КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 22-24-00965

НазваниеСоздание референсной базы данных нуклеотидных последовательностей микроводорослей и цианобактерий для метабаркодинга в мониторинге и оценке качества поверхностных вод

Руководитель Кезля Елена Михайловна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-102 - Ботаника

Ключевые слова водоросли, цианобактерии, биоиндикация, биомониторинг, база данных, метабаркодинг, мультигенная филогения

Код ГРНТИ34.29.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Высокие темпы технического прогресса ведут к увеличению антропогенной нагрузки на природные ресурсы в целом и на водные объекты в частности. Поверхностные воды наиболее чувствительное звено природной среды, поэтому одной из актуальных задач в настоящее время является контроль экологических изменений водных объектов (озер, рек, водохранилищ) в целях их сохранения и безопасного использования. Оценить состояние водной экосистемы позволяет изучение ее микробиоты. Водоросли образуют начальное звено трофической цепи и, в связи с этим, несут большую функциональную нагрузку и часто используются в качестве биоиндикаторов. Биоиндикация – один из основных и широко используемых методов для оценки качества воды и безопасности природных объектов. Он позволяет отслеживать потенциально опасные токсичные виды водорослей и цианобактерий, виды-вселенцы, которые могут существенно изменить состояние экосистемы, а также изменения в структуре экосистем в результате загрязнения. Разработано немало индексов оценки качества воды и экологического статуса водоема и подавляющее большинство из них основано на чувствительности видов к условиям окружающей среды и, следовательно, требуют достоверной идентификации таксонов. Однако, из-за очень высокого видового разнообразия водорослей и относительной специфичности альгофлор водных объектов, определение таксономического состава представляет очень трудоёмкий этап при проведении биоиндикации и часто малоэффективен для анализа большого объёма проб. Последние годы обеспечили интенсивный прогресс во внедрении молекулярных методов в самых разных областях исследований в области экологии. Молекулярно-генетические методы используются для выявления разнообразия и изучения систематики и филогении организмов. Кроме этого, развитие подходов секвенирования следующего поколения (next generation sequencing или NGS) позволяет разрабатывать эффективные методы экспресс-оценки разнообразия и структуры сообществ различных экосистем, для использования их в биоиндикации. Одним из таких методов является метабаркодинг. В его основе лежит применение так называемого штрихкода (или баркода) – фрагмента ДНК, который используют как универсальный маркер для видовой идентификации организмов. В результате статистической обработки данных для каждого природного образца получают список операциональных таксономических единиц (OTU) с указанием относительной численности. Это позволяет оценить общее разнообразие, определить относительное обилие видов, оценить структуру сообщества. Метод обладает высокой чувствительностью, т.к. обнаруживает виды даже при очень низкой численности и является более эффективными по времени и стоимости, чем классические методы идентификации. Однако, OTU не несут информацию об экологических характеристиках вида и дают понимание только о биоразнообразии в пробе, поэтому оценку экологического состояния, нельзя провести без привязки полученных нуклеотидных последовательностей к конкретному таксону т.к. только виды, имеющие индивидуальные экологические свойства, могут охарактеризовать состояние биоты. Современные разработки технологий штрихкодирования, секвенирования следующего поколения и биоинформатики открывают возможность к ускорению и упрощению одного из самых трудоемких этапов в биоиндикации – идентификации видов на основе морфологии. Однако, несмотря на ожидаемую простоту и эффективность метабаркодинга, его широкое применение ограничено недостаточной информативностью и полнотой существующих баз данных нуклеотидных последовательностей. Основные проблемы: малое число организмов в базах данных нуклеотидных последовательностей, некорректная идентификация, многочисленные неидентифицированные последовательности («шум»), отсутствие систематизированных данных по большинству используемых маркеров, неравномерная изученность различных групп водорослей, и, как следствие, отрывочность данных по многим из них. Таким образом, для использования метабаркодинга с целью эффективной оценки безопасности, качества воды и мониторинга состояния водных объектов с необходимо создание штрихкодовой (баркодовой) базы данных водорослей по универсальным генетическим маркерам с проверенной таксономией и связанными метаданными, которые позволяют подтвердить идентификацию, определить индикаторную значимость каждого таксона и в конечном счете охарактеризовать состояние водной экосистемы. Создание таких штрихкодовых библиотек является приоритетным запросом современных исследований, конечной целью которых является создание малозатратных по времени и стоимости, но более точных по результатам подходов биоиндикации. В настоящем проекте баркодовыми маркерами выбраны ядерные внутренние транскрибируемые спейсерные области ядерного рибосомального кластера (ITS1 и ITS2 rDNA), которые считаются основными для разграничения видов у водорослей и 16S-23S ITS rDNA для цианобактерий. В ходе выполнения проекта будет создана курируемая база данных, которая будет включать, помимо референсных последовательностей ITS1 и ITS2 rDNA, информацию о морфологии и экологических особенностях организмов. Будут составлены классификаторы организмов (водорослей и цианобактерий) для применения в различных биоинформатических программных комплексах для анализа данных метабаркодинговых исследований. Создаваемая база данных даст возможность проводить «расшифровку» данных метабаркодинга, т.е. проводить таксономическую идентификацию нуклеотидных последовательностей на видовом уровне. Полученные результаты должны послужить эффективному внедрению подходов NGS в практику гидробиологических мониторинговых исследований, так как позволят значительно упростить анализ метабаркодинговых данных. Важно отметить, что идентификация организмов и последующее курирование проекта будет осуществляться ведущими специалистами по систематике и филогении водорослей, а корректная идентификация индикаторных организмов – один из ключевых параметров успешности применения биологических объектов в мониторинге. Для выполнения проекта будут организованы экспедиции, будет проводиться выделение водорослей в культуру, будет осуществлена амплификация выбранных баркодинговых маркеров у выделенных в ходе проекта, а также ранее полученных из водоёмов России штаммов водорослей из коллекции лаборатории молекулярной систематики водных растений ИРФ РАН. Будут подготовлены алгоритмы анализа метабаркодинговых данных и проведена апробация разработанных подходов на примере 7 водоёмов различного трофического статуса. Большое значение этот проект будет иметь для изучения водорослей России в целом т.к. в нашей стране множество водоёмов и ландшафтов, отличных от европейских, с уникальной альгофлорой и множеством эндемичных видов, которые требуют фиксации их генетической информации для учета, сохранения, изучения распространения и уточнения экологического диапазона. Данный проект предполагает начало нового направления для группы в области практического применения водорослей, которое заключается в использовании современных молекулярно-генетических методов, таких как подходы NGS, для биомониторинга и решения важных природоохранных и хозяйственных задач.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---