Фикотоксин - Phycotoxin

Фикотоксины (от греческого phykos , «морские водоросли» и toxikon , «токсин») представляют собой сложные аллелопатические химические вещества, продуцируемые вторичными путями метаболизма эукариотических и прокариотических водорослей . Проще говоря, это токсичные химические вещества, синтезируемые фотосинтезирующими организмами. Эти метаболиты (в большинстве случаев) не вредны для продуцента, но могут быть токсичными как для одного, так и для многих членов морской пищевой сети . Эта страница посвящена фикотоксинам, продуцируемым морскими микроводорослями ; однако пресноводные водоросли и макроводоросли являются известными продуцентами фикотоксинов и могут демонстрировать аналогичную экологическую динамику. В пелагическом морских пищевом, фитопланктон подвергается выпасу макро- и микро зоопланктона , а также конкуренция за питательные вещества с другими видами фитопланктона. Морские бактерии пытаются получить долю органического углерода, поддерживая симбиотические , паразитические , комменсальные или хищные взаимодействия с фитопланктоном. Другие бактерии разлагают мертвый фитопланктон или потребляют органический углерод, выделяемый вирусным лизисом . Производство токсинов - это одна из стратегий, которую фитопланктон использует для борьбы с этим широким кругом хищников, конкурентов и паразитов. Сметачек предположил, что «эволюцией планктона управляет защита, а не конкуренция . Многие формы планктона отражают защитные реакции на определенные системы нападения». Действительно, фитопланктон сохраняет множество механических и химических защитных механизмов, включая клеточные стенки , шипы, образование цепей / колоний и токсичное химическое образование. Эти морфологические и физиологические особенности приводятся в качестве доказательства сильного хищнического давления на морскую среду. Однако важность конкуренции также демонстрируется производством фикотоксинов, которые негативно влияют на другие виды фитопланктона. Жгутиковые (особенно динофлагелляты ) являются основными продуцентами фикотоксинов; однако известны токсигенные диатомеи , цианобактерии , примнезиофиты и рафидофиты . Поскольку многие из этих аллелохимических веществ имеют большие размеры и являются дорогостоящими в производстве, они синтезируются в небольших количествах. Однако известно, что фикотоксины накапливаются в других организмах и могут достигать высоких концентраций во время цветения водорослей . Кроме того, как биологически активные метаболиты , фикотоксины в низких концентрациях могут оказывать воздействие на окружающую среду. Эти эффекты могут быть незначительными, но могут повлиять на биогеографическое распределение фитопланктона и динамику цветения.

Возможные экологические последствия

Эффекты против выпаса скота

Фикотоксины могут предотвратить выпас скота за счет нескольких механизмов: гибель пастбищ , бесплодие или отпугивание. Некоторые свидетельства антипастбищных эффектов:

  1. Тигарден обнаружил, что три разных вида веслоногих рачков способны различать сакситоксин- продуцирующий Alexandrium sp. и морфологически подобный нетоксигенный Alexandrium sp. по хемосенсорным средствам. Эти три разных вида копепод паслись преимущественно на нетоксигенных Alexandrium spp. и избегали продуцента сакситоксина. Однако эффект сдерживания сакситоксина варьировал в зависимости от вида веслоногих. Это означает, что сакситоксин, продуцирующий Alexandrium sp. имеют преимущество перед нетоксигенными динофлагеллятами.
  2. Miralto et al. сообщили о низком уровне вылупления яиц, отложенных веслоногими раками, которые питались диатомовыми водорослями, содержащими полиненасыщенные альдегиды . При попадании в организм веслоногих ракообразных эти альдегиды, по-видимому, останавливают эмбриональное развитие. Это может уменьшить будущую популяцию веслоногих рачков и способствовать выживанию веслоногих рачков, которые не едят так много диатомовых водорослей.

Антимикробные эффекты

Производство фикотоксинов может быть полезно для защиты от паразитарных или альгицидных гетеротрофных бактерий. Некоторые свидетельства антимикробного действия:

  1. Bates et al. смог увеличить продукцию домоевой кислоты в мультисерии Pseudo-nitzschia с повторным введением бактерий. Кроме того, культуры P. multiseries, которые были полностью аксеничными (свободными от бактерий), производили меньше домоевой кислоты, чем культуры P. multiseries, которые содержали бактерии в течение нескольких поколений.
  2. Зибурт обнаружил, что акриловая кислота подавляет микрофлору кишечника у пингвинов. Акриловая кислота в высоких концентрациях поступала в организм пингвинов с пищей эвфазидов , которые питались Phaeocystis. Антимикробный эффект акриловой кислоты был подтвержден Slezak et al. кто пришел к выводу, что акриловая кислота будет подавлять производство бактерий в ситуациях, когда фитопланктон образует агрегаты (например, морской снег или цветение Phaeocystis). Однако производство акриловой кислоты может также служить для предотвращения попадания бактерий в фитопланктон в более разбавленных концентрациях.

Конкурентные эффекты

Поскольку многие различные виды фитопланктона конкурируют за ограниченное количество питательных веществ (см. Парадокс планктона ), возможно, что производство фикотоксина используется как метод, чтобы убить конкурентов или уберечь другой фитопланктон от пространства питательных веществ продуцента. Некоторые свидетельства конкурентных эффектов:

  1. Graneli показал, что Prymnesium spp. будет производить фикотоксины, которые убивают конкурентов в условиях ограничения азота или фосфора.
  2. Fistarol et al. обнаружили, что Alexandrium spp. производят токсины, которые снижают скорость роста другого фитопланктона и изменяют состав сообщества .
  3. Prince et al. показали, что химические экссудаты динофлагелляты Karenia brevis снижают скорость роста и иногда убивают виды-конкуренты, снижая их фотосинтетическую эффективность и увеличивая проницаемость мембран .

Список известных фикотоксинов и механизмов действия

Большинство описанных фикотоксинов оказывают определенное влияние на экономику или здоровье человека. Другие хорошо изученные фикотоксины являются потенциальными или существующими фармацевтическими препаратами или используются в клеточных исследованиях. Следовательно, наш уровень знаний об отдельных токсинах не обязательно отражает их экологическую значимость. Кроме того, способ действия и уровень токсичности - это эффекты, которые были задокументированы у макроорганизмов (обычно мышей). Эти способы действия могут быть разными в пелагической морской среде. Однако маловероятно, что синтез сложных и энергетически дорогих химикатов следует сохранить в течение эволюционного времени, если они не принесут определенных преимуществ производителю. Даже если мы еще не знаем о влиянии многих токсинов на их естественную среду обитания, их простое присутствие и впечатляющее разнообразие указывает на то, что они действительно служат какой-то экологической цели.

Перечисленные ниже виды фитопланктона не охватывают весь спектр известных токсигенных видов. Существуют экспериментальные данные о видах фитопланктона, которые оказывают ингибирующее действие на травоядных животных или другие виды фитопланктона, но их токсины не идентифицированы.

Таблица создана с использованием информации от Cembella , Shimizu

Группа токсинов Виды, продуцирующие токсины Класс Характеристики Способ действия Состав
Домоевая кислота Pseudo-nitzschia spp. Bacillariophyceae Гидрофильный N-токсин Агонист глутаматных рецепторов Домоевая кислота.svg
Сакситоксины (неосакситоксины, гониаутоксины) Александриум виды, Pyrodinium bahamense , Gymnodinium catenatum Dinophyceae Гидрофильный N-токсин Блокатор Na + -каналов (сайт 1) Saxitoxin.svg
Anabaena spp., Aphanizomenon spp., Cylindrospermopsis spp., Lyngbya spp., Planktothrix spp., Oscillatoria spp. Цианобактерии
Цигуатоксин Гамбиердискус токсический Dinophyceae Лестнично-каркасный полиэфирный Активатор Na + -каналов (сайт 5) Ciguatoxin.svg
Гамбиеровая кислота Гамбиердискус токсический Dinophyceae Лестнично-каркасный полиэфирный
Майтотоксины Гамбиердискус токсический Dinophyceae Лестнично-каркасный полиэфирный Ca 2+ -канальный эффектор Майтотоксин 2D structure.svg
Остеротоксин Остреопсис лентикулярный Dinophyceae Лестнично-каркасный полиэфирный Неизвестный
Кулиатоксин Coolia monotis Dinophyceae Лестнично-каркасный полиэфирный Неизвестный
Бреветоксины Karenia brevis , K. brevi-sulcata Dinophyceae Лестнично-каркасный полиэфирный Активатор Na + -каналов (сайт 5) Бреветоксин A.svg

Бреветоксин B.svg

Chatonella marina , C. antiqua , C. cf. бородавка Raphidophyceae
Йессотоксины Protoceratium reticulatum , Lingulodinium polyedrum Dinophyceae Лестнично-каркасный полиэфирный Действует на циклический АМФ , цитотоксичен. Yessotoxin.svg
Окадаиновая кислота и динофизитоксины Виды Dinophysis , Prorocentrum spp. Dinophyceae Линейный полиэфир Ингибитор протеинфосфатазы Okadaic acid.svg
Пектенотоксин Dinophysis fortii , D. acuta Dinophyceae Макроциклический полиэфир Неизвестно, гепатотоксичен
Азасприкиды Протоперидиний крассипес Dinophyceae Линейный полиэфир Неизвестно, нейротоксичный
Гимнодимин Karenia selliformis Dinophyceae Макролид Неизвестно, потенциально нейротоксичен
Примнесины Prymnesium parvum Prymnesiophyceae Линейный полиэфир Неизвестно, потенциальный эффектор Ca 2+ -канала
Спиролид Александрий остенфельдий Dinophyceae Макроциклический полиэфир Мускариновый рецептор или ингибитор холинэстеразы
Остреоцин ( палитоксин ) Остреопсис сиаменсис Dinophyceae Линейный полиэфир Na + / K + разрушитель АТФазы Palytoxin.svg
Amphidinolide , Caribenolide Amphidinium spp. Dinophyceae Макроциклический полиэфир Цитотоксический
Гониодомин Alexandrium spp. Dinophyceae Макроциклический полиэфир
Пророцентролид Пророцентриум лима Dinophyceae Макроциклический полиэфир
Сцитофицины Scytonema spp. Цианобактерии Линейный полиэфир Цитотоксический
Толитоксин Tolypothrix conglutinata var. колората Цианобактерии Линейный полиэфир Микрофиламентов - деполимеризующим агент
Дебромоаплизиатоксин Lyngbya majuscula Цианобактерии Линейный полиэфир Активатор протеинкиназы C Debromoaplysiatoxin.png
Amphidinols , Amphiketide Amphidinium spp. Dinophyceae Поликетиды с открытой цепью Противогрибковый
Majusculamides , Curacins Lyngbya majuscula Цианобактерии Поликетид с открытой цепью Ингибитор сборки микротубулина
Бациллариолиды Pseudo-nitzschia многосерийный Bacillariophyceae Эйкозаноид Ингибитор фосфолипазы А 2
Lyngbyatoxins Lyngbya majuscula Цианобактерии Производное пренилированной аминокислоты Активатор протеинкиназы C Lyngbyatoxin A.svg
Полиненасыщенные альдегиды Bacillariophyceae Полиненасыщенные альдегиды Анти- митоз , апоптоз
Эвгленофицин Euglena sanguinea Euglenoidea Поликетид
Карлотоксин Карлодиниум венефикум Dinophyceae Поликетид / полиэфир Карлотоксин-2 structure.svg
Кармитоксин Карлодиниум армигер Dinophyceae Поликетид / полиэфир Молекулярная структура кармитоксина.svg

Типы токсинов

Выделенные токсины

Выделенные токсины могут помочь отпугнуть хищников и бактерии, втянутые продуктами жизнедеятельности фитопланктона. Фитопланктон, как известно, выводит метаболиты отходов в окружающую среду. Это потенциальный источник пониженного содержания питательных веществ и углерода для бактерий и может действовать как сигнал для хищников, которые могут обнаруживать градиенты кайромона в своей среде и следовать им. Выделенные токсины кажутся наиболее выгодными для отдельной клетки в их способности держать на расстоянии хищников и / или паразитических и альгицидных бактерий. Однако непрерывное производство и выведение токсинов связано с метаболическими издержками. Чтобы токсины, выделяемые из организма, были эффективными, они должны иметь низкую молекулярную массу, чтобы быстро диффундировать в морской среде и быть экономически дешевыми в производстве. Однако выделяемые токсины могут не оттолкнуть более крупных подвижных хищников, потому что молекулярная диффузия медленная, а турбулентность миллиметрового масштаба в воде велика. Выделенные фикотоксины могут действовать как репелленты, если их сигнал регистрируется с той же скоростью, что и другие сигналы, которые могут обнаружить потенциальные травоядные (кайромоны), при условии, что оба они встречаются хищником одновременно. Кроме того, выделяемые токсины могут быть эффективным методом удержания вредных бактерий и других конкурентов фитопланктона за пределами микрозоны питательных веществ производителя фикотоксина.

Контактные токсины

Контактные токсины эффективны, если они поражают травоядных или вредных бактерий сразу после контакта с продуцентом фитопланктона. Эти токсины расположены на поверхности клетки и обычно классифицируются как гликопротеины , гликолипиды или полипептиды . Эти токсины должны быть высокоспецифичными по отношению к их рецепторам-мишеням, чтобы быть эффективными.

Токсины после приема внутрь

Для того, чтобы эти типы токсинов подействовали, производители токсинов после приема пищи должны потребляться травоядным скотом. Постпищевые токсины, также известные как суицидальные токсины, не приносят пользы отдельным клеткам, потому что, в отличие от наземных растений, фитопланктон не имеет жертвенной ткани. Однако, если внутренние токсины действительно приводят к смерти, снижению темпов роста, бесплодию или сдерживанию хищника, оставшиеся представители планктонного сообщества могут выиграть. Защита сообщества наиболее эффективна в клональной популяции, где много токсигенных видов, например, во время моноспецифического цветения фитопланктона.

Сигнальные механизмы химической защиты

Таблица модифицирована из Wolfe (2000)

Выделенные токсины Контактные токсины Токсины после приема внутрь
Молекулы Небольшие молекулы, но разнообразная структура; органические и аминокислоты , сахара, короткоцепочечные липиды и производные Гликопротеины , гликолипиды , полипептиды Разнообразные: токсичные вещества или токсины
Свойства токсина Растворимость в воде , коэффициент диффузии , лабильность , токсичность Специфичность, токсичность Токсичность или концентрация
Расположение токсина Водная среда Поверхность клетки Интерьер камеры
Эффект или способ действия Отрицательный кинезис / такси : репеллент Освободить следующий захват: сдерживающий фактор Последующее подавление кормления или токсичность снижают усвояемость или эффективность роста
Уровень выгоды Отдельное лицо или население, включая конкурентов Физическое лицо Генетически похожая популяция

Методы обнаружения

Технически сложно идентифицировать и охарактеризовать метаболит, который продуцируется в низких концентрациях и секретируется в жидкость, содержащую множество других метаболитов. Аллелопатию очень трудно наблюдать в полевых условиях (за исключением вредоносного цветения водорослей ), поскольку выработка фикотоксинов может быть вызвана множеством факторов окружающей среды и может создавать каскад биотических и физических явлений, которые трудно отделить от прямых аллелопатических эффектов. одного вида на другой. Необходимо установить шесть пунктов (логически схожих с постулатами Коха ), чтобы строго доказать, что один вид химически подавляет другой в экологической системе.

  1. должна быть показана модель угнетения одного вида [...] другим
  2. предполагаемый агрессор [вид] должен производить токсин
  3. должен быть режим выброса токсина из [вида] в окружающую среду
  4. должен быть способ переноса и / или накопления токсина в окружающей среде
  5. пораженный [вид] должен иметь средства для поглощения токсинов
  6. Наблюдаемый паттерн торможения не может быть объяснен исключительно физическими факторами или другими биотическими факторами, особенно конкуренцией и травоядностью:
  7. концентрации, влияющие на целевые виды, должны быть реалистичными с экологической точки зрения, учитывая скорость переноса и распространения в водной среде.

В нескольких (если таковые вообще имеются) исследованиях токсинов фитопланктона предпринимались попытки строго соответствовать всем этим критериям. Все методы обнаружения фикотоксинов включают извлечение токсина-кандидата из культуры фитопланктона; поэтому важно определить, секретируется ли токсин в среду или хранится в клетке фитопланктона. Также важно знать, должен ли присутствовать целевой организм, чтобы вызвать синтез токсина.

Чаще всего наличие фикотоксина подтверждается фракционированием под контролем биопроб . Образец необходимо фракционировать или отделить от других метаболитов и химикатов в среде с помощью хроматографии . Затем эти различные фракции могут быть протестированы на целевых видах, чтобы определить, какой образец вызывает ожидаемый аллелопатический симптом (ы). Этот подход полезен для быстрого выделения аллелохимического соединения, структура которого неизвестна. Однако биоанализы могут давать ложноположительные результаты . Это может произойти, если биоанализ не контролируется должным образом. Например, в смешанной периодической культуре целевые виды могут погибнуть или иметь пониженную скорость роста из-за конкуренции за питательные вещества, растворенный неорганический углерод или уровни pH, которые слишком низки для целевых видов.

Развитие геномики , транскриптомики , протеомики и метаболомики в настоящее время дает большие объемы биохимических данных. « Метаболическое профилирование » позволяет сравнивать биологически активные и неактивные образцы и идентифицировать соединения, присутствующие в низких концентрациях, с помощью масс-спектрометрии . Затем эти образцы можно сравнить с помощью анализа главных компонентов . Затем характеристика соединений, присутствующих в активном образце (но не в неактивном образце), может быть идентифицирована и охарактеризована с использованием стандартных методов масс-спектроскопии. Мечение изотопов также может использоваться для идентификации путей, используемых в биосинтезе фикотоксинов .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Smetacek V (2001). «Водяная гонка вооружений» . Природа . 411 (6839): 745. Bibcode : 2001Natur.411..745S . DOI : 10.1038 / 35081210 . PMID   11459035 .
  2. ^ Верити, PG; В Сметачек (1996). «Жизненные циклы организмов, хищничество и структура морских пелагических экосистем» . Серия «Прогресс морской экологии» . 130 : 277–293. Bibcode : 1996MEPS..130..277V . DOI : 10,3354 / meps130277 .
  3. ^ a b c Cembella, AD (2003). «Химическая экология эукариотических микроводорослей в морских экосистемах». Phycologia . 42 (4): 420–447. DOI : 10.2216 / i0031-8884-42-4-420.1 .
  4. ^ Teegarden, GJ (1999). «Выбор выпаса веслоногих ракообразных и распознавание частиц на основе содержания токсина PSP» . Серия «Прогресс морской экологии» . 181 : 163–176. Bibcode : 1999MEPS..181..163T . DOI : 10,3354 / meps181163 .
  5. ^ Miralto, A; и другие. (1999). «Коварное влияние диатомовых водорослей на размножение веслоногих рачков». Природа . 402 (6758): 173–176. Bibcode : 1999Natur.402..173M . DOI : 10,1038 / 46023 .
  6. ^ Бейтс, СС; DJ Дуглас; GJ Doucette; С. Леже (1995). «Повышение выработки домовой кислоты путем повторного введения бактерий в аксенические культуры многосерийных диатомовых Pseudo-nitzschia». Природные токсины . 3 (6): 428–435. DOI : 10.1002 / nt.2620030605 . PMID   8612005 .
  7. ^ Sieburth, JM (1960). «Акриловая кислота,« антибиотик », вызывающий цветение Phaeocystis в водах Антарктики» . Наука . 132 (3428): 676–677. Bibcode : 1960Sci ... 132..676M . DOI : 10.1126 / science.132.3428.676 . PMID   14446452 .
  8. ^ Слезак, DM; S Puskaric; GJ Herndl (1994). «Возможная роль акриловой кислоты в сообществах бактериопланктона в море» (PDF) . Серия «Прогресс морской экологии» . 105 : 191–197. Bibcode : 1994MEPS..105..191S . DOI : 10,3354 / meps105191 .
  9. ^ Гранели, E (2006). «Убей своих врагов и съешь их с помощью своих токсинов: водорослевая стратегия». Африканский журнал морских наук . 28 (2): 331–336. DOI : 10.2989 / 18142320609504172 .
  10. ^ Fistarol, Джорджия; C Legrand; Э Селандер; C Hummert; W Stolte; Э Гранели (2004). «Аллелопатия в Alexandrium spp .: влияние на естественное планктонное сообщество и на монокультуры водорослей» . Экология водных микробов . 35 : 45–56. DOI : 10,3354 / ame035045 .
  11. ^ Принц, EK; Т.Л. Майерс; Дж. Кубанек (2008). «Влияние вредоносного цветения водорослей на конкурентов: аллелопатические механизмы динофлагелляты красного прилива Karenia brevis» . Лимнология и океанография . 53 (2): 531–541. Bibcode : 2008LimOc..53..531P . DOI : 10,4319 / lo.2008.53.2.0531 .
  12. Перейти ↑ Shimizu, Y (1996). «Микробные метаболиты: новая перспектива». Ежегодный обзор микробиологии . 50 : 431–465. DOI : 10.1146 / annurev.micro.50.1.431 . PMID   8905087 .
  13. ^ Пэн, Цзяннань; Place, Allen R .; Йошида, Уэсли; Анклин, Клеменс; Хаманн, Марк Т. (17 марта 2010 г.). «Структура и абсолютная конфигурация карлотоксина-2, ихтиотоксина из морской динофлагеллятыKarlodinium veneficum» . Журнал Американского химического общества . Американское химическое общество (ACS). 132 (10): 3277–3279. DOI : 10.1021 / ja9091853 . ISSN   0002-7863 . PMC   2836391 .
  14. ^ Расмуссен, Сайлас Ансельм; Бинзер, Софи Бьёрнхольт; Хок, Каспер; Мейер, Себастьян; де Медейрос, Ливия Соман; Андерсен, Николай Гедстед; Место, Аллен; Нильсен, Кристиан Фог; Хансен, Пер Джуэль; Ларсен, Томас Остенфельд (2017-04-05). «Кармитоксин: аминосодержащий полигидроксиполиеновый токсин из морской динофлагелляты Karlodinium armiger» . Журнал натуральных продуктов . Американское химическое общество (ACS). 80 (5): 1287–1293. DOI : 10.1021 / acs.jnatprod.6b00860 . ISSN   0163-3864 . PMC   6446557 .
  15. ^ а б в Вулф, GV (2000). «Экология химической защиты морского одноклеточного планктона: ограничения, механизмы и воздействия». Биологический бюллетень . 198 (2): 225–244. CiteSeerX   10.1.1.317.7878 . DOI : 10.2307 / 1542526 . JSTOR   1542526 . PMID   10786943 .
  16. ^ a b Pohnert, G; М. Стейнке; Р. Толлриан (2007). «Химические сигналы, защитные метаболиты и формирование пелагических межвидовых взаимодействий». Тенденции в экологии и эволюции . 22 (4): 198–204. DOI : 10.1016 / j.tree.2007.01.005 . PMID   17275948 .
  17. Перейти ↑ Willis, RJ (1985). «Исторические основы концепции аллелопатии». Журнал истории биологии . 18 (1): 71–102. DOI : 10.1007 / BF00127958 .

дальнейшее чтение

  • Ianora, A, et al. «Эссе HT Odum Synethesis Новые тенденции в морской химической экологии». Эстуарии и побережья 29 (2006): 531–551.
  • Ianora, A, et al. «Актуальность морской химической экологии для планктона и функции экосистемы: новая область». Морские наркотики 9 (2011): 1625–1648.
  • Тейлор, П. и Дж. Х. Ландсберг. «Влияние вредного цветения водорослей на водные организмы». Обзоры в Fisheries Science 10 (2010): 113–390.
  • Weissburg, MJ. «Жидкий динамический контекст хемосенсорного поведения». Биологический бюллетень 198 (2000): 188–202.
  • Legrand, C, K Rengefors, GO Fistarol и E Graneli. «Аллелопатия фитопланктона - биохимические, экологические и эволюционные аспекты». Phycologia 42 (2003): 406–419.

Внешние ссылки