HYDROBIOCENOSES - A MODEL SYSTEM OF ASSOCIATIVE SYMBIOSIS

Abstract

Evolutionary formed mechanisms, that preserve and support microorganism populations in any environmental conditions up to extreme, that are the base of survival strategy, were analyzed. Natural mechanisms, that support biodiversity and stability of ecosystems of natural water bodies, are shown to determine structuredness of hydrobiont communities by associative symbiosis type.

Full Text

Симбиотические взаимодействия являются важным аспектом функционирования водных экосистем. К симбиозу в широком его понимании относят любые длительные взаимоотношения неродственных организмов друг с другом, включая мутуализм, комменсализм и паразитизм [26]. Связи хозяев с симбионтами могут строиться по типу «жизнь внутри», в этом случае речь идет об эндоцитобиозе. При дистантном влиянии отношения между партнерами осуществляются по популяционно-коммуникативному сценарию. При этом симбионты могут оказывать на хозяина любые воздействия, взаимность которых колеблется от мутуализма, когда партнеры получают выгоду, до паразитизма, при котором один процветает за счет остальных. Среди эндосимбионтов известны различные автотрофные и прототрофные партнеры: микроводоросли, цианопрокариоты, бактерии, археи. Cyanoprocariotae, Clorophyceae, Prasinophiceae, Bacillariophiceae, Dinophiceae и др., существующие в тканях своих хозяев, образуют цианеллы, зоохлореллы, зооксантеллы. Предполагают, что подобные мутуальные взаимоотношения пришли на смену празитизму в экосистемах более высокого уровня [23]. Известны случаи, когда гетеротрофные виды диатомей при определенных условиях способны переходить к паразитизму. Среди динофлагеллат описаны виды Gymnodinium, Blastodinium, Syndinium, Ichtiodinium, обитающие в кишечнике беспозвоночных и позвоночных животных [10]. У стрекающих или Cnedaria симбиотические динофлагеллаты способны свободно перемещаться в континууме от мутуализма к паразитизму, становясь при определенных условиях среды паразитами [25]. Явление эктобиоза также широко распространено в гидробиоценозах. К примеру, среди симбионтов водоросли ^loreHa sorokiniana обнаружены Rhodobacter sphaeroides, а также неидентифицированные бактерии, сходные с Microbacterium trichotecenolyticum [14, 30]. Ряд исследователей считает, что в ходе своей эволюции симбиозы претерпели прогрессивное развитие, приведшее к становлению новых типов организации, а также расширению адаптивных возможностей партнеров [20, 21]. Интегративные процессы, происходящие в симбиозах, являющиеся результатом взаимного селективного влияния хозяев и симбионтов, обеспечили повышение приспособленности гидробионтов. При взаимодействии хозяина с собственной микрофлорой его адаптация к изменяющимся условиям жизни зависит от динамического изменения (уменьшения/увеличения) группы симбионтов. В случае увеличения части симбионтов речь идет об амплификации и доли их геномов, что в сочетании с геномом хозяина дает самостоятельную структурную единицу эволюции холобионт [35]. Учитывая большой объем кодируемой генетической информации, симбионты могут существенно влиять на адаптивные реакции хозяина, возникающие вслед за изменением условий среды. Придерживаясь классических представлений о популяции как одновидовой группировке особей [9], ряд исследователей обращает внимание, что с учетом симбиотических связей, широко распространенных в природных биоценозах, реальной популяционной единицей является не просто особь данного вида, а целый аутоценоз или симбиоценоз. Следуя данной логике, симбиозы по структурно-функциональной организации и генетической целостности занимают промежуточное положение между унитарными (свободно живущими) организмами и биоценозами [20]. В основе симбионтных взаимоотношений с партнерами происходят коэволюционные процессы, в результате которых могут возникать структурно-функциональные и генетические изменения партнеров. Их интегративная эволюция, предсказанная в 1924 году М.Б.Козо-Полянским, описана в ряде работ [17, 20]. При этом структурно-функциональные и генетические изменения партнеров происходят в направлении: факультативные симбиозы - экологически облигатные симбиозы - новые организмы. Предполагают, что в основе приспособительных реакций симбионтов лежат механизмы: действие отбора на надорганизменном (групповом) уровне; биологический альтруизм как способ внутри- и межвидовой кооперации, возникающей под действием этого отбора; наследование микросимбионтов как благоприобретенных генетических детерминант, привлекаемых хозяином из внешней среды в процессе прямой адаптации к ней [21]. Эти механизмы приводят к осуществлению интеграции партнеров в симбиосистему. Наряду с параметрами среды и другими типами биологических взаимодействий они определяют функционирование и структуру водных сообществ. Здесь зачастую формируются специализированные симбиотические сообщества, члены которых связаны друг с другом и с хозяином разнонаправленными симбиотическими связями. Микроорганизмы в природных условиях водоема образуют разнообразные биотические связи практически со всеми живыми существами, причем организм хозяина одновременно может вступать в биотическую связь не с одной клеткой микроорганизма, а с целой гетерогенной популяцией таких клеток или с симбионтами, относящимися к нескольким разным видам. Известна симбиотическая система, включающая простейших Paramecium bursaria (Ciliophora, Oligohymenophorea), c находящимися в их цитоплазме симбиотическими водорослями Chlorella sp. (Chlirellaceae, Trebouxiophyceae), и гигантский ДНК вирус из рода Chlorovirus, семейства Phycodnaviridae. Сравнительно недавно стало известно, что в P. bursaria, получающей от зоохлорелл продукты фотосинтеза, такие как кислород и сахара (мальтозу, глюкозу), водорослевая популяция гетерогенна. В ней существуют хлореллы как способные, так и не способные к симбиозу. Регуляция стабильности симбиотической системы зоохлорелл с очень устойчивыми сочетаниями признаков адаптации к клеткам хозяина обеспечивается хлоровирусом [34, 28]. Нечто подобное происходит в другой системе, представлнной простейшими с бактериальными симбионтами рода Caedobacter и вирусами PBCV-1 [27]. Одним из определяющих в плане адаптации параметров является гетерогенность особей в популяции симбионтов, которые могут различаться как фенотипически, так и генотипически. В популяциях вегетирующих бактерий наравне с обычными вегетативными клетками можно заметить присутствие особей, отличающихся избыточным количеством жгутиков, повышенной подвижностью и наличием в одной клетке нескольких нуклеоидов, участвующих в формировании швермеров. Подобное явление описано в популяции микроорганизмов рода Proteus, а также Citrobacter [1, 18]. Эти примеры наглядно иллюстрируют не только гетерогенность клеток, но и их функциональную дифференциацию, которую можно заметить и у цианобактерий. Фотосинтезирующий прокариот Anabaena наравне с обычными вегетативными клетками содержит гетероцисты, гормогонии и другие специализированные клетки. В отличие от вегетативных клеток, толстостенные гетероцисты не участвуют в реакциях фотосинтеза. Однако они реализуют функции связывания азота из атмосферы, важные для клеточной популяции в целом [2]. Фенотипический полиморфизм размерных характеристик клеток, зависящий от состава ростовой среды, отмечен в популяции Escherichia coli [12]. Описана гетерогенность различных популяций E. coli по степени проявления антилизоцимного признака [5]. Этот признак менялся не только в условиях среды обитания, в ряде случаев селектирующим фактором выступала особь самого организма-хозяна, например инфузория [6]. В наших исследованиях нескольких альгобактериальных ассоциаций прослежена гетерогенность бактериальных партнеров по антилизоцимному признаку. Так, из ассоциации Coelastrum microporum были выделены 12 штаммов бактерий, 5 из которых обладали антилизоцимной активностью (АЛА) от 4 до 6 мкг/мл. Из альгобактериальной ассоциации Chlorella infusionum выявлено 13 штаммов бактерий симбионтов, из которых 9 проявляли АЛА в диапазоне от 4 до 8 мкг/мл. У Scenedesmus obliquus гетеротрофный компонент был представлен 13 штаммами бактерий, АЛА у 5 колебалась от 3 до 8 мкг/мл [6]. Имеются свидетельства в пользу того, что в результате формирования макромолекулярных комплексов, регуляторных сетей, бактериальная популяция воспринимает сигналы среды и реагирует на них, запуская те или иные механизмы физиологической адаптации. Эти процессы, в конечном итоге, приводят к запуску одной из стратегий выживания, нацеленной на фенотипическую или генотипическую гетерогенность [29, 32]. В популяциях ряда неспорообразующих бактерий - Е. coli, Salmonella sp., Shigella sp., V cholerae, Legionella pneumophila и др. наравне с вегетирующими бактериальными клетками существуют так называемые некультивируемые [3]. Эти покоящиеся формы не размножаются, но вполне жизнеспособны, чему доказательством служит биосинтез белка и нуклеиновых кислот, функционирование дыхательной и электронно-транспортной цепей, а также способность к реверсии в вегетативную форму [3]. Доказано, что бактерии способны координировать свое социальное поведение плотностнозависимым образом путем производства сигнальных молекул (QS). Считалось, что сигнальная коммуникация осуществляется внутри вида, специфичность и сила биологического ответа зависит от химической структуры самой сигнальной молекулы [31]. В последнее время накоплены данные о возможности перекрестного QS явления, которое способно как активировать, так и ингибировать работу зависимых целевых генов в бактериальных ассоциациях, что обеспечивает взаимодействие популяций разных видов [11, 34]. Благодаря регуляторным системам кворума происходит обмен информацией между отдельными клетками микробной популяции, дающий ей возможность выбрать оптимальный вариант взаимодействия с внешней средой и с клетками макро- и микроорганизмов. Ауторегуляторы регулируют взаимоотношения как внутри собственной популяции, так ряда других про- и эукариотических организмов [3]. Например, зеленые водоросли, формируя вокруг клеток слизистый чехол, становятся центрами организации альго-бактериальных сообществ. Среди экзометаболитов, главным образом, встречаются полисахариды, аминокислоты, пептиды, а также липиды (стерины, триглицериды, фосфолипиды) и пр. От 10 до 40 % этих веществ направлено на регуляцию микробных популяций, заполняющих специфическую эконишу вокруг водорослевых клеток, определяемую гидробиологами как фикосфера [15]. Представлены доказательства, что культуры зеленых водорослей, а также живые или убитые культуры инфузорий могут влиять на рост и развитие клеток в популяциях Y pseudotuberculosis, S. typhimurium и L. monocytogenes. Зеленые водоросли ускоряли темпы перехода клеток Y pseudotuberculosis, S. typhimurium и L. monocytogenes в некультивируемое состояние. Участие живых или убитых культур инфузорий вызывало реверсию некультивируемых форм этих микроорганизмов [16]. В наших экспериментах с использованием химического аналога ауторегуляторного фактора d1 бактерий С12 - АОБ установлена выраженная концентрационная зависимость действия АОБ на альгобактериальную ассоциацию, а также различный отклик ассоциативной и аксеничной культур водоросли на действие фактора d1. Показано, что результат действия d1-фактора на водорослевую популяцию меняется в зависимости от присутствия бактерий-спутников, оказывающих протективный эффект и, как следствие, способствующих устойчивости ассоциативной культуры водорослей к действию АОБ. Выявлена гетерогенность популяции бактериальных симбионтов по чувствительности к различным концентрациям АОБ. Чувствительные к d1-фактору бактерии гибли, тогда как устойчивые формы продолжали размножаться [6]. В ряде работ обсуждается запуск специализированных программ у симбионтов. С одной стороны, эти программы определяют распределение клеток популяции по фенотипам, что предвосхищает неблагоприятное действие среды. Примером могут служить особые клетки - персистеры, образующиеся в стационарной фазе роста популяции [24]. В этом прослеживается своеобразное «альтруистическое» поведение бактерий, заключающееся в том, что часть клеток, жертвуя своим процветанием в текущих условиях, обеспечивает выживание популяции при внезапном воздействии неблагоприятных факторов [3]. С другой стороны, обсуждается, что в результате формирования макромолекулярных комплексов, регуляторных сетей, бактериальная популяция воспринимает сигналы среды и реагирует на них, запуская те или иные механизмы физиологической адаптации, что, в конечном итоге, способствует запуску одной из стратегий выживания, нацеленной на фенотипическую или генотипическую гетерогенность [29]. Разнообразие сообществ организмов повсеместно является защитным механизмом при нестабильности условий среды [32]. В итоге, эволюционно сложившиеся механизмы, сохраняющие и поддерживающие популяции микроорганизмов в любых условиях внешней среды вплоть до экстремальных, лежат в основе стратегии выживания. Принимая во внимание широту симбиотических взаимоотношений организмов в гидробиоценозах, становится понятной новая парадигма ассоциативного симбиоза [5]. При изучении ассоциативного симбиоза выявлены естественные механизмы поддержания гомеостаза водорослевого сообщества, заключающиеся в его определенной структурированности - хозяин (Chlorophyta), доминанты (Euglenophyta, Dinophyta, Bacillariophyta) и ассоцианты (Cyanophyta, Xantophyta), а также в присутствии векторной направленности: хозяин - доминанты, хозяин - ассоцианты, доминанты - ассоцианты, совокупность которых определяет выживание и функционирование альгосообщества как компонента водных экосистем. Использование симбиотического подхода позволило осуществить экспериментальное моделирование альгосообщества, обосновать значение зеленых водорослей как фактора, сдерживающего развитие синезеленых, а также разработать метод оценки экологического состояния водоемов [7]. В условиях модельного микрокосма при сокультивировании в параллельных экспериментах различных комбинаций автотрофных микроорганизмов: Chlorophyta (основной партнер, хозяин), Bacillariophyta (доминантный микропартнер) и Cyanobacteria (ассоциативный микросимбионт) осуществлено изучение векторной направленности взаимодействия отдельных компонентов сообщества автотрофных микроорганизмов. В результате анализа симбиотических взаимоотношений у доминантных микросимбионтов отмечен эффект прямого действия на хозяина, а также опосредованного, осуществляемого через усиление или ослабление ассоцианта в зависимости от его отношения к хозяину. Установлено регулирующее влияние доминантного партнера. Показано, что в случае негативного воздействия ассоциативного микропартнера на хозяина доминантный партнер способен подавлять действие ассоцианта, напротив, в случае позитивного воздействия доминант усиливает развитие ассоцианта. Полученные данные позволяют оценить особенности взаимодействия компонентов сообщества автотрофных микроорганизмов с позиций ассоциативного симбиоза и определить их значение в механизме устойчивости сообщества автотрофных микроорганизмов природных водоемов для возможной регуляции экологического состояния водоемов [22]. Оценивая симбиотические взаимодействия симбионтов остается открытым важный вопрос: как симбионты распознают друг друга? В последнее время эта проблема волнует многих исследователей. На растительных объектах показано наличие фенотипического и генетического механизмов приобретения нужных симбионтов [5]. При изучении микро-биома человека показано наличие системы распознавания свой-чужой, способной участвовать в адаптивных взаимодействиях симбионтной микрофлоры кишечника человека [8]. Что качается гидробиоценозов, то биологическое разнообразие потенциальных симбионтов вокруг потенциального хозяина предполагает также наличие систем распознавания. Вполне вероятно, что состав симбионтов среди гидробионтов может изменяться под влиянием внешних и внутренних факторов. Известно, что видовой состав бактерий - спутников водорослей чрезвычайно разнообразен и может претерпевать значительные изменения под влиянием широкого спектра факторов. Тем не менее, некоторым исследователям удалось найти общие закономерности, связанные с присутствием бактерий-спутников, одни из которых доминировали, тогда как присутствие других расценено в качестве минорных компонентов. В альго-бактериальных ассоциациях различных водорослей рода Chlorella показано доминирование определенных видов бактерий, большинство из которых было отнесено к бактериям рода Pseudomonas (36,5 - 88,5%) и Flavobacterium (8,5 - 66,0%). В качестве минорного компонента здесь присутствовали следующие виды микроорганизмов: Agrobacterium, Achromobacter, Alcaligenes, Mycobacterium, Hyphomicrobium, Caulobacter [13, 14, 19]. Подобные исследования сопряжены с трудностями поиска индикаторной системы, способной чутко реагировать на динамику симбиотических взаимодействий. Недавно для симбиотических систем высокого уровня, например, человека с его микрофлорой предложена система распознавания, в основе которой заложено тестирование по изменению антилизоцимной активности у симбионтов [8]. Для природных альго-бактериальных и альго-протозойных ассоциаций нами предложено использовать каталазную активность симбионтов [6]. Определенный уровень каталазной активности обеспечивал процветание симбионтов в различных условиях среды. Установлено, что каталазная активность микросимбионтов способствует их адаптации и выживанию в условиях широкого диапазона минерализации воды природных водоемов. Таким образом, естественные механизмы, поддерживающие биоразнообразие и стабильность экосистем природных водоемов, определяют структурированность сообществ гидробионтов по типу ассоциативного симбиоза. На основе модели ассоциативного симбиоза гидробионтов разработаны новые технологии, пригодные для контроля устойчивого экологического развития регионов [4], а также способствующие поиску источников новых биологически активных веществ. Выделенные с использованием новых подходов культуры микроорганизмов являются высокоценным с биологических и генетических позиций биотехнологическим сырьем, пригодным для народного хозяйства и здравоохранения.