TÉLI PIKOPLANKTON TÖMEGPRODUKCIÓK SZIKES TAVAINKBAN SOMOGYI BOGLÁRKA1 – FELFÖLDI TAMÁS2 – SOLYMOSI KATALIN2 – BÖDDI BÉLA2 – MÁRIALIGETI KÁROLY2 – VÖRÖS LAJOS1 1 - MTA Balatoni Limnológiai Kutatóintézet, 2 - Eötvös Loránd Tudományegyetem, 3 - Babes-Bolyai Tudományegyetem 1. Bevezetés A Duna-Tisza közi fehér vizű szikes tavak kutatásának sok évtizedes hagyománya van Magyarországon, nem jelent ez alól kivételt algaviláguk sem. Első ízben Schmidt (1999) hívta fel a figyelmet (adatok közlése nélkül) a bakteriális méretű fotoautotróf szervezetek (pikoalgák) jelenlétére a felső-kiskunsági szikes tavakban. Majd 2001-ben Vörös és mtsai. végezték el először a pikoalgák mennyiségi és minőségi vizsgálatát fehér vizű szikes tavakban, mely során kiderült, hogy e tavak fitoplanktonja gyakran 100% pikoalga dominanciát mutat (Vörös et al., 2005). A szikes tavakban a pikoalgák tanulmányozása azonban ez idáig elsősorban a jégolvadás előtti és utáni időszakokra korlátozódott, így téli algaközösségük jószerével teljesen ismeretlen maradt. 1.1. Az autotróf pikoplankton Az autotróf pikoplankton (APP) megnevezést olyan pro- és eukarióta fotoautotróf mikroorganizmusok megjelölésére használják, melyek átmérője nem haladja meg a két (egyes szerzőknél három) mikrométert (Stockner & Antia, 1986). A fotoautotróf pikoplankton széleskörű tengeri elterjedtségét a hetvenes évek végén, édesvízi elterjedtségüket pedig a nyolcvanas évek elején fedezték fel (Johnson & Sieburth, 1979; Waterbury et al., 1979; Vörös, 1991; Stockner, 1988). Felfedezésük jelentős paradigmaváltáshoz vezetett a limnológiában, teljesen átalakítva a vízi táplálékhálózatokról és anyagforgalomról alkotott képet. A közönséges fénymikroszkóppal detektálható és vizsgálható algák több mint évszázados kutatása során pl. a Balatonban mintegy másfélezer taxon előfordulását közölték a kutatók, a legalább ugyanakkora jelentőséggel bíró pikoalgák diverzitásáról viszont elenyésző információval rendelkezünk. Ezen algák mennyiségi meghatározását az epifluoreszcens mikroszkópia ugyan lehetővé teszi, pontos filogenetikai azonosításukhoz azonban a molekuláris biológiai eszköztár elengedhetetlen (Callieri, 2007). Csak az elmúlt évtizedekben vált ismertté, hogy az autotróf pikoplankton a mérsékelt éghajlati övben sajátságos évszakos dinamikát mutat: nyáron pikocianobaktériumok (CyAPP) uralkodnak, míg ősztől tavaszig pikoeukarióta algák (EuAPP) fordulnak elő jelentős számban (Søndergaard, 1991; Malinsky-Rushansky és mtsai., 1995). A Balatonban először 2003 telén figyelték meg, hogy az alacsony hőmérséklet és fényszegény környezet ellenére pikoeukarióta algák jelentek meg a jéggel fedett tóban (Mózes et al., 2006). Az eukarióta pikoalgák télen, illetve tavasszal fordultak elő jelentősebb mennyiségben. A jégborítás megszűntével fokozatosan eltűntek, a 6-7ºC-nál melegebb vízből már teljesen hiányoztak, helyüket pedig átvették az év túlnyomó részében domináns, fikocianin és fikoeritrin pigment dominanciájú pikocianobaktériumok (Mózes et al., 2006). 1.2. A pikoeukarióta algák Míg számos tanulmány foglalkozik a pikocianobaktériumok ökológiájával és taxonómiájával, addig a pikoeukarióta csoport tagjairól kontinentális vizekben mindmáig keveset tudunk. Édes- és sósvizű tavakban a pikoeukarióta algák mennyisége (abundanciája) általában egy
nagyságrenddel múlja alul a pikocianobaktériumok mennyiségét, ugyanakkor nagyobb sejtméretük eredményeként biomasszájuk tekintetében már nem találunk ilyen nagy különbséget (Callieri, 2007). Sajátságos szezonális megjelenésüket (téli dominancia) és mély tavakban megfigyelhető vertikális eloszlásukat (dominancia az eufotikus réteg határán) az alacsonyabb hőmérséklettel és/vagy alacsonyabb fényintenzitással hozzák összefüggésbe (Malinsky-Rushansky et al. 1995, Jasser & Arvola 2003, Callieri et al. 2007, Vörös et al., 2009). A pikoeukarióta algák alacsonyabb hőmérséklethez és fényintenzitáshoz való jobb alkalmazkodóképességét izolált algatörzsekkel végzett ökofiziológiai vizsgálatok is alátámasztják (Malinsky-Rushansky et al. 2002, Somogyi et al. 2009). A pikoeukarióta algák pontos rendszertani meghatározása kicsiny sejtméretük és szegényes morfológiai karaktereik miatt hagyományos mikroszkópos módszerekkel nem kivitelezhető. Ugyanakkor a tenyésztéses eljárásokra alapozott illetve tenyésztéstől független molekuláris taxonómiai módszerek napjainkban már lehetővé teszik a pontos azonosításukat (Callieri, 2007, Vaulot et al., 2008). Az elmúlt évek kutatásai igazolták, hogy a pikoeukarióta algák hasonló morfológiai karaktereik ellenére különböző rendszertani csoportokhoz tartoznak. Tengerekben és óceánokban a Chlorophyta, Cryptophyta, Haptophyta és Heterokontophyta törzsből írtak le piko méretű képviselőket (Vaulot et al., 2008). Az édesvizekben illetve sós tavakban a pikoeukarióta csoport tagjairól mindmáig keveset tudunk, az eddig vizsgált pikoeukarióták többsége a Chlorophyta törzsbe tartozónak bizonyult (Callieri, 2007). 2. Célkitűzés Vizsgálataink célja a pikoalgák szezonális dinamikájának és összetételének megismerése volt a Duna-Tisza közi szikes tavakban, különös tekintettel a téli, kevésbé produktívnak feltételezett időszakra. A téli pikoeukarióta algaközösség diverzitását tenyésztésen alapuló módszerek segítségével kívántuk jellemezni. 3. Anyagok és módszerek 2006. július és 2007. május között havi/kéthavi rendszerességgel vizsgáltuk az autotróf pikoplankton összetételét a Büdös-székből (Szabadszállás), a Kelemen-székből valamint a Zab-székből merítéses módszerrel vett vízmintákban. A pikoplankton vizsgálatára epifluoreszcens mikroszkópot (Nikon Optiphot 2) használtunk kékesibolya (BV-2A) és zöld (G-2A) gerjesztőfény alkalmazásával a pikoeukarióták és pikocianobaktériumok elkülönítése céljából (MacIsaac & Stockner, 1993). A preparátumokról digitális kamerával (Spot RT) felvételeket készítettünk, amelyek kiértékelésével meghatároztuk a pikoplankton abundanciáját és pigment típusát. A minták pigment tartalmát forró metanolban extraháltuk, majd HITACHI F4500 fluoreszcens spektrofotométerrel meghatároztuk a klorofill-a koncentrációt (Wetzel & Likens, 1991). A pikoeukarióta algatörzsek izolálásához a vízmintavétel 2005. december 12-én történt a Böddi-székből valamint a Zab-székből. Az izolált algatörzsek fenntartása 21°C hőmérsékleten, 60 µmol m-2 sec-1 fényintenzitáson történik 14:10 órás világos:sötét ciklusban. Az izolált algatörzsek morfológiai vizsgálata differenciál interferencia kontraszt mikroszkóp (Olympus BX51), illetve transzmissziós elektron mikroszkóp (Hitachi 7100) segítségével történt. Az algatörzsek molekuláris filogenetikai vizsgálatát 18S rDNS szekvenciájuk alapján végeztük 18SrRNA-5’-PCR3 és 18SrRNA-3’-PCR3 primerek segítségével (Yamamoto et al. 2003). A kapott szekvenciákat a GenBank nukleotid adatbázissal hasonlítottuk össze (Altschul és mtsai, 1997).
2
4. Eredmények és következtetések A mélyebb tavakkal ellentétben sekély (<0,5 m) szikes tavaink az időjárási körülményeknek nagyobb mértékben kitettek, 2006 nyarán a déli órákban a vízhőmérséklet 32-35 °C között volt. A közeledő téllel a víz hőmérséklete a levegő lehűlésének megfelelően csökkent, ugyanakkor az enyhe időjárási körülmények következtében 2006/2007 telén a tavak nem fagytak be (a vízhőmérséklet 6-7 °C között volt). 2006 júliusában az a-klorofill koncentráció a Büdös-székben 31 µg l-1, a Kelemen-székben 5 µg l-1, a Zab-székben pedig 2 µg l-1 volt (1. ábra). A vízhőmérséklet csökkenése ellenére ősszel az a-klorofill koncentráció növekedni kezdett és egy téli alga tömegprodukciót figyeltünk meg mindhárom vizsgált tó esetében. 2007 elején (január-február) az a-klorofill koncentráció a Büdös székben 390-590 µg l-1 között, a Kelemen-székben 340-290 µg l-1 között, a Zab-székben pedig 200-250 µg l-1 között változott. A tavasz közeledtével a melegedő vízzel az a-klorofill koncentráció tovább növekedett a Büdös-székben és a Zab-székben (300 µg l-1 maradt a Kelemen-székben) 2007 áprilisában elérve maximum értékét, amely 797 µg l-1 volt a Büdös-székben és 300 µg l-1 a Zab-székben. 2007 májusában mindhárom tó esetén az algák mennyisége csökkent (85 µg l -1 volt a Büdös-székben, 97 µg l-1 a Kelemen-székben és 50 µg l-1 a Zab-székben).
ös Bü d
600
-1
a-klorofill (µg l )
sz
ék
800
400
Kelemen-szé k
200
0 VII
k
-s z é
Zab
IX
XI
XII
I
II
IV
V
1. ábra. Az a-klorofill koncentráció változása a vizsgált szikes tavakban 2006 júliusa és 2007 májusa között A vizsgált időszakban a tavak fitoplanktonját kizárólag magányos, fikocianin pigment dominanciájú pikocianobaktériumok és szintén magányos pikoeukarióta algák alkották (nagyobb méretű algákat nem figyeltünk meg). Szignifikáns pozitív összefüggést találtunk az a-klorofill koncentráció és a pikoalgák mennyisége (abundanciája) között (r2=0.94, p < 0.0001). A pikocianobaktériumok abundanciája a Büdös-székben 1.1 x 106 és 6.7 x 106 sejt ml-1 között, a pikoeukarióták abundanciája 0.15 x 106 és 108 x 106 sejt ml-1 között változott (2. ábra). A Kelemen-székben a pikocianobaktériumok mennyisége 0.1 x 106 és 4.6 x 106 sejt ml-1, a pikoeukarióták mennyisége pedig 0 and 50 x 106 sejt ml-1 között változott (2. ábra). A Zab-székben a pikocianobaktériumok abundanciája 0 and 0.8 x 106 sejt ml-1, a pikoeukarióták abundanciája pedig 0 and 47 x 106 sejt ml-1 között volt (2. ábra). 2006 júliusában pikocianobaktériumok domináltak mindhárom tó esetében, majd a hőmérséklet csökkenésével a pikoeukarióta algák lassan átvették a pikocianobaktériumok helyét és dominánsak maradtak az egész téli-tavaszi időszakban (2. ábra). 2007 májusában a Büdös-székben újra a pikocianobaktériumok váltak dominánssá, míg a másik két tó esetében a pikoeukarióták 3
megőrizték domináns szerepüket a vizsgált időszakban (2. ábra). Szignifikáns negatív összefüggést figyeltünk meg a pikoeukarióták részesedése és a víz hőmérséklete között (r2=0.6, p < 0.0001). Büdös-szék
80
Eu
60
P AP
40
20
C yA P
35
EuAPP
100
APP részesedés (%)
100
6
-1
Büdös szék
120
30 25
80
20
60
15 40
T 10
20
P
CyAPP
0
Hõmérséklet (°C)
APP abundancia (x 10 sejt ml )
120
5
0 0 VII
XI
XII
I
II
IV
V
VII
Kelemen-szék
XI
XII
I
II
IV
V
Kelemen-szék
120
35
EuAPP
-1
100
30
EuAPP
6
APP részesedés (%)
40
30
20
10
25
80
20
60
15 40
T
10
20
CyAPP
CyAPP 0
Hõmérséklet (°C)
APP abundancia (x 10 sejt ml )
50
5
0 0 VII
IX
XI
XII
I
II
IV
V
VII
Zab-szék
IX
XI
XII
I
-1
P
6
30
20
10
30 25
80
20
60
15 40 10 20
T 5
CyAPP
CyAPP
0
35
EuAPP
100
APP részesedés (%)
AP
V
Hõmérséklet (°C)
APP abundancia (x 10 sejt ml )
Eu
IV
Zab-szék
120
50
40
II
0 0 VII
XI
I
II
IV
V
VII
XI
I
II
IV
V
2. ábra. A pikoeukarióták (EuAPP) és pikocianobaktériumok (CyAPP) abundanciájának és százalékos részesedésének változása, valamint a terepen mért vízhőmérséklet a vizsgált fehér vizű szikes tavakban 2006 júliusa és 2007 májusa között. Mindezek alapján megállapíthatjuk, hogy a vizsgált szikes tavakban a pikoplankton szezonális dinamikája megfelel a más sekély és mély tavakban megfigyelteknek (a mérsékelt éghajlati övben), mely szerint nyáron pikocianobaktériumok uralkodnak, míg a téli időszakban pikoeukarióta algák dominálnak a pikoplankton frakción belül (Callieri, 2007). A kapott maximális abundancia értékek a legmagasabbak, amelyeket az irodalomban ez idáig közöltek (1. táblázat). Ezek a magas abundancia értékek ellentmondanak annak a világszerte elfogadott nézetnek, mely szerint a pikoeukarióták abundanciája általában egy nagyságrenddel alulmúlja a pikocianobaktériumok mennyiségét (Callieri, 2007), ugyanakkor minden bizonnyal a tavak igen sajátságos, szélsőséges viszonyaival (< 0,5 m vízmélység, 12 cm Secchi-átlátszóság, magas lebegőanyag koncentráció) állnak összefüggésben (ahol a növényi tápanyagok nem limitálnak, Boros et al. 2008).
4
1. táblázat. Az irodalomban közölt maximális pikoeukarióta abundancia értékek EuAPP abundancia (106 sejt ml-1) Balaton, Keszthelyi-medence 0.3 Lake Mono 0.5 Lake Kinneret 0.65 Lake Bastrup 0.7 Hipertróf sekély tó (Prosigk) 6.6 Zab-szék 23 Büdös-szék 108 Kelemen-szék 50 Zab-szék 47 Lake
Referencia Mózes et al. 2006 Roesler et al. 2002 Malinsky-Rushansky et al. 1997 Sondergaard 1990 Hepperle and Krienitz 2001 Vörös et al. 2008 jelen dolgozat jelen dolgozat jelen dolgozat
2005 decemberében a Böddi-székből, valamint a Zab-székből összesen tizenhárom pikoeukarióta algatörzset izoláltunk. Az izolált algatörzsek kisméretű (1–3 µm), magányos vagy éppen sejtláncokat, kisebb-nagyobb sejtcsoportokat alkotó sejtekkel voltak jellemezhetőek. Molekuláris vizsgálatok alapján (18S rDNS szekvencia analízis) az izolált törzsek mindegyike zöldalgának bizonyult, három jól elkülönülő taxont azonosítottunk. Mindhárom alga a hazai flórára nézve új fajnak bizonyult. Az ACT0617-es és az ACT0619-es számú törzs a Pseudodictyosphaerium/Mychonastes csoporthoz, az ACT0610-es számú törzs a Choricystis genuszhoz tartozott, az ACT0608, az ACT0622 és az ACT0602-es számú algatörzsek pedig egy új, eddig nem ismert zöldalga nemzetséget képviseltek. Az új alganemzetség morfológiáját transzmissziós elektron mikroszkópos (TEM) felvételek segítségével írtuk le (3. ábra). A sejtek átmérője átlagosan 1,1-1.6 mikrométer között változott, de nagyobb (2,2 µm), osztódás előtt álló anyasejteket is megfigyeltünk. A sejtekben csésze-alakú kloroplasztiszt találtunk, melyben keményítőt (tartalék tápanyag) tartalmazó képletet (pirenoid) valamint olajcseppet (plastoglubulus) figyeltünk meg. Láthatóvá vált ezen kívül, hogy ezek a parányi algasejtek igen vastag, többrétegű sejtfallal rendelkeznek, sőt, az osztódás után az anyasejt felszakadt sejtfala még egy darabig beburkolja a leánysejteket.
3. ábra. Az ACT0608 pikoeukarióta algatörzs (új alganemzetség) transzmissziós elektron mikroszkópos képe. Rövidítések: SF-sejtfal, SM-sejtmembrán, PL-kloroplasztisz, Pi-pirenoid, Pg-plasztoglobulus (skála: 0,5 µm). 5
5. Összefoglalás Összegzésül elmondhatjuk, hogy télen hazai szikes tavainkban az alacsony hőmérséklet és fényszegény viszonyok ellenére igen jelentős mennyiségű alga fordulhat elő. A 2006/2007 telén észlelt pikoeukarióta abundancia értékek az irodalomban ez idáig közölt adatok tükrében különösen magasnak tekinthetőek. A vizsgált szikes tavak téli pikoeukarióta algaközössége a szélsőséges viszonyok ellenére (pH, vezetőképesség) gazdagnak és diverznek bizonyult. Az izolált algatörzsek a zöldalgák (Chlorophyta) csoportjának Chlorophyceae és Trebouxiophyceae osztályába tartoztak, amely összhangban áll az édesvízi pikoeukarióta algákkal kapcsolatos korábbi eredményekkel (Vaulot et al. 2008, Callieri, 2007). Eredményeink révén a zöldalgák Trebouxiophyceae családja nem csak egy új taggal bővül, de a kapott eredmények hozzájárulnak a pikoeukarióta zöldalgák filogenetikai viszonyainak tisztázásához, amely hagyományos módszerekkel nem kivitelezhető. 6. Köszönetnyilvánítás A munka az OTKA K73369 támogatásával készült. A szerzők köszönettel tartoznak Németh Balázsnak a terepi mintavételek során nyújtott segítségéért.
6
IRODALOM Altschul, S. F., Madden, T. L., Schäffer ,A. A., Zhang, J., Zhang, Z., Miller, W. & Lipman, D. J. (1997) Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. – Nucleic. Acids. Res. 25:3389-3402. Callieri, C., Modenutti, B., Queimalinos, C., Bertoni, R., Baleiro, E. (2007) Production and biomass of picophytoplankton and larger autotrophs in Andean ultraoligotrophic lakes: differences in light harvesting efficiency in deep layers. – Aquat. Ecol. 41:511-523. Hepperle, D. & Krienitz, L. (2001) Systematics and ecology of chlorophyte picoplankton in German inland waters along a nutrient gradient. – Int. Rev. ges. Hydrobiol. 86:269-284. Jasser, I. & Arvola, L. (2003) Potential effects of abiotic factors on the abundance of autotrophic picoplankton in four boreal lakes. – J. Plankton. Res. 25:873-883. Johnson, P. W. & J. McN. Sieburth (1979) Chroococcoid cyanobacteria in the sea: a ubiquitous and diverse phototrophic biomass. – Limnol. Oceanogr. 24: 928-935. MacIsaac , E. A. & Stockner, J. G. (1993) Enumeration of Phototrophic Picoplankton by Autofluorescence Microscopy. – In: Kemp, PF, Sherr BF, Sherr EB, Cole JJ(Eds): Handbook of methods in aquatic microbial ecology, Lewis Publishers, Boca Raton, Ann Arbor, London, Tokyo: pp. 187-197. Malinsky-Rushansky, N., Berman, T. & Dubinsky, Z .(1995) Seasonal dynamics of picophytoplankton in Lake Kinneret, Israel. – Freshw. Biol. 34:241-254. Malinsky-Rushansky, N., Berman, T. & Dubinsky, Z. (1997) Seasonal photosynthetic activity of autotrophic picoplankton in Lake Kinneret, Israel. – J. Plankton. Res. 19:979-993. Malinsky-Rushansky, N., Berman, T., Berner, T., Yacobi, Y. Z. & Dubinsky, Z. (2002) Physiological characteristics of picophytoplankton, isolated from Lake Kinneret: response to light and temperature. – J. Plankton. Res. 24:1173-1183. Mózes, A., Présing, M. & Vörös, L. (2006) Seasonal dynamics of picocyanobacteria and picoeukaryotes in a large shallow lake (Lake Balaton, Hungary). – Int. Rev. ges. Hydrobiol. 91:38-50. Roesler, C. S., Culbertson, C. W., Etheridge, S. M., Goericke, R., Kiene, R. P., Miller, L. G. & Oremland, R. S. (2002) Distribution, production and ecophysiology of Picocystis strain ML in Mono Lake, California. – Limnol. Oceanogr. 47:440-452. Schmidt, A. (1999) Két kiszáradt szikes tó: Szappanos-szék és Kondor-tó. – Acta. Biol. Debr. Oecol. Hung. 9:183-187. Søndergaard, M .(1990) Picophytoplankton in Danish lakes. – Verh. Int. Verein. Limnol. 24:609-612. Søndergaard, M. (1991) Phototrophic picoplankton in temperate lakes: Seasonal abundance and importance along a trophic gradient. – Int. Rev. Ges. Hydrobiol. 76: 505-522. Stockner, J. G. & Antia, N. J. (1986) Algal picoplankton from marine and freshwater ecosystems: a multidisciplinary perspective. – Can. J. Fish. Aquat. Sci. 43: 2472-2503. Stockner, J. G. (1988) Phototrophic picoplankton: An overview from marine and freshwater ecosystems. – Limnol. Oceanogr. 33: 765-775. Vaulot, D., Eikrem, W., Viprey, M. & Moreau, H. (2008) The diversity of small eukaryotic phytoplankton ( 3 µm) in marine ecosystems. – FEMS Microbiol Rev 32:795-820. Vörös, L. (1991) Importance of picoplankton in Hungarian shallow lakes. – Verh. Internat. Verein. Limnol. 24:984-988. Vörös, L., Somogyi, B., Boros, E. (2008) Birds cause net heterotrophy in shallow lakes. – Acta Zool. Hung. 54:23-34. Vörös, L., V.-Balogh, K. & Boros, E. (2005) Pikoplankton dominancia szikes tavakban. – Hidrológiai Közlöny 85:166-168. Waterbury, J. B., Watson, S. W., Guillard, R. R. & Brand, L. E. (1979) Widespread occurence of a unicellular, marine, planktonic cyanobacterium. – Nature 277: 293-294.
7
Wetzel, R. G. & Likens, G. E. (1991) Limnological Analyses. 2nd Ed. Springer-Verlag New York. Pp 391. Yamamoto, M., Nozaki, H., Miyazawa, Y., Koide, T. & Kawano, S. (2003) Relationship between presence of a mother cell wall and speciation in the unicellular microalga Nannochloris (Chlorophyta). – J. Phycol. 39:172184.
8
