Сравнительное исследование активности антиоксидантных ферментов для теплового шока в амфиподах Gmelinoides fasciatus прибрежного сообщества озера Байкал и термальных источников

Озеро Байкал является крупнейшим центром биоразнообразия пресноводных амфипод. В составе его фауны описано свыше 350 видов и подвидов (Тахтеев, 2000; Камалтынов, 2001; Väinölä et al., 2008). Известно, что высокий уровень видообразования в Байкале, привел к формированию уникальной и разнообразной эндемичной фауны, большей частью не выходящей за его пределы. Лишь малая часть видов расселилась вниз по течению рек Ангара и Енисей (Базикалова, 1945, и др.). Исключение представляет лишь один вид байкальского происхождения - Gmelinoides fasciatus (Stebb., 1899). Данный вид характеризуется большой морфологической изменчивостью и высокой экологической пластичностью (Базикалова, 1945; Бекман, 1962; Механикова, 2000). Представители данного вида населяют мелководные участки открытого Байкала, в основном до глубин 5 м, однако вид наиболее обилен в прибрежно-соровой зоне, хорошо прогреваемых заливах и бухтах (Лимнология…, 1977). Это связано с его относительной термофильностью, тогда как большая часть представителей байкальской фауны характеризуется холодолюбивостью (Тимофеев, Кириченко, 2004). Кроме того, представители G. fasciatus способны совершать протяженные миграции вдоль береговой линии в самом Байкале, благодаря чему вид достиг ряда термальных источников в окрестностях Байкала (Золотой Ключ, Гусихинский, Киронский, Верхняя Заимка), в водах которых обитает в массовом количестве при температурах до 29 ºC (Тахтеев, 2009). Кроме того, G. fasciatus был объектом плановой акклиматизации в ряд озер и водохранилищ СССР, из которых стал активно расселяться в другие водоемы. Обзор современного естественного и искусственного ареалов вида, охватывающих европейскую и азиатскую части России от Волго-Балтийского бассейна до бассейна Амура, содержится в работе Матафонова и др. (2005). Вероятные причины способности этого вида к успешному освоению водоемов за пределами естественного ареала, их вселению в нехарактерные экосистемы могут быть связаны с физиологобиохимическими особенностями, обеспечивающими высокий уровень экологической пластичности и возможность адаптации к новым условиям обитания.

Целью данного исследования являлась сравнительная оценка активности ферментов антиоксидантной системы (АОС) в условиях острого температурного стресса у амфипод вида G. fasciatus - обитателей литорали оз. Байкал и термального источника Верхняя Заимка.

MATERIALS AND METHODS

В работе использовали представителей популяции термального источника Верхняя Заимка, располагающийся в пределах Байкальской рифтовой зоны (Тахтеев, Галимзянова, 2009). Вода источника характеризуется как гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридная магниево-кальциево-натриевая. Среда слабощелочная, общая минерализация составляет 164,6 мг/дм3. Термальное поле, протяженностью не менее 400–450 м, начинается с основного выхода (28,8 °C) и обширной топи с мелкими высачиваниями. Амфиподы в массе обитают в разливах мелких излияний, при температурах 21-25°C. Также G. fasciatus был отловлен в литорали оз. Байкал в районе п. Большие Коты (Южный Байкал) при температуре 9°C. Сбор амфипод производился гидробиологическим сачком.

В ходе исследования проведены эксперименты по экспонированию рачков в условиях острого теплового шока при температуре 27 °С после трехдневной акклимации при температуре 6°С в аквариумах с аэрируемой байкальской водой. Перед началом эксперимента были зафиксированы контрольные образцы амфипод сразу после акклимации. Время эксперимента составило 24 ч. После экспериментов рачков фиксировали в жидком азоте и проводили дальнейшие биохимические анализы. Эксперименты проведены в 5 биологических параллелях.

Оценку изменения активности ферментов (АОС) (пероксидазы, каталазы, глутатион S – трансферазы) производили методами спектрофотометрического анализа, согласно методикам Drotar (1985), Aebi (1984) и Habig (1974) соответственно (Тимофеев, 2010). Измерения проводили на спектрофотометре Cary 50 (Varian, США) при λ=340 нм для пероксидазы, при λ=240 нм для каталазы и при λ=436 нм для глутатион S- трансферазы. Биохимический анализ каждой пробы проведен в 3-х аналитических измерениях. Сравнение контрольных значений активностей ферментов АОС между двумя проанализированными популяциями проводили с помощью критерия Манна-Уитни. Динамика активностей ферментов в условиях теплового шока была аппроксимирована с помощью регрессионного анализа, проведённого в статистическом пакете R (R Core Team, 2016). В случае глутатион S – трансферазы использовали линейную регрессию. Активности пероксидазы и каталазы у особей из термального источника показали нелинейную динамику и были аппроксимированы с помощью экспоненциальной (1) и логнормальной функций (2) соответственно. Для сравнения, динамики активностей пероксидазы и каталазы у популяции из литорали оз. Байкал были аппроксимированы аналогичными регрессионными моделями. На графиках изображены средние значения ± стандартные отклонения.

y = a + e

bx

RESULTS AND DISCUSSION

В результате проведенных исследований были обнаружены различия в активности глутатион S-трансферазы у контрольных групп разных популяций G. fasciatus . Так, у G. fasciatus из термального источника активность глутатион S-трансферазы была выше (6,0 ± 0,7 нКат/мг белка), чем у представителей этого вида из литорали оз. Байкал (4,3 ± 0,45 нКат/мг белка). В условиях эксперимента у обеих групп G. fasciatus активность данного фермента оставалась в пределах контрольных значений на протяжении всего времени экспозиции (Fig. 1).

Активность фермента пероксидазы в контрольных группах G. fasciatus имела одинаковые значения, и составила 0,019 ± 0,007 нКат/мг белка. Тенденцию к снижению активности пероксидазы наблюдали после 1 ч, 3 ч, 6 ч, 12 ч экспозиции у группы G. fasciatus из термального источника. Так, минимальная активность данного фермента была отмечена у представителей данной популяции при 3 ч экспозиции, и составил 0,009 ± 0,005 нКат/мг белка. У амфипод из литорали оз. Байкал наименьшая активность данного фермента наблюдали после 6 ч экспозиции (0,015 ± 0,005 нКат/мг белка), что находится в пределах контрольных значений. При достижении 24 ч экспозиции активность пероксидазы у обеих популяций G. fasciatus достигла наибольшего значения, составив 0,021 ± 0,65 нКат/мг белка (Fig. 2).

Figure 1. Изменение активности глутатион S-трансферазы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод G. fasciatus из литорали оз. Байкал и термального источника Верхняя Заимка в условиях острого повышения температуры среды (27°С).

Figure 2. Изменение активности пероксидазы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод G. fasciatus из литорали оз. Байкал и термального источника Верхняя Заимка в условиях острого повышения температуры среды (27°С).

Figure 3. Изменение активности каталазы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод G. fasciatus из литорали оз. Байкал и термального источника Верхняя Заимка в условиях острого повышения температуры среды (27°С).

Значения активности каталазы в контрольных группах G. fasciatus различались не значительно и составляли 355,0 ± 167,8 нКат/мг белка у амфипод из термального источника, и 385,0 ± 74,7 нКат/мг белка у особей из литорали оз. Байкал. При экспозиции в условиях острого температурного шока (27 ^оС) отмечены различия в активности данного фермента. Так, у G. fasciatus из оз. Байкал активность каталазы была в пределах контрольных значений на протяжении всего эксперимента, тогда как у рачков из термальных источников отмечали тенденцию к повышению активности данного фермента после 1 ч, 6 ч и 24 ч экспозиции. Максимальная активность каталазы у данной популяции была отмечена после 24 ч экспозиции (785,0 ± 47,6 нКат/мг белка), а самая низкая активность фермента составила 373,0 ± 90,6 нКат/мг белка и наблюдалась у той же экспериментальной группы после 12 ч экспозиции (Fig. 3).

Таким образом, у представителей G. fasciatus из сравниваемых районов обитания, острое температурное воздействие не вызывает достоверного изменения активности трех ключевых ферментов АОС, что подтверждает ранее полученные нами данные о устойчивости данного вида к высоким температурам (Тимофеев, 2010). При этом у особей из термального источника Верхняя Заимка обнаружена повышенная активность глутатион S-трансферазы в базальном уровне, в сравнении с активностью фермента амфипод G. fasciatus – представителей оз. Байкал. Это может быть обусловлено особенностями гидрохимического состава термального источника и его температурного режима, где амфиподы обитают в условиях высоких физиологических температур (21–25°C), низком содержании кислорода, повышенной минерализации (164,6 мг/дм3) и слабощелочной среде (PH=8,2). Возможно, длительное существование в данных условиях привело к повышению активности именно глутатион S-трансферазы, как фермента антиоксидантной системы, способного восстанавливать гидроперекисные группы окисленных фосфолипидов непосредственно в мембранах без их предварительного фосфолипазного гидролиза (Тимофеев, 2010), что обеспечивает представителям G. fasciatus из термального источника дополнительную резистентность.

ACKNOWLEDGEMENTS

Авторский коллектив выражает благодарность д.б.н. Тахтееву В.В. за организацию экспедиции и помощь в вылове и транспортировки амфипод из термального источника Верхняя Заимка. Хадеевой Е.Р. за проведение гидрохимического анализа воды термального источника Верхняя Заимка.

Работа выполнена при основной финансовой поддержки гранта РНФ 14-1400400, а  также частичной  финансовой поддержке   грантов РФФИ   16-34-60060

мол_а_дк, 15-29-01003 офи_м и Госзадания Минобрнауки        РФ        1354–2014/51,

6.742.2016/ДААД, 6.734.2016/ДААД.