Разнообразие и пищевые стратегии хищных протистов в борьбе с вредоносными цветениями водорослей

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 24-44-00093

НазваниеРазнообразие и пищевые стратегии хищных протистов в борьбе с вредоносными цветениями водорослей

Руководитель Тихоненков Денис Викторович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии внутренних вод им. И.Д.Папанина Российской академии наук , Ярославская обл

Конкурс №86 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-103 - Гидробиология и ихтиология

Ключевые слова простейшие, протисты, Protista, гетеротрофные жгутиконосцы, солнечники, миксотрофия, пищевые стратегии, биоразнообразие, экология микроорганизмов, секвенирование, транскриптомика, токсические цветения, гидробиология

Код ГРНТИ34.35.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение актуальной проблемы разработки биологических способов регуляции и контроля вредоносных токсичных цветений цианобактерий и микроводорослей, затрагивающих экологический баланс в водных экосистемах и качество воды. Вредоносные цветения приводят к серьезным экологическим, социальным и экономическим ущербам, включая отравление людей и животных. Исследования, направленные на решение данных проблем, приобретают особую научную значимость и актуальность. Смягчение вредоносного токсического цветения водорослей (harmful algal bloom, HAB) возможно с помощью биологических средств, которые могут играть значительную роль в профилактике, прекращении и регулировании HABs. Поедание хищниками фотосинтезирующих организмов является основным механизмом регуляции их численности и реструктуризации популяций в естественных условиях. Основной целью настоящего исследования является изучение разнообразия и пищевых стратегий хищных протистов, способных к питанию цветущими микроводорослями и деградации токсинов, а также получение научных основ для разработки биологических способов борьбы и контроля токсических цветений в пресных континентальных водах. В рамках проекта будет предпринята попытка решения этой большой проблемы с позиций функциональной организации сообществ микробиальных эукариот, а именно “контроля сверху” (top-down control) со стороны хищных протистов. Для выполнения поставленных задач будут проведены экспериментальные исследования способности питания хищных гетеротрофных флагеллят, центрохелидных солнечников и вампиреллидных амеб цианобактериями и токсичным примнезиевыми микроводорослями в условиях лабораторных клональных культур. Также предполагается дополнительно провести поиск в пресноводных экосистемах других хищных протистов, которые могут служить целям данного проекта. Для хорошо культивируемых протистов, способных питаться токсичными цианобактериями и микроводорослями, будет проведена оценка скорости их роста, скорости выедания пищи, скорости деградации токсинов. В экспериментах также будут задействованы миксотрофные охрофитовые и некоторые штаммы вампиреллидных амеб, для которых китайскими коллегами уже предварительно показана способность к питанию цианобактериями и деградации микроцистина. Планируется провести экспериментальную оценку влияния абиотических факторов на исследуемые трофические процессы. Предполагается разработать подходы к крупномасштабному культивированию протистов, наиболее эффективно потребляющих Microcystis. Будут проведены транскриптомные исследования и изучены паттерны экспрессии генов в условиях автотрофного или обычного гетеротрофного питания и в условиях питания микроцистисом, будут выявлены апрегулированные гены, вовлеченные в процессы фагоцитоза и деградации цианотоксинов. Будут проведены эксперименты по контролю HABs в мезокосмах объемом 2500 литров с использованием цветущей природной воды и мониторингом состояния всего планктонного сообщества для оценки экологической безопасности. Поставленные проектом задачи и потенциальные ожидаемые результаты обладают существенной научной новизной. Впервые в мировой практике в разработке подходов к управлению вредоносными цветениями будут использованы уникальные живые культуры хищных гетеротрофных флагеллят, а также центрохелидные солнечники, уже имеющиеся у российских участников проекта. Китайской стороной получены уникальные предварительные данные о способности амеб вампиреллид питаться нитчатыми цианобактериями, апробированы новые подходы к исследованию пищевых стратегий протистов, а также впервые показана способность к эффективному поглощению цианобактерий и разрушению их токсинов миксотрофными хризомонадами, которые также имеются в клональных культурах. Существенной научной новизной обладают запланированные коллективом транскриптомные исследования, направленные на расшифровку клеточного метаболизма и паттернов экспрессии генов при питании токсическими цианобактериями.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведены экспериментальные исследования способности питания хищных гетеротрофных флагеллят (Diphylleia, Paraphysomonas, Aurigomonas, Colponema, Colpodella, Rhodelphis и др.), центрохелидных солнечников (Pterocystis, Raphydocystis, Acanthocystis и др.), вампиреллидных амеб (Vernalophrys, Kinopus) и инфузорий (Hypotricha, Vorticella) цианобактериями (Microcystis aeruginosa, M. flos-aquae, Aphanizomenon sp.) и токсичными примнезиевыми микроводорослями (Prymnesium parvum) в условиях лабораторных клональных культур. Установлено, что хищные жгутиконосцы Nibbleromonas quarantinus, а также центрохелидные солнечники Marophrys nikolaevi и Heterophrys-подобные солнечники эффективно потребляют клетки токсичных Prymnesium parvum, выедая их полностью или практически полностью. Получены результаты исследования морфологии и филогении 4х видов рода Raphidocystis и их способности потреблять цианобактерии. Все протестированные штаммы рафидоцистид продемонстрировали способность к поглощению клеток как токсичных, так и нетоксичных штаммов Microcystis aeruginosa. Установлено, что вампиреллидные амебы Vernalophrys algivore и Kinopus chromellivorus могут питаться нетоксичным штаммом Microcystis aeruginosa увеличивая свою численность, и не могут выедать токсичный штамм M. aeruginosa и Aphanizomenon sp. Среди протестированных хищных жгутиковых протистов наибольшую способность к выеданию пресноводных цианобактерий Microcystis продемонстрировали Paraphysomonas sp. и Diphylleia rotans. Установлена выраженная способность инфузорий Hypotricha и Vorticella sp. поглощать клетки Microcystis. Цианобактерии 3х штаммов Microcystis aeruginosa и M. flos-aquae (как токсичные, так и нетоксичные) активнее всего выедались жгутиконосцами Paraphysomonas sp. Эти страменопилы являются перспективным объектом для дальнейших исследований и разработок способов контроля токсических цианобактериальных цветений. Численность Paraphysomonas sp. скачкообразно возрастала на 3й день эксперимента, в то время как численность Microcystis снижалась вследствие выедания практически до нуля на 6-й или 9-й дни эксперимента. Другие исследованные протисты также могли снижать численность цианобактерий, но редко выедали их полностью, и для них наблюдались различные тенденции изменения обилия при сокультивировании с Microcystis в зависимости от штамма цианобактерий и вида протиста. В некоторых случаях наблюдалась тенденция к росту численности и хищников, и цианобактерий. Проведены совместные с китайскими коллегами полевые исследования на пресных водоемах с отбором проб на литорали и в пелагиали. Выделены новые клональные культуры хищных гетеротрофных протистов, перспективные для реализации задач проекта. Проведены исследования морфологии клеток с использованием световой и электронной микроскопии, секвенированы рибосомальные гены и отработан подход к секвенированию транскриптомов микротрофных жгутиконосцев.

Публикации

1. Загуменный Д.Г., Гун И., Хуо Д., Тихоненков Д.В. Morphology and phylogeny of the centrohelid heliozoans Raphidocystidae and their ability to consume cyanobacteria Acta Protozoologica, PLoS One 20(5): e0322585. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0322585

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведен цикл лабораторных экспериментов по изучению выедания цианобактерий Microcystis aeruginosa протистами Paraphysomonas solis solis и Poterioochromonas malhamensis при различных условиях. Установлено, что P. solis solis эффективно выедает цианобактерий при 20 °C и pH 5–9. Выедание сопровождается существенным снижением общего содержания внутриклеточного микроцистина. У P. malhamensis оптимальная скорость выедания токсичных цианобактерий наблюдается при 25 °C и освещённости 40 мкмоль фотонов м⁻² с⁻¹. При этом же освещении происходит наибольшая деградация общего микроцистина (>90%). Проведено секвенирование РНК и анализ дифференциальной экспрессии генов при питании. У P. malhamensis при переходе от фототрофии к фаготрофии происходит подавление генов, связанных с фотосинтезом (светособирающие антенные белки, метаболизм хлорофилла, фиксация углерода) и усиливается экспрессия генов, участвующих в обработке генетической информации, биогенезе рибосом и поддержании редокс-гомеостаза, что отражает повышенные энергетические и метаболические затраты на переваривание добычи. Выполнены морфологические и филогенетические исследования 16 изолятов Poterioochromonas, включая P. malhamensis, P. andersenii и P. longicaulis. Подтверждена монофилия данного рода. Показано, что морфология лорики является важным признаком для видовой диагностики внутри рода Poterioochromonas. В свою очередь, морфология стамотоцист позволяет отличать Poterioochromonas от других близких родов хризофитовых, а отдельные структурные особенности стоматоцист могут использоваться для внутриродовой дифференциации. Подтверждена монофилия Poterioochromonas. Показано, что ген COI может служить надёжным маркером для разграничения как меж-, так и внутривидовых отношений в этом роде. Проанализирована динамика природных микробных про- и эукариотических сообществ в речной экосистеме. Выявлены две фазы развития сообществ – динамическая фаза и фаза стабилизации. Анализ сетей ко-встречаемости выявил переход от модульной структуры сети в динамической фазе к более централизованной и сильно связанной сети в фазе стабилизации. Из разнотипных пресных водоёмов выделены новые клоны хищных протистов.

Публикации

1. Щукина М.О., Загуменный Д.Г., Беляев А.О., Яльцев Г.С., Загуменная О.Н., Цзян М., Гун И., Тихоненков Д.В. Isolation of novel clones of predatory protists and their grazing on toxic and non-toxic Microcystis aeruginosa Kützing, 1846, a prevalent cyanobacterium linked to harmful algal blooms Protistology, 19 (4): 298–317 (год публикации - 2025)
10.21685/1680-0826-2025-19-4-3

2. Цзян М., Гун И., Тихоненков Д.В. Feeding of Vampirellid Amoeba (Leptophryidae) on Cyanobacteria Inland Water Biology, Vol. 18, No. 6, pp. 1504–1509 (год публикации - 2025)
10.1134/S1995082925601376

3. Cунь Ш., Цяо Ч., Тихоненков Д.В., Гун И., Ли Х., Ли Ж., Сунь К., Хо Д. Temporal Dynamics and Adaptive Mechanisms of Microbial Communities: Divergent Responses and Network Interactions Microbial Ecology, Volume 88, article number 94 (год публикации - 2025)
10.1007/s00248-025-02596-z