависимости от уровня организации:

• на популяционно-видовом уровне – это изучение жизненных циклов, систем скрещивания;
• на организменном уровне репродуктивная биология занимается выявлением репродуктивных барьеров, изучением типов полового процесса; полового поведения;
•  на клеточном уровне репродуктивная биология изучает особенностей мейоза и полового поведения;
• на молекулярном уровне репродуктивная биология занимается раскрытием генетических основ проявления и закономерностей наследования в поколениях пола и факторов, связанных с полом

Диатомовые водоросли, как известно, являются диплидными гаплобионтами, т.е. в их жизненном цикле преобладает одна фаза, когда они находятся в диплоидном состоянии; мейотическая редукция приводит к гаплоидному состоянию, которое наблюдается у относительно короткоживущих гамет; слияние гамет в процессе полового воспроизведения возвращает водоросль к диплоидному состоянию (рис). Типы полового процесса разнообразны и характерны для конкретных таксономических групп. Причем, в эволюционном плане наблюдается интересная особенность диатомовых: переход от оогамии к изогамии.

Особо примечательна, однако, другая особенность диатомовых водорослей – изменение размеров клеток, связанное со специфическим строением панциря, состоящего из двух половинок, именуемых эпитекой и гипотекой. При митотическом делении к каждой половинке достраивается меньшая часть – гипотека, и таким образом, размер клеток в популяции постоянно уменьшается. Так вот, восстановление размеров происходит в момент полового воспроизведения: зигота диатомовых водорослей способна к быстрому увеличению размеров, на порядок и более величин.

Системы скрещивания диатомовых водорослей, как выясняется, довольно сложны. Как ни удивительно, но многие диатомовые водоросли, являясь одноклеточными организмами, в генетическом плане раздельнополы. Причем, у некоторых видов один, а у некоторых и оба пола способны не только к межклоновому скрещиванию, но и к внутриклоновому воспроизведению. Чтобы разобраться в хитросплетении возможных путей полового воспроизведения, приходится делать масштабные эксперименты по скрещиванию и вести долгосрочные наблюдения за клонововыми культурами в лабораторных условиях.

Очевидна значимость научного первоописания вида. Между тем, можно провести аналогию между описанием видов в таксономии и описанием полового процесса в репродуктивной биологии. У диатомовых водорослей, количество которых исчисляется, как минимум, несколькими десятками, а может быть даже и сотнями тысяч видов, половой процесс описан у немногим более чем двухсот. Поэтому, в репродуктивной биологии описание полового процесса сродни описанию вида в таксономии. Даже при наличии богатого опыта экспериментирования до сих пор мы воспринимаем как удачу получение полового процесса у видов, ранее не изучавшихся.

Значимость репродуктивной биологии

Репродуктивной биологией диатомовых, как основной задачей, в мире сегодня занимается сравнительно небольшое количество исследовательских групп, прежде всего, в силу уникальности направления. Можно упомянуть исследовательские группы, например, в Бельгии (Университет города Гент), Великобритании (Музей естественной истории, Лондон; Королевский ботанический сад, Эдинбург), Италии (Зоологическая станция Антон Дорн, Неаполь), Канаде (Университет Маунт Аллисон, Саквилл) и ряде других мест.

Растущий интерес к предмету подтверждается экспоненциальным ростом количества публикаций за последние два века. На этом фоне хочется отметить вклад сотрудников, работавших на Карадаге, в общемировую литературу по данной теме. Этот вклад можно расценить как очень существенный, порядка 3-4 % от общемировой литературы по данному вопросу. Так только за последние два года сотрудниками лаборатории, опубликовано более 30 работ.

Несмотря на свою академичность, полученные по рассматриваемым вопросам знания оказываются безусловно востребованными, как только возникает, например, практическая необходимость использования тех или иных видов диатомовых в аквакультуре, или связанная с определенными видами проблема токсичности и изменения качества воды. В последнее время, в связи с развитием методов молекулярной биологии, особенно актуальными становятся эксперименты по скрещиванию диатомовых как практический метод определения видовых границ. Биологическая концепция вида подразумевает наличие репродуктивной изоляции; подтвердить или опровергнуть последнюю путем прямых доказательств можно только методами репродуктивной биологии. С фундаментальной точки зрения, рассматриваемые вопросы касаются основ существования и эволюции эукариот.

Оснащенность и возможности лаборатории

Лаборатория располагает 7 микроскопами исследовательского уровня и несколькими микроскопами для выполнения рутинных работ.

Для содержания коллекции культур используется изолированная комната с тремя окнами, обращенными на север, оборудованная кондиционерами; это позволяет содержать культуры при естественном освещении и постоянной (задаваемой) температуре.

Имеется необходимое оборудование для приготовления и стерилизации сред, в том числе искусственной морской воды (рецепт среды ESAW, Andersenetal., 2005, p494),которую мы применяем для содержания морских видов. Пресноводные виды содержатся на среде DM. Поскольку культуры требуют регулярного пересева, еженедельно расходуется до 20 л среды.

Сотрудниками лаборатории освоена техника выделения клоновых культур из проб, отобранных или присланных/доставленных в лабораторию из разных мест Мирового  океана и континента.

На базе лаборатории проходили практику и стажировку студенты и аспиранты из Санкт-Петербургскиого государственного университета, Киевского национального университета им. Т.Г.Шевченко, Башкирского государственного университета, Университета г. Щецин (Польша), Цюрихского университета прикладных наук (Швейцария), других вузов.

В лаборатории поддерживается коллекция живых культур диатомовых водорослей, в настоящее время (апрель 2017 г.) представленная более чем 400 клонами, относящимися к 27 морским и 7 пресноводным видам. Пробы собраны из более чем 40 популяций различных морей Атлантического, Индийского, Тихого и Северного ледовитого океанов и более чем 25 популяций Евразийского континента. Культуры находятся в живом, активном состоянии, т.е. в состоянии активного деления клеток, обеспечивающего экспоненциальный рост численности. Эта коллекция создана и поддерживается ввиду необходимости выполнения конкретных НИР, объем и видовой состав коллекции постоянно варьируют, в зависимости от выполняемых тем.

Важно подчеркнуть, что выделение из природных популяций интересующих видов микроводорослей (прежде всего, диатомовых), получение клонов (штаммов), постановка в культуру и содержание в лабораторной культуре носит целевой характер и может быть выполнено по заказу.

Контакты

karadag-algae@yandex.ru

Литература

Давидович Н.А.Тенденции в развитии репродуктивной биологии Bacillariophyta // Альгология. – 2009. – 19 (4). – С. 436-449.

Чепурнов В.А., Манн Д.Д. Изучение жизненных циклов и репродуктивного поведения диатомовых водорослей в Карадагском природном заповеднике: история вопроса, результаты и перспективы // Карадаг. История, биология, археология (Сборник научных трудов, посвященный 85-летию Карадагской биологической станции им. Т.И.Вяземского).– Симферополь: Сонат, 2001. – С. 159-175.

Andersen, R.A., Berges, J.A., Harrison, P.J., Watanabe, M.M. Recipes for freshwater and seawater media. In: Algal culturing techniques. (Ed by Andersen, R.A.). Elsevier Academic Press, 2005. – P. 429-538.

Chepurnov V.A., Mann D.G., Sabbe K., Vyverman W. Experimental studies on sexual reproduction in diatoms // Int. Rev. Cytol. – 2004. – 237. – P. 91-154.

Drebes G. Sexuality // The Biology of Diatoms. Botanical Monographs Vol. 13. – Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1977. – P. 250-283.

Round F.E., Crawford R.M., Mann D.G. The Diatoms. Biology and Morphology of the Genera. – Cambridge: Cambridge University Press, 1990. – 747 pp.