Новые цианобактерии, использующие дальний красный свет (выявление, описание и функциональный анализ): 2021 г. этап 2

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

После открытия нетривиальных цианобактерий, использующих ДКС (Miyashita et al., 1996), структурно-функциональные особенности их фотосинтетического аппарата стали предметом глубокого анализа (Tomo et al., 2014; Akimoto et al., 2015). Однако число посвященных им публикаций относительно невелико (около 150 за 20 лет). Следует также признать, что этими объектами занимается ограниченный круг исследователей, главным образом специалистов в области фотобиологии, тогда как бактериологи уделяют им недостаточно внимания. Поэтому неудивительно, что выявленное разнообразие обладателей длинноволновых хлорофиллов невелико, и среди них мало удобных модельных объектов, что тормозит прогресс фундаментальных исследований феномена даптации к ДКС.

Таким образом, актуальность Проекта - в первую очередь в том, чтобы найти и описать в рамках бактериальной полифазной таксономии (см. Vandamme et al., 1996; Gillis et al., 2001) новые цианобактерии, использующие ДКС. Это столь же актуально для фундаментальной микробиологии, как и планируемое в Проекте изучение филогении вновь найденных объектов, выявление их партнеров в смешанных культурах, анализ распространения генов адаптации к ДКС, а также исследование взаимодействия основного светособирающего комплекса с длинноволновыми хлорофиллами. Исследование также актуально в свете разработки систем промышленного фотосинтеза с новым источником энергии и новыми объектами биотехнологии (см. Tomo et al., 2014; Akimoto et al., 2015).

описание для неспециалистов

Фотосинтез, связанный с окислением воды и выделением кислорода (оксигенный фотосинтез), осуществляют представители лишь одной группы фототрофных бактерий – цианобактерии. Они (как и эукароитные фотосинтетики) используют в этом процессе энергию света из видимой части спектра (диапазон длин волн 400-700 нм). Способность некоторых цианобактерий использовать дальний красный свет (диапазон длин волн 700-800 нм) была обнаружена в 1997г. и чаще всего связана с синтезом специальных форм фотосинтетических пигментов-хлорофиллов d и/или f. Расширение диапазона длин волн световой энергии, подходящей для осуществления фотосинтеза, позволяет им занимать более разнообразные экологические ниши, в том числе и слабо обеспеченные белым светом.
На сегодняшний день известно небольшое количество видов цианобактерий, обладающих данной способностью. Их можно разделить на две группы. Представители первой постоянно образуют и накапливают в клетках хлорофилл d, независимо от условий освещения, второй – способны адаптивно синтезировать хлорофиллы d и/или f только в условиях освещения дальним красным светом. Для модельных объектов второй группы описан и частично расшифрован механизм данного адаптивного ответа, названного фотоадаптацией к условиям освещения дальним красным светом. Поскольку выявленное разнообразие цианобактерий-обладателей длинноволновых хлорофиллов еще невелико, и среди них мало удобных модельных объектов, тормозится процесс фундаментальных исследований феномена адаптации к дальнему красному свету. Следует также признать, что этими объектами занимается ограниченный круг исследователей, главным образом специалистов в области фотобиологии, тогда как бактериологи уделяют им недостаточно внимания. Таким образом, актуальность Проекта - в первую очередь в том, чтобы найти и описать в рамках бактериологической полифазной таксономии новые цианобактерии, использующие дальний красный свет. Сформированный пул культивируемых штаммов станет доступным для широкого круга исследователей феномена адаптации к дальнему красному свету у цианобактерий.
Исследование возможности использования дальнего красного света для осуществления оксигенного фотосинтеза имеет огромное теоретическое значение, поскольку позволит расширить представления о механизмах и условиях протекания этого процесса: получить данные о структуре и функционировании фотосинтетического аппарата, выявить генетические основы и этапы регуляции этого процесса адаптации. С другой стороны, открываются перспективы практического применения полученных знаний в целях использования естественных и создания искусственных систем, способных осуществлять процесс ассимиляции неорганического углерода в виде углекислого газа (первичная продукция), связанный с выделением кислорода, в условиях освещения дальним красным светом. Исследование также актуально в свете разработки систем промышленного фотосинтеза с новым источником энергии и новыми объектами биотехнологии.

основные результаты по этапу (кратко)

В ходе реализации этапа Проекта были выполнены все поставленные задачи. Для семи штаммов цианобактерий р. Leptolyngbya, Phormidium и Pseudаnabaena, вновь выделенных или отобранных после скрининга 153 штаммов из коллекции микроорганизмов (CALU) С.-Петербургского Государственного Университета, показана способность к образованию длинноволновых хлорофиллов (ДХ) при освещении дальним красным светом (ДКС). Аутентичность ДХ подтверждена методами абсорбционной и флуоресцентной спектроскопии. Согласно полученным данным риботипирования и результатам филогенетического анализа исследованные штаммы принадлежат к разным филотипам, что косвенно указывает на возможность горизонтального переноса генов, отвечающих за адаптацию к ДКС. Сформированная коллекция цианобактерий, способных образовывать длинноволновые хлорофиллы, служит источником новых модельных объектов для исследования механизмов фотоадаптации к ДКС.
С использованием полифазного подхода описан и опубликован новый род Altericista; один из его трех видов, A. variichlora (типовой штамм - CALU 1173), образует ДХ d и f при освещении ДКС. Секвенирован геном A. variichlora, содержащий генный кластер фотоакклиматизации к ДКС (FaRLiP). В отличие от двухкомпонентной сигнальной системы этого кластера, описанной другими авторами, ген регулятора ответа rfpB расположен на хромосоме отдельно от двух других генов - гена сенсора rfpA и гена проводника сигнала rfpC.
Полученные результаты использовались при подготовке публикаций в изданиях, включенных Web of Science, и докладов на проходивших в текущем году тематических научных конференциях.

описание вклада в работу каждого из участников (учётная форма ЦИТиС)

Пиневич А.В. -25%
Аверина С.Г. - 25%
Сенатская Е.В. - 25%
Полякова Е.Ю. -15%
Мигунова А..В. - 10%

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

не разрешается

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

разрешается
АкронимRFBR_a_2020 - 2
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания23/03/2128/12/21

Ключевые слова

  • Цианобактерии, полифазная таксономия, дальний красный свет, хлорофилл d, хлорофилл f, фикоцианин, фикоэритрин, фотоадаптация, FaRLiP, молекулярная филогения

Fingerprint

Просмотреть темы исследований, затронутые в этом проекте. Эти метки созданы на базе основных наград/грантов. Вместе они формируют уникальную картину активности.