Вопрос по сравнению сообществ

[Зоригто]

Вопрос по сравнению сообществ.

У меня есть данные по составу нескольких современных сообществ одного типа (цианобактериальные маты соленых озер и гиперсоленых лагун) из разных мест (Сибирь, Крым, Калифорния, Египет, Антарктида и т.д.). Данные эти получены более менее схожими методами (16S из природных образцов). Хочется узнать насколько схожи эти сообщества по составу: географически близкие, но с разными физико-химическими условиями среды более похожи чем географически удаленные, но с одинаковой "химией"? Или наоборот?

Какими способами лучше всего сравнить состав этих сообществ? В статье Жерихина http://www.macroevolution.narod.ru/anton/zh_p03.htm используется коэффициент общности Жаккара, но хотелось бы вносить поправки и на роль отдельных видов - доминируют или нет и т.д. Может есть уже готовые программы для этого? При возможности дайте пожалуйста ссылки на оригинальные работы.

[mastax]

Программы, безусловно, есть. Правда, я их не знаю "в лицо". Среди наших книг наиболее авторитетная -  "Принципы и методы количественного анализа в фаунистических исследованиях" Ю.А.Песенко (1982) - лучше пока никто ничего у нас не написал.
Про программы узнаю - у нас этим многоие занимаются. Только вот лето биологов кормит, потому на работе застать многих уже трудно. Да и я скоро уеду  "в поля".

[Зоригто]

Спасибо. Пошел искать Песенко и нашел по ссылкам недавнюю книжку "География и мониторинг биоразнообразия. Колл. авторов. М.: Издательство Научного и учебно-методического центра, 2002. 432 с." Есть в сети полный текст и пдф версия на сайте Экоцентра МГУ по адресу http://nature.ok.ru/biodiversity/book3_1.html

[Марков Александр]

Уважаемый Зоригто,
Необходимая вам информация, включая все математические методы и модели оценки разнообразия и сравнения сообществ, в том числе с учетом относительного обилия видов, содержится в книге: Magurran A.E. Ecological diversity and its measurement. London, Sydney: Croom Helm, 1988.
Книга переводилась на русский язык:
Мэгарран Э. Экологическое разнообразие и его измерение. М.: Мир, 1992. 184 с.

А вот специалист по этим вопросам:
Андрей Валерьевич Смуров (кафедра экологии биологического ф-та МГУ).
http://soil.ss.msu.ru/~invert/main_rus/study/kursy/kol_methods.html

Встречный вопрос: мне очень нужна та самая информация, которую вы сейчас обрабатываете: о таксономическом составе цианобактериальных матов, в том числе с учетом обилия отдельных видов, а также приуроченности к разным слоям мата. Если у вас есть какие-нибудь pdf-ы, или ссылки, или в любом другом виде информация, которой вы могли бы поделиться, пришлите, пожалуйста (по мейлу или на форум). Это мне нужно в связи с работой по реконструкции древнейших экосистем, предкового сообщества эвкариот и т.п.

[Зоригто]

Спасибо за ссылочку.

Тогда такой вопрос. Вам нужны данные по термальным матам или по соленым?

[Зоригто]

Кусок из моего диссера по составу и структуре термальных матов.

Намсараев З.Б. Микробные сообщества щелочных гидротерм   Дис. ... канд. биол. наук. М.: ИНМИ РАН, 2003. С. 151.

"1.2. Распространение и состав микробных сообществ в зависимости от физико-химических факторов среды

В термальных источниках распространение эукариот ограничено 45-55ºС (Brock, 1967а; Castenholz, 1969; Wickstrom, Castenholz, 1985). Поэтому микробные сообщества гидротерм представляют значительный интерес с точки зрения эволюции биосферы и, по мнению многих исследователей, являются аналогами сообществ, доминировавших на ранних этапах развития жизни на Земле (Заварзин, 1972а, 1997, 2001; Baross, Hoffman, 1985; Nisbet, 1986; Walter et al., 1998).
Микробные сообщества гидротерм можно разделить на два типа: с доминированием фототрофных микроорганизмов и с доминированием хемотрофных микроорганизмов. Хемотрофные сообщества часто развиваются в виде обрастаний. Фототрофные сообщества в гидротермах, при отсутствии выедания со стороны эукариотных организмов, могут обладать значительной биомассой и образовывать микробные маты - органоминеральные структуры, отличающиеся от бактериальных обрастаний своей оструктуренностью (слоистостью) (Cohen et al., 1989). Граница между фототрофными и хемотрофными сообществами определяется, по-видимому, устойчивостью фотосинтетического аппарата к факторам окружающей среды, в первую очередь к температуре (Brock, 1978). В источниках с рН 5-10 верхняя температурная граница распространения фототрофного микробного мата расположена при 61-73ºС. В кислых гидротермах с рН 1-5 развитые маты встречаются только при температурах ниже 55ºС и образованы из эукариотической водоросли Cyanidium caldarium (Castenholz, 1969, 1984; Hiraishi et al., 1999). При более высоких температурах, либо при отсутствии света развиваются хемотрофные сообщества.

1.2.1. Микробные сообщества щелочных гидротерм

Фототрофные микробные сообщества были исследованы на щелочных гидротермах Байкальской и Восточно-Африканской рифтовых зон. Показано, что в микробных матах пресных источников Байкальской рифтовой зоны присутствуют цианобактерии и аноксигенные фототрофные бактерии (АФБ). Так, по изливу источника Котельниковский (рН 9.2-9.8, Т 60С, сульфид 6 мг/л) развивается три типа матов. При температуре 50-60С доминируют нитчатая цианобактерия Phormidium sp. и термофильная нитчатая АФБ Chloroflexus aurantiacus, при 50-45С доминируют нитчатые цианобактерии Oscillatoria sp. и Phormidium sp., в меньшем количестве представлены одноклеточные цианобактерии Synechococcus sp. и Gloeocapsa sp. При температуре 25-35С на смешении термальных вод и вод озера Байкал развиваются обрастания  Thiotrix sp. Численность Chloroflexus aurantiacus учтенная методом посева не превышала 104 кл/мл, несерных пурпурных бактерий Rhodopseudomonas palustris – 105 кл/мл, Rh. gelatinosus – 105 кл/мл (Горленко и др., 1985; Компанцева, Горленко, 1988). Также из источников Б.р.з. (Республика Бурятия: источники Ильинский, Аллинский, Кучигерский, Сеюйский, Гаргинский) с рН 8-9 были выделены культуры Meiothermus ruber и, в меньшем количестве, Thermus flavus. Также представлены спорообразующие формы и целлюлозолитические бактерии с оптимумом развития при температуре 50С и рН 8 (Храпцова и др., 1984).  
На Большереченском источнике (Т 72-74С, рН 9,25, сульфид 13.4 мг/л) в зоне излива фототрофные микробные маты отсутствуют. Высказано предположение, что это связано с одновременным присутствием сульфида и кислорода в воде источника. В микробных матах источника доминируют нитчатые цианобактерии рода Phormidium, также из матов был выделен ряд неизвестных ранее аноксигенных фототрофных бактерий (Юрков, Горленко, 1989, 1990, 1991, 1992; Юрков и др., 1992). Более подробная информация о микробном сообществе Большереченского источника приведена в разделе "Результаты".
В зоне Восточно-Африканского рифта были исследованы микробные сообщества развивающиеся по изливу гидротерм около озера Богория (Кения, рН 8.5-9.5, Т 35-100ºС, минерализация до 3.5 мг/л). В составе матов доминируют цианобактерии Synechococcus bigranulatus, Spirulina subsalsa, Phormidium terebriformis, Oscillatoria willei (Krienitz et al., 2003). Также в значительном количестве присутствует Chloroflexus sp. (Grant, Tindall, 1986). Из источников было выделено два штамма "Thermopallium natronophilum", принадлежащих к порядку Thermotogales (Duckworth et al., 1996).

Хемотрофные микробные сообщества в виде обрастаний были обнаружены в источнике Боулдер спринг (Йеллоустон) при температуре 90-93С, рН 8.9 и содержании сульфида 3 мг/л. При исследовании стекол обрастания были обнаружены миксотрофные сероокисляющие бактерии, использующие ацетат (Brock et al., 1971).
В источниках Накабуса (Япония) хемотрофные микробные обрастания развивались при температурах 76-66ºС, рН 8.5 и 8.7, содержании сульфида 2.5 и 0.9 мг/л. В составе сообщества по данным DGGE доминировали представители Thermodesulfobacteria sp., Thermus sp., Staphylothermus marinus, Sulphobococcus zilligii. Представители Aquifex доминировали в одном из источников Накабуса с рН 7.3, но в щелочных источниках обнаружены в малом количестве (Nakagawa, Fukui, 2002). . Также из мата были выделены культуры Roseiflexus castenholzii и Chloroflexus aurantiacus (Hanada et al., 2002).
В пробах из гейзера Удачный (долина Гейзеров, Камчатка) с рН 8.5, азотного типа, было зафиксировано литотрофное образование метана при 60ºС, в полученных накопительных культурах доминировали тонкие палочки фенотипически сходные с Methanobacterium thermoautotrophicum (Бонч-Осмоловская и др., 1999).  
Из субаквальных гидротерм изливающихся на литорали фьорда Эйджафьордур (Исландия) с рН 10, температурой 71ºС, минерализацией 291 мг/л и содержанием сульфида 0.32 мг/л было выделено 50 штаммов аэробных бактерий. Все штаммы способны к росту при 60-65ºС и рН 9.0, 20 штаммов способны расти при рН 10. По результатам анализа 16S-рРНК бактерии были отнесены к видам Geobacillus thermoleovorans, "G. caldotenax", G. flavothermus, G. caldovelox, G. thermodenitrificans, G. caldoxylozilyticus и Thermonema sp. (Marteinsson et al., 2001). Примечательно, что типовые штаммы данных организмов не способны расти при рН выше 8 (Назина, Григорьян – личное сообщение). Также был выделен анаэробный организм, археобактерия Desulfurococcus mobilis (Marteinsson et al., 2001). Анализ нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров показал, что большинство последовательностей принадлежат эубактериям (45 клонов), археобактерии представлены 10 клонами (Korarchaeota). Большинство эубактериальных клонов (31 клон) относятся к группе  Aquificales, из них к Hydrogenobacter thermophilus принадлежит 15 клонов. Также были обнаружены последовательности принадлежащие к группам Nitrospira, Firmicutes (Propionibacterium acnes), б-Proteobacteria (Caulobacter crescentus), в-Proteobacteria (Alcaligens sp.). Представители рода Thermus не были обнаружены (Marteinsson et al., 2001).




1.2.2. Микробные сообщества нейтральных гидротерм

Фототрофные микробные сообщества нейтральных гидротерм исследованы более подробно чем сообщества щелочных гидротерм. Данные сообщества могут быть разделены на два типа: маты с доминированием цианобактерий (цианобактериальные маты) и маты с доминированием АФБ ("Аноксигенные маты").
Кастенхольц выделяет несколько основных типов цианобактериальных матов  в зависимости от особенностей их строения (Castenholz, 1984).
1) Мат с "обычной вертикальной последовательностью" доминирует в гидротермах с содержанием сульфида менее 1 мг/л в широком диапазоне температур (до 73ºС). В верхнем слое толщиной 1-2 мм доминируют термофильные цианобактерии, в нижнем слое, как правило, доминирует термофильные нитчатые АФБ (Castenholz, 1984; Ramsing et al., 2000; Nubel et al., 2002). Благодаря различающемуся составу пигментов, поглощающих свет разных длин волн, слои не затеняют друг друга, и фотосинтез может происходить до глубины 3-4 мм. Под матом расположена зона деструкции, с доминированием сульфатредукторов или метаногенов. В микробном мате источника Октопус спринг значительной численности достигает термофильная цианобактерия Synechococcus lividus (до 1010 кл/мл), бродильщик Thermobacteroides acetoethylicus (до 107 кл/мл) и метаноген Methanobacterium thermoautotrophicum (до 107 кл/мл). Меньшей численности достигают бродильщики Clostridium thermohydrosulphuricum и C. thermosulfurogenes (до 103 кл/мл) (Bauld, Brock, 1974; Wiegel et al., 1979; Zeikus et al., 1980; Ben-Bassat, Zeikus, 1981; Schink, Zeikus, 1983; Ward et al., 1998). Также из микробного мата были выделены АФБ Chloroflexus aurantiacus, Heliotrix oregonensis, Roseiflexis castenholzii и Heliobacterium modesticaldum, аэробные хемоорганототрофные бактерии Thermomicrobium roseum, Isosphaera pallida, Thermus aquaticus, Meiothermus ruber, бродильщики Thermoanaerobacter brockii, Th. ethanolicus, Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes, Moorella thermoautotrophica, сульфатредуцирующая бактерия Thermodesulfotobacterium commune (Ward et al., 1998). Анализ выделенной из природных образцов нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров и зондов разной степени специфичности показал, что наибольшее число последовательностей принадлежит цианобактерии Synechococcus lividus (около 30%), также в мате обнаружены последовательности принадлежащие цианобактериям Oscillatoria amphigranulata, Pseudoanabaena galeata. Значительное количество последовательностей принадлежит к некультивируемым видам. Интересно, что генетические методы показали большее разнообразие популяций Synechococcus и Chloroflexus чем считалось ранее. В мате присутствует одновременно до 3-9 популяций, принадлежащих к одному роду или виду (Bateson et al., 1989; Weller et al., 1992; Ferris et al., 1996; Ward et al., 1998; Nubel et al., 2002).
2) Особенностью "перевернутых матов" является расположение слоя АФБ над слоем цианобактерий. Образование этого типа мата связано с способностью некоторых АФБ существовать в аэробных условиях. Heliotrix oregonensis, не обладающий хлоросомами и нуждающийся в более высокой интенсивности света  чем близкородственный Chloroflexus aurantiacus, образует поверхностный слой мата над слоем цианобактерий в слабощелочных бессульфидных (Варм спрингс: рН 8.5, Т 35-56ºС, сульфид - менее 1 мг/л, кислород - 6 мг/л) гидротермах Орегона (США) (Castenholz, 1984; Pierson et al., 1984). Образование "перевернутого мата" также может быть связано с большей толерантностью АФБ к сульфиду чем цианобактерий (Ward et al. 1989). В источнике Йистихвер спринг (Исландия) при температуре 58-60ºС, рН около 8.5 и содержании сульфида 1.3-2 мг/л развивается микробный мат, в котором Chloroflexus sp. развивается над слоем цианобактерии Chlorogloeopsis sp. При этом Chloroflexus sp. использует сульфид содержащийся в воде источника и тем самым создает нишу для развития Chlorogloeopsis sp. чувствительной к сульфиду и осуществляющей оксигенный фотосинтез (Jorgensen et al., 1988). Аналогичный тип мата обнаружен в источнике Термофильный в кальдере Узон при температуре 60-62ºС и содержании сульфида 7.7-8.5 мг/л. В нем под слоем АФБ  Chloroflexus aurantiacus расположен слой с доминированием цианобактерий Phormidium sp. и Synechococcus lividus (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989).
3) "Прозрачные маты" развиваются при температурах около 45ºС и отличаются от других значительной толщиной (до 5-6 см). По мнению Кастенхольца (Castenholz, 1984) его развитие возможно благодаря тому, что кальцификация, отложение кремния или резко изменяющаяся температура воды препятствовуют развитию эукариотных организмов разрушающих мат. В составе мата доминируют цианобактерии рода Phormidium, образующие большие количества прозрачного полисахаридного геля и относительно небольшое количество хлорофилла. Это позволяет свету проникать на глубину до 1.5 см и фотосинтез происходит на больших глубинах чем в матах с доминированием Synechococcus lividus  (Castenholz, 1984).

Особенностью "аноксигенных матов" является отсутствие, либо незначительное количество цианобактерий в составе микробного мата. Существование подобных матов имеет эволюционное значение, так как показывает, что образование древнейших строматолитов могло быть не связанным с цианобактериями и оксигенным фотосинтезом (Ward et al., 1989). Вард с соавторами выделяют несколько типов "аноксигенных матов" в зависимости от доминирующей в составе мата АФБ (Ward et al., 1989).
1) "Мат Chloroflexus". Микробные маты с доминированием Chloroflexus aurantiacus развиваются в сульфидсодержащих гидротермах (более 1 мг/л) при температурах выше 50ºС. Это источники  Нью Пит Спринг (Йеллоустон) температура развития мата 52-58ºС, рН 6.3, содержание сульфида 1 мг/л; Маммот спринг (Йеллоустон), температура 50-65ºС, содержание сульфида 1.5-8 мг/л, рН 6.2-6.8; Бадстофухвер (Исландия) с температурой развития мата 65-70ºС, рН 8.3 и содержанием сульфида 1 мг/л (Giovannoni et al., 1987; Madigan et al., 1989; Ward et al., 1989; Skirnisdottir et al., 2000). Анализ нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров показал, что в мате развивающемся в источнике Бадстофухвер цианобактерии представлены в небольшом количестве (2 клона из 123, около 1%). 45% клонов было близко Chloroflexus aurantiacus, который, очевидно, является первичным продуцентом в этом мате. Следующими, по убыванию встречаемости клонов, были группы: Aquificales (Calderobacterium hydrogenophilum, Thermocrinis ruber), Thermus-Deinococcus (Thermus sp.), Meiothermus (Meiothermus ruber), Nitrospira (Thermodesulfovibrio sp.), Thermotogales (Fervidobacterium gondwanalandicum), Stigonematales (Chlorogloeopsis sp.), Proteobacteria (Craurococcus roseus, Thiobacillus hydrothermalis). 4 выделенных клона не могли быть отнесены к каким-либо известным группам (Skirnisdottir et al., 2000).
2) "Мат Chromatium". Мат с доминированием Chromatium tepidum развивается при более низких температурах и обнаружен в источнике Роландс велл (Йеллоустон), температура развития мата 52-55ºС, рН 6.3, содержание сульфида 1.3 мг/л (Madigan et al., 1989; Ward et al., 1989).
3) "Мат Chlorobium". Мат с доминированием Chlorobium tepidum обнаружен в источнике Травелодж стрим (Новая Зеландия), температура 42-56ºС, рН 5.3-7.1, содержание сульфида 9-27 мг/л (Ward et al., 1989; Castenholz et al., 1990).

Доминирование в составе микробного мата в одних случаях аноксигенных, а в других случаях оксигенных фототрофных бактерий Кастенхольц связывает с различным содержанием сульфида в воде гидротерм. По его мнению,  содержание сульфида выше 0.96-1.92 мг/л при рН 6-10 и температуре выше 55ºС полностью исключает развитие цианобактерий и создает условия для доминирования АФБ (Castenholz, 1984). Тем не менее, эта гипотеза не объясняет, почему в источниках с высоким содержанием сульфида и высокой температурой (Термофильный и Ийстихвер спринг) цианобактерии развиваются в большом количестве под слоем АФБ и чисто "аноксигенного" мата не возникает.

В термофильных хемотрофных сообществах первичными продуцентами являются  хемолитоавтотрофные микроорганизмы циклов серы и железа (Бонч-Осмоловская, Заварзин, 1989; Jannasch, Mottl, 1985; Moyer et al., 1995; Kashefi et al., 2002). При температуре 65-93ºС, рН от 6.7 до 8.3, содержании сульфида свыше 1 мг/л развивается микробное сообщество с доминированием микроаэрофильных хемолитотрофных микроорганизмов, часто образующих космы белого цвета с выпадением глобул элементной серы на поверхности. Анализ нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров показал, что в исследованных гидротермах 27-74% последовательностей принадлежит представителям группы Aquifex-Hydrogenobacter, способных к аэробному хемолитотрофному росту используя водород и соединения серы в качестве доноров электронов. Второй по значимости группой являются представители Proteobacteria. В меньших количествах представлены последовательности принадлежащие  Thermodesulfobacterium, Thermodesulfovibrio, Thermus, Thermotogales, зеленым несерным бактериям. До 30% эубактериальных последовательностей принадлежит неизвестным группам организмов. Из представителей археобактерий были обнаружены последовательности близкие к представителям родов Pyrobaculum, Pyrodictium, Thermophilum, Archaeoglobus, Desulfurococcus и последовательности принадлежащие к группе Korarchaeota (до 77% клонов археобактерий) (Barns et al., 1994; Barns et al., 1996; Blank et al., 2002; Huber et al., 1998; Hugenholtz et al., 1998; Skirnisdottir, 2000; Reysenbach et al. 1994; Yamamoto et al., 1998; Reysenbach et al., 2000а).
О сообществе "Thermothrix" известно немного. Было показано, что в гидротермах с температурой 65-85С, рН около 7 и содержанием сульфида свыше 1 мг/л развивается сообщество основанное на жизнедеятельности Thermothrix thiopara или Thermotrix azorensis Эти бактерии, относящиеся к β-Proteobacteria, окисляют глубинный сероводород до элементной серы, которая откладывается на поверхности бактериальных обрастаний, приобретающих вид белых "косм" (Бонч-Осмоловская и др., 1987; Бонч-Осмоловская, Заварзин, 1989; Caldwell et al., 1976; Odintsova et al., 1996). Обращает на себя внимание то, что физико-химические факторы среды, при которых развивается сообщество "Thermothrix", совпадают с условиями развития сообществ с доминированием представителей группы Aquifex-Hydrogenobacter. Не ясно, какие именно факторы среды способствуют развитию того или иного типа сообществ.
В субаквальных гидротермах рН флюида, как правило, не превышает 4.5 (Von Damm, 1995). Тем не менее, при смешении с морскими водами возникает резкий градиент физико-химических условий. рН изменяется от 3-5 до 6-7 и температура от 300ºС (в наиболее высокотемпературных глубоководных гидротермах) до 4-20ºС. Поэтому в гидротермальных системах создаваются условия для развития нейтрофильных термофильных микроорганизмов (Sievert et al., 1999; Takai et al., 2001). Литотрофные термофильные микроорганизмы полученные в настоящее время в чистых культурах включают метаногены, сульфат-, тиосульфат-, сероредукторы и денитрификаторы, а также факультативные анаэробы. Наибольшим количеством видов представлены метаногены, представители родов Methanococcus и Methanopyrus. Сульфатредуцирующие археи представлены родом Archaeoglobus. Органотрофные термофильные бактерии представлены родами Thermococcus, Pyrococcus, Staphylothermus, Hyperthermus, Pyrodictium (Бонч-Осмоловская, 2002). Анализы нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров показали, что в субаквальных гидротермах присутствуют представители филогенетических групп эубактерий: ε-Proteobacteria, в-Proteobacteria, Desulfurobacterium, Aquificales. Археи представлены: Archaeoglobales, Thermococcales, Thermopasmales  (Reysenbach et al., 2000б; Takai et al., 2001).
В функционировании хемотрофных микробных сообществ важную роль играет окисление восстановленных соединений серы поступающих с флюидом на границе с кислород содержащими океаническими водами (Jannasch, Mottl, 1985; Karl et al., 1980). Большое количество окислов железа, вероятно бактериального происхождения, в районах субаквальных гидротерм может свидетельствовать о высокой роли окисления железа в функционировании сообщества  (Намсараев и др., 1991; Горшков и др., 1992; Juniper et al., 1988; Puteanus et al., 1991; Duhig et al., 1992; Stoffers et al., 1993; Bogdanov et al,. 1997; Iizasa et al,. 1998; Little et al., 1999; Trewin, Knoll, 1999; Preat et al., 2000; Emerson, Moyer, 2002). Также заметную роль может играть окисление метана (Гальченко, 2002; Teske et al., 2002)."

[Марков Александр]

Зоригто
Спасибо, это чрезвычайно интересно и важно! А не могли бы вы прислать мне свою диссертацию целиком? (с разрешением вывесить на сайте или без такового - по Вашему усмотрению)? Микробные сообщества - ключ к пониманию древнейших и самых важных этапов эволюции жизни. А в интернете фактической информации очень мало.

[Рендалл]

Эх жаль поздно зашёл.

Среди наших книг наиболее авторитетная -  "Принципы и методы количественного анализа в фаунистических исследованиях" Ю.А.Песенко (1982) - лучше пока никто ничего у нас не написал.

У Песенко ошибок хватает. Он конечно молодец, что собрал всё в кучу и дал критический обзор, но до конца он всё равно не разобрался. Эта область в стадии разработки. И следовательно проблемы с программами исходят из того, что методика до сих пор не совершенна.

У Зоригто хотелось бы уточнить, что там за данные?