Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект направлен на изучение экологических особенностей и зонального распределения цианопрокариот различных местообитаний высокоширотных регионов (https://pabgi.ru/nauka/granty/analiz-skrytogo-raznoobraziya-czianobakterij-arkticheskih-territorij). Разнообразие цианопрокариот территорий российской Арктики и Субарктики на сегодняшний день остается недостаточно изученным. Сочетание разнообразных орографических и литографических условий создают исключительную мозаичность местообитаний и способствуют высокому биологическому разнообразию цианопрокариот. Для оценки реального биоразнообразия северных экосистем необходимо применение интегративного подхода, сочетающего морфологические исследования, секвенирование маркерных участков ДНК и метагеномики природных образцов. Применение методов метагеномики позволяет выявлять цианобактерии в природных образцах. Особо важное значение он имеет для анализа культур-резистентных таксонов, которые не удается выделить традиционными микробиологическими методами. Он также позволяет получить сравнительные данные о видовом составе различных местообитаний и установить зависимости состава сообществ от факторов среды. Проблемой применения данного метода остается низкое число генетических данных о некультивируемых видах цианопрокариот в базах данных из-за чего часто не представляется возможным идентифицировать выявленные OTUs. Применение комплекса методов позволяет выявлять криптические виды и помогает пересмотреть филогению отдельных групп цианопрокариот. Изучаемые штаммы цианобактерий пополняют коллекцию культур и в дальнейшем используются для оценки биотехнологического потенциала в качестве объектов рекультивации техногенных субстратов и загрязненных почв Арктики. В ходе выполнения проекта в 2021 г. были проведены сборы цианопрокариот из различных районов Арктики и Субарктики (Полярный и Приполярный Урал, Мурманская область). Проанализированы коллекции образцов Шпицбергена, Чукотского АО, Урала, собранные в предыдущие годы. Проведена морфологическая идентификация цианопрокариот. Из собранных образцов выделены в культуру 117 штаммов цианопрокариот. Для 64 из них получены последовательности маркерных локусов ДНК и проанализирована молекулярная филогения. Подготовлены для метагеномного анализа данных 20 образцов цианобактериальных сообществ из различных районов Арктики и Субарктики. Секвенирование в каждом образце проводится по технологии Illumina в двух локусах 16S и 16S-23S ITS рРНК с длиной чтений 300 нуклеотидов с двух концов фрагментов в каждом локусе. По данным метагеномного анализа образцов обрастаний гранитных стенок на Карельском перешейке выявлены 3 OTUs идентифицированные как представитель монотипного рода Chalicogloea (Chroococcaceae), из тех же проб выделены чистые культуры и получены сиквенсы трех штаммов. Филогенетическое положение трех изученных штаммов и проанализированного нами штамма CALU-1842 свидетельствует о полифилии в группе родов Alborzia / Chalicogloea. Необходимо дополнительное изучение генетической вариабельности в пределах клады. Один образец, обрастаний скальных обнажений с территории Лапландского заповедника (Мурманская область), был проанализирован методами секвенирования нового поколения Pacbio (длина чтения ~ 1400 нуклеотидов 16S рРНК). Выявлено, что самым распространенным филумом в выборке оказались Actinobacteria, на их долю пришлось почти 40% всех считываний. Цианобактерии составили 28% прочтений (второй результат из всех прокариот). Также в образце в большом количестве были обнаружены Proteobacteria и Firmicutes Среди цианобактерий были идентифицированы следующие роды: Nostoc sp., Stigonema sp., Calothrix sp., Anabaena sp. Также выявлен Microcystis sp., что меняет представления об экологии видов рода. На основании интегративного подхода проведено изучение штамма, выделенного из почвы на побережье Баренцева моря, который морфологически соответствует Chroococcus pallidus Näg. – формирует микроскопические аморфные колонии из 2-4 клеток с диаметром клеток (8,1)9–10,6(12) мкм. Получены генетические данные маркерных участков ДНК данного штамма. Филогения, основанная на анализе 16S рРНК показывает, что на филогенетическом древе изученный штамм занимает сестринское положение относительно штаммов Inacoccus carmineus CCIBt 3411, 3418 и 3475. При этом он отличается от типового вида – сходство нуклеотидных последовательностей гена 16S рРНК с разными штаммами Inacoccus carmineus составляет 97.58–97.76%. Таким образом, штамм KPABG LID-610023 следует трактовать как новый вид рода Inacoccus. Для оценки штаммов арктических цианопрокариот на их применимость к рекультивации антропогенно-нарушенных субстратов в условиях Арктики проведено экспериментальное изучение способности цианобактерий к зарастанию техногенных субстратов – золошлаков апатитской ТЭЦ. В лабораторном эксперименте были испытаны штаммы рода Nostoc. Проведено сравнение скорости зарастания 10 штаммов, выделенных из различных географических пунктов (Мурманская область, Антарктида, Камчатка, Забайкальский край, Шпицберген). Выявлено, что лучшую скорость зарастания проявляют штаммы Nostoc KAZ, выделенный с территории Кандалакшского Алюминиевого завода и Nostoc KPABG-610040, выделенный из городской почвы в Апатитах. Полученные последовательности 16S и ITS рРНК данных штаммов. Составлен и опубликован актуальный аннотированный список видов цианопрокариот архипелага Шпицберген (Davydov D. Cyanobacterial diversity of Svalbard Archipelago // Polar Biology, 2021.Vol. 44. N. 10. P. 1967–1978. https://doi.org/10.1007/s00300-021-02931-3). Список включает 321 таксон (292 вида). Впервые на архипелаге выявлено 85 видов цианопрокариот. Предыдущее обобщение включало 89 цианобактерий (Skulberg, 1996). В списке обобщены все известные местонахождения, основой для него послужил массив данных по распространению цианопрокариот, составленный и включенный в информационную систему CRIS (http://kpabg.ru/cyanopro/?q=node/96577). Проанализирована флора цианопрокариот Шпицбергена, показано что она является богатейшей по сравнению с флорами других регионов евроазиатской Арктики. Это обусловлено географическим положением Шпицбергена в высокой Арктике, сочетанием относительно мягкого климата, расположением территории на продолжительном градиенте от тундровой зоны до полярных пустынь, значительной дифференциацией и разнообразием ландшафтных и геологических условий, широким спектром типов местообитаний. Существенно дополнены данные по видовому составу цианобактерий Мурманской области, Полярного и Приполярного Урала. Проведена инвентаризация сборов цианопрокариот северной части Полярного Урала (Davydov D. Cyanobacterial Diversity of the Northern Polar Ural Mountains // Diversity, 2021. Vol. 13(11): 607. https://doi.org/10.3390/d13110607). Эта территория имеет уникальное географическое положение на южной границе Арктики и характеризуется неоднородными природными условиями. В результате идентификации выявлено высокое видовое разнообразие, в районе обнаружено 92 вида цианопрокариот 37 из которых ранее не были отмечены на Полярном Урале, 3 вида (Chroococcus ercegovicii, Gloeocapsopsis cyanea, Gloeothece tepidariorum) впервые указываются для территории России. Обобщенные данные по видовому составу цианопрокариот Полярного Урала характеризуют данную флору как довольно богатую и одну из самых изученных в евроазиатской Арктике (179 видов), по числу видов она уступает только Шпицбергену и флоре Ненецкого АО. На Приполярном Урале обследованы участки с пионерными сообществами на которых идет формирование биологиечских корочек (BSC) с участием цианопрокариот. На изученном вертикальном профиле выявлено, что с усилением экстремальности среды от нижних высотных поясов к высокогорным существенно меняются экологические условия местообитаний цианопрокариот в BSC. На экологическом профиле от горных лугов к горным тундрам уменьшается влажность почвы и снижается содержание азота, при этом заметно увеличивается кислотность почвы. По высотному градиенту происходит снижение общего таксономического разнообразия от луговых сообществ до горных тундр. В горно-тундровых сообществах с повышением высоты и усилением экстремальности среды наблюдается обратная тенденция - уменьшение биоразнообразия от горно-тундрового пояса к гольцовому. Как показали NMS ординация на перестройку альгогруппировок на высотном градиенте статистически значимое влияние оказывают влажность почвы, кислотность и степень освещенности местообитаний. Горные тундры находятся под воздействием суровых, резко меняющихся условий среды. В условиях пониженного содержания азота в почве в формировании BSC возрастает роль нитчатых и колониальных цианобактерий, среди которых высока доля (65 % от общего разнообразия цианобактерий) гетероцитных видов способных к азотфиксации.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект направлен на изучение скрытого разнообразия цианобактерий арктических территорий. Низкая разрешающая способность анатомо-морфлогочискмих методов идентификации видов цианопрокариот затрудняет оценку реального биоразнообразия. Для адекватного анализа видового состава цианопрокариот арктических территорий необходимо применение интегративного подхода, сочетающего несколько методов: морфологические исследования, секвенирование маркерных участков ДНК, метагеномики природных образцов, анализ географического распространения, оценку экологических параметров. В ходе выполнения проекта были проведены сборы цианопрокариот из различных районов Арктики (Приполярный Урал, полуостров Гыдан) и Субарктики (Мурманская область). Проанализированы коллекции образцов Шпицбергена, Полярного и Приполярного Урала, Мурманской области, Карелии, Камчатки, собранные в предыдущие годы. Проведена морфологическая идентификация цианопрокариот. Из собранных образцов выделены в культуру 74 штамма. Для 70 штаммов получены молекулярные данные последовательностей локусов 16S и 16S-23S ITS и проанализирована молекулярная филогения. Изучаемые штаммы цианобактерий пополнили коллекцию культур и в дальнейшем используются для оценки биотехнологического потенциала в качестве объектов рекультивации техногенных субстратов и загрязненных почв Арктики. Подготовлены для метагеномного анализа данных 20 образцов цианобактериальных сообществ из районов Гыдана и Хибин. Применение методов метагеномики позволяет выявлять цианобактерии в природных образцах. Особо важное значение он имеет для анализа культур-резистентных таксонов, которые не удается выделить традиционными микробиологическими методами. На основе метагеномных исследований почвенных проб северных регионов Урала выявлены виды цианопрокариот, ранее не отмеченные в регионе: Aulosira laxa, Cephalothrix komarekiana, Cylindrospermum catenatum, Desmonostoc geniculatum, Halotia wernerae, Komarekiella atlantica, Leptolyngbya laminosa, Nodosilinea bijugata, Roholtiella edaphica, Scytonematopsis contorta. Сравнение видового разнообразия на зональном градиенте от Субарктики до полярных пустынь демонстрирует закономерное уменьшение видового разнообразия цианопрокариот. В самой северной, маргинальной природной зоне – полярных пустынях выявлено 164 вида. С переходом от суровых условий полярных пустынь к тундрам число видов цианопрокариот значительно увеличивается – во флоре евроазиатских тундр насчитывается 520 видов. В наиболее южной из рассматриваемых зональных единиц – флоре Субарктики, объединяющей лесотундру и северную тайгу, выявлено 561 таксон (556 видов). Низкое видовое разнообразие цианопрокариот полярных пустынь связано в основном с отсутствием типичных гидрофитов, широко представленных в планктоне и бентосе более теплых водоемов тундр. Как в полярных пустынях (более отчетливо), так и тундрах наблюдается ограниченное число доминирующих видов цианопрокариот. Отмечено высокое флористическое сходство между тундровой зоной и Субарктикой (71%). В ходе выполнения проекта с применением комплекса методов выявлены криптические виды цианопрокариот в широко понимаемых родах Phormidesmis, Chroococcus, Drouetiella. Пересмотрена филогения отдельных групп цианопрокариот. Выявлен криптический новый для науки вид из рода Inacoccus (Chroococcaceae). Филогенез гена 16S рРНК поддерживает сильную монофилию рода Inacoccus с разделением на четыре линии. Одна из них соответствует Inacoccus carmineus из Бразилии, две других - ранее опубликованным, но еще неописанным таксономически штаммам Inacoccus из Румынии и Португалии, а четвертый представляет предложенный к описанию Inacoccus terrestris, выделенный нами из Мурманской области. Проанализированы вторичные структуры спиралей D1–D1', BoxB, V3 16S-23S ITS рРНК. Виды рода Inacoccus различаются по длине межгенного спейсера участка D1–D1', тогда как спирали BoxB достаточно стабильны. Показано, что гипотетические вторичные структуры D1–D1' и BoxB уникальны для каждой таксономической единицы. На основе интегративного подхода, учитывающего морфологические, экологические, молекулярно-генетические особенности участков 16S и 16S–23S ITS рРНК изучены 23 штамма нитчатых цианопрокариот рода Phormidesmis (Leptolyngbyaceae). Показано, что образцы Phormidesmis arctica характеризуются высоким процентом различия генетической дистанции от других видов рода. И их следует выделить в отдельный род. Использование комплексного подхода позволило выявить и описать новый для науки родовой таксон Apatinema и вид Apatinema mutabile Davydov (https://www.rscf.ru/news/release/novyy-rod-tsianobakteriy-v-chest-goroda-apatity/). Выполнено подробное описание нового вида, обсуждены отличия от морфологически сходных таксонов, которые проиллюстрированы фотографиями анатомо-морфологических признаков, подготовлена карта точечного распространения представителей Phormidesmis и Apatinema (Davydov, Vilnet, 2022, https://doi.org/10.3390/d14090731). Выделены и охарактеризованы с использованием интегративного подхода, включающего молекулярную, морфологическую и экологическую информацию 5 штаммов нитчатых цианопрокариот рода Drouetiella (Oculatellaceae). Реконструкция филогении демонстрирует монофилетичекое положение рода Drouetiella, внутри которого четко отграничиваются четыре линии, соответствующие трем известным видам и одному новому, ранее не описанному таксону. Низкий уровень сходства последовательностей 16S рРНК с известными видами и различия в длине и нуклеотидном составе межгенного спейсера ITS а также строение вторичных структур спиралей D1–D1', Box B и V3 позволяет отграничить новый вид Drouetiella ramosa Davydov, Vilnet, Novakovskaya et Patova. Показано, что морфологическая конвергенция и высокий уровень пластичности затрудняют применение традиционных методов классификации - виды Drouetiella не могут быть достоверно различимы только на основе морфологических признаков. Изучен видовой состав цианобактерий литобиотических сообществах на различных субстратах (рускеальский мрамор, гранит-рапакиви, гранито-гнейс) в различных условиях освещенности на территории Карельского перешейка (Ленинградская область, Республика Карелия и Южная Финляндия). Даны подробная таксономическая и экологическая характеристики видов. Показаны изменение видового разнообразия цианобактерий в зависимости от конкретных местообитаний, типа субстрата, степени влажности и освещенности (Rodina, Davydov, Vlasov D., 2022. https://doi.org/10.21638/spbu03.2022.203). Изучен видовой состав и азотфискирующая активность в биологических почвенных корочках (БК) горных тундр на Полярном, Приполярном и Северном Урале. Выявлен 131 вид цианобактерий из 46 родов. Комплекс доминантов формируют представители родов Nostoc, Stigonema, Scytonema.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения проекта в 2023 году в соответствии с планом работ по проекту были проведены полевые исследования территорий, для которых отсутствуют или имеются незначительные сведения о видовом составе цианопрокариот (Ловозерский район в Мурманской области, Приполярный Урал). Во время экспедиций было собрано 290 образцов цианопрокариот в разнотипных сообществах пятнистых горных тундр на высотном экологическом профиле с целью уточнения распространения видов в разных экологических условиях. Выполнен учет ключевых видов, активно вегетирующих видов, формирующих основу цианобактериальных сообществ обрастаний каменистых субстратов, биологических почвенных корок на оголенных криогенных субстратах, обрастателей мхов в тундрах и сфагновых мхов болотных комплексов. По сборам предыдущих лет идентифицировано по морфологическим признакам и внесено в информационную систему “L” 210 образцов цианопрокариот. Изучение биоразнообразия цианобактерий в отобранных пробах почв проводилось с использованием интегративного подхода (культуральные методы, изучение онтогенеза, световая микроскопия, молекулярно-генетический анализ генетических маркеров). Из собранных в текущем году и в предыдущие годы выполнения проекта образцов выделены культуры цианопрокариот, проведена их очистка и получено 59 моновидовых штаммов с территории Мурманской области, Республики Карелия, Ленинградской области, Республики Коми, Гыдана, Якутии, Чукотки, Камчатки, которые пополнили коллекцию культур KPABG. Уточнена видовая принадлежность и проанализирована филогения на основе секвенированных последовательностей гена 16S rRNA и межгенного спейсера 16S-23S rRNA для выделенных штаммов. Последовательности образцов цианопрокариот депонированы в международную базу данных GenBank NCBI. На основе филогенетического анализа генов 16S рРНК и 16-23S ITS, степени генетического сходства, отличиям в строении вторичных структур спиралей D1-D1' и Box-B описан новый для науки вид Inacoccus terrestris sp. nov. Изучена вариабельность представителей рода Wilmottia, на основе интегративного подхода доказано присутствие описанного из Новой Зеландии и приводящегося для Антарктиды вида Wilmottia arthurensis во флоре архипелага Шпицберген. Штаммы, выделенные с территории Ловозерских гор (Мурманская область), Полярного Урала, Кемеровской области, отнесены к космополитному виду Wilmottia murrayi. Приведены новые данные по распространению Drouetiella lurida, вид впервые указан для Ленинградской области и Чукотского автономного округа. На основе молекулярных данных уточнено распространение видов Macrochaete psychrophila, Plectonema hodgsonii, Pseudanabaena catenata, P. galeata, Shackletoniella antarctica. Дополнены представления о скрытом разнообразии цианобактерий для почв Приполярного Урала, на основе молекулярных данных впервые выявлены: Stenomitos kolaensis, S. hiloensis, Dactylothamnos antarcticus, Macrochaete psychrophila, Oculatella crustae-formantes, Phormidesmis nigrescens. Ряд изученных образцов занимают обособленное положение на филогенетическом дереве, характер топологии и уровень генетических дистанций позволяет считать их новыми для науки таксонами, подлежащими описанию. Таксоны, подлежащие валидации, выявлены в родах Gracilinea (Wilmottiaceae), Plectonema (Microcoleaceae), Pegethrix, Timaviella, Komarkovaea, Kaiparowitsia, Oculatella, Tildeniella (Oculatellaceae), Nodosilinea/Haloleptolyngbya (Nodosilineaceae), Stenomitos, Leptodesmis, Chroakolemma (Leptolyngbyaceae), Dulcicalothrix (Rivulariaceae), Hassallia/Rexia (Tolypothrichaceae), Cylindrospermum (Aphanizomenonaceae), Calochaete / Atlanticothrix (Leptobasaceae), Nostoc s.l. Было отобрано и изучено методами метагеномного и метаболомного анализов 10 проб различных литобионтных биопленок с поверхности каменистого субстрата в двух точках на горе Айкуайвенчорр (Хибины, Мурманская область). Данные метагеномных исследований показывают доминирование цианобактерий в изученных сообществах от 48 до 75 % от числа всех прокариот. Выявлено 19 родовых таксонов. Проведено исследование массового размножения донных эпилитных цианобактерий в водоёмах, расположенных в регионе со сплошным распространением вечной мерзлоты в Якутии. Выявлено, что по анатомо-морфологическим и молекулярно-генетическим признакам данный таксон соответствует диагнозу Gloeotrichia natans, проанализировано распространение вида в мире. Дана характеристика экологических условий местообитаний, включая химический состав воды. Образцы протестированы на наличие цианотоксинов (микроцистины, цилиндроспермопсин, сакситоксины и анатоксин-а) методами жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии и на наличие генов методами амплификации с специфическими праймерами. Из природных образцов «цветений» видов Microcystis в озере Ытык-Кюёл в Якутии получены амплификаты, которые подтвердили наличие вида Microcystis aeruginosa по маркерным участкам 16S рРНК, 16S–23S ITS рРНК. Проведено исследование на наличие в образцах генов mcy, ответственных за биосинтез микроцистина. Были обнаружены гены двух типов mcyA и mcyE. Обнаружены низкая внутриклеточная концентрация микроцистина, которая варьировалось от 0.1 до 803 нг/л. Проведено тестирование штаммов арктических цианопрокариот на их применимость к рекультивации антропогенно-нарушенных субстратов в условиях натурного эксперимента при зарастании золошлакоотвалов апатитской ТЭЦ. Для эксперимента использовались 6 штаммов, относящихся к Nostoc s.l. из Мурманской области, Камчатки и Антарктиды. В результате были обнаружены зарастания поверхностей цианобактериальными колониями и формирование видимой водорослевой биомассы внутри слоя грунта. Показана возможность использования представителей рода Nostoc для рекультивации отходов техногенных субстратов, проанализирована продуктивность штаммов рода Nostoc и их фотосинтетическая активность с помощью изучения динамики газообмена СО2 в лабораторном эксперименте. Выявлена средняя величина корреляции (r=0.53) между степенью зарастания отходов рудообогащения и активностью газообмена.