Аминокислотный состав биомассы некоторых видов лишайников таежной зоны на европейском северо-востоке России Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 582.29-119.2:577.112.3(470.1 -924.82)

АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ БИОМАССЫ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ ЛИШАЙНИКОВ ТАЕЖНОЙ ЗОНЫ НА ЕВРОПЕЙСКОМ СЕВЕРО-ВОСТОКЕ РОССИИ

© 2017 Г.Н. Табаленкова, И.В. Далькэ, И.Г. Захожий

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, г. Сыктывкар

Статья поступила в редакцию 15.05.2017

Приведены данные о содержании свободных и белковых аминокислот в талломах 19 видов лишайников, обитающих в средней тайге на территории Республики Коми. Содержание белковых и свободных аминокислот в сухой массе талломов составляло в среднем 100 и 2 мг/г соответственно. Содержание аминокислот варьировало в широких пределах. Лишайники с цианопрокариотами характеризовались большим содержанием белковых аминокислот, чем лишайники с зеленой водорослью в качестве фотобионта. Выявлены корреляционные связи между содержанием азота и аминокислот. Показана положительная связь содержания белковых аминокислот с типом фотобионта. Полученные результаты существенно расширяют и дополняют представления о жизнедеятельности лишайников таёжной зоны европейского Северо-Востока России.

Ключевые слова: лишайники, аминокислотный состав, фотобионт, таёжная зона, Европейский Северо-Восток

Лишайники представляют собой своеобразную и относительно малоизученную группу низших растений-симбиотов. Они являются неотъемлемым компонентом многих экосистем и растительнык сообществ. В значительной степени распространение и разнообразие лишайников зависит от климатических условий. В Республики Коми в составе биоты описано 866 вида лишайников, наиболее крупными являются семейства Lecanoraceae, Parmeliaceae и Cladoniaceae [5]. Лишайники - это устойчивая, саморегулирующаяся ассоциация гриба и водорослей [1]. Физические контакты мико- и фотобионта обеспечивают обмен веществ между компонентами лишайниковой ассоциации. Состав фо-тобионтов не является случайным, как правило, связан с определенными таксономическими группами лишайников [7]. Наиболее распространенными группами лишайниковых фотобионтов являются зеленые водоросли и цианопрокариоты [4]. Фото-бионт снабжает гриб органическим углеродом и азотом, микобионт обеспечивает водоросль водой, некоторыми минеральными элементами. Симбио-тическая ассоциация гетеротрофного грибного организма и водорослей - предполагает их взаимоотношения, как на уровне механических контактов, так и физиолого-биохимических взаимоотношений лишайниковык симбиозов [1]. Аминокислоты выполняют в живых организмах разнообразные функции. Их важность определяется той ролью, которую играют белки в процессах жизнедеятельности. В литературе имеются малочисленные

Табаленкова Галина Николаевна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник. E-mail: [email protected]

Далькэ Игорь Владимирович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник. E-mail: [email protected]

Захожий Илья Григорьевич, кандидат биологических наук, научный сотрудник. E-mail: [email protected]

и разрозненные сведения по аминокислотному составу талломов лишайников [2, 3].

Цель работы: исследование аминокислотного состава талломов лишайников бореальной зоны Республики Коми.

Объектами служили 19 видов лишайников, относящихся к родам Peltigera, Lobaria, Platismatia, Paimelia, Cetraria, с разным типом фотобионта, включающим в себя водоросли и/или цианобакте-рии (табл.1). Субстраты, на которых произрастали исследованные виды лишайников, имели рН водной вытяжки в пределах 5,6-6,9. Образцы талломов отбирали в июле 2015-2016 гг., фиксировали жидким азотом и хранили при температуре -80°С.

Определение аминокислот проводили в лио-фильно высушенном материале. Белковые аминокислоты определяли на аминокислотном анализаторе ААА Т-339 (Чехия) после гидролиза навески в 6н HCl при 105°С в течение 24 ч. Определение свободных аминокислот проводили на аминокислотном анализаторе AAA-400 (Чехия) в системе литиевых буферов. Для их определения навески 3х-кратно экстрагировали 40% этанолом, выпаривали при температуре 50°С. Упаренный экстракт разводили в цитрат-литиевом буфере (рН 2,2), центрифугировали 10 мин. при 15 тыс. оборотов, фильтрат наносили на ионообменную колонку. Идентификацию и количественное содержание аминокислот в исследуемых образцах проводили по результатам разделения стандартной смеси аминокислот. Рассчитывали средние значения из трех биологических и двух аналитических повторностей. Влияние типа фотобионта (зеленые водоросли, и/или цианобакте-рии) на содержание аминокислот лишайников оценивали с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA), при уровне значимости а=0,05.

Полученные экспериментальные данные показывают значительные колебания содержание белковых аминокислот в талломах лишайников. Их

содержание в сухой массе талломов изменялось от 19 до 200 мг/г. Высоким содержанием белковых аминокислот (140-200 мг/г) отличались лишайники фотобионтом, которых являются цианобактерии. Среди них выделялись представители рода Peltigera

(Pscarbosa, P. membranacea и Р.ропоеп]ет1з). У этих же видов мы ранее отмечали сравнительно высокое накоплением азота [6]. Наименьшим содержание белковых аминокислот (10-40 мг/г) отличались лишайники с водорослевым фотобионтом.

Таблица 1. Эколого-биологическая характеристика исследованных видов лишайников

№ Вид Жизненная форма Фотобионт

1 Cetraria islandica кустистый зеленая водоросль

2 Cladonia rangiferina кустистый зеленая водоросль

3 Cladonia stellaris кустистый зеленая водоросль

4 Stereocaulon condensatum кустистый зеленая водоросль

5 Evernia mesomorpha кустистый зеленая водоросль

6 Usnea hirta кустистый зеленая водоросль

7 Parmelia sulcata листоватый зеленая водоросль

8 Platismatia glauca листоватый зеленая водоросль

9 Lobaria pulmonaria листоватый зеленая водоросль+ цианобактерии

10 Peltigera aphthosa листоватый зеленая водоросль+ цианобактерии

11 Peltigera leucophlebia листоватый зеленая водоросль+ цианобактерии

12 Peltigera canina листоватый цианобактерии

13 Peltigera malacea листоватый цианобактерии

14 Peltigera membranacea листоватый цианобактерии

15 Peltigera neopolydactila листоватый цианобактерии

16 Peltigera ponojensis листоватый цианобактерии

17 Peltigera praetextata листоватый цианобактерии

18 Peltigera rufescens листоватый цианобактерии

19 Peltigera scarbosa листоватый цианобактерии

При анализе аминокислотного состава было обнаружено 17 аминокислот, из которых цистин и метионин находился в следовых количествах. Их доля в сумме аминокислот не превышала 0.4%. Сравнительно высоким содержанием дикарбоновых кислот (53-65 мг/г сухой массы) и моноаминокарбо-новых кислот (51-55 мг/г сухой массы) отличались лишайники с цианобактериями (Р. scarbosa, P. ponoenjensis и P. membranacea). Содержание этих аминокислот в хлоролишайниках была значительно

меньше и не превышало 15 мг/г сухой массы. Особенно выделялись кустистые лишайники Usnea ЫЛй и Everniй mesomorphй (5-7 мг/г сухой массы). Несмотря на значительные различия в абсолютном содержании аминокислот, доля отдельных групп различалась незначительно. Основная часть белковых аминокислот (более 50% от всех аминокислот) приходилось на моно- и дикарбоновые кислоты (табл. 2).

Таблица 2. Доля аминокислот в талломах лишайников, % от суммы аминокислот

Аминокислоты Вся выборка Фотобионт

В В+Ц Ц

дикарбоновые 26,8±3,9 27,6±1,1 27,6±0,6 26,2±6,8

моноаминокарбоновые 30,6±2,9 33,0±1,9 28,6±1,6 31,0±2,5

алифатические 15,0±2,9 12,4±1,0 16,2±2,1 17,1±2,4

иминокислота 5,7±0,6 5,4±0,5 6,0±0,4 4,7±0,7

основные 13,7±1,9 13,5±2,7 13,6±0,4 12,7±1,6

серусодержащие 0,3±0,1 0,2±0,1 0,3±0,1 0,3±0,1

ароматические 7,8±0,9 7,8±1,2 7,7±0,4 8,0±0,9

Примечание: фотобионт: В - водоросль, В+Ц - водоросль+цианобактерии, Ц - цианобактерии.

К основным исходным веществам, обеспечивающим синтез белков, относятся свободные аминокислоты, они являются одними из самых активных участников метаболизма. Анализ содержания свободных аминокислот талломах лишайников показал, что их количество варьирует от 0,7 до 7 мг/г сухой массы (рис. 1).

Коэффициент вариации суммы свободных аминокислот был высоки и составлял более 90%. Даже в талломах лишайников одного рода (Peltigerae) их содержание изменялось от 0,8 у Peltigerй ¡еысорЫеЬа до 4,8 мг/г сухой массы у Р. membrйnйceй. Максимальное количество свободных аминокислот - 7,18 мг/г сухой массы было отмечено

аминокислот составляло менее 2% от суммы. В их составе доминировало 3-4 соединения, содержание которых превышало 2%. Были идентифицированы свободные аминокислоты содержание которых менее 1% - цистатионин, цистеин, метионин, а-аминобутировая кислота, изолейцин, гистидин, 1-метилгистидин. Следует отметить, что разные виды лишайников отличались по составу доминирующих аминокислот (табл. 3). Так, у Peltigera canina, P. membranacea, Parmelia sucata, Platismatia glauca, Lobaria pulmonaria свыше 80% приходилось на долю глутаминовой кислоты и глутамина, а в талломах Peltigera malacea, P. leucophleba и Cetraria islandica преобладали аланин и аминоадипиновая кислоты. В составе свободных аминокислот лишайников обнаружено 5 непротеиногенных (ß-аланин, орнитин, аминоадипиновая, а-аминобутировая кислота и Y-аминомасляная кислоты). Количество непротеино-генных аминокислот в общем пуле свободных изменялось от 0,2 у Parmelia sucata до 40% у Peltigera malacea (табл. 3). Следует отметить наличие у всех видов лишайников непротеиногенной аминокислоты орнитина, что свидетельствует о функционировании в талломах орнитинового цикла, участвующего в синтезе протеиногенных аминокислот.

Таблица 3. Содержание свободных аминокислот в талломах лишайников, % от суммы

Аминокислоты Фотобионт

цианобактерии (Ц) В+Ц водоросль (В)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

аспаргиновая 3,9 0 0,5 1,6 0 2,4 4,2 1,9 3,4 4,1 8,5 9,1

треонин 0 0 0 0 0 0,7 1,0 0 2,8 1,8 7,3 1,6

серин 0 0 0 0 1,7 0,8 1,5 0 3,4 2,9 3,1 2,6

аспарагин 0 0 0 0 0 0 0 0 2,8 0 2,8 4,6

глютаминовая 0 64,0 66,2 0 36,2 81,9 72,7 0 9,2 15,1 20,8 29,3

глутамин 0 24,0 26,8 0 30,4 5,4 9,2 0 17,8 16,3 14,6 23,9

аминоадипиновая 22,3 0 0 6,4 0 0 0 13,1 0 0 0 0

пролин 0,7 0 0 6,4 0 4,8 5,0 0,7 2,2 0,3 13,7 14,2

глицин 1,0 0 0 2,3 0,9 0,2 0,6 1,1 2,0 1,6 2,1 1,4

аланин 36,1 0 0 54,5 8,4 1,6 3,4 41,8 16,3 10,1 4,7 5,0

валин 0,8 0,4 0,3 2,0 0 0,4 0,9 0,9 2 16,3 3,0 1,1

лейцин 1,2 0,6 0,3 1,4 0,8 0,7 0,7 1,4 3,5 2,2 1,2 1,5

тирозин 1,3 1,0 0,6 1,4 0,7 0 0 1,5 2,5 1,0 1,2 1,1

фенил-аланин 0,2 0,3 0,3 0,7 0,4 0 0 0,2 1,5 1,0 1,0 0,6

В-аланин 4,4 0 0 0 0 0 0 5,1 0 0 0 0

Т-амино-бутировая 0,3 0,4 0,2 0,8 14,5 0,1 0,1 0,3 22,2 15,1 1,0 0,6

орнитин 13,5 1,8 1,7 14,7 0,7 0,1 0,1 15,5 0 0,4 0,3 0,2

лизин 1,7 0,8 0,4 2,7 1,9 0,3 0,1 2,0 3,2 3,5 4,3 0,8

аргинин 9,7 4,9 1,9 2,8 1,5 0,6 0,1 11,2 2,9 3,8 8,1 1,6

Примечание: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 - Peltigera malacea, P. canina, P. membranacea, P. leucophlebia, Lobaria pulmonaria, Platismatia glauca, Parmelia sulcata, Cetraria islandica, Cladonia rangiferina, Cladonia stellaris, Evernia mesomorpha, Usnea hirta, соответственно. В таблице представлены аминокислоты, содержание которых у большинства видов превышает 1%.

Полученные экспериментальные данные по- минимальные и максимальные значения отличают-казывают значительные количественные изменения ся на порядок. В среднем содержание белковых содержания аминокислот в талломах лишайников, аминокислот составило около 100 мг/г сухой массы,

у Lobaria pulmonaria, которая характеризовалась и наибольшей интенсивностью фотосинтеза.

Рис. 1. Содержание свободных аминокислот в талломах лишайников: фотобионт: В - водоросль, В+Ц - водо-росль+цианобактерии, Ц - цианобактерии. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 - Peltigera malacea, P.canina, P. membranacea, P. leucophlebia, Lobaria pulmonaria, Cladonia rangiferina, Parmelia sulcata, Cladonia stellaris, Evernia mesomorpha,Usnea hirta, Platismatia glauca, Cetraria islandica, соответственно

В талломах разных видов лишайников было идентифицировано от 14 до 20 аминокислот и два амида. Содержание значительной части свободных

свободных аминокислот до 2 мг/г сухой массы таллома (табл. 4). Медианные значения выборки по содержанию аминокислот отличались от средних, что свидетельствует о небольшом смещении нормальности распределения первичных данных. Коэффициент вариации изученных биохимических показателей был высокий, от 60 до 90% (табл. 4).

Анализ данных показал, что содержание белковых и свободных аминокислот статистически значимо коррелирует с концентрацией общего азота в талломах (р-величина<0.05). Корреляция между суммой белковых и суммой свободных аминокислот была статистически незначимой (р-величина=0.175) (табл. 5).

Таблица 4. Описательная статистика содержание общего азота (Ы) и аминокислот (АК) в талломах лишайников

Сумма Сумма

Показатели белковых свободных

АК АК

количество измерений 19,0 19 12

среднее значение 22,2 102,8 2,1

ошибка среднего 2,9 15,9 0,6

медиана 22,0 111,8 1,4

минимум 5,3 19,1 0,7

максимум 39,6 202,1 7,2

размах 34,3 183,0 6,5

коэффициент вариации, % 56 67 97

Таблица 5. Корреляционная матрица содержания общего азота (Ыобщ.) и аминокислот (АК) в талломах лишайников

Сумма Сумма

Показатели белковых свободных

АК АК

N общ. 1 0,78 0,62

сумма белковых АК 1 0,42

сумма свободных АК 1

Примечание: выделены статистически значимые коэффициенты корреляции Спирмена при а 0,05.

Рис. 2. Содержание общего азота (А), суммы белковых аминокислот (Б) и суммы свободных аминокислот (В) в талломах лишайников с разным типом фотобионта:

В - водоросли, В+Ц - водоросли и цианобактерии, Ц - цианобактерии; приведены результаты дисперсионного анализа (ANOVA) зависимости изученных показателей от типа фотобионта лишайников

Дисперсионный анализ (ЛЫОУЛ) показал статистически значимое влияние типа фотобионта лишайников на содержание общего азота и сумму белковых аминокислот в их талломах (р-величина=0,000). Однако сумма свободных аминокислот не зависела от типа фотобионта (р-величина=0,105) (рис. 2).

Выводы: получены оригинальные данные об аминокислотном составе талломов лишайников бореальной зоны. Выявлена существенная межви-

довая изменчивость в содержании белковых и свободных аминокислот. Установлено наличие положительной связи между уровнем накопления азота и содержанием белковых, и свободных аминокислот. Показана положительная связь содержания белковых аминокислот с типом фотобионта. В целом, полученные результаты существенно углубляют и расширяют представление о жизнедеятельности лишайников таежной зоны европейского Северо-Востока России.

Авторы признательны Т.Н. Пыстиной и Н.А. Семеновой за помощь в определении видов лишайников. Работа выполнена в рамках Программы фундаменталь- 4. ных исследований Президиума РАН по направлению «Живая природа: современное состояние и проблемы развития» (проект 15-12-4-4).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 5

1. Вайнштейн, ЕА. Регуляторные механизмы лишайникового симбиоза // Успехи современной биологии. 6. 1990. Т. 109. Вып. 2. С. 311-320.

2. Вершинина, С.Э. Состав аминокислот лишайника Cetraria islandica в Восточной Сибири / С.Э. Вершинина, О.Ю. Кравченко // Пищевые технологии, качество и безопасность продуктов питания. - Иркутск: изд-

во ИрГТУ, 2008. С. 23-25. 7.

3. Вершинина, С.Э. Аминокислотный состав двух видов лишайников рода Cetraria / С.Э. Вершинина, О.Ю.,

Кравченко // Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. № 1. С. 26-28.

Вой^хович, А.А. Фотобионты лишайников, I: разнообразие, экологические особенности, взаимоотношения и пути совместной эволюции с микобионтом / А.А. Вой^хович, Т.И. Михайлюк, Т.М. Дариенко // Альгология. 2011. Т. 21. С.3-26.

Пыстина, Т.Н. Лишайники таежных лесов Европейского Северо-Востока (подзоны южной и средней тайги). - Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 239 с. Табаленкова Г.Н. Элементный состав биомассы некоторых видов лишайников бореальной зоны на европейском Северо-Востоке / Г.Н. Табаленкова, И.В. Далькэ, Т.К. Головко // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 16. № 2. С. 221-225.

Флора лишайников России: Биология, экология, разнообразие, распространение и методы изучения лишайников. Монография. отв. ред. М.П. Андреев, Д.Е. Гимельбрант. - М., СПб.: Товарищество научных изданий КМК, 2014. 392 с.

AMINO ACIDS COMPOSITION OF SOME LICHEN SPECIES IN TAIGA ZONE OF EUROPEAN NORTH-EAST OF RUSSIA

© 2017 G.N. Tabalenkova, I.V. Dalke, I.G. Zakhozhiy Institute of Biology Komi Scientific Centre UrB RAS, Syktyvkar

Data on amino acids content in the thalli of 19 lichen species in the middle taiga on the territory of the Komi Republic were presented. The protein and free amino acids content in dry weight of thalli was 100 and 2 mg/g respectively. Cyanolichens were characterized by a high content of protein amino acids, than that of chlorolichens. The correlations between the nitrogen and amino acids content were revealed. There is the positive association of the protein amino acids content with the photobiont type. The obtained results expand and deepen the traits of the lichen biota in the taiga zone of European North-East of Russia.

Key words: lichen, protein and free amino acids, nitrogen, photobiont, taiga zone, European North-East

Galina Tabalenkova, Doctor of Biology, Leading Research Fellow. E-mail: [email protected]

Igor Dalke, Candidate of Biology, Senior Research Fellow. E-mail: [email protected]

Ilya Zakhozhiy Candidate of Biology, Research Fellow. E-mail: [email protected]