Тема: Филогения некоторых групп навикулоидных диатомовых водорослей

Диатомовые водоросли (от греч. diatome - рассекание, разрывание) - одноклеточные, одиночные или колониальные эукариотические микроскопические организмы. Они широко распространены в водных (морских и пресноводных), наземных и воздушных экосистемах, где являются основой пищевой цепи и участвуют в глобальном цикле углерода, кислорода и кремния. Диатомеи являются прекрасными индикаторами состояния окружающей среды, включая оценку качества воды пресноводных экосистем (Round et al., 1990). Диатомовые водоросли покрыты кремниевым панцирем, который хранится в отложениях длительное время, что позволяет их использовать в экологических исследованиях, палеолимнологических реконструкциях, в работах по разведке газа и нефти, археологии, криминалистике и т.д. (Smol, Stoermer, 2010).
Диатомеи стали исследовать с начала XVIII века (Round et al., 1990), но несмотря на такое длительное изучение их, мы имеем далеко не полное представление о систематике этих организмов. Одной из сложнейших групп в изучении таксономии и морфологии являются навикулоидные диатомовые водоросли. Навикулоидные диатомеи характеризуются симметричным в трёх плоскостях панцирем и щелевидным швом на каждой створке и называются так по характерному роду Navicula Bory. После описания рода Navicula в 1822 году, в этот таксон стали включать все водоросли, имеющие такую навикулоидную симметрию. Так что род Navicula, без сомнения, является сборным таксоном (Round et al., 1990).
С развитием электронной микроскопии, а также с исследованием живых клеток диатомей стало очевидным значительно более широкое морфологическое разнообразие внутри диатомовых водорослей и, в частности, в роде Navicula, что привело к многочисленным таксономическим ревизиям. В результате многие прежние виды рода Navicula были перемещены в новые роды, например, Haslea Simonsen, Proschkinia Karayeva, Parlibellus Cox, Luticola Mann, Hippodonta Lange-Bertalot et al., Eolimna Lange-Bertalot, Schiller, Mayamaea Lange-Bertalot или в старые восстановленные роды, например, Sellaphora Mereschkowsky, Placoneis Mereschkowsky, Dickieia Berkeley (Mann,1989, 1994a; Cox 1987, 2003).
С описанием огромного количества новых таксонов возникла новая классификационная система в монографии «The Diatoms» (Round et al., 1990). Однако эта система, созданная более 25 лет назад, не включала данные молекулярно-генетических исследований и много новых родов, описанных за последнее время , в том числе и из навикулоидных диатомовых водорослей. Поэтому применение молекулярно-генетических методик для данной группы организмов было крайне необходимым (Ehara et al., 2000; Medlin et al., 1996a, b, 2000; Fox, Sorhannus, 2003).
Специальных работ по филогении навикулоидных диатомовых водорослей не так уж и много. Обычно эту группу водорослей берут в анализе для лучшего разрешения филогенетических деревьев (Theriot et al., 2010; Ruck, Theriot, 2011; Sorhannus, Fox, 2012; Stepanek, Kociolek, 2014) Цикл публикаций К. Брюдер и Л.К. Медлин (Bruder, Medlin, 2007, 2008a,b; Bruder et al., 2008) посвящён навикулоидным представителям и включает, помимо типичных навикулоидных водорослей, также цимбеллоидные, гомфонемоидные и ахнантоидные для более детального анализа. Эти данные показали близкую связь между исследуемыми группами организмов и зачастую размытость границ между ними, что пока ещё вызывает трудности в понимании систематического положения различных таксонов.
Цель работы: анализ систематического положения отдельных, ранее не изученных или слабоизученных, групп навикулоидных диатомовых водорослей на основе морфологии створок, хлоропластов и молекулярно-генетических критериев.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. изучить филогенетическое положение новых штаммов из родов Pinnularia Ehrenberg и Caloneis Cleve для анализа целесообразности разделения этих таксонов и поиска соотношения между морфологическими признаками и молекулярными данными;
2. определить филогенетическое положение родов Geissleria Lange-Bertalot et Metzeltin и Paraplaconeis Kulikovskiy et al. для определения значения симметрии в систематике навикулоидных и цимбеллоидных диатомовых водорослей;
3. провести молекулярно-генетический и морфологический анализ новых представителей из родов Humidophila Lowe et al. и Diadesmis Kutzing с описанием новых таксонов и анализом целесообразности разделения этих родов ;
4. провести молекулярно-генетический анализ рода Aneumastus Mann et Stickle для подтверждения отнесения этого таксона к семейству Mastogloiaceae;
5. провести филогенетический анализ новых штаммов из рода Seminavis Mann и определить значение дорсивентральности для систематики навикулоидных диатомовых водорослей.
Научная новизна. Создана и в настоящее время поддерживается большая коллекция культур - более 1000 штаммов диатомовых водорослей из озера Байкал, Индонезии, Вьетнама и Монголии. В работе описано или предложено несколько новых для науки видов диатомей. Выявлены основные морфологические признаки, наиболее пригодные для таксономических исследований. Создан банк генетической информации для всех штаммов диатомовых водорослей, а также получены генетические последовательности по двум генам (18S рРНК и rbcL) для определённых таксонов, в некоторых случаях, по которым отсутствовала информация до настоящего времени. Проведен филогенетический анализ для нескольких родов, по которым ранее не было данных.
Теоретическая и практическая значимость. Выполненная работа направлена на увеличение сведений о систематическом положении навикулоидных диатомовых водорослей. Полученные генетические последовательности позволят расширить представления о филогенетических взаимоотношениях в этой группе водорослей. Новые данные будут основой для корректного определения диатомовых водорослей, а также послужат базой для дальнейших филогенетических исследований, разработки экологического мониторинга с использованием таких подходов, как баркодинг.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на XIII Международной научной конференции альгологов «Диатомовые водоросли: современное состояние и перспективы исследований» (Борок, Россия, 2013), 8th Central European Diatom Meeting (Загреб, Хорватия, 2014), III Международной научной конференции «Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге»(Борок, Россия, 2014), XXII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных ЛОМОНОСОВ-2015 (Москва, Россия, 2015), XIV Международной научной конференции диатомологов «Диатомовые водоросли: успехи, проблемы и перспективы исследований» (Звенигород, Россия, 2015), III (XI) Международной ботанической конференции молодых учёных (Санкт-Петербург, Россия, 2015), Международной конференции «Проблемы систематики и географии водных растений (Борок, Россия, 2015).
Публикации.
Андреева С.А., Гусев Е.С., Куликовский М.С. Особенности строения хлоропластов в разных родах диатомовых водорослей из озера Байкал: документация и возможности использования в систематике. Диатомовые водоросли: современное состояние и перспективы исследований. Материалы XIII Международной научной конференции альгологов, 24-29 августа 2013. Борок, Россия. 2013. С. 18.
Киселёв Г.А., Балашова Н.Б., Андреева С.А. К флоре диатомовых водорослей государственного природного заповедника «Усть-Ленский». Диатомовые водоросли: современное состояние и перспективы исследований. Материалы XIII Международной научной конференции альгологов, 24-29 августа 2013. Борок, Россия. 2013. С. 122-123.
Andreeva S., Ulanova A. Morphological observations on Olifantiella species in the Greek coastal waters. Abstract book of the 8th Central European Diatom Meeting, April 10-13, 2014. Zagreb, Croatia. P. 10.
Андреева С.А., Гусев Е.С., Анненкова Н.В., Куликовский М.С. Молекулярная филогения некоторых пресноводных моношовных диатомовых водорослей: значение шва в систематике группы. Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге. Материалы докладов III Международной научной конференции, 24-29 августа 2014. Борок, Россия. Ярославль. 2014. С. 7-8.
Куликовский М.С., Андреева С.А., Гусев Е.С., Анненкова Н.В. Морфология и филогения рода Geissleria Lange-Bertalot et Metzeltin: к вопросу о роли таксономических признаков в систематике диатомовых водорослей. Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге. Материалы докладов III Международной научной конференции, 24-29 августа 2014. Борок, Россия. Ярославль. 2014. С. 19.
Kulikovskiy M., Gusev E., Andreeva S., Annenkova N. Phylogenetic position of the diatom genus Geissleria Lange-Bertalot et Metzeltin and description of two new species from Siberian mountain lakes. 2014. Phytotaxa. Vol. 177. Iss.5. P. 249-260.
Андреева С.А., Анненкова Н.В., Гусев Е.С. Морфология и молекулярная филогения некоторых пресноводных моношовных диатомовых водорослей. Ломоносов-2015, секция "Биология", подсекция "Микология и альгология". Тезисы докладов XXII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 13-17 апреля 2015. Москва, Россия. Москва. МАКС Пресс. 2015. С. 191-192.
Андреева С.А., Мальцев Е.И., Подунай Ю.А., Гусев Е.С., Куликовский М.С. Молекулярно-генетическое разнообразие диатомовых водорослей в водоёмах Байкальской рифтовой зоны: первые результаты. Материалы XIV Международной научной конференции диатомологов "Диатомовые водоросли: успехи, проблемы и перспективы исследований», 24-29 августа 2015. Вопросы современной альгологии. Специальный выпуск. 2015. С. 6-7.
Андреева С.А., Мальцев Е.И., Подунай Ю.А., Гусев Е.С., Анненкова Н.В., Куликовский М.С. Филогенетическое положение диатомового рода Diadesmis и морфологические критерии выделения новых родов. Тезисы докладов III (XI) Международной Ботанической Конференции молодых учёных в Санкт-Петербурге, 4-9 октября 2015. Санкт-Петербург 2015. С. 48.
Андреева С.А., Мальцев Е.И., Подунай Ю.А., Гусев Е.С., Анненкова Н.В., Куликовский М.С. Филогения и морфология диатомовых водорослей рода Diadesmis Kutzing. Материалы Международной конференции «Проблемы систематики и географии водных растений», 21-24 октября 2015. Борок, Россия. Ярославль 2015. С. 7.
Куликовский М.С., Андреева С.А., Гусев Е.С., Кузнецова И.В., Анненкова Н.В. Молекулярная филогения моношовных диатомовых водорослей: роль шва в эволюции и систематике. 2016. Известия РАН. Серия биологическая. № 5. С. 1-11.
Андреева С.А., Куликовский М.С., Мальцев Е.И., Подунай Ю.А., Гусев Е.С. Молекулярно-генетическое исследование диатомовых водорослей из родов Diadesmis и Humidophila (Bacillariophyceae). Ботанический журнал (в печати).
Связь работы с научными программами, темами. Работа выполнена при поддержке грантов Фонда Президента РФ (МК-5681.2012.4, МК-1128.2014.4), РФФИ 12- 04-33078-мол-а-вед, РФФИ 14-04-01406-а, РФФИ 15-29-02739 офи_м и РНФ 14-14-00555.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, двух глав, выводов, списка литературы, одного приложения. Работа изложена на 69 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 3 таблицы. Список литературы включает 149 источника, в том числе 146 иностранных.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и сердечную благодарность научным руководителям к.б.н., в.н.с. Максиму Сергеевичу Куликовскому (ИБВВ РАН) и к.б.н. и доценту Наталии Борисовне Балашовой (СПбГУ) за возможность работать над любимой темой и постоянную помощь и внимание на всех этапах проведения и написания работы, к.б.н., ст.н.с. Евгению Ивановичу Мальцеву (ИБВВ РАН), к.б.н., ст.н.с. Евгению Сергеевичу Гусеву и м.н.с. Юлии Александровне Подунай (ФГБУН «КНС - ПЗ РАН») за неоценимую помощь при выполнении работы, д.б.н., проф. Н.И. Стрельниковой (СПбГУ) за постоянное внимание к работе, семье за поддержку, понимание и терпение за всё время выполнения работы.
Купить

ВЫВОДЫ:
1. Филогенетический анализ представителей родов Pinnularia и Caloneis поставил под сомнение существующие границы этих таксонов на основе морфологии порового аппарата, шва и хлоропластов и показал возможность соотнесения молекулярно-генетических данных с морфологическими.
2. На основе морфологии порового аппарата и первых молекулярно-генетических данных предложено описание нового рода Metzeltinia gen. prov. из рода Pinnularia.
3. Впервые показано, что представители родов Geissleria и Paraplaconeis относятся к цимбеллоидным диатомовым водорослям, несмотря на навикулоидную симметрию панциря. Это подтверждено молекулярными данными и морфологическими особенностями, а именно структурой порового аппарата и морфологией хлоропластов. Описано два новых для науки вида из рода Geissleria: G. baicalosimilis и G. frolikhiensis.
4. Подтверждена обоснованность выделения рода Humidophila из рода Diadesmis на основе молекулярно-генетических данных. Предложено к описанию три новых для науки вида: Diadesmis gomphonemoides sp. prov., D. paraconfervaceae sp. prov. и Humidophila frolihiensis sp. prov.
5. Впервые выделен в культуру штамм рода Aneumastus и проведён его молекулярно-генетический анализ. На основе морфологических и молекулярно-генетических данных показана целесообразность включения рода Aneumastus в семейство Mastogloiaceae.
6. Проведённый молекулярно-генетический анализ с использованием новых штаммов из дорсивентрального рода Seminavis ставит под сомнение использование дорсивентральности как важного признака при описания новых таксонов навикулоидных диатомовых водорослей.
Купить