Ученые выяснили, с помощью чего бурые водоросли адаптируются к изменениям окружающей среды

Бурые водоросли широко распространены в северной части Тихого океана и в Беринговом море. Ученые определили, как температура и интенсивность света влияют на развитие у растений адаптационных способностей к изменяющимся условиям окружающей среды. Результаты исследования можно использовать для разработки новых методов мониторинга состояния флоры, уязвимой перед влиянием человека и глобальным изменением климата.

Работа выполнена специалистами Национального научного центра морской биологии им. А. В. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук (ННЦМБ ДВО РАН).

Липиды помогают водорослям адаптироваться

В ходе эволюции у водорослей развились многочисленные механизмы сглаживания негативного воздействия факторов окружающей среды. Все процессы адаптации происходят в клетках растений. Оболочка — мембрана — обеспечивает взаимодействие клетки с внешней средой. Она работает как своеобразный фильтр, пропуская внутрь только избранные вещества. Структурообразующую функцию мембран выполняют липиды, физико-химические свойства которых помогают водорослям адаптироваться к изменяющимся природным условиям.

Ученые исследовали представителей бурых водорослей — нитчатые эндофитные водоросли Streblonema corymbiferum и Streblonema sp. (Ectocarpales, Phaeophyceae). Чтобы определить молекулярный состав их липидов, был проведен липидомный анализ с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии — наиболее современного метода разделения сложных смесей веществ. Данный метод позволил изучить механизмы реорганизации клеточных мембран на молекулярном уровне.

Влияние температуры

Когда температура окружающей среды понижается, мембраны клеток приобретают вязкость. Процессы, происходящие в клетке, в том числе дыхание и фотосинтез, замедляются. Тогда на помощь клетке приходят десатуразы, специальные ферменты, которые «разбавляют» мембрану, образуя дополнительные ненасыщенные связи в жирнокислотных хвостах липидов клеточных мембран. Чем больше таких связей, тем выше текучесть мембраны.

При высокой температуре окружающей среды, напротив, количество ненасыщенных связей в липидах снижается, что стабилизирует клеточную мембрану. Изменение степени ненасыщенности липидов клеточных мембран — один из наиболее изученных механизмов адаптации.

Ученые ННЦМБ ДВО РАН выяснили, что взаимосвязь уровня насыщенности мембранных липидов и температуры наблюдалась во всех классах липидов растения. При низких температурах увеличивалось содержание ненасыщенных молекулярных видов всех классов липидов, при высоких температурах количество этих молекулярных видов уменьшалось, а содержание других (менее ненасыщенных), напротив, увеличивалось.

Такие изменения нужны для поддержания жидкокристаллического состояния клеточных мембран, необходимого для оптимального функционирования клеток.

Влияние света

«Свет — еще один важнейший фактор, изменяющий метаболизм водорослей. Избыток или недостаток освещенности влияет на активность фотосинтетических процессов. Из-за недостатка солнечной энергии эффективность фотосинтеза может снижаться, что приводит к замедлению развития водорослей. Свет стимулирует фотосинтез, но при чрезмерной интенсивности света может возникнуть дисбаланс между поглощенной энергией и способностью ее использовать. Это приводит к окислительному стрессу, сопровождающемуся разрушением хлоропластов (внутриклеточных органелл, внутри которых происходит фотосинтез). Изменение интенсивности света оказало значительное влияние на состав липидов фотосинтезирующих мембран. Подобные модификации, вероятно, являются адаптивными реакциями, направленными на поддержание фотосинтетической активности на оптимальном уровне», — рассказала аспирантка лаборатории сравнительной биохимии ННЦМБ ДВО РАН Оксана Чадова.

Впервые в водорослях порядка Ectocarpales ученые обнаружили липиды глюкуронозил-диацилглицерин и диацилглицерил-N,N,N-триметилгомосерин.

Таким образом, анализ полярного липидома эндофитов позволил получить полную картину адаптивных изменений, происходящих в бурых эндофитных водорослях при культивировании в различных температурных и световых условиях.

Результаты работы поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований и опубликованы в научном журнале.

Фото микроскопии водорослей Streblonema corymbiferum и Streblonema sp. соответственно. Растут на поверхности водоросли-хозяина Undaria pinnatifida.