The particularities of nonspecific stress resistance mechanism activation in Baikalian endemic amphipod Gmelinoides fasciatus (Stebb, 1899) under thermal stress

В последнее время приобретают актуальность исследования, направленные на изучение влияния климатических изменений и повышенной антропогенной нагрузки на состояние водных экосистем (Kerr, 2005; Pörtner, 2008). Изменение температурного режима водоема приводит к смене ключевых параметров среды обитания, таких как газовый режим и растворимость веществ, в том числе и токсичных компонентов, поступающих в водоем с грунтовыми и сточными водами. Повышенная температура воды может усилить негативное влияние различных компонентов (например, ксенобиотиков) на организмы, населяющие водные экосистемы. Поэтому представляется актуальным изучение механизмов стресс-реакции водных организмов в условиях изменения температуры среды.

Экологические и эволюционные характеристики видов, в частности показатели терморезистентности и термопреференции, могут играть решающую роль в их способности противостоять различным стрессовым факторам и антропогенным нагрузкам (Hofmann, Parsons, 1991; Imshaeva, 1999; Evgen’ev 2007).

Одной из проблем, проявляющихся в условиях климатических изменений и повышенной антропогенной нагрузки, являются инвазии видов и вытеснение ими аборигенной фауны. Вероятные причины способности вселенцев к успешному освоению водоемов за пределами естественного ареала и внедрению в нехарактерные экосистемы могут быть связаны с физиолого-биохимическими особенностями видов, обеспечивающими высокий уровень их экологической пластичности и возможность адаптации к новым условиям обитания. Одним из наиболее вероятных объяснений этих характеристик может быть способность видов к эффективному энергообеспечению стресс-реакций. Можно предположить, что именно способности к эффективному поддержанию повышенных уровней реакции стресс-систем в широком диапазоне изменений характеристик среды обитания определяют конкурентные преимущества успешных видов-вселенцев, по сравнению с аборигенными видами.

Целью данного исследования являлось выявление особенностей стресс-ответа эндемичного вида Gmelinoides fasciatus (Stebb., 1899) в сравнении с другими байкальскими видами амфипод в условиях повышения температуры среды обитания.

MATERIALS AND METHODS

В качестве объекта исследования был выбран эндемичный вид амфипод озера Байкал G. fasciatus (Stebb., 1899). Для сравнительной оценки был использован другой байкальский вид, близкий по своим экологическим и терморезистентным характеристикам - Eulimnogammarus cyaneus (Dyb., 1874) (Timofeyev, 2010).

Байкальский вид амфипод Gmеlinoides fasciatus (Amphipoda, Crustacea) представляет собой уникальный объект для исследований адаптивных способностей гидробионтов в аспекте проблемы биологических инвазий и изменений климатических условий. По оценкам ряда исследователей, возраст вида превышает возраст

Байкала и составляет более 30 млн. лет. Таким образом, G. fasciatus - реликтовый вид, представляющий фауну добайкальского происхождения. В естественном ареале распространение вида ограничено литоралью Байкала. В байкальском регионе за пределами Байкала G. fasciatus встречается в ограниченном числе водоемов (чаще всего с антропогенно-нарушенными условиями), в которых вид испытывает жесткую конкуренцию со стороны широкораспространенного Gammarus lacustris Sars (Berezina, 2009). В середине XX века G. fasciatus был интродуцирован в европейские водоемы, где после первичной интродукции приспособился к обитанию в новых условиях и в дальнейшем широко распространился в водоемах европейской части России, став массовым видом-вселенцем.

В ходе исследования проведены эксперименты по экспонированию рачков в условиях постепенного повышения температуры с 6°С (средняя температура среды обитания, температура акклимации) до температуры, при которой ранее отмечали гибель 100% особей более термочувствительного E. cyaneus (30°С). Скорость изменения температуры составила 1°С · ч^-1.

Оценку изменения активности ферментов антиоксидантной системы (пероксидазы, каталазы, глутатион S – трансферазы) производили методами спектрофотометрического анализа, согласно методикам Drotar (1985), Aebi (1984) и Habig (1974) соответственно (Timofeyev, 2010).

Определение активности лактатдегидрогеназы и содержания лактата проводили энзиматическими спектрофотометрическими методами с применением стандарт-наборов «ЛДГ-витал» и «Лактат-витал» (Vital-Diagnostics Spb) (Timofeyev, 2010; Axenov-Gribanov, 2013). Измерения проводили на спектрофотометре Cary 50 (Varian, США) при λ=340 нм для пероксидазы и лактатдегидрогеназы, при λ=240 нм для каталазы и при λ=436 нм для глутатион S- трансферазы. Определение содержания лактата проводили при λ=505 нм. Все эксперименты проведены в 5 биологических параллелях. Биохимический анализ каждой пробы проведен в 3-х аналитических измерениях. Оценку достоверности проводили, используя двувыборочный u-критерий Манна-Уитни. Статистический анализ проводили с использованием программы Statistica 8.0.

RESULTS AND DISCUSSION

При экспозиции в условиях постепенной гипертермии, у амфипод наблюдали видоспецифическое изменение активности ферментов антиоксидантной системы и лактатдегидрогеназы, а также изменение содержания лактата. В условиях постепенного повышения температуры среды, у амфипод вида E. cyaneus не наблюдали изменения активности ферментов антиоксидантной системы на протяжении всего эксперимента (Рис.1, - 3), не смотря на то, что данный вид считается немного менее терморезистентным в сравнении с G. fasciatus (Timofeyev, 2010). При экспозиции G. fasciatus в данных условиях, при достижении температуры среды выше 24°С отмечали увеличение активности пероксидазы (Рис. 1). Активность глутатион S-трансфеазы кратковременно увеличивалась при достижении температуры среды 14-16°С (Рис. 2), после чего снижалась до контрольных значений. В то же время в изменении активности каталазы наблюдали кратковременное снижение при достижении температур 9-11 и 24-30°С (Рис. 3).

При экспозиции амфипод в условиях постепенного повышения температуры наблюдали увеличение содержания лактата у обоих видов (Рис. 4). При этом увеличение содержания лактата у G. fasciatus происходило раньше и при меньших температурах, чем у E. cyaneus. Повышение содержания лактата у G. fasciatus отмечали при достижении температуры выше 9°С, тогда как у E. cyaneus изменение содержания лактата наблюдали только при достижении температур экспозиции выше 24°С.

Изменение активности лактатдегидрогеназы также отмечали у обоих видов (Рис. 5). При этом, наблюдали снижение активности фермента, отрицательно коррелирующее с повышением содержания лактата. Снижение активности лактатдегидрогеназы у E. cyaneus отмечали при температурах экспозиции выше 19°С, и при температурах экспозиции выше 9°С у G. fasciatus .

Рисунок 1. Изменение активности пероксидазы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод E. cyaneus и G. fasciatus в условиях постепенного повышения температуры среды.

Рисунок 2. Изменение активности глутатион S-трансферазы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод E. cyaneus и G. fasciatus в условиях постепенного повышения температуры среды.

Рисунок 3. Изменение активности каталазы (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод E cyaneus и G. fasciatus в условиях постепенного повышения температуры среды.

Рисунок 4. Изменение активности лактата (в нКат/мг белка) при экспозиции амфипод E. cyaneus

и G. fasciatus в условиях постепенного повышения температуры среды.

Рисунок 5. Изменение активности лактатдегидрогеназы (в нКат/мг белка) при экспозиции

амфипод E. cyaneus и G. fasciatus

в условиях постепенного повышения температуры

среды.

После сравнения результатов, представленных в данном исследовании с ранее проведенными материалами показано, что реликтовый эндемичный вид G. fasciatus имеет специфические механизмы стресс-ответа на воздействие повышенных температур среды. При повышении температуры среды накопление лактата в тканях G. fasciatus происходило при меньших температурах, чем у других изученных видов амфипод литорали озера Байкал. В то время как изменение содержания клеточных стресс-маркеров и их активности у E. cyaneus и других байкальских видов (Ommatogammarus flavus, E. verrucosus) наблюдали за пределами зоны термопреференции (Axenov-Gribanov, 2013), изменение содержания (активности) клеточных стресс-маркеров у G. fasciatus связано с входом в данную зону.

Таким образом, в ходе проведенного исследования показана специфика стресс-ответа вида G. fasciatus в условиях экспериментально повышенной температуры среды.

ACKNOWLEDGEMENT

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 14-04-00501_а (приобретение расходных материалов), РНФ 1414-00400 (приобретение расходных материалов), базовой (1354) и проектной (6.382.2014) частей государственного задания, программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИГУ» (приобретение расходных материалов), гранта молодых ученых ФГБОУ ВПО «ИГУ» и совместной программы академических обменов DAAD -Минобрнауки РФ М. Ломоносов 2014-2015.