Криптическое разнообразие диатомовых водорослей и перспективы их экологического и биотехнологического использования

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 24-14-00165

НазваниеКриптическое разнообразие диатомовых водорослей и перспективы их экологического и биотехнологического использования

Руководитель Куликовский Максим Сергеевич, Доктор биологических наук

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

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Диатомовые, криптические виды, разнообразие, молекулярные методы, экологический мониторинг, биотехнология

Код ГРНТИ34.29.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разнообразие диатомовых водорослей оценивается от 10 тысяч до 100 тысяч видов. Прикладное использование диатомовых охватывает разные сферы, которые связаны с медициной, фармакологией, криминалистикой, экологическим мониторингом, изучением палеоклиматов и прогнозированием изменения климата в будущем, стратиграфией и поиском полезных ископаемых и т.д. Все сферы прикладного использования строятся на знании видов, точной систематики, познании биологического разнообразия морфологическими и молекулярными методами. Использование молекулярных данных подтвердило наличие у диатомовых водорослей, как и у других организмов, криптических таксонов. Под криптическими понимаются таксоны, которые идентичны морфологически, но различаются по молекулярным последовательностям. Вместе с криптическими используется такой термин, как псевдокриптические, что подразумевает виды, которые при большом морфологическом сходстве, все же можно разделить при тщательном анализе и найти какие-либо морфологические отличия. Молекулярные различия при анализе псевдокриптических таксонов конечно же сохраняются. Наличие криптических и псевдокриптических видов у диатомовых водорослей прочно устоялось в понимании исследователей после классической работы Дэвида Манна (1999). Нашей группой было показано наличие криптических таксонов среди Hantzschia amphioxys (Ehrenberg) Grunow, Gomphonema ventricosum Gregory и других групп. При этом за последние годы был собран обширный материал по разнообразию диатомовых водорослей из разнотипных водоемов мира, от Индонезии, Африки, Антарктиды до Арктики. Созданная за это время коллекция данных, включающая более 6 тысяч(!) культур диатомовых водорослей, препараты для световой и сканирующей микроскопии и сами изображения, геномная ДНК альгологически чистых культур и коллекция генетических маркерных последовательностей позволяет нам приблизится к раскрытию скрытого разнообразия у диатомовых водорослей. В этом же ключе стоит рассматривать и проблему определения видовых пучков ("species flock") из древних озер. Необходимость таких работ стала очевидной и при введении водорослей из культуры в биотехнологические работы, когда нами установлено, что псевдокриптические виды рода Pinnularia характеризуются накоплением разных профилей жирных кислот. Важный практический интерес связан с необходимостью выявления криптических таксонов при экологической оценке качества поверхностных вод. Все более широкое использование метабаркодинга и баркодинга, как такового, требует и выявления скрытого разнообразия, оценки экологических предпочтений для близких видов. Создание ваучеров криптических таксонов является основой для четкого использования молекулярных методов при оценке качества поверхностных вод. Анализ видовых пучков в древних озерах позволяет значительно шире взглянуть на разнообразие диатомовых водорослей в уникальных экосистемах, что важно в настоящее время – в период серьезных перестроек экосистемы в озере Байкал. Таким образом, выполнение настоящего проекта крайне актуально, когда идет поиск перспективных продуцентов жирных кислот и других веществ у диатомовых водорослей, а создание генетических библиотек является основой для успешного использования молекулярных методов в экологическом мониторинге. Научная новизна связана с использованием обширного накопленного массива данных, что позволит провести анализ скрытого разнообразия в разных группах диатомовых водорослей и продолжить работы по описанию новых для науки таксонов, созданию уникальных штаммов-продуцентов. В этом ключе прикладное значение данных работ очевидно, а фундаментальное значение связано с изучением и пониманием настоящего разнообразия среди одноклеточных водорослей, ответов на вопросы о космополитическом или эндемичном распространении протистов, видообразовании в древних озерах и создании основ для сохранения разнообразия в уникальных экосистемах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Работа в первый год по проекту включала несколько направлений, среди которых можно выделить 1. Необходимость изучения типового материала для решения проблем систематики и криптического разнообразия отдельных видов, родов, и на их основе более высоких таксонов, 2. Анализ систематики таксонов выше родового уровня для понимания таксономических проблем у крупных групп диатомовых водорослей, таких как цимбеллоидные, навикулоидные, моношовные, 3. Создание культур (из различных регионов, включая арктические, дальневосточные и др.) и постепенный их «разгон» для биотехнологических работ, связанных с изучением полиненасыщенных жирных кислот, получением биокремнезема и т.п. В целом в первый год мы готовили серьезную базу для последующих изысканий, что вылилось в опубликование девяти научных работ в ведущих международных изданиях (из них три в изданиях первого квартиля). Всего в процессе работы было описано два новых семейства, восемь новых видов и одна новая комбинация. Новые семейства цимбеллоидных диатомовых водорослей: Witkowskiaceae Kulikovskiy, Mironov, Maltsev and Kociolek и Encyonemataceae Kulikovskiy, Mironov, Maltsev and Kociolek. Из водных экосистем Камчатки нами было описано пять новых для науки видов: Gomphonema anissimovae Glushchenko, Kezlya & Kulikovskiy, Planothidium piipii Tseplik, Glushchenko, Maltsev et Kulikovskiy, Planothidium novograblenovii Tseplik, Glushchenko, Maltsev et Kulikovskiy, Planothidium tyushovii Tseplik, Glushchenko, Maltsev et Kulikovskiy, Planothidium dyakonovii Tseplik, Glushchenko, Maltsev et Kulikovskiy. Из озера Байкал были изучены два вида из рода Cocconeis Ehrenberg. Из водных экосистем Китая были описаны цимбеллоидные диатомовые Qinia hubeii Y. Liu & Kociolek и Cymbella wuhanensis Y. Liu & Kociolek sp. nov. Из Вьетнама Witkowskia famintsinii Mironov, Glushchenko & Kulikovskiy и новая комбинация Witkowskia strigosa (Lange-Bertalot & U.Rumrich) Mironov, Glushchenko & Kulikovskiy. Изучение типового материала проводилось при изучении моношовных и каналошовных диатомовых водорослей. Была проведена работа по изучению номенклатурной истории, морфологических особенностей байкальских видов Cocconeis baicalensis и C. Skvortzowii, как возможных таксонов из видовых пучков. Проведена лекто- и эпитипизация названий на основе материалов К.И. Мейера и А.П. Скабичевского, обеспечивающих соответствие современным номенклатурным стандартам. Были изучены коллекции Nitzschia amphibia, N. semirobusta и N. amphibioides из разных мест в 8 странах на 4 континентах, включая микропрепараты и образцы, депонированные в разные гербарии, в том числе, был подробно (методами световой и сканирующей электронной микроскопии) изучен наш материал N. amphibioides. Отдельная работа началась по изучению центрических диатомовых водорослей. Нами было уделено внимание изучению групп диатомовых водорослей, в которых было вскрыто криптическое разнообразие. Интересным примером может служить анализ проб из Чёрного и Азовского морей, где был обнаружен интересный крупноклеточный вид, долгое время считавшийся ископаемым таксоном – Amphitetras antediluviana Ehrenberg. Несмотря на различия в размерах, с крупными створками из Черного моря и мелкими створками из Азовского моря, с помощью молекулярно-генетического анализа было установлено таксономическое положение штаммов и было продемонстрировано, что две изученные популяции принадлежат к одному и тому же виду. Среди центрических диатомовых водорослей подготовлена и сдана в печать работа по разнообразию мелкоклеточных видов Stephanodiscus с описанием новых и молекулярной типификацией ранее описанных таксонов на морфологическом уровне. Для этого использованы материалы из реки Волга, водоемов Волжского бассейна, Байкала, Дальнего Востока, Камчатки и других. Проведено изучение таксонов вокруг видов с тремя подпорками у центральных выростов. Анализ морфологических и молекулярных результатов по водоемам Индонезии позволило показать криптическое разнообразие в группе дискостеллоидных центрических диатомовых водорослей. Молекулярно-генетически были изучены таксоны, описанные в середине прошлого столетия из водоемов Индонезии Hustedt и, позднее, эти виды экстраполировались на водоемы Европы. Подготовлен материал по родам Ulnaria и Tabellaria, в настоящее в работе несколько публикаций. Для анализа биотехнологического потенциала микроводорослей впервые было проведено исследование диатомовых водорослей восьми водотоков (четырех нерестовых рек и четырех ручьев), протекающих на полуострове Камчатка. Выявлено 163 вида и внутривидовых таксона, проведен сравнительный анализ видового разнообразия перифитона на станциях отбора. Работа включает в себя списки таксонов с указанием их обилия, а также иллюстративный материал обнаруженных таксонов диатомовых, который обеспечит возможность отслеживания изменений в планктонных и перифитонных сообществах микроводорослей в исследованных водотоках, в связи с потенциально высокой антропогенной нагрузкой. Работа с данным материалам позволила выявить ряд штаммов перспективных для дальнейших работ. Впервые подробно рассмотрено криптическое разнообразие с использованием молекулярных и морфологических подходов в роде Planothidium с синусом и кавумом. Изучение представителей видовых комплексов, таких как P. lanceolatum и P. frequentissimum s.l., дает ценные данные для таксономических и экологических исследований. Полифазный подход, используемый в нашем исследовании, обеспечивает наиболее полное понимание таксономии группы, поскольку многие диатомовые видовые комплексы, в том числе виды Planothidium, как показано, содержат криптическое разнообразие. Виды Planothidium обладают большим потенциалом в качестве индикаторов качества воды, и исследования в различных географических точках помогут накопить данные для дальнейшего использования в биомониторинге. Изучение соотношения морфологических признаков и молекулярных данных в роде Planothidium открывает возможность к пониманию криптического разнообразия не только у моношовных родов, таких как Achnanthidium, Psammothidium, но и в других пеннатных, как например Gomphonema, Gomphoneis, Navicula sensu lato, Pinnularia, Nitszchia по которым нами накоплен материал за этот год и ведется подготовка публикаций.

Публикации

1. Цеплик Н., Мальцев Е., Глущенко А., Генкал С., Куликовский М. Two new Planothidium (Achnanthidiaceae, Bacillariophyceae) species with a sinus from the Kamchatka Peninsula, Russia Phytotaxa, V. 664 (2). P. 111–122 (год публикации - 2024)
10.11646/phytotaxa.664.2.3

2. Миронов А., Глущенко А., Куликовский М. Description of Witkowskia famintsinii sp. nov. (Cymbellales, Bacillariophyceae) with morphological investigation of Witkowskia strigosa comb. et stat. nov. Phytotaxa, V. 670 (1). P. 031–042 (год публикации - 2024)
10.11646/phytotaxa.670.1.3

3. Лемкул Е.А., Куликовский М., Ветцель К.Э., Бикудо К.Э., Манн Д.Г. Insights into Nitzschia amphibia Grunow (Bacillariophyta, Bacillariaceae): Lectotypification and a comparative study with N. amphibioides Hustedt and N. semirobusta Lange-Bertalot Phytotaxa, Vol. 676. № 1. P. 025–051 (год публикации - 2024)
10.11646/phytotaxa.676.1.2

4. Голубева А., Куликовский М. Diatom Biosilica: Synthesis, Characteristics, Modification, and Application Microbiology, Vol. 94, No. 3, pp. 315–334 (год публикации - 2025)
10.1134/S0026261724610108

5. Лю Ж., Миронов А., Паризат А., Ив Ж., Тан Х., Куликовкий М., Коциолек Дж.П., Фан Я., Лю Я. Morphological analysis of the genus Delicata (Bacillariophyta), with description of D. zhangii from China Phycologia, Volume 64. Issue 5. P. 404-412 (год публикации - 2025)
10.1080/00318884.2025.2550681

6. Кезля Е., Глущенко А., Куликовский М. Diatom diversity from water-courses of North-Eastern Kamchatka with description of one new species Diversity, Vol. 16(9). P. 592. (год публикации - 2024)
10.3390/d16090592

7. Ли Ж., Миронов А., Цзян, Ю., Лианг, Ж., Коциолек Дж.П., Мальцев Е., Фан Ю., Лю, Я., Куликовский М. Molecular and Morphological Investigations of two new species in Qinia and Cymbella (Bacillariophyceae: Cymbellales) from China PLOS ONE (год публикации - 2024)

8. Гогорев Р., Юрчак М., Соколова И., Глущенко А., Куликовский М. Nomenclature and systematics of two Cocconeis species (Bacillariophyta) from Lake Baikal: Cocconeis baikalensis and Cocconeis skvortzowii PhytoKeys, Vol. 247. P. 219–248 (год публикации - 2024)
10.3897/phytokeys.247.131353

9. Цеплик Н., Мальцев Е., Генкал С., Миронова Э., Куликовский М. New cavum-bearing Planothidium (Achnanthidiaceae, Bacillariophyceae) species from the Kamchatka Peninsula, Russia Phytotaxa, V. 665 (3). P. 271–281 (год публикации - 2024)
10.11646/phytotaxa.665.3.9

10. Неврова Е., Мальцев Е., Кезля Е., Миронов А., Куликовский М. Molecular phylogeny, morphology and distribution of Amphitetras antediluviana Ehrenberg from the Black Sea and the Sea of Azov Phytotaxa, V. 672 (1). P. 049–063 (год публикации - 2024)
10.11646/phytotaxa.672.1.3

11. Миронов А., Мальцев Е., Коциолек Ю.П., Кезля Е., Лю Ю., Куликовский М. Description of Encyonemataceae fam. nov. and Witkowskiaceae fam. nov. (Bacillariophyceae, Cymbellales) based on molecular and morphological analyses Scientific Reports (год публикации - 2025)

12. Миронов А., Глущенко А., Цеплик Н., Кузнецова И., Куликовский М. Liuyania gen. nov. – a new freshwater diatom genus described from Lake Baikal Diatom Research, Vol. 40. № 4. P. 271-283. (год публикации - 2025)
10.1080/0269249X.2025.2473338

13. Генкал С., Глущенко А., Цеплик Н., Куликоввский М. A reinvestigation of Stephanodiscus triporus (Stephanodiscaceae, Mediophyceae) with the description of Stephanoarcus gen. nov. Phytotaxa, Vol. 712. № 1. P. 001–017 (год публикации - 2025)
10.11646/phytotaxa.712.1.1

14. Глущенко А., Мальцев Е., Лобус Н., Коциолек Дж.П., Куликовский М. Phylogeny of Actinella punctata (Bacilllariophyta) and comments on the taxonomy of the family Eunotiaceae Diatom Research (год публикации - 2025)
10.1080/0269249X.2025.2481973

15. Кезля Е., Глущенко А., Мальцев Е., Генкал С., Цеплик Н., Куликовский М. Morphological Variability amid Genetic Homogeneity and Vice Versa: A Complicated Case with Humidophila (Bacillariophyceae) from Tropical Forest Soils of Vietnam with the Description of Four New Species Plants, Vol. 14. P. 1069 (год публикации - 2025)
10.3390/plants14071069

16. Миронов А., Глущенко А., Кезля Е., Мальцев Е., Юрманов А., Лю Я., Куликовский М. Decussiphycus sinensis sp. nov. (Bacillariophyceae, Mastogloiales) – a new species described from China, with comments on phylogenetic position of the genus PhytoKeys, Vol. 254. P. 1–19 (год публикации - 2025)
10.3897/phytokeys.254.142654

17. Цеплик Н., Радхакришнан Ч., Картик Б., Куликовский М. Indoplatessa gen. nov.—a new monoraphid diatom genus based on Platessa arborea (Achnanthidiaceae, Bacillariophyceae) Phytotaxa, Vol. 694. № 2. P. 161–172. (год публикации - 2025)
10.11646/phytotaxa.694.2.4

18. Цеплик Н., Глущенко А., Мальцев Е., Генкал С., Юрманов А., Куликовский М. Molecular and morphological investigation of Sellaphora ashinovii sp. nov. and Planothidium paisiusii sp. nov.—two new diatom species from Oromia Region, Ethiopia Phytotaxa, V. 701. №2. P. 161–176. (год публикации - 2025)
10.11646/phytotaxa.701.2.3

19. Цеплик Н., Мальцев Е., Глущенко А., Генкал С., Куликовский М. Molecular phylogeny of the diatom genus Planothidium with the description of Paraplanothidium gen. nov. and Pseudoplanothidium gen. nov. PLoS One, Vol. 20. № 11. P. e0333782. (год публикации - 2025)
10.1371/journal.pone.0333782