Modulární systém dalšího vzdělávání pedagogických pracovníků JmK v přírodních vědách a informatice CZ.1.07/1.3.10/02.0024 Úvod do systému sinic/cyanobakterií a řas 1. část RNDr. Bohuslav Uher, Ph.D. uherius@sci.muni.cz http://www.muni.cz/people/102018
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)
Fykologie / algologie Nauka o autofototrofních organismech - sinicích a řasách Fykos + logos / algae + logos 1753 Species Plantarum - Carl Linné 1820 Species Algarum - Carl Adolf Agardh (1785 1859) švédský botanik Další první významní badatelé (19. století): Dugald Carmichael (skotský botanik), Karl Wilhelm von Nägeli (švýcarský b.), Maurice Augustin Gomont (francouzský b.), Charles Flahault (francouzský b.), Édouard Bornet (francouzský b.) aj.
Cyanophyta/Cyanobacteri a 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 1. 2. 1. Pohled na kolonii stromatolitů nedaleko Shark bay, Western Central Australia 2. Aktivní povrch stromatolitu tvořen hlavně sinicemi
Nejstarší fosilie na Zemi prekambrické sinice (3,5 mld. let) (A) Primorivularia; (B) Trachytrichoides; (C) Partitiofilum; (D) Heliconema; (E,F) Calyptothrix; Měřítko = 10 µm J. W. Schopf: Cradle of Life (1999).
V prospěch sinic: Fykobilizomy Tylakoidy Volutin Introny v DNA a RNA RNA sekvence Rostlinný typ fotosyntézy Heterocyty (N 2 -asimilace) Akinety/Arthrocyty Hormogonie Malý počet ribozomů Ekologická funkce SINICE Prokaryotické rostliny nebo bakterie? 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 UVzářením) Sinice - vhodnými partnery pro různé organizmy (houby, živočichy, prvoky a rostliny), což dokazuje samotná existence chloroplastů (důkaz endosymbióza)
Od sinic ke řasám Dinophyta Rhodophyta prokaryota
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 Vodní květ - fytoplankton Bentos Půdní edafon Kryoseston Termální prameny Korálové útesy
Chroococcales
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.
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
orig. Uher B.
Nostocales
Nostoc microscopicum orig. Uher B.
orig. Uher B.
trichom slizový obal heterocyt Petalonema alatum orig. Uher B.
Pochva zbarvená žlutým barvivem scytoneminem hormogonie orig. Uher B.
Strukturovaný sliz v podobě do sebe zapadajících trychtýřů orig. Uher B.
Nepravé větvení u heterocytu orig. Uher B.
Stigonematales
Vegetativní buňka Pravé větvení Heterocyt Mastigocladus sp. orig. Uher B.
Lokalita: Dóm sv. Martina Jaký je metodický přístup při zkoumaní sinic a řas? Místo odběru Detail povrchu substrátu Kultura Petriho miska Mikroskop
Nahlédnutí do fykologické laboratoře Flowbox Kultivace Konzultace Izolace Experiment
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
Jak člověk využíval a využívá sinice? Ženy z kmenu Kanembu u jezera Čad Afrika Pěstování sinic Zdroj obživy Amerika Spirulina sp. Aztékové
Scytonemin zajímavá sinicová látka Žlutá látka v obalech sinic Aktivní UV-ochrana Skalní stěny Evoluční výhoda Využití v kosmetice
Nebezpečné sinice! nebo biologické zbraně... Toxin: mikrocystin Toxin: nodularin Nodularia spumigena Microcystis aeruginosa Planktothrix rubescens
Ale přece existují organismy, co tyto toxické sinice mají v oblibě... Ciliophora sp. Požírá vlákna sinic jako špagety
Eukarya - Eukaryota Eukaryotní buňky Membránové struktury uvnitř buňky Bičíky Chromozomy Haploidní a diploidní stav (evoluční výhoda) Rozmnožování Mitóza a meiotické dělení
EUGLENOPHYTA Pelikula - bílkovinné proužky Lorika - sliz mineralizován Paraflagelární lišta bičíku - hlavní fotoreceptor buňky Jednojaderné buňky Stigma volně v cytoplazmě Paramylon - zásobní látka v cytoplazmě Chlorofyl a, b Diadinoxanthin, neoxanthin Mukocysty Ampula Jádro má kondenzované chromozomy Bičíky se šroubovitě vinutou řadou mastigonemat Palmeloidní stadium Pouze nepohlavní rozmnožování (schizotomie pohyblivých buněk) Ekologie - organicky znečištěné vody Fagotrofie, mixotrofie
Euglena spirogyra bílkovinné proužky
Odd.: Euglenophyta Třída: Euglenophyceae Řád: Euglenales Phacus sp. paramylon pelikula stigma
Odd.: Euglenophyta Třída: Euglenophyceae Řád: Euglenales bičík lorika stigma buňka Trachelomonas sp. orig. Hájková L.
DINOPHYTA Dinokaryon - spiralizované chromozomy ve většině buněčného cyklu Mitoza mimojaderná Většina chloroplastů je získaných sekundární nebo terciární endosymbiozou, nebo jsou to kleptoplastidy (získané z vlastní kořisti) Pulzující vakuoly Chlorofyl a, c 2 Diadinoxanthin Mnohovrstevnatá théka - amfiesma Celulózní deštičky Dinosporin - pelikula Dinokontní buňky - bičíky vycházeií ze střední části těla Epikonus, hypokonus Desmokontní buňky - bičíky na apexu buňky Trichocysty, mukocysty Ocellus - vrstevnatá čočka, komůrka, kanálek, retinoid Nepohlavní rozmnožování Anizogamie, izogamie Ekologie - převážně moře Toxiny fagotrofie Dinoflagelátní cysty v sedimentech - histrichosféry 200 mil. let
Odd.: Dinophyta Třída: Dinophyceae Řád: Peridiniales podélná rýha - sulcus příčná rýha - cingulum Peridinium sp. orig. Hájková L.
Odd.: Dinophyta Třída: Dinophyceae Řád: Peridiniales Ceratium sp. Carter-Lund Lund
POZOR!!! NEBEZPEČNÉ ŘASY... Plankton biocenózy vody Vodní květ Fykologie a ekotoxikologie Toxiny sinic a řas (evidence od roku 1978) Eutrofizace (Dusík, Fosfor...) Ohrožení celého ekosystému (intoxikace jiných organizmů) Fosfor limitující faktor Jak omezit rozvoj toxických sinic a řas? Třeba začít od sebe, v domácnostech praní bez fosfátů!
Ohrožení nejenom v pobřežních vodách oceánů... Kvůli mezinárodnímu obchodu s mořskými produkty je člověk vystavovaný toxinům sinic a řas konzumací intoxikovaných mořských živočichů... Symptomy jsou různé, rozlišujeme 5 typů otrav: ASP otravy gastroenteritida, dýchací těžkosti, až kóma! CFP otravy poruchy termoregulace, kardiovaskulární poruchy DSP otravy gastroenteritida, dávení NSP otravy nervové poškození dokonce vodním aerosolem!!! PSP otravy neurologické projevy až zástava dýchání
Nejnebezpečnější řasy! Saxitoxin Červené přílivy... (redtides) Alexandrium tamarense Brevetoxín paralýza!!! Gymnodinium breve
CRYPTOPHYTA Pleuronematické bičíky Chlorofyl a, c 2,alloxanthin Fykoerythrin nebo fykocyanin Mastigonemy - trubicovité vlásky na bičíku Periplast s destičkami Ejektozomy - mrštné trichocysty Rhizostyl - specifická struktura bičíku Maupasova tělíska - dvojice elipsovitých tělísek, funkce jako lyzozomy Škrob v cytoplazmě Jícen s ejektozomy 2 bičíky Delší: 2 řady mastigonem Nepohlavní rozmnožování - schizotomie Pohlavní rozmnožování - izogamie Palmeloidní stadia Fylogeneze - příbuznost nukleomorfu s ruduchami Plankton Stenotermní vody Mixotrofie
Odd.: Cryptophyta Třída: Cryptophyceae Řád: Cryptomonadales bičíky jícen s ejektozomy Cryptomonas sp. Carter-Lund Lund
Cryptomonas sp.
Odd.: Cryptophyta Třída: Cryptophyceae Řád: Cryptomonadales Chroomonas sp. jícen bičíky nástěnný chloroplast
HETEROKONTOPHYTA Fotoautotrofní řasy Pleuronematický bičík Akronematický bičík Fotoreceptor na bázi kratšího bičíku Chloroplasty 4 membrány Věncová lamela pod povrchem chloroplastu - určuje polohu cdna Stigma v chloroplastu Pyrenoidy Chlorofyl a, c Fukoxantin, vaucheriaxantin Chrysolaminaran v cytoplazmě Olej, polyfosfátová zrnka - volutin Fylogeneze - analýzy ve vývoji Různorodé skupiny řas na základě sekvencí 18S rrna Haptophyta naprosto samostatná vývojová linie Xanthophyceae a Phaeophyceae blízko příbuzné Chrysophyceae různorodá evoluční skupina
Carter-Lund Lund Odd.: Heterokontophyta Třída: Chrysophyceae Řád: Chromulinales Dinobryon sp.
Odd.: Heterokontophyta Třída: Chrysophyceae Řád: Hydrurales Hydrurus foetidus orig. Uher B.
Carter-Lund Lund Odd.: Heterokontophyta Třída: Synurophyceae Řád: Synurales Synura sp.
Odd.: Heterokontophyta Třída: Xanthophyceae Řád: Mischococcales dospělá buňka aplanospora Botrydiopsis sp.
Odd.: Heterokontophyta Třída: Xanthophyceae Řád: Tribonematales Tribonema sp. H-kus místo zlomu vlákna
Odd.: Heterokontophyta Třída: Xanthophyceae Řád: Botrydiales Botrydium granulatum Carter-Lund Lund
Odd.: Heterokontophyta Třída: Xanthophyceae Řád: Vaucheriales Mnohojaderný trubicovitý sifon Vaucheria sp.