Білки, гомологічні аквапоринам вищих рослин прісноводних водоростей Ulothrix zonata (Ulotrichales, Chlorophyta)

Оригінальні статті

Повна стаття
Цифри та дані
Список літератури
Цитати
Метрики
Передруки та дозволи
PDF
EPUB

Анотація

Вступ

Нитчаста зелена водорость Ulothrix zonata (Вебер та ін Мор) Кюц. (Ulotrichales, Ulvophyceae) - широко поширений вид, який, як правило, мешкає в зоні бризок та мілководді помірних озер. Вид, схоже, пристосований до холоду і, як правило, демонструє сезонні особливості зростання (Грем та ін., 1985 рікb ). У Байкалі, U. zonata інтенсивно розвивається в березні – квітні на нижній поверхні крижаного покриву Байкалу за відносно стабільних температур, близьких до 0 ° С. Він зростає в достатку в період без льоду (травень – вересень) (Іжболдіна, 1990), а влітку утворює щільний покрив на камені біля краю води, де нитки піддаються значним добовим коливанням температури.

Опубліковано в Інтернеті:

Рис. 1–4. Зміни в середовищі існування та розмірах клітин Ulothrix zonata протягом різних сезонів. Рисунки 1, 2. Населення криги в березні. (Рис. 1) Крижана поверхня заростає U. zonata. (Рис. 2) Легко пігментовані нитки популяції льоду. Рис.3, 4. Популяція бентосних водоростей. (Рис. 3) Камені, зарослі U. zonata. (Рис. 4) Короткоклітинні, щільно пігментовані U. zonata нитки літньої популяції. Шкала шкал: Рис. 2 і 4, 100 мкм.

Рис. 1–4. Зміни середовища існування та розмірів клітин Ulothrix zonata протягом різних сезонів. Рисунки 1, 2. Населення криги в березні. (Рис. 1) Крижана поверхня заростає U. zonata. (Рис. 2) Легко пігментовані нитки популяції льоду. Рис.3, 4. Популяція бентосних водоростей. (Рис. 3) Камені, зарослі U. zonata. (Рис. 4) Короткоклітинні, щільно пігментовані U. zonata нитки літньої популяції. Шкала шкал: Рис. 2 і 4, 100 мкм.

Фізіологічна акліматизація та адаптація водоростей із прісноводних крижаних спільнот залишаються недостатньо вивченими. Раніше льодовикові та придонні популяції Росії U. zonata з Байкалу було показано, що вони відрізняються від морських Улотрикс види, маючи високий вміст поліненасичених жирних кислот (ФК) та сезонні коливання температури води, мали лише незначний вплив на їх загальну кількість (Осипова та ін., 2009). Активний контроль потоку води може мати вирішальне значення для адаптації до холодних температур, але деталі механізмів невідомі (Maurel та ін., 2008). Рух води через мембрани плазми та тонопласта опосередковується аквапоринами, причому різні представники цього сімейства генів специфічні для розвитку, стресу та клітинного розподілу. У літературі є ряд даних про важливу роль аквапоринів, що належать до сімейства PIP, у адаптації до низьких температур. Лікування холодом знижувало експресію більшості генів PIP у Арабідопсис (Jang та ін., 2004), а в листі пшениці спостерігалося значне підвищення рівня транскриптів PIP після холодної акліматизації (з 22ºC до 4ºC) (Герман та ін., 2006).

У цьому дослідженні ми були зацікавлені у виявленні аквапоринів, пов’язаних із власними білками плазматичної мембрани (PIP) з U. zonata, Озеро Байкал, і можливі сезонні коливання їх чисельності.

Матеріали і методи

Хімікати

Ponceau S, Tween-20, DTT, nBT, BCIP та SigmaMarker (широкий діапазон 6500–200 000 Da) були придбані у Sigma Inc. (Сент-Луїс, штат Міссурі). PMSF були отримані від Calbiochem (США); PVP від Biomedicals (Німеччина); нітроцелюлозні мембрани Hybond ECh від Amersham Biosciences (Великобританія); вторинні антитіла, кон'юговані з лужною фосфатазою від Promega (США). Первинними антисиворотками були антитіла проти AtTIP фірми Agrisera, Швеція (продукт AS09 493), що розпізнають C-кінцевий γ-TIP (TIP1) пептид INQNGHEQLPTTDY та кролячі анти-ZmPIP1 антитіла, спрямовані проти збереженого N-кінцевого пептиду ізоформ ZmPIP1GGPGPGPGPGPGPGPGPGPPPPPPGPGPGPGPGPGPGPGPGFGFGWDWWWWW, KGT, Мартінес-Баллеста та ін., 2008). Для контролю специфічності ми використовували блокування антисироватки з допомогою рекомбінантного злитого білка GST-ZmPIP1-N-кінця, який використовувався для підняття антитіл, і TIP1; 1, TIP1; 2 (внутрішній білок тонопласту), що блокує пептид від Agrisera (продукт AS09 493P) відповідно.

Рослинні матеріали

Ulothrix zonata був відібраний з нижньої поверхні крижаного покриву (товщиною 0,9–1 м) Байкалу в березні та квітні 2006 р. підводним плаванням та з каменів на березі води в липні 2006 р., липні та жовтні 2007 р. та 10 та 19 жовтня 2013 р. Усі зразки очищали від видимих домішок і транспортували до лабораторії в термостабільному контейнері протягом 1 години. Зразки сушили на фільтрувальному папері (Bio-Rad), а потім водорості заморожували в рідині N2 і зберігали при -70ºС до екстракції. Приблизно 96% зразків під льодом (березень та квітень 2006 р.), 95% зразків, зібраних у липні 2006 та 2007 рр., Та 97–99% зразків з жовтня 2007 та 2013 рр. Складались із U. zonata нитки з незначною кількістю епіфітних діатомових водоростей. Arabidopsis thaliana листя використовували як позитивний контроль.

Вимірювання розміру комірки

Вимірювали довжину та ширину 50 клітин, вибраних випадково з кожної популяції, під світловим мікроскопом «Peraval» (Carl Zeiss Jena, Німеччина) при збільшенні 800 ×. Для оцінки об'єму комірки (V) і поверхні (S) було обрано найближчу геометричну фігуру (тобто циліндр) та проведено розрахунки за формулами V = πr 2 l та S = 2πrl + 2πr 2, де r - радіус клітина, а l - довжина комірки.

Моніторинг температури води

Температуру постійно реєстрували з інтервалом у 1 год на місцях відбору проб за допомогою автономних програмованих датчиків (Stow Away TidBit Loggers, OnSet Corp., Cape Cod, Massachusetts), як на березі води, так і на глибині 3,6 м. Температуру води на краю води вимірювали ртутним термометром при негативних температурах повітря (наприклад, у жовтні 2007 р.).

Приготування білкових екстрактів

Заморожені водорості гомогенізували піском із високим діоксидом кремнію та буфером (pH 7,5), що містить 50 мМ трис-HCl, 5 мМ EDTA, 1 мМ PMSF, 2 мМ DTT, 0,1% PVP та 0,5 M сахарози у співвідношенні 1: 1 (w/v) протягом 20 хв. Гомогенат обробляли ультразвуком (40 кГц протягом 20 хв) і центрифугували при 10000 g протягом 20 хв, супернатантну фракцію центрифугували при 100000 g протягом 1 год в ультрацентрифузі (Sorvall Discovery 90SE, США). Отриману гранулу (мікросомні білки) ресуспендували в 5 мМ буфері Tris-НСl (рН 7,5), що містить 0,33 М сахарози та 2 мМ DTT. Мікросомальна фракція була взята з листя Арабідопсис і використовується для контролю вестерн-блот-аналізу. Всі процедури проводили при 4 ° C. Вміст білка визначали, як описано Бредфордом (1976), використовуючи сироватковий альбумін як еталон калібрування.

SDS-PAGE та Вестерн-блот-аналіз

Вилучення та секвенування ДНК

Опубліковано в Інтернеті:

Таблиця 1. Список Ulothrix zonata зразки з Байкалу та околиць, для яких були визначені послідовності ITS2 та часткові LSU рДНК.

Результати

Температура води в середовищі проживання Ulothrix zonata

Вимірювання температури води на береговій лінії показало помітні добові коливання: у липні 2006 року температура води змінилася з 5,5ºС вночі до 11ºС вдень; у липні 2007 року від 5ºС вночі до 15ºС вдень; У жовтні 2007 року температура води знизилася до 6–8ºС, а нічна температура повітря знизилася до −5ºС. У березні та квітні 2006 р. Температура води під льодом коливалася в межах 0,1–0,3ºС і суттєво не змінювалася. Температура води, виміряна 10 та 19 жовтня 2013 р., Становила 6–7ºС та 4,3ºС відповідно.

Розміри комірки Ulothrix zonata

Клітини U. zonata з льодової популяції були видовженими, довжина клітин перевищувала ширину приблизно в 4,5 рази, і містила великі вакуолі (рис. 1 і 2). Клітини літніх популяцій були компактнішими та ширшими (рис. 3 та 4; див. Також таблицю 2). Бічна поверхня клітин була в 1,5 рази більшою в популяції льоду. Повністю вирощені клітини донної популяції (влітку) були в 1,3 рази більшими за обсягом, ніж клітини льоду. Ця різниця у розмірах клітин та вакуолізації корелювала з різними стадіями в історії життя U. zonata у різні сезони, тобто вегетативний ріст був бурхливим навесні (все ще під крижаним покривом), в той час як влітку популяції інтенсивно розмножувалися фрагментацією і починали виробляти зооспори, а пізніше і гамети. Така велика фенотипова пластичність, особливо в діаметрі нитки, була задокументована в U. zonata раніше (наприклад, Lokhorst & Vroman, 1974; Shyam & Saxena, 1980). Фенотипова пластичність виражена у багатьох зелених макроводоростей, наприклад. Ульва (Мальта та ін., 1999), Будлея (Лелієрт та ін., 2009), Кладофора (ван ден Хоек, 1963), Аегагропіла і Пітофора (Будекер та ін., 2012), Каулерпа (Оба та ін., 1992; Де Сенерпонт Доміс та ін., 2003), і Спірогіра (McCourt & Hoshaw, 1990).

Опубліковано в Інтернеті:

Таблиця 2. Розміри комірок Ulothrix zonata в період льодовикового покриву та відкритих вод на екологічному полігоні Березовий у 2006 році.

Імунодетекція аквапоринів

Аквапорини підсімейств PIP і TIP утворюють пори в клітинних мембранах рослин і беруть участь у міжклітинному та внутрішньоклітинному потоці води (Maurel та ін., 2008). Вестерн-блот з антитілами проти ZmPIP1 показав, що мікросомальна фракція U. zonata включали білки, гомологічні підгрупі PIP1 вищих рослин (рис. 5а). Були виявлені сигнали приблизно 26 кДа і 50 кДа, які є діагностичними для білків PIP, де після електрофорезу поліакриламідного SDS зазвичай виявляються мономерні та димерні форми (Kammerloher та ін., 1994; Деніелс та ін., 1996; Генцлер та ін., 1999) (рис. 5а). Попередня інкубація антисироватки з рекомбінантним GST-білком, що містить PIP1-епітоп, скасувала вестерн-блот-сигнали (рис. 5b, d), що підтвердило, що сигнали були отримані від пов'язаних з PIP1 антигенів. Рівень PIP1 був найвищим протягом весни у водоростей, що росли на нижній стороні крижаного покриву при температурі, близькій до 0 ° С; влітку він зменшився, а наприкінці жовтня знову почав зростати. Подібна кореляція PIP1 у водоростях та температури навколишнього середовища спостерігалась у зразках, відібраних наприкінці осені 2013 р. - кількість PIP1 зростала із зниженням температури води з 7 до 4 ° С (рис. 5в).

Опубліковано в Інтернеті:

Рис. 5. Вестерн-блоттінг мембранних білків Ulothrix zonata популяції з Байкалу з використанням антитіл проти ZmPIP1 (a, c). Контроль специфічності антисироватки (b, d). Антисироватку проти ZmPIP1 попередньо інкубували з рекомбінантним GST-білком, що містить PIP1-епітоп, а потім використовували для зондування вестерн-блот.

а, б. (1) - популяція льоду, березень 2006 р. (Температура води близько 0 ° C); (2) - популяція льоду, квітень 2006 р. (Температура води близько 0 ° C); (3) - бентичне населення, липень 2006 р. (Температура води від 5ºС вночі до 15ºC вдень); (4) - населення бентосу, вересень 2007 р. (Температура води від 7ºC вночі до 15ºC вдень); (5) - популяція бентосу, кінець жовтня 2007 р. (Температура води від 5 ° С до 7 ° С); (6) - Арабідопсис (позитивний контроль). c, d. (1) - донне населення, 10 жовтня 2013 року (температура води близько 7 ° C); (2) - бентосова популяція, 19 жовтня 2013 р. (Температура води близько 4 ° C); (3) - Арабідопсис (позитивний контроль).

Антитіла проти TIP1, що розпізнають пептид, збережений на C-кінці білків γ-TIP, виявили сигнал у популяції льоду (березень і квітень 2006 р.) З електрофоретичною рухливістю, типовою для білків TIP, показуючи очікувану димерну форму при 42 кДа на додаток до мономер при 23 кДа (дані не наведені). Попередня інкубація антисироватки з блокуючим пептидом TIP1; 1, TIP1; 2 скасувала вестерн-блот-сигнали в Арабідопсис, але ні U. zonata. Отже, ми не можемо однозначно дійти висновку, що білки, ідентифіковані з антитілами проти AtTIP, є справжніми гомологами аквапоринів підродини TIP.

Тому що Улотрикс використаний матеріал походить із природних середовищ існування, а не з культур, імунодетекція повторювалася шість разів, і кожен раз отримували сильні сигнали, які не можна віднести до слідів забруднення (від 1 до 5% епіфітних діатомових водоростей).

Конспективність крижаних та літніх популяцій та екологічна диференціація

Для того, щоб з'ясувати взаємозв'язок крижаних та літніх популяцій, ми провели секвенування рДНК Ulothrix zonata зразки. Послідовності рДНК LSU мали довжину 578 пар основ (bp) і однакові для всіх семи зразків, які були секвенировани (таблиця 1). 10 послідовностей рДНК ITS2 були довжиною 338 п.н. і відрізнялися максимум двома п.н. (що еквівалентно менш ніж 1% розбіжності): два зразки R18 (популяція льоду, озеро Байкал) та Q38 (місто Іркутськ) мали дві точкові мутації при позиції 203 і 276, тоді як інші вісім зразків мали однакові послідовності. Однак послідовність ITS2 зразка Q42 (острови Ушкани, озеро Байкал) показала два ділянки з індивідуальними варіаціями (позиції 169 та 172), а зразок Q32 (невелика річка біля Великих Котів) показали ті ж самі індивідуальні варіації в позиції 172 Єдина послідовність ITS2 U. zonata доступний на GenBank (походження Чеська Республіка, номер приєднання Z47999) відрізнявся від зразків з Прибайкалля на шість батончиків (що еквівалентно менш як 2% розбіжності).

Ці низькі рівні розбіжностей послідовностей у типово дуже мінливій області ITS2 слід розглядати як внутрішньовидову варіацію. Регіон ITS широко використовувався у Chlorophyta та Ulvophyceae для окреслення на видовому рівні, і подібні або вищі рівні розбіжності послідовностей розглядались як такі, що представляють внутрішньовидову варіацію. У той час як риботип крижаної популяції відрізнявся на два п.н. від літніх популяцій, такий самий риботип був знайдений і влітку (зразок Q38, див. Таблицю 1), а `` літній риботип '' також був знайдений взимку в гірському потоці (зразок R20). популяції U. zonata про те, що зберігаються під зимовим озерним льодом і породжують великі весняні цвітіння, також повідомлялося з озера Гурон, США (Грехем та ін., 1985 рікa ). Наші обмежені вибірки не виявляють жодної закономірності диференціації популяції, але свідчать про низький рівень внутрішньовидових коливань у U. zonata.

Обговорення

Перші записи аквапоринів для класу Ulvophyceae

Нещодавно було показано, що зелені водорості (Chlorophyta) містять білки нових підкласів MIP: MIP A, MIP B, MIP C, MIP D, MIP E та GIP, PIPs були присутні в декількох випадках, і TIP відсутні у всіх досліджувані таксони (Андерберг та ін., 2011). Однак досліджувались лише представники класів зелених водоростей Trebouxiophyceae, Mamiellophyceae та Chlorophyceae; Ulvophyceae не були включені в це дослідження, оскільки в даний час немає геному для цього класу. Ulothrix zonata класифікується в порядку Ulotrichales у межах Ulvophyceae (Lewis & McCourt, 2004; Cocquyt та ін., 2010 р .; Лелієрт та ін., 2012).

Було б цікаво провести детальні популяційні генетичні дослідження, щоб оцінити можливі зміни частот риботипів у часі та географічних масштабах, також щодо рівня залягання та рівня експресії аквапорину, та шукати гени, що відбираються.

Вплив аквапоринів PIP1 на пристосування до холоду U. zonata

Наші спостереження дозволяють припустити, що виявлені антигени PIP1 є конститутивними, проте диференційовано експресованими білками клітинної мембрани з великою кількістю, що корелює з низькою температурою води. Виходячи з молекулярних даних, популяції льоду та літа виявляються суто специфічними, і відмічені відмінності у експресії аквапоринів представляють пристосування до мінливих умов навколишнього середовища. Варіації вмісту PIP1 у U. zonata були подібними до таких під час адаптації мезофітів до низьких температур: підвищений рівень аквапорину PIP1 був виявлений у листі пшениці взимку та знижений протягом весни (Yakovlev & Borovskii, 2003). Однак на накопичення PIP1 навесні також може впливати плодове вегетативне розмноження водоростей, коли аквапорини плазмалеми синтезувались у активно ділильних клітинах. Наші сучасні знання дозволяють припустити, що підродини аквапоринів були загублені в деяких родах хлорофітів, але вища специфічна для рослини підсімейство аквапорину PIP1 була збережена в процесі еволюції Ulvophyceae.

Взаємозв'язки між лініями зелених водоростей залишаються в основному невирішеними, головним чином тому, що дані про кілька генів доступні лише для обмеженої кількості таксонів. Подібним чином, філогенетичні взаємозв'язки між основними пластами основних хлорофітів (Ulvophyceae, Trebouxiophyceae та Chlorophyceae) і всередині них знаходяться не повністю (Leliaert) та ін., 2012). Майбутня робота повинна включати послідовність розшифровки стенограми U. zonata та/або послідовності амінокислотної послідовності виділених аквапоринів для оцінки гомології зі стрептофітовими аквапоринами. Таким чином, крижана популяція Росії U. zonata, що населяє озеро Байкал, є унікальним предметом для вивчення фізіологічних та біохімічних механізмів адаптації прісноводних екстремофілів.

Подяка

Автори дякують доктору І.В. Ханаєв, Є.А. Волкова та В.С. Вишнякову за допомогу у відборі зразків. Професор М. Юма (Центр екологічних досліджень при Університеті Кіото, Японія) люб’язно надав лісоруби для вимірювання температури води. Є. М. Тимошкіна відзначається за допомогу у підготовці рукопису та перекладі його англійською мовою.

Заява про розкриття інформації

Автор (и) не повідомив про потенційний конфлікт інтересів.

a WELT = Національний музей Нової Зеландії Te Papa Tongarewa.

b Зберігається в лабораторії біології безхребетних, Лімнологічний інститут Іркустська, Сибірське відділення Російської академії наук.

c Два сайти з інтраіндивідуальними варіаціями (один із них має зразок Q32).

d Один сайт з інтраіндивідуальними варіаціями (спільний із зразком Q42).

n = 50: Бічну поверхню та об’єм оцінювали на основі довжини та ширини (матеріали та методи).