Fernanda Rios Jacinavicius
Fernanda Rios Jacinavicius, aluna do programa em Biodiversidade Vegetal e Meio Ambiente do Instituto de Botânica de São Paulo, bolsista FAPESP, defendeu no dia 24 de fevereiro de 2015, a tese de doutorado intitulada “Aspectos morfológicos, fisiológicos e bioquímicos e suas relações com produção de microcistinas em cepas de Microcystis aeruginosa (Cyanobacteria)” orientada pela Dra. Célia Leite Sant’Anna do Instituto de Botânica do Estado de São Paulo (IBt) e co-orientada pela Dra. Ana Beatriz Furlanetto Pacheco da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ).
A banca examinadora foi constituída pela Dra. Célia Leite Sant’Anna, Dra. Sandra Maria Feliciano de Oliveira e Azevedo (Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ), Dra. Marli de Fátima Fiori (CENA – Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de São Paulo, USP), Dra.Alessandra Giani Pinto Coelho (Universidade Federal de Minas Gerai, UFMG) e Dra. Fanly Fungyi Chow Ho(Universidade de São Paulo, USP).
Legenda: Da direita para esquerda: Dra. Célia Leite Sant’Anna, Dra. Fanly Fungyi Chow Ho, Dra. Sandra Maria Feliciano de Oliveira e Azevedo, Fernanda Rios Jacinavicius, Dra.Alessandra Giani Pinto Coelho, Dra. Marli de Fátima Fiori e Dra. Ana Beatriz Furlanetto Pacheco.
Aspectos morfológicos, fisiológicos e bioquímicos e suas relações com produção de microcistinas em cepas de Microcystis aeruginosa (Cyanobacteria)
ABSTRACT
The genus Microcystis is one that causes most problems in continental waters worldwide due to its capacity of forming blooms and producing toxins. M. aeruginosa is the most known and studied species of the genus since it is an impacting cyanobacteria able to form blooms in water environments. Blooms are formed by a group of lineages; some are capable of producing hepatotoxic peptides called microcystins, others are not. Understanding the factors that affect microcystin production in cyanobacteria has been a challenge for researchers for almost 40 years. In spite of intense investigation, many results are contradictory, thus, its function as well as control of its production are not clear yet. Lack of conclusive data generates a gap when seeking to establish how and when a toxin can be produced by a given species of cyanobacteria. Thus, our objective was to compare a toxic (CCIBt3194) and a non-toxic (CCIBt3106) lineage of M. aeruginosa regarding microcystin production, analyzing morphometric, ultrastructural and physiological parameters revealed by pigment profile, protein differential expression and photosynthetic and antioxidant activities in different growth phases. Lineages isolated from reservoirs in São Paulo were cultivated in the following conditions: 23 ± 2 ° C, 40-50 μmol photons m-2.s-1, 14-10h light-dark cycle and ASM-1 medium. Cells were collected in exponential and stationary growth phases and all parameters were investigated. The obtained data indicate that toxic and non-toxic lineages presented different profiles of protein when they went from exponential to stationary phases. Non-toxic lineages showed more active metabolism in the exponential phase, with a higher number of more expressed proteins and cells, and that was inverted in the stationary phase when toxic strains had higher growth rate and more active metabolism. As for the toxic lineage in exponential growth, it was also observed functions associated with active energetic metabolism (ATP, Acetil-CoA and protein synthesis, carbon utilization and catalytic processes). It is possible to speculate that these differences are associated with the production of a protein pool, which includes the microcystin synthesis activity, indicating that the toxic strain invested resources producing protein instead of duplicating cells. The lineages presented differences in the nitrogen metabolism, which may or may not be related to the difference in terms of microcystin synthesis. Besides, the toxic lineage formed floating colonies with numerous cells incorporated to the mucilage in both growth phases, with high protein synthesis constituting of aerotopes. This way, it showed attributes related to more dependence on light, with lower concentration of accessory pigments, higher antioxidant values and higher values of yield of regulated and non-regulated non-photochemical extinction. Consequently, the protector system against photooxidation was more active in this lineage. On the other hand, the non-toxic lineage showed attributes related to less dependence of light, small colonies, with few cells, non-floating, higher values of accessory pigments, chlorophyll a, photosynthetic efficiency and yield of photochemical extinction. In relation to cell organization, the volume of the cianoficeas granules, aerotopes and thylakoid disposition were the ones that contributed the most to the distinction between lineages and between the different growth phases. The accumulation of carboxysomes and polyphosphate granules was observed in higher number in the non-toxic lineage in the exponential phase, indicating more emphasis on CO2 fixation by the carboxysomes and availability of the use of reserves of polyphosphate granules as energy source for ATP synthesis. Both lineage presented a standard system of thylakoid membranes, dispersed throughout the cytoplasm in the exponential growth phase. However, in the stationary phase, the non-toxic lineage presented cells with different thylakoid distributions. Thus, the two lineages compared in this study had very different strategies to deal with two different physiological conditions represented by the exponential and stationary growth phases. This may be due to the phenotypical variability (of genetic basis) between the two lineages, which have potential to exploit their environment in distinct ways. This variability may supplant the specific difference which is the synthesis capacity, or not, of microcystin. Therefore, in nature, these strategic differences found in light absorption may provide favorable conditions for the toxic and non-toxic lineages to share the same environment.
Key words: microcystins, ultrastructure, morphology, physiology, biochemistry
RESUMO
O gênero Microcystisé um dos que mais causam problemas em águas continentais de todo mundo devido a sua alta capacidade de formar florações e produzir toxinas. M. aeruginosaé a espécie mais conhecida e estudada do gênero, pois é uma impactante cianobactéria formadora de florações em ambientes aquáticos. As florações são formadas por um conjunto de linhagens, algumas capazes de produzir um peptídeo hepatotóxico chamado microcistina, outras não. Compreender os fatores que afetam a produção das microcistinas em cianobactérias tem sido um desafio para os pesquisadores há quase 40 anos. Apesar da intensa investigação, muitos resultados são contraditórios, deste modo, ainda não há clareza sobre sua função bem como o controle de sua produção. Essa falta de dados conclusivos gera uma lacuna quando se busca estabelecer como e quando uma toxina pode ser produzida por uma dada espécie de cianobactéria. Assim, nosso objetivo foi comparar uma linhagem tóxica (CCIBt3194) e outra não tóxica (CCIBt3106) de M. aeruginosa quanto à produção de microcistinas, analisando parâmetros morfométricos, ultraestruturais e fisiológicos revelados pelo perfil de pigmentos, expressão diferencial de proteínas e atividades fotossintética e antioxidante, em diferentes fases de crescimento. As linhagens isoladas de reservatórios em São Paulo foram cultivadas nas seguintes condições: 23 ± 2 ° C, 40-50 μmol. fotons m-2 s –1, 14-10h ciclo claro-escuro e meio ASM-1. As células foram coletadas em fase de crescimento exponencial e exponencial tardia e todos os parâmetros foram investigados. Os dados obtidos apontam que as linhagens tóxica e não tóxica exibiram perfis diferentes de proteínas ao passar da fase exponencial para a exponencial tardia. A linhagem não tóxica teve o metabolismo mais ativo na fase exponencial, com maior número de proteínas mais expressas e de células, o que inverteu-se na exponencial tardia, quando a cepa tóxica teve a maior taxa de crescimento e o metabolismo mais ativo. Quanto à linhagem tóxica em crescimento exponencial, também foram observadas funções associadas ao metabolismo energético ativo (síntese de ATP, Acetil-CoA, de proteínas, utilização de carbono e processos catalíticos). Pode-se especular que essas diferenças estejam associadas à produção de um pool de proteínas, o que inclui a atividade de síntese de microcistina, indicando que a cepa tóxica investiu recursos produzindo proteínas em detrimento da duplicação celular. As linhagens apresentaram diferenças no metabolismo de nitrogênio, o que pode ou não estar relacionado à diferença quanto à síntese de microcistinas. Além do mais, a linhagem tóxica formou colônias flutuantes com numerosas células incorporadas na mucilagem em ambas às fases de crescimento, com alta síntese de proteínas constituintes de aerótopos. Sendo assim, exibiu atributos relacionados à maior dependência de luz, como menores concentrações de pigmentos acessórios, maiores valores de antioxidantes e maiores valores de rendimento de extinção não-fotoquímica regulada e não regulada. Portanto, o sistema protetor contra a fotooxidação foi mais atuante nesta linhagem. Enquanto isso, a linhagem não tóxica exibiu atributos relacionados à menor dependência de luz, colônias pequenas, com poucas células, não flutuantes, maiores valores de pigmentos acessórios, clorofila a, eficiência fotossintética e rendimento de extinção fotoquímica. Em relação à organização celular, o volume dos grânulos de cianoficinas, os aerótopos e a disposição dos tilacóides foram os que mais contribuíram para a distinção entre as linhagens e entre as diferentes fases de crescimento. O acúmulo de carboxissomos e grânulos de polifosfato foram observados em maior número na linhagem não tóxica na fase exponencial, indicando maior ênfase na fixação de CO2 pelos carboxissomos e disponibilidade do uso de reservas dos grânulos de polifosfato como fonte de energia para a síntese de ATP. Ambas as linhagens apresentaram sistema de membranas tilacoidais tipo padrão, disperso por todo o citoplasma, na fase exponencial de crescimento. Contudo, na fase exponencial tardia a linhagem não tóxica apresentou células com diferentes distribuições dos tilacóides. Sendo assim, as duas linhagens comparadas neste estudo tiveram estratégias bem diferentes para lidar com duas condições fisiólogicas diferentes representadas pelas fases exponencial e exponencial tardia de crescimento. Isso pode ser devido à variabilidade fenotípica (de base genética) entre as duas linhagens que têm potencial para explorar de forma distinta o seu ambiente. Esta variabilidade pode suplantar a diferença pontual que é a capacidade ou não de síntese de microcistina. Deste modo, na natureza, essas diferentes estratégias encontradas para absorção de luz devem proporcionar condições favoráveis para que linhagens tóxica e não tóxica compartilhem do mesmo ambiente.
Palavras-chave: microcistinas, ultraestrutura, morfologia, fisiologia e bioquímica.
Fernanda Rios Jacinavicius
Aspectos morfológicos, fisiológicos e bioquímicos e suas relações com produção de microcistinas em cepas de Microcystis aeruginosa (Cyanobacteria)
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