Введение к работе
Актуальность проблемы. Лишайники до настоящего времени представляют собой классический объект изучения различных аспектов функционирования симбиотических организмов как специализированных надорганизменных систем, сформированных генетически разными партнерами [Rikkinen, 2002]. Тем не менее, экспериментальных работ в лихенологии сравнительно не много, особенно в области физиолого-биохимических механизмов, обеспечивающих узнавание партнеров, формирования уникальной морфофизиологической структуры таллома лишайника и взаимодействия мико- и фотобионта (циано- и/или фикобионтов). Ключевую роль в образовании лишайникового симбиоза играют химические механизмы дистантного и контактного узнавания партнеров [Rai et al, 2000], которые различны при взаимодействии гриба с микроводорослями и цианобактериями. Контакт микобионта с фикобионтом осуществляется при участии АВР-белков (algae-binding proteins) путем белок-белкового связывания, а взаимодействие с цианобионтом обеспечивают лектины [Petit et al, 1983; Stocker-Worgotter, 2001], белки или гликопротеины, связывающие с высокой специфичностью олигосахаридные остатки. Предполагают, что связывание лектинов с компонентами клеточной стенки цианобактерий может запускать процессы их клеточной дифференцировки [Kardish et al, 1991]. Агглютинины двухкомпонентных пианолишайников Peltigera canina, Nephroma laevigatum, Parmelia michauxiana охарактеризованы как лектины гликопротеидной природы с молекулярной массой 20-100 кДа [Petit et al, 1983; Kardish et al, 1991; Howe, Barrett, 1970]. Однако в литературе отсутствуют данные о пространственном распределении лектинов в талломах лишайников.
Основные работы по изучению процессов селективного взаимодействия партнеров в талломах лишайников выполнены на двухкомпонентных фико- и пианолишайниках. Предполагают, что в случае трехкомпонентных лишайников, с различной морфоструктурной локализацией цианобионта в талломе, система узнавания и взаимодействия партнеров более сложна [Gassmann, Ott, 2000].
Целью работы явилась характеристика лектинов листоватых лишайников в связи с морфоструктурными и физиологическими особенностями строения таллома.
Задачи исследования:
Выделить и охарактеризовать лектин таллома трехкомпонентного лишайника Peltigera aphthosa (L.) Willd.
Провести сравнительный анализ распределения лектинов в талломах двухкомпонентного цианолишайника Peltigera scabrosa Th. Fr. и трехкомпонентных лишайников Peltigera aphthosa (L.) Willd и Nephroma arcticum (L.) Torss. с различной локализацией цефалодиев.
Изучить особенности зональной топографии цефалодиев на поверхности таллома лишайника Peltigera aphthosa.
Определить сродство лектина лишайника Peltigera aphthosa к свободноживущим цианобактериям.
Научная новизна. Впервые выделен и охарактеризован лектин гликопротеиновой природы из трехкомпонентного лишайника P. aphthosa. Показано, что распределение лектина в талломе этого лишайника связано с его морфологией.
Установлено, что апикальные зоны таллома характеризуются максимальной: 1) средней концентрацией лектина и 2) вариабельностью, а базальные зоны таллома -минимальной его концентрацией. Выявлены различия в картинах распределения лектинов в талломах листоватых лишайников с разной локализацией цианобактерий. Установлено, что в двухкомпонентном цианолишайнике P. scabrosa содержится максимальное количество агглютининов, и большая их часть сосредоточена в апикальной зоне. В трехкомпонентном лишайнике с внешними цефалодиями P. aphthosa лектины распределены по всему таллому с некоторым увеличением их концентрации в апикальной зоне. В талломе трехкомпонентного лишайника с внутриталломными цефалодиями N. arcticum агглютинины практически отсутствуют и обнаруживаются лишь в местах локализации цианобионта.
Установлено, что средняя площадь цефалодиев таллома трехкомпонентного лишайника P. aphthosa максимальна в медиальной, а минимальна - в апикальной зонах таллома. Впервые показано, что число и суммарная площадь цефалодиев линейно зависят от площади таллома.
Практическое значение. Предложен метод выделения и очистки лектинов из талломов листоватых лишайников, который может быть использован в биотехнологии для получения препаратов лектинов - специфических меток для обнаружения олигосахаридных остатков, а также лекарственных коньюгатов для доставки действующего вещества к специфическим мишеням.
Разработан новый подход к анализу физиологического состояния талломов листоватых лишайников и сравнению активности их участков, который может быть использован в лихенологических исследованиях и биоиндикации.
Результаты работы внедрены в систему биологического образования. Предложенные методы используются при проведении летней практики студентов 3 курса биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, лекционных курсах «Общая симбиология», «Экспериментальная симбиология».
Апробация работы. Результаты исследования были представлены и
обсуждены на заседании кафедр физиологии микроорганизмов и микологии и
альгологии биологического факультета МГУ, Юбилейной конференции,
посвященной 85-летию кафедры микологии и альгологии МГУ им. М. В. Ломоносова, «Микология и альгология - 2004» (Москва, 2004), XI международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2004» (Москва, 2004), VIII молодежной конференции ботаников (Санкт-Петербург, 2004), Международной конференции «Грибы в природных и антропогенных экосистемах», посвященной 100-летию начала работы профессора А. С. Бондарцева в Ботаническом институте им. В. Л. Комарова РАН, (Санкт-Петербург, 2005), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Автотрофные микроорганизмы (памяти академика РАН Е.Н. Кондратьевой)» (Москва, 2005), Международной конференции, посвященной 200-летию Казанской ботанической школы, (Казань, 2006), Международной конференции, посвященной 75-летию
Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова «Грибы и водоросли в биоценозах — 2006» (Москва, 2006), I (IX) международной конференции молодых ботаников (Санкт-Петербург, 2006), X научной конференции Беломорской биологической станции МГУ (ББС МГУ, 2006), Всероссийской конференции с международным участием «Фундаментальные и прикладные аспекты исследования симбиотических систем» (Саратов, 2007), XVI международной конференции «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии» (Гурзуф, 2008), VII конференции молодых ученых и специалистов, посвященной Дню космонавтики и к 45-летию ГНЦ РФ-ИМБП РАН, (Москва, 2008) и Всероссийской научной конференции с международным участием «Физиология и генетика микроорганизмов в природных и экспериментальных системах» (Москва, 2009).
Публикации. Всего по материалам диссертации опубликовано 14 работ, среди них 2 статьи в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации соискателей ученой степени кандидата наук, и 5 статей, опубликованные в материалах международных конференций. Экспериментальные данные, представленные в диссертации, получены лично соискателем и опубликованы в соавторстве с руководителями и сотрудниками, работавшими совместно с автором в процессе выполнения работы.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на стр.
машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, списка цитированной литературы, включающего 138 наименований (из них 125 на иностранных языках). Работа содержит 2 таблицы и иллюстрирована 18 рисунками.
