Вредоносные цветения инвазийных потенциально токсичных динофлагеллят: экологические, клеточные и молекулярно-генетические предпосылки распространения в прибрежных водах морей европейской части России

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-14-00109

НазваниеВредоносные цветения инвазийных потенциально токсичных динофлагеллят: экологические, клеточные и молекулярно-генетические предпосылки распространения в прибрежных водах морей европейской части России

Руководитель Скарлато Сергей Орестович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-103 - Гидробиология и ихтиология

Ключевые слова гидробиология, прибрежные экосистемы, биологические инвазии, вредоносные цветения, молекулярная микробиология, протисты, динофлагелляты, гетерогенность популяций, миксотрофный метаболизм, белки стресса, ионные каналы, прогностическое моделирование

Код ГРНТИ34.35.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на выявление внешних предпосылок (экологических триггеров) и внутренних механизмов (клеточных и молекулярно-генетических драйверов) вредоносных цветений инвазийных потенциально токсичных динофлагеллят и разработку методов прогнозирования этих опасных явлений в прибрежных водах морей европейской части России. Актуальность, научная значимость и практическая востребованность решения данной проблемы определяются большим социально-экономическим значением этих организмов для человека и среды его обитания. Многие динофлагелляты известны своей способностью к синтезу вторичных метаболитов различной химической природы, которые токсичны для животных и человека. Особенно велика роль этих жгутиконосцев в формировании вредоносных «цветений» («красных приливов»), нарушающих баланс веществ и структуру потоков энергии в экосистемах, губительно действующих на флору, фауну, аквакультуру, качество морских прибрежных вод и здоровье человека. Исследования будут выполнены на модельных видах динофлагеллят из лабораторных культур, имеющихся в Лаборатории цитологии одноклеточных организмов Института цитологии РАН, и природных проб из разных регионов особого экономического значения, в том числе, открытых акваторий и крупных эстуариев (Финский, Куршский и Вислинский заливы) Балтийского моря. В рамках мультидисциплинарного подхода с помощью современных методов клеточной биологии, молекулярной генетики, биохимии и биоинформатики будут изучены физиологические характеристики клеток динофлагеллят в условиях стресса, особенности гетеротрофного питания, роль цитоскелетных элементов в обеспечении фагоцитоза, гетерогенность популяций модельного вида инвазийных потенциально токсичных динофлагеллят Prorocentrum minimum в отношении стратегий питания. Впервые будет разработан алгоритм для моделирования динамики популяций динофлагеллят с учетом их трофических особенностей. Новые данные об адаптивном потенциале этих миксотрофных динофлагеллят, наряду с результатами анализа вариабельности их экологической ниши по материалам из Балтийского моря, позволят определить триггерные факторы среды, расширение диапазона колебаний которых (например, в результате глобального потепления) может способствовать проникновению этого инвазийного вида в новые местообитания и его успешной натурализации в водоемах-реципиентах. Исследования будут выполнены в рамках нового научного направления – «Трансляционной водной экологии», предложенного руководителем данного проекта (Skarlato et al., 2018). Это научное направление подразумевает оперативный перенос в гидробиологию результатов новейших исследований, выполненных с помощью современных молекулярно-генетических и клеточно-биологических методов. Такой подход обеспечивает дополнительную фундаментальность гидробиологических исследований, позволяет получать научные результаты мирового уровня и способствует их эффективному использованию в рыбохозяйственной и природоохранной практике. В ходе выполнения проекта в рамках этого подхода впервые будет проведено всестороннее изучение инвазийных потенциально токсичных динофлагеллят P. minimum – в настоящее время единственного известного истинного вселенца в фитопланктоне Балтийского моря. Специальное внимание будет уделено исследованию рецептор-опосредованного эндоцитоза и фагоцитоза, а также морфологии и ультраструктуры клеток различных видов миксотрофных динофлагеллят, в том числе P. minimum, в ходе этого процесса. Будут выявлены факторы, индуцирующие фагоцитоз у модельных видов армированных и неармированных динофлагеллят. Будет разработан и протестирован на сферопластах P. minimum новый подход для регистрации активности потенциал-управляемых кальциевых каналов (Cav) у динофлагеллят методом локальной фиксации потенциала на мембране в конфигурации «inside-out». Будут определены биофизические (потенциал-зависимость, селективность, вероятность нахождения в открытом состоянии и др.) и фармакологические (чувствительность к местным анестетикам, ионам тяжелых металлов и лантаноидов) характеристики Cav у P. minimum. Такие данные о Cav каналах динофлагеллят необходимы для понимания процессов, лежащих в основе восприятия клеткой внешних стимулов, и трансляции сигналов от внешней среды к ядерному аппарату клетки. Кроме того, информация о функционировании кальциевых каналов позволит выявить роль этого важного компонента ионного транспорта клетки в адаптации динофлагеллят к изменениям условий среды, поскольку именно кальциевые каналы вовлечены в эти процессы у животных, грибов, растений и бактерий. Новые сведения об изменениях клеточного цикла, репликации ДНК, синтеза РНК и белка стресса Hsp32 в условиях соленостного стресса под влиянием циркадных ритмов, а также всесторонняя оценка изменений белкового профиля потенциально токсичных динофлагеллят в ответ на стресс позволят точнее прогнозировать риски вредоносных цветений P. minimum. Учитывая высокую адаптабельность этих протистов к флуктуациям гидрохимического и гидрофизического режимов в водоемах и широкую экологическую пластичность, особенно актуальной представляется вероятная перспектива инвазий этих динофлагеллят в прибрежные воды морей Российской Арктики. На основании комплекса полученных результатов будет предложена модель для прогнозирования инвазий потенциально токсичных динофлагеллят в новые прибрежные морские местообитания. Алгоритм этой модели будет разработан с учетом адаптивных характеристик организмов, выявленных в ходе выполнения данного проекта, в том числе, гетерогенности популяций миксотрофных динофлагеллят по отношению к потребляемым органическим и неорганическим питательным субстратам. Эти приоритетные результаты найдут практическое применение для решения острых социально-значимых вопросов охраны окружающей среды и рационального природопользования, а также развития рыболовства и аквакультуры, в соответствии с направлением Стратегии научно-технологического развития РФ «Н4 Переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству…». По результатам проекта будут опубликованы 18 научных работ, в том числе 11 статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science Core Collection или Scopus. Исполнителями проекта, В.О. Калининой и С.А. Печковской, будут подготовлены к защите 2 кандидатские диссертации; будет выполнена квалификационная работа студенткой СПбГУ А.Ю. Федотовой. В рамках проведения IV Международной конференции «Актуальные проблемы планктонологии» (сентябрь 2021 г., Калининград) участниками проекта будет организована специальная секция, на которой будут доложены и обсуждены результаты работ научного коллектива по данному проекту.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Печковская С.А., Князев Н.А., Матанцева О.В., Емельянов А.К., Телеш И.В., Скарлато С.О., Филатова Н.А. Dur3 and nrt2 genes in the bloom-forming dinoflagellate Prorocentrum minimum: Transcriptional responses to available nitrogen sources. Chemosphere, Vol. 241, article 125083 (год публикации - 2020)
10.1016/j.chemosphere.2019.125083

2. Ханайченко А.Н., Телеш И.В., Скарлато С.О. Bloom-forming potentially toxic dinoflagellates Prorocentrum cordatum in marine plankton food webs. Protistology, Vol. 13, № 3, pp. 95-125 (год публикации - 2019)
10.21685/1680-0826-2019-13-3-1

3. Скарлато С. Adaptation Strategies of the Invasive Bloom-Forming Dinoflagellates in Brackish Waters. VIII European Congress of Protistology (ECOP) – ISOP joint meeting, 28 July – 2 August 2019, Rome, Italy. Book of Abstracts., P. 143 (год публикации - 2019)

4. Скарлато С.О. Клеточные и молекулярные механизмы адаптационных стратегий свободноживущих одноклеточных эукариот. VII Съезд Вавиловского общества генетиков и селекционеров (ВОГиС). Сборник тезисов ., С. 112 (год публикации - 2019)

5. Скарлато С.О. Трансляционная водная экология как новое направление современной гидробиологии. XII Съезд Гидробиологического общества при РАН. Тезисы докладов., С. 433-434 (год публикации - 2019)

6. Филатова Н.А., Печковская С.А., Князев Н.А. Противоопухолевая активность экстрактов культивируемых динофлагеллят Prorocentrum minimum. Гены и Клетки, Том XIV, № 3, с. 49. (год публикации - 2019)

7. Телеш И.В., Ханайченко А.Н., Скарлато С.О. The interplay of two invaders: can blooms of the potentially toxic dinoflagellates Prorocentrum cordatum be downregulated by the neritic copepods Acartia tonsa? Protistology, Vol. 14, № 3. P. 103-111. (год публикации - 2020)
10.21685/1680-0826-2020-14-3-1

8. Бердиева М., Фель А., Калинина В., Скарлато С., Матанцева О. Induced phagotrophy in the mixotrophic dinoflagellate Prorocentrum cordatum: exploring the role of cytoskeleton in prey ingestion. Protistology, Vol. 14, № 3. P. 178–185. (год публикации - 2020)
10.21685/1680-0826-2020-14-3-7

9. Телеш И.В., Шуберт Х., Йонк К.Д., Хеерклосс Р., Шуманн Р., Файке М., Шоор А., Скарлато С.О. Chaos theory discloses triggers and drivers of plankton dynamics in stable environment. Scientific Reports, Vol. 9, Issue 1. Article № 20351 (год публикации - 2019)
10.1038/s41598-019-56851-8

10. Печковская С.А., Князев Н.А., Скарлато С.О., Филатова Н.А. Синтез белка теплового шока 32 кда в ответ на соленостный стресс формирующих вредоносные цветения инвазийных динофлагеллят Prorocentrum minimum. Гены и клетки, Том XV, № 3 (Приложение). Стр. 196-197. (год публикации - 2020)

11. Калинина В.О., Бердиева М.А., Ломерт Е.В., Скарлато С.О. Влияние недостатка азота и фосфора на жизненный цикл динофлагеллят Prorocentrum minimum (Dinophyceae). Гены и клетки, Том XV, № 3 (Приложение). Стр. 189. (год публикации - 2020)

12. Печковская С.А. Биомаркеры соленостного стресса формирующих вредоносные цветения инвазийных динофлагеллят Prorocentrum minimum. Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2020» (год публикации - 2020)

13. Телеш И.В., Шуберт Х., Скарлато С.О. Abiotic stability promotes dinoflagellate blooms in marine coastal ecosystems. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 251: 107239 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ecss.2021.107239

14. Печковская С.А., Князев Н.А., Скарлато С.О., Филатова Н.А. Day and night regulation of the HO-1/HSP32 synthesis in the harmful dinoflagellate Prorocentrum minimum: response to salinity stress. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 539: 151545 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jembe.2021.151545

15. Печковская С.А., Филатова Н.А. Phylogenetic analysis of the protein homologs of hemoxygenases HO-1 and HO-2 inferred from the transcriptomes of dinoflagellates. Protistology, 15 (2): 69-79. (год публикации - 2021)
10.21685/1680-0826-2021-15-2-2

16. Бердиева М., Калинина В., Фель А., Скарлато С. Heterotrophy in dinoflagellates: components of endocytosis molecular machinery in Prorocentrum cordatum and Amphidinium carterae transcriptomes. Protistology, 15 (4): 284–293 (год публикации - 2021)
10.21685/1680-0826-2021-15-4-6

17. Поздняков И., Матанцева О., Скарлато С. Consensus channelome of dinoflagellates revealed by transcriptomic analysis sheds light on their physiology. Algae (год публикации - 2021)

Публикации