1952: Описание первого по-настоящему пикопланктонного вида, Chromulina pusilla , Бутчером. [1] Этот вид был переименован в 1960 году в Micromonas pusilla [2] , и несколько исследований показали, что он широко распространен в умеренных океанических водах, хотя для эукариотического пикофитопланктона существует очень мало подобных количественных данных.
1979: Открытие морского Synechococcus Уотербери [3] и подтверждение с помощью электронной микроскопии Джонсоном и Сибуртом. [4]
1982: Те же Джонсон и Сиберт демонстрируют важность малых эукариот с помощью электронной микроскопии. [5]
1983: В. К. В. Ли и его коллеги, включая Тревора Платта, показывают, что значительная часть первичной продукции морской среды обусловлена организмами размером менее 2 мкм. [6]
1986: Открытие «прохлорофитов» Чизхолмом и Олсоном в Саргассовом море [7] , названных в 1992 году Prochlorococcus marinus . [8]
1994: Открытие в лагуне То во Франции самого маленького из известных на сегодняшний день фотосинтетических эукариот, Ostreococcus tauri , Куртисом. [9]
2001: С помощью секвенирования гена рибосомальной РНК , извлеченного из морских образцов, несколько европейских групп обнаружили, что эукариотический пикопланктон очень разнообразен . [10] [11] Это открытие последовало за первым открытием такого эукариотического разнообразия в 1998 году Раппом и его коллегами из Университета штата Орегон, которые первыми применили секвенирование рРНК к эукариотическому планктону в открытом океане, где они обнаружили последовательности, которые, казалось, далеки от известного фитопланктона. [12] Клетки, содержащие ДНК, соответствующую одной из этих новых последовательностей, были недавно визуализированы и дополнительно проанализированы с использованием специальных зондов и оказались широко распространенными. [13]
Методы исследования
Анализ пикопланктона методом проточной цитометрии
Из-за своего очень малого размера пикопланктон трудно изучать классическими методами, такими как оптическая микроскопия. Нужны более сложные методы.
Проточная цитометрия измеряет размер («прямое рассеяние») и флуоресценцию 1000 в 10 000 клеток в секунду. Это позволяет очень легко определить концентрацию различных популяций пикопланктона в морских образцах. Можно выделить три группы клеток ( Prochlorococcus , Synechococcus и пикоэукариоты). Например, Synechococcus характеризуется двойной флуоресценцией своих пигментов: оранжевой для фикоэритрина и красной для хлорофилла . Проточная цитометрия также позволяет исследователям сортировать определенные популяции (например, Synechococcus ), чтобы поместить их в культуру или провести более подробный анализ.
Анализ фотосинтетических пигментов, таких как хлорофилл или каротиноиды, с помощью высокоточной хроматографии ( ВЭЖХ ) позволяет исследователям определять различные группы водорослей, присутствующих в образце.
DGGE (денатурирующий гель-электрофорез), который быстрее предыдущего подхода, позволяет исследователям получить представление о глобальном разнообразии в пределах образца.
Гибридизация in situ ( FISH ) использует флуоресцентные зонды, распознающие определенный таксон , например, вид , род или класс . [14] Это первоначальное описание как вида теперь считается составленным из ряда различных криптических видов , открытие, которое было подтверждено проектом по секвенированию генома двух штаммов, возглавляемым исследователями из Исследовательского института аквариума залива Монтерей . [15]
Количественная ПЦР может использоваться, как и FISH, для определения распространенности определенных групп. Ее главное преимущество в том, что она позволяет проводить быстрый анализ большого количества образцов одновременно, [16], но требует более сложных контролей и калибровок.
Состав
Фотосинтетический пикопланктон составляют три основные группы организмов:
Цианобактерии, принадлежащие к роду Prochlorococcus , особенно примечательны. Имея типичный размер 0,6 мкм, Prochlorococcus был открыт только в 1988 году [7] двумя американскими исследователями, Салли В. (Пенни) Чисхолм ( Массачусетский технологический институт ) и Р. Дж. Олсоном (Океанографический институт Вудс-Хоул). Несмотря на свой небольшой размер, этот фотосинтезирующий организм, несомненно, является самым распространенным на планете: действительно, его плотность может достигать 100 миллионов клеток на литр, и его можно найти на глубине до 150 м во всем межтропическом поясе. [17]
Пикопланктонные эукариоты наименее известны, как показало недавнее открытие основных групп. В 1993 году Андерсен создал новый класс бурых водорослей, Pelagophyceae . [18] Еще более удивительным было открытие в 1994 году [9] эукариота очень маленького размера, Ostreococcus tauri , доминирующего в фитопланктонной биомассе французской солоноватой лагуны (étang de Thau), что показывает, что эти организмы также могут играть важную экологическую роль в прибрежных средах. В 1999 году был открыт новый класс водорослей, [19] Bolidophyceae , очень близкий генетически к диатомовым водорослям , но совершенно другой морфологически. В настоящее время известно около 50 видов, принадлежащих к нескольким классам.
Использование молекулярных подходов, применяемых с 1990-х годов для бактерий, было применено к фотосинтетическим пикоэукариотам только 10 лет спустя, около 2000 года. Они выявили очень большое разнообразие [10] [11] и выявили важность следующих групп в пикопланктоне:
В умеренной прибрежной среде род Micromonas (Prasinophyceae) по-видимому доминирует. [14] Однако во многих океанических средах доминирующие виды эукариотического пикопланктона остаются до сих пор неизвестными. [20]
Экология
Вертикальное распределение пикопланктона в Тихом океане
Каждая популяция пикопланктона занимает определенную экологическую нишу в океанической среде.
Цианобактерия Synechococcus обычно широко распространена в мезотрофных средах, например, вблизи экваториального подъема глубинных вод или в прибрежных районах.
Цианобактерия Prochlorococcus заменяет ее, когда вода становится бедной питательными веществами (т. е. олиготрофной ). С другой стороны, в умеренных регионах, таких как северная часть Атлантического океана, Prochlorococcus отсутствует, поскольку холодные воды препятствуют его развитию.
Разнообразие эукариот обусловлено их присутствием в самых разных средах. В океанических регионах их часто можно увидеть на глубине, у основания хорошо освещенного слоя («эвфотического» слоя). В прибрежных регионах доминируют определенные виды пикоэукариот, такие как Micromonas . Как и в случае с более крупным планктоном, их численность следует сезонному циклу с максимумом летом.
Тридцать лет назад была выдвинута гипотеза, что скорость деления микроорганизмов в центральных океанических экосистемах очень медленная, порядка одной недели или одного месяца на поколение. Эта гипотеза подтверждалась тем фактом, что биомасса ( оцененная, например, по содержанию хлорофилла ) была очень стабильной с течением времени. Однако с открытием пикопланктона было обнаружено, что система была гораздо более динамичной, чем считалось ранее. В частности, было обнаружено, что мелкие хищники размером в несколько микрометров, которые поглощают пикопланктонные водоросли так же быстро, как они производятся, были вездесущими. Эта чрезвычайно сложная система хищник-жертва почти всегда находится в равновесии и приводит к квазипостоянной биомассе пикопланктона. Эта близкая эквивалентность между производством и потреблением делает чрезвычайно сложным точное измерение скорости, с которой система обновляется.
В 1988 году два американских исследователя, Карпентер и Чанг, предложили оценивать скорость деления клеток фитопланктона, отслеживая ход репликации ДНК с помощью микроскопии. Заменив микроскоп на проточный цитометр , можно отслеживать содержание ДНК в клетках пикопланктона с течением времени. Это позволило исследователям установить, что клетки пикопланктона высокосинхронны: они реплицируют свою ДНК, а затем делятся все в одно и то же время в конце дня. Эта синхронизация может быть обусловлена наличием внутренних биологических часов .
Геномика
В 2000-х годах геномика позволила перейти на дополнительную стадию. Геномика заключается в определении полной последовательности генома организма и перечислении каждого присутствующего гена . Затем можно получить представление о метаболических возможностях целевых организмов и понять, как они адаптируются к своей среде. На сегодняшний день были определены геномы нескольких типов Prochlorococcus [21] [22] и Synechococcus , [23] и штамма Ostreococcus [24] . Полные геномы двух различных штаммов Micromonas показали, что они были совершенно разными (разные виды) и имели сходство с наземными растениями. [15] Несколько других цианобактерий и малых эукариот ( Bathycoccus , Pelagomonas ) находятся на стадии секвенирования. Параллельно с этим начинают проводиться анализы генома непосредственно из океанических образцов (экогеномика или метагеномика) [25] , что позволяет нам получить доступ к большим наборам генов некультивируемых организмов.
^ Бутчер, Р. (1952). Вклад в наши знания о мелких морских водорослях. Журнал Морской биологической ассоциации Великобритании 31 : 175-91.
^ Manton, I. & Parke, M. (1960). Дальнейшие наблюдения за маленькими зелеными жгутиконосцами с особым акцентом на возможных родственниках Chromulina pusilla Butcher. Журнал Морской биологической ассоциации Великобритании 39 : 275-98.
^ ab Waterbury, JB et al. (1979). Широко распространенное распространение одноклеточной морской планктонной цианобактерии. Nature 277 : 293-4.
^ Джонсон, П. В. и Сибурт, Дж. М. (1979). Хроококковые цианобактерии в море: вездесущая и разнообразная фототрофная биомасса. Лимнология и океанография 24 : 928-35.
^ Джонсон, П. В. и Сибурт, Дж. М. (1982). In-situ морфология и встречаемость эукариотических фототрофов бактериального размера в пикопланктоне эстуарных и океанических вод. Журнал физиологии 18 : 318-27.
^ Ли, В. К. В. и др. (1983). Автотрофный пикопланктон в тропическом океане. Science 219 : 292-5.
^ ab Chisholm, SW et al. (1988). Новый свободноживущий прохлорофит встречается при высоких концентрациях клеток в океанической эвфотической зоне. Nature 334 : 340-3.
^ Чисхолм, SW и др. (1992). Prochlorococcus marinus nov. gen. nov. sp.: оксифототрофный морской прокариот, содержащий дивинилхлорофилл a и b . Архивы микробиологии 157 : 297-300.
^ ab Courties, C. et al. (1994). Наименьший эукариотический организм. Nature 370 : 255.
^ ab Лопес-Гарсия, П. и др. (2001). Неожиданное разнообразие мелких эукариот в глубоководном антарктическом планктоне. Nature 409 : 603-7.
^ ab Moon-van der Staay, SY et al. (2001). Океанические последовательности 18S рДНК из пикопланктона обнаруживают неожиданное эукариотическое разнообразие. Nature 409 : 607-10.
^ Раппе, М. и др. (1998). Филогенетическое разнообразие генов малых субъединиц рРНК ультрапланктонных пластид, восстановленных в образцах нуклеиновых кислот окружающей среды с тихоокеанского и атлантического побережья США. Прикладная и экологическая микробиология 64 294-303.
^ Ким, Э., Харрисон, Дж., Судек, С. и др. (2011). Недавно идентифицированная и разнообразная пластидоносная ветвь на эукариотическом древе жизни. Труды Национальной академии наук США. Т. 108: 1496-1500.
^ ab Not, F. et al. (2004). Единственный вид Micromonas pusilla (Prasinophyceae) доминирует в эукариотическом пикопланктоне в западной части Ла-Манша. Applied and Environmental Microbiology 70 : 4064-72.
^ abc Worden, AZ, et al. (2009). Зеленая эволюция и динамические адаптации, выявленные геномами морских пикоэукариот Micromonas . Science 324 : 268-272.
^ Джонсон, З.И. и др. (2006). Разделение ниши среди экотипов Prochlorococcus вдоль экологических градиентов в масштабе океана. Science 311 : 1737-40.
^ Партенский, Ф. и др. (1999). Prochlorococcus , морской фотосинтетический прокариот мирового значения. Microbiology and Molecular Biology Reviews 63 : 106-27.
^ Андерсен, Р.А. и др. (1993). Ультраструктура и последовательность гена 18S рРНК Pelagomonas Calceolata gen. и сп. ноябрь и описание нового класса водорослей Pelagophyceae classis nov. Журнал Phycology 29 : 701-15.
^ Guillou, L. et al. (1999). Bolidomonas : новый род с двумя видами, принадлежащими к новому классу водорослей, Bolidophyceae (Heterokonta). Journal of Phycology 35 : 368-81.
^ Worden, AZ & Not, F. (2008) Экология и разнообразие пикоэукариот. Глава книги: Микробная экология океана, 2-е издание. Ред. Д. Кирхман. Wiley.
^ Rocap, G. et al. (2003). Геномная дивергенция в двух экотипах Prochlorococcus отражает дифференциацию океанической ниши. Nature 424 : 1042-7.
^ Дюфрен, А. и др. (2003). Геномная последовательность цианобактерии Prochlorococcus marinus SS120, почти минимальный оксифототрофный геном. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 100 : 10020-5.
^ Паленик, Б. и др. (2003). Геном подвижного морского Synechococcus . Nature 424 : 1037-42.
^ Derelle, E. et al. (2006). Геномный анализ наименьшего свободноживущего эукариота Ostreococcus tauri раскрывает множество уникальных особенностей. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 103 : 11647-52.
^ Вентер, Дж. К. и др. (2004). Экологическое геномное дробовиковое секвенирование Саргассова моря. Science 304 : 66-74.
^ Паленик, Б. и др. (2006). Геномная последовательность Synechococcus CC9311: взгляд на адаптацию к прибрежной среде. PNAS 103 : 13555-9.
Библиография
Цианобактерии
Zehr, JP, Waterbury, JB, Turner, PJ, Montoya, JP, Omoregie, E., Steward, GF, Hansen, A. и Karl, DM 2001. Одноклеточные цианобактерии фиксируют N2 в субтропической части северной части Тихого океана. Nature 412:635-8
Эукариоты
Бутчер, Р. 1952. Вклад в наши знания о мелких морских водорослях. J. Mar. Biol. Assoc. UK. 31:175-91.
Мэнтон, И. и Парк, М. 1960. Дальнейшие наблюдения за мелкими зелеными жгутиконосцами с особым акцентом на возможных родственниках Chromulina pusilla Butcher. J. Mar. Biol. Assoc. UK. 39:275-98.
Eikrem, W., Throndsen, J. 1990. Ультраструктура Bathycoccus gen. nov. и B. prasinos sp. nov., неподвижных пикопланктонных водорослей (Chlorophyta, Prasinophyceae) из Средиземноморья и Атлантики. Phycologia 29:344-350
Кретьенно-Дине, М.Дж., Куртис, К., Вакер, А., Неве, Ж., Клаустр, Х. и др. 1995. Новый морской пикоэкариот: Ostreococcus tauri gen et sp nov (Chlorophyta, Prasinophyceae). Психология 34:285-292.
Sieburth, JM, MD Keller, PW Johnson и SM Myklestad. 1999. Широкое распространение океанического ультрапланктера Prasinococcus capsulatus (Prasinophyceae), диагностического «комплекса Гольджи-декапор» и недавно описанного полисахарида «капсулан». J. Phycol. 35: 1032-1043.
Нот, Ф., Валентин, К., Ромари, К., Лавджой, К., Массана, Р., Тёбе, К., Волот, Д. и Медлин, Л.К. 2007. Пикобилифиты, новая группа морских пикопланктонных водорослей с неизвестным сродством к другим эукариотам. Science 315:252-4.
Vaulot, D., Eikrem, W., Viprey, M. и Moreau, H. 2008. Разнообразие мелкого эукариотического фитопланктона (≤3 мкм) в морских экосистемах. FEMS Microbiol. Rev. 32:795-820.
Экология
Платт, Т., Субба-Рао, Д.В. и Ирвин, Б. 1983. Фотосинтез пикопланктона в олиготрофном океане. Nature 300:701-4.
Стомп М, Хейсман Дж, де Йонг Ф, Вераарт А.Дж., Герла Д., Райкебур М., Ибелингс Б.В., Волленцин МАУ, Сталь Л.Дж. 2004. Адаптивная дивергенция пигментного состава способствует биоразнообразию фитопланктона. Природа 432: 104-107.
Кэмпбелл Л., Нолла Х.А. и Валот Д. 1994. Важность Prochromococcus для структуры сообщества в центральной части северной части Тихого океана. Лимнол. Океаногр. 39:954-61.
Молекулярная биология и геномы
Раппе, М.С., П.Ф. Кемп и С.Дж. Джованнони. 1995. Гены рибосомальной РНК 16S пластид хромофита, обнаруженные в библиотеке клонов из морской воды Атлантического океана. J. Phycol. 31: 979-988.
