Соленость воды повлияла на строение и обмен веществ диатомовых водорослей
19 февраля 2025 г.
Ученые выяснили, что при увеличении солености воды в клетках морской диатомовой водоросли Nitzschia ослабляются связи между компонентами фотосинтетического аппарата и нарушается правильное формирование клеточного покрова.
Эти изменения авторам удалось отследить с помощью целого спектра современных фотонных методов, позволяющих получать исчерпывающую информацию о состоянии и функциональных свойствах диатомей. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Scientific Reports.
Диатомовые водоросли – это одни из важнейших компонентов водных сообществ. Эти микроскопические организмы связывают около 20% мирового углекислого газа, составляют основу морских пищевых цепочек, а также синтезируют и накапливают различные химические соединения, в первую очередь, производные кремния, который служит основным компонентом «панциря» этих одноклеточных водорослей. У разных видов диатомовых водорослей форма и строение панциря различается, однако во всех случаях он представляет собой достаточно сложную, упорядоченную и способную выдерживать большие нагрузки конструкцию. Это позволяет использовать панцири диатомовых водорослей как модель при создании прочных наноструктурных материалов и компонентов сенсорных устройств для медицины и микроэлектроники.
В исследовании участвовали сотрудники Сколковского института науки и технологий, Лимнологического института СО РАН, Карадагской научной станции имени Т. И. Вяземского и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.
Ученые установили, как соленость воды влияет на диатомеи из рода Nitzschia, которые обитают во многих морях, пресных водоемах и соленых озерах. При этом разные виды диатомовых водорослей в природе встречаются в очень широком диапазоне солености – от 0 (некоторое время эти водоросли могут жить даже в дистиллированной воде) до более 150 промилле, когда уже наблюдается осаждение солей. Поэтому ученые проверили, как Nitzschia адаптируется к изменениям солености в диапазоне от 10 до 150 промилле (соленость Красного моря – самого соленого моря на Земле – составляет 41 промилле, а в некоторых гиперсоленых водоемах достигает 350 промилле). Выбрав такой диапазон солености, исследователи смогли смоделировать стрессовые условия для водорослей.
Впервые при изучении диатомовых водорослей ученые использовали ряд современных методов: лазерную сканирующую микроскопию, флуоресцентную время-разрешенную микроскопию, фотоакустическую визуализацию, а также просвечивающую электронную микроскопию. Такие методики позволили получить изображения клеток и их органелл (внутриклеточных структур) с необходимым разрешением и контрастом.
Так, с помощью лазерной сканирующей микроскопии авторы выяснили, что, когда водоросль попадает в условия стресса – воду со слишком низкой или высокой соленостью, – в ее клетках накапливаются более крупные капли липидов. При неблагоприятных условиях в таких каплях водоросли запасают углерод и энергию, депонируют жирные кислоты для синтеза липидов. В частности, при повышенной солености среды накопление липидов в каплях помогает сохранить целостность мембраны, которая может быть нарушена из-за дисбаланса давлений. Так, при солености 40 промилле размер липидных капель составлял примерно 1 микрометр, тогда как при 10 промилле или 150 промилле он увеличивался до 2,3 микрометров. Накопление кремния в створках и, следовательно, их формирование также менялись при попадании водорослей в стрессовые условия. Наибольшие аномалии в структуре кремнеземного панциря наблюдались при 60 промилле.
Сочетание флуоресцентной время-разрешенной микроскопии с методом быстрой индукции флуоресценции позволило изучить, как соленость влияет на энергетические и электрон-транспортные процессы в клетках. По тому, как хлорофилл взаимодействует со светом, авторы определили, что при увеличении солености в клетках изменяются процессы преобразования поглощенной энергии. Оказалось, что при концентрации соли 80 промилле перенос энергии и электронов по компонентам фотосинтетической системы протекали медленнее всего, потому что значительная часть поглощенной энергии расходовалась в виде флуоресценции – излучения частиц света – и на тепловые потери.
Кроме того, исследователи на базе Саратовского национального исследовательского университета определили, что с повышением уровня солености пигменты водорослей активнее поглощают свет и преобразуют его энергию в ультразвуковые колебания. Это во многом связано с увеличением концентрации хлорофилла и других пигментов.
С помощью просвечивающей электронной микроскопии ученые установили, что у водорослей в зависимости от солености среды меняется строение полисахаридного слоя, располагающегося между панцирем и мембраной клетки. Такая органическая оболочка играет защитную функцию в клетке, а также способствует сохранению целостности панциря и может участвовать в его формировании. У клеток, выращенных при солености 20 промилле, этот слой практически незаметен, при 40 промилле он представлен в виде тонкого слоя, прилегающего к створке панциря, а максимального размера достигает при 60 промилле.
В целом авторы показали, что клетки изучаемых диатомовых водорослей росли примерно с одинаковой скоростью в широком диапазоне солености. Такая особенность позволяет клеткам этого вида обитать в самых разных водоемах.
«Понимание того, как соленость воды влияет на диатомовые водоросли, потенциально позволит подобрать оптимальные условия их роста в биореакторах, использующихся для производства биогенного нано- и микроструктурированного диоксида кремния и биологически активных соединений, а также получения биотоплива. Кроме того, диатомовые водоросли могут служить индикаторами, показывающими изменение солености в воде. Такой биологический сенсор позволит отслеживать, как изменение климата влияет на морское разнообразие», – рассказывает руководитель проекта д.х.н. Д. А. Горин, профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха.
Источник: РНФ.
Метки: ЛИН СО РАН