ГРИБЫ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ МЕСТООБИТАНИЙ В УСЛОВИЯХ

Грибы в условиях действия
стрессовых факторов среды
обитания
условия среды
(стрессоры абиотической природы)
ЭКСТРЕМАЛЬНОСТЬ
организмы
с адаптивными свойствами
ЭКСТРЕМОФИЛЫ
ра
у
т
ра
е
п
оды
м
в
е
т
т фици
де
соли
дав pH
лен
ие
психрофилы, термофилы
ксерофилы
галофилы
ацидофилы и алкалофилы
барофилы
Экстремофилы – организмы, живущие в
крайних условиях среды обитания,
лимитирующих жизнь (MacElroy, 1974).
Международное общество исследователей экстремофильных
организмов ISE (www.extremophiles.org)
Три основные экологические стратегии у грибов
(Cooke a. Rayner, 1984)
K – стратегия
•Постоянные и долгоживущие
•Часто медленнорастущие
•Медленная или
периодическая репродукция
•Высокий ферментативный
потенциал
S – стратегия
•Устойчивость к длительному
воздействию стресса
•Замещение видов при
ослаблении стресса
•Часто отсутствие быстрого роста
•Высокий ферментативный
потенциал
Различные типы ответа на действие физико-химических факторов среды
(по Gostinčar et al., 2009)
Доступность воды
Ионный и осмотический стрессы обусловлены засухой, засолением и
низкими температурами
ВЫСОКИЕ
КОНЦЕНТРАЦИИ
СОЛЕЙ
НИЗКИЕ
ТЕМПЕРАТУРЫ
ИОННЫЙ
СТРЕСС
ОСМОТИЧЕСКИЙ
СТРЕСС
Показатели доступности воды в разных системах
Активность воды (aw) характеризуется отношением давления пара над раствором к
давлению пара над чистой водой .
aw= P/Po= n2/n1 – n2,
где P - давление пара раствора
Po - давление пара растворителя (чистой воды),
n1, n2 – число молей растворителя и растворенного вещества
соответственно.
Чистая вода имеет aw= 1.
Ксерофильные грибы растут хорошо при aw ≤0.85 (что соответствует добавлению в
среду 17% NaCl или 50% сахара)
Водный потенциал (Ψ ) - количество термодинамической работы, которая должна
быть затрачена организмом для извлечения воды.
Ψ = [1000 RT/Wa ] ln (aw),
где R - газовая постоянная,
T - абсолютная температура,
Wa- молекулярный вес воды.
Потенциал чистой воды равен 0 (бар) .
Относительная влажность — отношение парциального давления паров воды в газе (в
первую очередь, в воздухе) к равновесному давлению насыщенных паров при данной
температуре.
Природные и созданные человеком местообитания с низкой
активностью воды
Значения aw для разных продуктов питания (по Brewer, 1999)
aw
ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ
1.00-0.95
свежее мясо, свежие фрукты и овощи, яйца, масло, сосиски,
маргарин, слабо соленые колбасы
0.95-0.90
сыры, печенье, соленый бекон, копченые
сосиски, концентрат апельсинового сока
0.90-0.80
твердые сыры, сгущенное молоко с сахаром,
джемы, белый хлеб
0.80-0.70
патока, кленовый сироп, сильно соленая рыба
0.70-0.60
сыр «Пармезан», сушеные фрукты, овсяные хлопья,
джем
0.60-0.50
шоколад, конфеты, мед
0.40
яичный порошок, какао
0.30
картофельные хлопья, картофельные чипсы, крекеры,
сухая смесь для печенья
0.20
сухое молоко, сухие овощи
Группы микроорганизмов, способные развиваться на продуктах питания с
разными значениями активности воды
aw
0.97-0.95
0.95-0.90
прокариоты
Clostridium spp.
Pseudomonas spp.
Escherichia spp.
Bacillus spp.
Vibrio spp.
Lactobacillus spp.
Streptococcus spp.
Corynebacterium spp.
Micrococcus spp.
0.90-0.85 Staphylococcus spp.
0.85-0.80
haloarchaea
дрожжи
Rhodotorula spp.
Pichia spp.
Candida spp.
Trichosporon spp.
Saccharomyces spp.
Hansenula spp.
Torulopsis spp.
Zygosaccharomyces
bailii
0.80-0.75
<0.70
Zygosaccharomyces
rouxii
мицелиальные
грибы
Rhizopus spp.
Mucor spp.
Cladosporium spp.
Eurotium spp.
Aspergillus patulum
A. reptans
A. conicus
A. flavus
Xeromyces bisporus
Wallemia sebi
Xeromyces bisporus L.R. Fraser
(Eurotiomycetes, Ascomycota)
Wallemia sebi (Fr.) Arx
(Wallemiomycetes, Basidiomycota)
конидиогенные клетки, конидии
Eurotium repens de Bary
(anam. Aspergillus reptans
Samson & W. Gams )
Природные
гиперсоленые
местообитания
Схема формирования гиперсоленых водоемов
(Grant, 2004)
Порядки грибов,
включающие осмотолерантные таксоны
(Gunde-Cimerman et al.,, 2009) :
Dothideales
Capnodiales
Eurotiales
Saccharomycetales
Wallemiales
Микобиота околонейтральных гиперсоленых водоемов
- Дрожжеподобные меланизированные грибы с меристематическим ростом
(Hortaea werneckii, Phaeotheca triangularis, Trimmatostroma salinum,
Aureobasidium pullulans)
- Cladosporium spp.
- Scopulariopsis spp.
- Alternaria spp.
- Aspergillus spp.
-Penicillium spp.
-Wallemia spp.
Устойчивость аспергиллов и пенициллов к хлориду натрия
Penicillium
Aspergillus
Серии:
Телеоморфные роды:
Viridicata, Verrucosa, Corymbifera,
Solita, Camembertii, Chrysogena,
Mononematosa, Olsonii
Eurotium, Chaetosartorya, Petromyces,
Neopetromyces, Emericella
Культуры
Hortaea werneckii (Horta)
Nishim. & Miyaji
на картофельнодекстрозном агаре
Phaeotheca и Hyphospora
роды дрожжеподобных
эндоконидиальных грибов
пор. Dothideales
a-f – Phaeotheca;
g-k – Hyphospora
Trimmatostroma
salinum
Zalar, de Hoog &
Gunde-Cim.
(Helotiales, Leotiomycetes)
новый вид из
гиперсоленых
местообитаний
Рост галофила Hortaea werneckii и галотолеранта Aureobasidium
pullulans
на средах с разными концентрациями NaCl (Kogej et al., 2005)
Содержание ионов Na+ и K+ в
клетках галофила Hortaea werneckii
(A), галотолеранта
Aureobasidium pullulans (B) и
солечувствительного гриба
Debaryomyces hansenii (C) при
постоянных концентрациях NaCl
Механизмы экспорта Na+,
работающие на плазмалемме и тонопласте (Балнокин, 2006)
Na+/H+ - антипортер плазматической мембраны представляет собой механизм
ионообменной диффузии, который осуществляет перенос Na+ из цитоплазмы в
наружную среду в обмен на Н+. Экспорт Na+ происходит против градиента
электрохимического потенциала этого иона и осуществляется за счет энергии
ΔμH+, генерируемой Н+ - АТФазой ПМ. Na+-АТФазы транспортируют Na+ из
цитоплазмы в наружную среду за счет энергии фосфатных связей АТФ . Это
первичный Na+-насос.
Осмолиты галофильных
микроорганизмов
(Oren, 1999, Grant, 2004):
глицин-бетаин
полиспирты, такие как глицерин, арабит,
маннит;
глицерин
пролин
сахароза
сахара и их производные –
трегалоза, сахароза, сульфотрегалоза и
гликозилглицерол;
-
бетаины (триметилированные
соединения аммония) и тетины
(диметилированные соединения сульфония);
-
эктоин
аминокислоты, включая пролин,
глютамин и глютаминовую кислоту; Nацетилированные аминокислоты (Nацетилорнитин) ;
-
2-сульфотрегалоза
эктоины – эктоин и βгидроксиэктоин и ряд других.
Влияние водного стресса на аккумуляцию спиртов и сахаров у
ксерофильного изолята Aspergillus flavus (Neschi et al., 2004)
Защитная функция осмолитов
по отношению к биополимерам
цитоплазмы
Гидратная оболочка белка
состоит из упорядоченных
молекул воды. Ионы Na+ и Clмогут проникать через
гидратную оболочку и влиять на
нековалентные связи, которые
поддерживают структуру
белковой молекулы. Осмолиты
же не проникают через
гидратную оболочку и не
вступают в прямой контакт с
белком, но создают препятствие
для разрушения ионами
гидратной оболочки .
Состав жирных кислот
галофильных
(H.werneckii)
и
галочувствительных
(S.cerevisiae)
дрожжеподобных
и
дрожжевых
грибов,
выращенных при разных
концентрациях NaCl
Перестройка в составе мембранных липидов обеспечивает динамичное состояние
мембран и их функционирование в меняющихся условиях среды
Содовые солончаки Кулундинской степи
Галофиты содового озера Джира (Кулундинская степь, Южная
Сибирь)
Artemia
salina
Галофиты: Suaeda salsa; Anabasis salsa, Atriplex verrucifera,
Halocnemum strobilaceum, Salicornia europaea, Suaeda acuminate,
S. corniculata,
S. prostrate, Suaeda sp.
Роды грибов, изолированных на сусло-агар, среду Чапека и водный агар
22 рода(1 )
Penicillium (12)
(33 рода , 78 видов)
Acremonium
(9)
4 рода (2)
Verticillium (3)
Phialophora (3)
Fusarium (7)
Aspergillus (6)
Ulocladium (4)
Роды грибов, изолированных на щелочной агар
9 родов (1)
Acremonium
(12)
Scopulariopsis (2)
Emericellopsis (2)
Cladosporium (2)
Fusarium
(5)
Verticillium
(5)
(14 родов,36 видов)
Скорости радиального роста колоний алкалофильных, алкалотолерантных
и нейтрофильных микромицетов на твердых средах с разными значениями
рН
Рост Sodiomyces alkalinus при разных значениях рН среды
и концентрациях NaCl
Position of Sodiomyces
alkalinus clade within
Sordariomycetes.
Bayesian 50% majority-rule consensus
tree based on five gene data matrix
(SSU+LSU+RPB2+TEF1alpha+5.8S
rDNA). Actual members of
Heleococcum genus marked bold
within Bionectiaceae family. Thickened
branches indicate ML>90 and BI
posterior probability (PP)>95%.
Алкалофильные и
алкалотолерантные виды:
Сем. Plectosphaerellaceae
Сем. Bionectiaceae
(Sordariomycetes)
Sodiomyces alkalinus gen. nov. sp. nov.
(Plectosphaerellaceae, Incertae sedis,, Sordariomycetes, Ascomycota)
Важная роль в резистентности к факторам стресса принадлежит особенностям строения
Heleococcum alkalinum
(perithecium)
Heleococcum alkalinum (perithecia)
Скорость роста Sodiomyces alkalinus на средах с разными источниками
углерода при разных значениях рН
Гены pacC, palA, palB, palC, palF, palH and palI участвуют в
регуляции рН
Herbert N.
Arst Jr et al.
(2003)
Emericellopsis sp.
(Bionectriaceae, Hypocreales, Sordariomycetes,, Ascomycota)
Местообитания с низкими значениями рН
Кислые источники, рудничные сточные воды, отвалы угольных шахт,
верховые болота
Dothideomycetes, Eurotiomycetes
Acontium
velatum
(Incertae
sedis,
Ascomycota)
был
изолирован
из
лабораторной среды, содержащей 2.5N
H2SO4, растет в границах рН 0.2 – 0.7
(Gross, Robbins, 2000).
Ацидофильный гриб Acidomyces acidophilus
(Capnodiales, Dothideomycetidae, Dothideomycetes, Pezizomycotina, Ascomycota)
Изолирован из содержащих серу промышленных стоков (рН≤2), оптимум рН 3 –
5; хорошо растет при рН 1, умеренная галотолерантность
Потоки ионов через плазмалемму и тонопласт
Изменения значений рН
в цитоплазме и вакуолях
Aspergillus niger при изменении
внешнего рН
Грибы на поверхности
скал
Capnodiales,
Dothideales,
Chaetothyriales,
Pleosporales
A,B - Земля Виктории,
Антарктида
C, D - песчаник, на
котором развиваются
криптоэндолиты
(Recurvomyces mirabilis,
Elasticomyces elasticus,
растут при рН0)
E, F- развитие грибов на
поверхности скал (СЭМ)
Recurvomyces mirabilis
(Capnodiales, Dothideomycetidae, Dothideomycetes, Pezizomycotina, Ascomycota)
Cryomyces antarcticus Selbmann, de Hoog, Mazzaglia, Friedmann et
Onofri gen. sp. nov.
(Incertae sedis, Incertae sedis, Incertae sedis, Dothideomycetes)
Дрожжеподобная организация. Энтеробластическое прорастание
толстостенной материнской клетки. Монилиоидные гифы.
Friedmanniomyces endolithicus Onofri
(Capnodiales, Dothideomycetidae, Dothideomycetes, Ascomycota)
Монилиоидные гифы. Вздутые терминальные клетки
Неидентифицированный
гриб,
обитающий на скалах в Антарктике
(Selbmann et al., 2005).
А- F-гифы, монилиоидные гифы,
артрическое образование конидий
G-H- парные клетки
Температура
Температурные сдвиги
Изменение структуры биополимеров
Изменение скоростей биохимических реакций
Механизмы
устойчивости к действию
температуры:
•температурозависимые
модификации ферментов с
измененной каталитической
активностью;
•изменение содержания
фермента в клетке;
•температурозависимые
модификации липидов
мембран.
Психрофилы
Мезофилы
Термофилы
Изменение
физиологических процессов
Ландшафты
Антарктиды
Ландшафты
Арктики
и Антарктики
«Психрофилы» – организмы, имеющие оптимум роста при Т ниже 160С и максимум
около 200С (Schmidt-Nielsen, 1902)
Cladosporium spp., Penicillium spp., стерильные мицелии –
важная часть психротолерантного сообщества грибов
Снежные плесени
ToC
min
Sclerotinia borealis
Typhula idahoensis
T. trifolii
opt
max
≤-7
0
≥15
-5
5
20
Разнообразие видов Penicillium в морской воде, замерзшей
морской воде и в леднике фьордов на Шпицбергене
(Gunde-Cimerman et al., 2003, 2009).
Geomyces pannorum
(Link) Sigler & J.W. Carmich.
из криопэгов (температура –9—
-11оС, соленость 170-300 г/л)
(Kochkina et al., 2004)
Важнейшая стратегия приспособления к низкотемпературным условиям состоит в
выработке механизмов, препятствующих образованию льда внутри клеток (белкиантифризы, криопротекторы)
Местообитания термофильных и
термотолерантных видов грибов
T 0С опт.
Aspergillus fumigatus
35 - 43
Chaetomium thermophilum 40 - 53
Talaromyces thermophilus
(Penicillium dupontii)
45 - 50
Термофилы не растут при температуре ниже 200С, максимальная
температура выше 500С, оптимальная 40-500С
Оптимальные, минимальные и максимальные температуры для
роста некоторых термотолерантных и термофильных грибов
Устойчивость к действию температуры аскоспор, конидий мицелиальных
грибов и дрожжевых клеток (Buggerman a. Samson, 1988)
Возможные механизмы термотолерантности: модификации биополимеров, модификации
липидов мембран, БТШ
Микроаэрофильные и анаэробные грибы
Микроаэрофилы (Mucor spp., Rhizopus spp., Fusarium spp., Penicillium spp., Trichoderma
spp., Beauveria spp.)
Анаэробные грибы
Piromonas communis (Chytridiomycota)
Sphaeromonas communis
Neocallimastix frontallis
Mucorge nevensis (Zygomycota)
Benjaminiella poitrasii
30% деградации целлюлозы производится
грибами
106/г
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В условиях действия стрессовых факторов среды формируются специализированные
сообщества грибов.
2. Специальные подходы, методы изоляции и идентификации, включающие молекулярные
исследования, необходимы при работе с грибами экстремальных местообитаний. Быстро
развиваются и методы прямого обнаружения грибов в образцах, без выделения в культуру.
3. Сообщества грибов в условиях стресса характеризуются незначительным видовым
разнообразием, включают как экстремочувствительные, так и экстремотолерантные и
экстремофильные виды. В условиях крайне выраженного действия фактора стресса это могут
быть 1-3 вида, численность которых может быть достаточно высока.
4. Экстремофильные виды характеризуются отсутствием ITS-полиморфизма.
5. Адаптировавшиеся виды обладают механизмами устойчивости к действию стрессоров,
причем эти механизмы адаптаций имеют базовый характер, то есть:
- характерны для разных групп организмов: дрожжей, мицелиальных грибов, водорослей и
даже бактерий;
- обеспечивают устойчивость к целому ряду стрессоров, то есть имеют универсальный
характер.
6. Ответные реакции на действие факторов стресса затрагивают изменения в экспрессии генов,
метаболизме, физиологических функциях и гомеостазе.
7. Сообщества грибов экстремальных местообитаний включают новые для науки таксоны,
часто надвидового ранга, с неизвестными свойствами.
8. Грибы-экстремофилы могут быть использованы:
- как модели для изучения механизмов адаптации;
- как продуценты новых ценных вторичных метаболитов в биотехнологии.
Спасибо за внимание…и
понимание