Úvod do sinic/cyanobakterií a řas & Sinice/cyanobakterie/cyanoprokaryoty RNDr. Bohuslav Uher, Ph.D. uherius@sci.muni.cz ubz_cz_black_transparent MODULARIZACE VÝUKY EVOLUČNÍ A EKOLOGICKÉ BIOLOGIE CZ.1.07/2.2.00/15.0204 Důležitá literatura a informace •Kalina T. a Váňa J., 2005: Sinice, řasy, houby, mechorosty a podobné organismy v současné biologii. - Univerzita Karlova v Praze, Nakladatelství Karolinum, 583 pp. • •is.muni.cz (studijní materiály) Kryptogamologie - nauka o nižších rostlinách •Kryptos + gammos + logos (řečtina) •Kryptos = skrytý, tajný, neviditelný, zakrytý •Gammos = vdaný, manželský, zasnoubený, „snubný“ •Fykologie/Algologie •Mykologie •Lichenologie •Bryologie (mechorosty historicky řazeny mezi nižší rostliny, v současné biologii patří mezi vyšší rostliny) ALGAE s.l. •Široká superskupina organismů •„Svět řas“ fenomén endosymbiózy •Plastidy – společný znak •Příčina – cyanobakterie (pědchůdci plastidů) •Cryptogamia („tajnosnubní rostliny“) – Linnaeus 1753 • Proč je takový zájem o řasy? •Rozhodující z hlediska funkčnosti biosféry Země •Zdroj potravy pro člověka (přímo nebo nepřímo) – plankton, rybolov •Nori (=Porphyra) v suši (Japonsko) •Dulse (=Palmaria palmata) v Irsku •Cochayuyo (=Durvillea antarctica) v Čile •Toxiny •Sekundární metabolity (účinné léčivá, probiotiká) •Zásobní olejové látky (bionafta) • Nori – ruducha Porphyra Dulse – ruducha Palmaria palmata Cochayuyo – chaluha Durvillea antarctica Taxonomie •Konstrukt lidí •Konsenzus •Dosáhnout „perfektní“ klasifikaci •Kontroverzní výsledky •Strom života •Metody molekulární biologie •Mitochondrie, plastidy, jejich DNA, RNA •Ultrastruktura •Ontogeneze Transport genů v evoluci Plastidy •Endosymbióza •Hledání univerzálních znaků života •Adaptace na souš – zvýšení pigmentace a změny ultrastruktury plastidů •Složitá plastidová evoluce •Vertikální i horizontální přenos •Konvergentní evoluce (silně redukované genomy plastidů) Evoluce a vztahy řas ve stromě života •Fotosyntéza rostlinného typu •Proalgae = „prvořasy“ = prokaryotické řasy (Cyanophyta) •Meta-algae = „přechodné“ řasy •Eualgae = ruduchy, zelené řasy (Plantae) •Chromophyte algae = endosymbiont ruducha • Přehled hlavních skupin řas se sekundárně získanými plastidy Skupina řas Membrány Pigmenty Nukleomorf Chlorophyta 2 a, b ? Chlorarachniophyta 4 a, b + Euglenophyta 3 a, b ― Glaucophyta 2 fykobilizomy ? Rhodophyta 2 fykobilizomy ? Cryptophyta 4 a, c, fkp + Heterokontophyta 4 a, c ― Haptophyta 4 a, c ― Dinophyta 3 a, c ― Apicomplexa 4 ― ― Cyanophyta/Cyanobacteria Prokaryotické rostliny nebo Bakterie nebo ……? Jeden vědec řekl: „Am Anfang war Dunkelheit und Nichts; dann kamen die Blaualgen.“ • „Na počátku byla tma a nicota; pak přišly sinice.“ [H. Ettl, 1978] Jaké jsou sinice? •Moc staré evolučně •3,4-3,5 mld. let •7/8 historie Země •Biolitogenní organismy •Stromatolity •Algolitické vápence •Fotosyntéza •Proměna atmosféry zásluhou fotosyntézy •Ozónová vrstva •Vysoký potenciál - různé biotopy •40% primární produkce na Zemi (spolu s řasami) •99% primární produkce v oceánech • • Stromatolity nejstarší žijící fosilie na Zemi stromatolites 1.Pohled na kolonii stromatolitů nedaleko Shark bay, Western Central Australia 2.Aktivní povrch stromatolitu tvořen hlavně sinicemi Povrch stromatolitu 1. 2. Nejstarší fosilie na Zemi – prekambrické sinice (3,5 mld. let) Najstarsie fosilie Zeme (A)Primorivularia; (B)Trachytrichoides; (C)Partitiofilum; (D)Heliconema; (E,F) Calyptothrix; Měřítko = 10 µm J. W. Schopf: Cradle of Life (1999). Série názvů pro sinice •Cyanophyta (1849) - kyanos = modrý •Schizophyta (1907) - schizo = rozštěpit •Myxophyta (1914) - myxo = sliz, hlen •Cyanobacteria (1978) •Oxyphotobacteria (1988) •Cyanoprokaryota (1998) • Etymologie slova „sinice“ •Jedinečný název převzat z polštiny do češtiny v roce 1934 a do slovenštiny 1940 •Ostatní jazyky je nazývají v překladu jako „modré nebo modro-zelené řasy“: •Blau-Algen (něm.) •Blue-green algae (angl.) •Sinozelenyie vodorosly (rus.) •Kék moszatok (maď.) •Algas verde-azules (špan.) SINICE Prokaryotické rostliny nebo bakterie? •V prospěch sinic: •Fykobilizomy •Tylakoidy •Volutin •Introny v DNA a RNA •RNA sekvence •Rostlinný typ fotosyntézy •Heterocyty (N2-asimilace) •Akinety/Arthrocyty •Hormogonie •Malý počet ribozomů •Ekologická funkce •V prospěch cyanobakterií: •Prokaryoty •Peptidoglykany •Murein •Kys. diaminopimelová •G- bakterie •Typ buněčného dělení Paradox v evoluci = „Staré a statické“ sinice vyvolaly „velký třesk“ v evoluci života na Zemi •Sinice se morfologicky nezměnily za celé své období existence na Zemi (důkaz ® prekambrické fosílie), avšak geneticky ano! •Sinice - evoluční revoluce, a to „jen“ kvůli kyslíku, který byl „odpadem“ jejich jedinečné fotosyntézy (důkaz ® ozónová vrstva, ochrana před UV-zářením) •Sinice - vhodnými partnery pro různé organizmy (houby, živočichy, prvoky a rostliny), což dokazuje samotná existence chloroplastů (důkaz ® endosymbióza) Od sinic ke řasám Endosymbioza Evolučná priamka prokaryota Rhodophyta Dinophyta Systém a taxonomie sinic •Ultrastruktura (TEM) •Uspořádaní tylakoidů •Typ stélky •Akinety •Baeocyty •Heterocyty •Hormogonie •Nekridické buňky •Větvení •Slizové obaly, pochvy •Kolonie •Ekologie •Sekvence •Gen 16S rDNA •Gen rbcL (Rubisco) •tRNALeu (UAA) Intron •Gen hetR •Nejnovější výsledky: •Stélka - adaptace na ekologické podmínky •Ultrastruktura koresponduje s molekulárními analýzami •Hledání univerzálního biologického systému pro sinice • D Obrazok03 P1010131upr 7bLT Molekulární taxonomie analýzy SSU a LSU rRNA 55C-G15_2006-Phusion Polymerase-GCandHFbuffer-55C opr dendogram Přehled systému sinic •Chroococcales •Kokální sinice •Baeocyty •Slizové obaly •Pseudovlákna •Pseudoparenchym •Kolonie •Oscillatoriales •Vláknité sinice •Slizové obaly, pochvy •Hormogonie •Nekridické buňky •Nepravé větvení •Kolonie •Nostocales •Vláknité sinice •Heterocyty •Akinety / arthrocyty •Hormogonie •Slizové obaly, pochvy •Nekridické buňky •Nepravé větvení •Stigonematales •Vláknité sinice •Heterocyty •Akinety / arthrocyty •Hormogonie •Slizové obaly, pochvy •Parenchym •Pravé větvení Ekologie sinic vodny kvet riasy na pode koralutes termálne pramene Vodní květ - fytoplankton Půdní edafon Termální prameny Korálové útesy Bentos Bentos snezne riasy Kryoseston vodnykvet Sinicový vodní květ v mikroskopu Anabaena sp. Microcystis sp. Aphanizomenon sp. Gomphosphaeria sp. Chroococcales CHroococcus minor Chroococcus minor (Kützing) Nägeli •Popis: •Mikroskopické slizovité kolonie, nepravidelné, špinavě modrozelené až olivově zelené. • •Buňky v 2–4-četných seskupeních, sférické, subsférické až elipsovité, 2,5–5 μm v průměru. •Slizové obaly jemné, bezbarvé. © orig. Uher B. Pleurocapsa minor Hansgirg Popis: Mikroskopické kolonie tvořící pseudoparenchymatické vrstvy Pseudofilamenty 3–10 µm široké Buňky soudkovité až polygonální, 2,5–12,5 µm v průměru Pochvy tenké, bezbarvé Pleurocapsa minor Pseudoparenchymatické sinice •Pleurocapsa minor © orig. Uher B. baeocyty Pleurocapsa minor 01 © orig. Uher B. Oscillatoriales Phormidium fonticolum Kützing ex Gomont Popis: Makroskopické tenké modrozelené povlaky, s hladkým povrchem Trichomy 4,5–6,5(–7) µm široké, bez pochvy, u přepážek nezaškrcované Buňky izodiametrické, apikální buňky užší s kalyptrou Phormidium fonticolum 02 © orig. Uher B. 1277_Phormidium_01e © orig. Uher B. kalyptra Phormidium fonticolum 01 © orig. Uher B. Nostocales SLOV-RAJ-031-20x Nostoc microscopicum © orig. Uher B. SLOV-RAJ-030-20x © orig. Uher B. Petalonema9 Petalonema alatum © orig. Uher B. heterocyt trichom slizový obal SLOV-RAJ-077-20x © orig. Uher B. hormogonie Pochva zbarvená žlutým barvivem scytoneminem SLOV-RAJ-022-20x © orig. Uher B. Strukturovaný sliz v podobě do sebe zapadajících trychtýřů SLOV-RAJ-084-40x © orig. Uher B. Nepravé větvení u heterocytu SLOV-RAJ-014-20x Scytonema myochrous © orig. Uher B. heterocyt SLOV-RAJ-001-20x © orig. Uher B. Nepravé větvení u nekridické buňky Stigonematales Uher-057-20x © orig. Uher B. Pravé větvení Heterocyt Vegetativní buňka Mastigocladus sp. Jaký je metodický přístup při zkoumaní sinic a řas? DomSvMaritna PresbyteriumSever Mramor Hrubozrnny Lokalita: Dóm sv. Martina Místo odběru Detail povrchu substrátu Petriho miska Kultura Mikroskop Nahlédnutí do fykologické laboratoře LabakEspana ExperimentEspana Flowbox DSCN0531 Dscn0535 Flowbox Izolace Experiment Kultivace Konzultace Může být mikrosvět sinic a řas zajímavý pro člověka? •Variabilita fenotypová i genotypová •Diverzita druhů •Adaptabilita na různé podmínky •Všudepřítomost •Dostupnost •Různé životní strategie •Biomedicínský a farmaceutický výzkum • •Vodohospodářský význam •Testy toxicity •Genová banka •Modelové organismy •Bioremediace, detoxikace kontaminované půdy, vody •Záchrana lidstva – výživa •Extrémní biotopy – Antarktída, pouště, termální prameny... •Kosmický výzkum chlorella-2 Jak člověk využíval a využívá sinice? Aztekovia Africka zena v Chade Africke zeny v Chad Aztékové Ženy z kmenu Kanembu u jezera Čad Pěstování sinic Afrika Zdroj obživy Amerika lake_chad_map Foto_Spirulina Spirulina sp. Scytonemin – zajímavá sinicová látka Stigonema mokré steny scytonema scytonemin Skalní stěny Aktivní UV-ochrana Žlutá látka v obalech sinic Evoluční výhoda Využití v kosmetice Nebezpečné sinice! nebo biologické zbraně... Toxin: mikrocystin ミクロキスティス属 Microcystis aeruginosa ミクロキスティス属 Microcystis aeruginosa Microcystis aeruginosa Nodularia spumigena Toxin: nodularin Nodularia spumigena http://unio.igb-berlin.de/abt3/mitarbeiter/hepperle/phycology/algae2.jpg Planktothrix rubescens Ale přece existují organismy, co tyto toxické sinice mají v oblibě ... Ciliophora Ciliophora sp. Požírá vlákna sinic jako špagety Děkuji za pozornost