Doktori értekezés Kiss Áron Keve

Átírás

1 A Duna planktonjában található kismérető protozoonok alkotta közösségek mennyiségi és diverzitásviszonyai, különös tekintettel a heterotróf ostorosokra Doktori értekezés Kiss Áron Keve ELTE Környezettudományi Doktori Iskola, Környezetbiológia program MTA ÖBKI Magyar Dunakutató Állomás témavezetı: Prof. Dr. Ács Éva, a biológiai tudományok kandidátusa konzulens: Dr. Török Júlia Katalin, adjunktus Göd, 2009

2 I. Bevezetés, célkitőzések Az eukarióta mikrobiális közösségek szerepe a vizek anyagforgalmában, a vízminıség kialakításában meghatározó A heterotróf ostorosok szerepe ebben kiemelkedıen fontos A nagy folyók vízminısége kiterjedt ivóvízfelhasználási céljaik miatt társadalmi kulcskérdés Ennek ellenére: Néhány mennyiségi vizsgálat és régi faunisztikai adat mellett alig vannak ismereteink a folyók heterotróf ostoros közösségérıl A nagy folyók ostoros diverzitása teljesen ismeretlen

3 I. Célkitőzések Vizsgálatainkkal a következı kérdésekre keressük a választ: 1. Hogyan változik a fıbb heterotróf ostoros csoportok mennyisége évszakonként? 2. Vannak-e összefüggések a heterotróf ostorosok és táplálékszervezeteik mennyiségének változása között? 3. Milyen szerepet töltenek be a heterotróf ostorosok a Duna planktonjának anyagforgalmában? 4. Milyen heterotróf ostorosok alkotják a plankton faunáját a Dunában? 5. Mekkora a kismérető (30 µm) heterotróf eukarióták, köztük a heterotróf ostorosok lokális fajgazdagsága a planktonban? 6. Mi jellemzı a heterotróf ostorosok helyi funkcionális sokféleségére?

4 A heterotróf egysejtőek diverzitásának vizsgálatára kidolgozott módszer: 1 planktonminta a Dunából márc. 16-án 50 l vizet 10 µm hálón 150 ml végtérfogat egy 15 cm-es lapos üvegtálkába intenzív napi vizsgálat (8 h), kisebb kihagyásokkal 37 napig fordított mikroszkóp, 1,3 NA HI, Köhler megvilágítás, DIC mikroakvárium: fedılemez fenék, kondenzort közvetlenül a vízmintába nyomva analóg CCD kamera (JVC KY-F30B), digitalizált felvétel keret kondenzor vízminta fedılemez immerziós olaj objektív

5 EREDMÉNYEK 3. A heterotróf ostorosok anyagforgalmi szerepe Télen a nanoflagelláták a legnagyobb termeléső csoport A mikrobiális hurok mellett a herbivor táplálékhálózat szerepe elhanyagolható A nanoflagelláták a szabadon lebegı baktériumok mellett más szénforrást is hasznosítanak Tenyészidıszakban a fitoplankton termelése a legnagyobb A mikrobiális hurok mellett a herbivor táplálékhálózat is jelentıs szerephez jut Az elsıdleges termelésnek általában kis, alkalmanként nagy hányadát (56%) is elfogyasztják A legnagyobb termeléső herbivor fogyasztók az algivor csillósok és a mikroflagelláták

6 Következtetések: A heterotróf ostorosok kiemelkedı fontosságú fogyasztó szervezetek: télen a vizsgáltak közül a nanoflagelláták a legnagyobb termeléső élılénycsoport, tenyészidıszakban az egyik legfontosabb fogyasztók A mikroflagelláták a tenyészidıszak egyes idıpontjaiban a legfontosabb algivor fogyasztó szervezetek Eredményeink és az eddigi irodalmi adatok alapján: az eddig vizsgált folyókban (néhány abundáns tenyészidıszaki csillós és metazoon populáció kivételével) a heterotróf ostorosok a legfontosabb planktonikus fogyasztó szervezetek A Dunában egyes idıszakokban az elsıdleges termelés nagyobbik részét elfogyasztják a fogyasztók kontrolláló szerepe jelentıs A hiányzó nanoflagelláta fogyasztás lehetséges forrása: ultamikrobaktériumok pehelyképzı és aggregátumhoz tapadt baktériumok detritusz, oldott szerves anyag eukarióták (algák, gombák, ostorosok)

7 4. Faunisztikai eredmények magyar faunára új protozoonok 163 ostoros 213 Dunából kimutatott protozoonok 211 ostoros 417 nem leírt fajok 83 ostoros 98 elsı édesvízi elıfordulás 13 elsı folyóvízi elıfordulás 118 Duna faunájára új 166 Eddig 3 új faj leírása történt meg: fajszám Pseudodifflugia klarae Kiss et Török 2009 Bereczkya minuta Kiss et Török 2009 Paramphitrema muelleri Kiss et Török 2009

8 Bereczkya minuta gen nov. sp. nov.

9 Paramphitrema muelleri sp. nov.

10 5. A lokális heterotróf ostoros diverzitás A 37 napos megfigyelési idıszak alatt 130 heterotróf ostoros és nem besorolható nano/piko eukarióta faj 28 csupasz amıba, 11 kismérető házasamıba, 14 napállatka (30 µm alatti protozoonból összesen 183 faj) faj Heterotróf ostorosok fajszám talált fajszámai diverzitásvizsgálatokban fajszám Duna 126 Tong 1997 (Choanofl) Larsen and Patterson Vors, Buck, Chavez, Eikrem, Hansen, Ostergaard, Thomsen Tikhonenkov, Mazei, Mylnikov Kopylov, Mylnikov, Amgaabazar Tikhonenkov Tong, Vors, Patterson Tong, Nygaard, Bernard, Vors, Patterson Vors 1993 (Arctic) 38 Lee, Patterson Ekebom, Patterson, Vors Vors Patterson, Nygaard, Steinberg, Turley Al-Quassab, Lee, Murray, Simpson, Patterson Tikhonenkov, Mazei Lee, Brandt, Vors, Patterson Arndt, Hausmann, Wolf Mazei, Tikhonenkov Schroeckh, Lee, Patterson Lee Bernard, Simpson, Patterson Tong 1997 (HF) 58 Kosolapova, Mylnikov Lee, Simpson, Patterson Tikhonenkov, Mazei, Belyakova Patterson, Simpson, Vors 1993 (Belize) 30 Tong 1997 (Shark Bay) 46 Larsen, Mazei, Tikhonenkov, Mylnikov Ekelund, Patterson Duna Larsen, Patterson 1990 Tikhonenkov et al 2006 T ikhonenkov 2006 Tong et al 1998 Lee, Patterson 2000 Vors 1992 Al-Quassab et al 2002 Lee et al 2003 M azei, Tikhonenkov 2006 Lee 2002 Tong 1997 Lee et al 2005 Patterson, Simpson, 1996 Tong 1997 M azei et al 2005 M azei, Tikhonenkov 2003 Mazei, Tikhonenkov Mylnikov, Kosolapova, Mylnikov Kosolapova Kosolapova 2002 Tong 1997 Vors et al 1995 Kopylov et al 2006 Tong et al 1997 Vors 1993 Ekebom et al 1996 Patterson et al 1998 Tikhonenkov, M azei 2006 Arndt et al 2003 Schroeckh et al 2003 Bernard et al 2000 Kosolapova, M ylnikov 2001 Tikhonenkov et al 2006 Vors 1993 Larsen, 1987 Ekelund, Patterson 1997 M ylnikov et al 2002

11 130 faj 1 mintában nagyságrendekkel több, mint az eddigi vizsgálatok szerint mintaszám fajszám Duna Bernard, Simpson, Patterson Tikhonenkov, Mazei, Belyakova Al-Quassab, Lee, Murray, Simpson, Patterson Tikhonenkov, Mazei Arndt, Hausmann, Wolf Tong, Nygaard, Bernard, Vors, Patterson Mazei, Tikhonenkov Tong 1997 (Shark Bay) Vors Tikhonenkov, Mazei, Mylnikov Lee, Patterson Tong 1997 (Choanoflagellates) Kopylov, Mylnikov, Amgaabazar Tong 1997 (HF) Mylnikov, Kosolapova, Mylnikov

12 Mi a magyarázat az eddigi vizsgálatokat többszörösen meghaladó diverzitásra? A Duna gödi szakasza március 16-án a világ talán legdiverzebb ostoros élıhelye? Nem valószínő. Patterson és Lee, 2000 szerint: az ostoros diverzitás, biogeográfia megismerését befolyásoló legfontosabb emberi tényezık: 1. alul-mintázás 2. alul-észleltség ( under-reporting, a mintában van, de nem látjuk/ jegyezzük fel) 3. ismétlés-hiánya adott területen Jelen vizsgálatban: 1. alul-mintázás, és 3. ismétlés hiánya a lehetséges legnagyobb (egyetlen minta).

13 Mi a magyarázat az eddigi vizsgálatokat többszörösen meghaladó diverzitásra? Az alul-észleltség csökkent a következık miatt: 1. természetközeli körülmények, nincs hozzáadott tápanyagdúsítás 2. jó optikai beállítás (1,3 NA HI, DIC, Köhler) sok részlet látszik 3. Videofelvétel minden érdekes példányról a ritka példányok is vizsgálhatók, identifikálhatók (utólag 6 mintára új faj került elı más fajok videóiról) 4. sok vizsgálatba fektetett idı (3 vs. 30 nap) 140 Összes fajszám - vizsgálati napok száma kumulatív fajszám vizsgálati napok száma

14 A talált ostoros fajok 44%-a nincs leírva (57 faj) A vizsgálatok során talált új fajok százalékos aránya AZ ELMÚLT 15 ÉV VIZSGÁLATAI új fajok % új fajok % 50 Duna 44 Lee, Simpson, Patterson Bernard, Simpson, Patterson Vors 1993 (Belize) Ekelund, Patterson Vors, Buck, Chavez, Eikrem, Hansen, Ostergaard, Thomsen Vors 1993 (Arctic) 16 Tong, Nygaard, Bernard, Vors, Patterson Patterson, Simpson, Kosolapova, Mylnikov Lee, Patterson Mylnikov, Kosolapova, Mylnikov Tong 1997 (HF) 9 Kosolapova Ekebom, Patterson, Vors Mazei, Tikhonenkov új fajok %-a Tong 1997 (Choanofl) 7 Arndt, Hausmann, Wolf Schroeckh, Lee, Patterson Mazei, Tikhonenkov, Mylnikov Al-Quassab, Lee, Murray, Simpson, Patterson Tikhonenkov, Mazei, Belyakova Lee Tikhonenkov, Mazei Lee, Brandt, Vors, Patterson Tikhonenkov, Mazei, Mylnikov Patterson, Nygaard, Steinberg, Turley Kopylov, Mylnikov, Amgaabazar Tong, Vors, Patterson Tikhonenkov Duna Larse n, 1987 Bernard et al 2000 Ekelu nd, Patte rson 1997 Vors 1993 Tong 1997 (Shark Bay) 2 Mazei, Tikhonenkov Pat terson, Simpson, Lee, Patterso n 2000 Tong 1997 Ekebom et al 1996 Tong 1997 Vors 1992 Schroeckh et al 2003 Al-Quassab et al 2002 Lee 2002 Lee et al 2003 Patterson et al 1998 Tong et al 1997 Tong 1997 Lee et al 2005 Tikhonenkov et al 2006 Tikhonenkov 2006 Tong et al 1998 Mazei, Tikhon enkov 2006 Mazei et al 2005 Mazei, Tikhon enkov 2002 Kosolapova 2002 Vors et al 1995 Kopylov et al 2006 Tikhonenkov, Maze i 2006 Arndt et al 2003 Kosolapova, Mylnikov 2001 Tikhonenkov et al 2006 Vors 1993 Mylnikov et al 2002

15 Nem leírt fajok és nemek (1-11) Anisonema sp.1 Clautravia sp. neobodonid Anisonema sp.2 Ancyromonas sp.2 chrysomonad 1 Cercomonas sp.1 Ancyromonas sp.1 Clautravia sp. cercomonad chrysomonad 2

16 Nem leírt fajok és nemek (12-24) Heteromita-szerő Kathablepharis sp.1 ismeretlen eukarióta 1 kinetoplastid Metromonas-szerő Kathablepharis sp.3 Kathablepharis sp.2 ismeretlen eukarióta 5 ismeretlen eukarióta 2 ismeretlen eukarióta 3 ismeretlen eukarióta 4 Notosolenus sp. ismeretlen eukarióta 6

17 Nem leírt fajok és nemek (25-37) Petalomonas sp.1 Petalomonas sp.2 Protaspis sp.1 Protaspis sp.2 Petalomonas sp.3 Petalomonas sp.5 Protaspis sp.4 Protaspis sp.3 Rhizaspis sp. Petalomonas sp.4 Petalomonas sp.6 Pseudophyllomitus Protaspis sp.5

18 Nem leírt fajok és nemek (38-57) Rhyncobodo sp.1 Rhyncobodo sp.3 Stephanoeca-szerő Rhyncobodo sp.2 Salpingoeca sp. ismeretlen eukarióta 17 ismeretlen eukarióta 7 ismeretlen eukarióta 9 ismeretlen eukarióta 11 ismeretlen eukarióta 14 ism. eukarióta 15 ismeretlen eukarióta 12 ismeretlen eukarióta 18 ismeretlen eukarióta 8 ismeretlen eukarióta 10 ismeretlen eukarióta 13 ismeretlen eukarióta 16 ismeretlen eukarióta 19

19 Rang-abundancia diagramok a teljes vizsgálati idı alatti elıfordulásokat egyesítve 60 Ostoros fajok eloszlása a legnagyobb napi egyedszámaik alapján legnagyobb napi egyedszám faj sosem került elı napi egy példánynál nagyobb egyedszámban faj 120 Ostoros fajok eloszlása az összes talált egyedszámuk alapján összes talált egyedszám faj mindössze kettı, 48 faj mindössze egyetlen példányban került elı a teljes vizsgálat során Nagyon jelentıs háttérdiverzitás az abundáns fajok mellett faj

20 A mikrobiális eukarióta diverzitás mértéke Egy 2008 júniusában végzett, minden eukarióta csoportra kiterjedı vizsgálat eredményeit felhasználva egyetlen mintában található eukarióta mikrobák fajszáma: 350 Kismérető heterotróf eukarióták fajszám elsı elıfordulás napján talált egyedszám Az alga fajszám - elıfordulási gyakoriság összefüggése a 2008 Algák júniusi vizsgálatban fajszám: megtalált becsült alga gomba 4 10 protozoon 30 µm alatt nagy házas amıba 7 10 csillós mikrometazoon eukarióta mikroba fajszám egyedszám

21 Következtetések 1. A lokális heterotróf ostoros diverzitás többszöröse az eddig közölt értékeknek 2. Jelen vizsgálat nem erısíti meg a fajok kozmopolita elterjedésének elméletét fajok 44%-a új 3. A bioszférában található morfofajok száma jóval több lehet, mint gondoltuk, édesvizekben nagyon sok leíratlan faj van még 4. Nagy folyókban az abundáns fajok mellett egy igen gazdag háttérdiverzitás jellemzı rengeteg nagyon kis abundanciájú fajjal 5. A feltáruló ritka protista bioszféra és a rang-abundancia diagramok hosszan elnyúló farka új perspektívát jelent a mikrobiális eukarióta diverzitásban 6. Az új paradigma szerint el kellene fogadni, hogy: Rengeteg új morfofaj van még, bármilyen vizsgálatban találhatunk új fajokat Az ostoros diverzitás nagyságrendekkel nagyobb annál, mint a dúsításos tenyészetekbıl elıkerülı néhány-néhány tucat abundáns faj.

22 A billegés / ostorcsapás frekvenciája a sebesség függvényében, felületrıl táplálkozó fajoknál (6. funkcionális változó) a billegés frekvenciája nı a sebességgel 30 nagyon gyorsan csapkodó, de alig haladó fajok ezen viselkedés adaptív volta nehezen érthetı frekvenciája (Hz) billegés / ostorcsapás ostoros sebessége (µm /s) nem billegve kúszó fajok

23 Niche-csoportok és guildek A különbözı guildekbe tartozó fajok A 4 forrásváltozó alapján legalább 15 különbözı realizált niche-csoport A forráshasznosítás módját is figyelembe véve (5-7 változók) 27 guild felület, 1. tápl, ragad, úszik felület, 1. tápl, diff. felület, 1. tápl, amıb. víztes t, 4. tápl, átmeneti víztest, 4. tápl, ragad víztest, 3. tápl, ragad. víztest, 3. tápl, szuszp. víztest, 3. tápl, szuszp. víztes t, 2. tápl, szuszp víztest, 2. tápl, ragad víztest, 2. tápl, szus zp, lorikás víztest, 2. tápl, átmeneti víztest, 1. tápl, ragad. A különbözı guildekbe tartozó fajszámok eloszlása felület, 1. tápl, ragad, kúszik felület, 2. tápl, am ıb. felület, 2. tápl, diff. felület, 2. tápl, ragad, úszik felület, 2. tápl, ragad, kúszik felület, 3. tápl, diff. felület, 3. tápl, ragad, kúszik felület, 4. tápl, diff. felület, 4. tápl, ragad, ús zik felület, 4. tápl, ragad, kúszik felület, 5. tápl., ragad, kúszik víztest, 1. tápl, szus zp. ozm otr. víztest, 1. tápl, szuszp, lorikás ozmotr. víztest, 1. tápl, szuszp, lorikás víztest, 1. tápl, szuszp. víztest, 1. tápl, ragad. víztest, 2. tápl, átmeneti víztest, 2. tápl, szuszp, lorikás víztest, 2. tápl, ragad víztest, 2. tápl, szuszp víztest, 3. tápl, szuszp. víztest, 3. tápl, szuszp. víztest, 3. tápl, ragad. víztest, 4. tápl, ragad víztest, 4. tápl, átmeneti felület, 1. tápl, amıb. felület, 1. tápl, diff. felület, 1. tápl, ragad, úszik felület, 1. tápl, ragad, kúszik felület, 2. tápl, amıb. felület, 2. tápl, diff. felület, 2. tápl, ragad, úszik felület, 2. tápl, ragad, kúszik felület, 3. tápl, diff. felület, 3. tápl, ragad, kúszik felület, 4. tápl, diff. felület, 4. tápl, ragad, úszik felület, 4. tápl, ragad, kúszik felület, 5. tápl., ragad, kúszik

24 Következtetések 1. A feltárt hatalmas funkcionális diverzitás változó körülmények között jelent egy olyan sokféleségbázist, melybıl az ökoszisztéma funkcionális kompartmentjei a fajok hasonló funkciójú fajra való kicserélıdésével helyre állhatnak biogeokémiai folyamatok zavartalanul folyhatnak 2. A nagy ostoros diverzitás magyarázata: Sok kevéssé versengı funkcionális csoport Nagyszámú felülethez tapadt faj heterogén környezet 1. aggregátumok véletlenszerő kolonizációja 2. aggregátumok sokfélesége 3. aggregátumok idıbeni változása 3. Szigorú korlátozó kényszerfeltételek hiánya, heterogén környezet rengeteg ritka faj túlélhet a planktonban 4. A bentosszal, mint fajforrással, és a hosszabb planktonikus egzisztencia lehetıségével a folyami plankton hatalmas mikrobiális eukarióta diverzitást képes fenntartani

25 Összefoglalás 1. Eredményeink megerısítik, hogy az ostoros taxonómiai csoportok aránya nagyfokú hasonlóságot mutat a különbözı édesvízi élıhelyeken A fitoplankton maximumokkal is egybeesı késı tavaszi és ıszi csúcs általános jelenség lehet a Dunában 2. Bár a nanoflagelláták bakterivornak tekintett szervezetek, Gasol és Vaqué lack of coupling hipotézisével egyezıen nem találtunk szignifikáns összefüggést a baktériumok és a nanoflagelláták mennyisége között. Az algivor nagy chrysomonadidák és táplálékalgáik mennyisége között szignifikáns összefüggés mutatható ki. A tenyészidıszakban a fogyasztók közt erıs a kompetíció, az alsóbb szintekre jelentıs top-down kontroll hat 3. Megállapítottuk, hogy a heterotróf ostorosok kiemelkedı fontosságú fogyasztó szervezetek: télen a vizsgáltak közül a nanoflagelláták a legnagyobb termeléső élılénycsoport a tenyészidıszakban a mikroflagelláták az egyik legfontosabb algivor fogyasztók

26 Összefoglalás 4. A Duna heterotróf ostoros faunája igen fajgazdag, feltáratlan, sok tudományra nézve új faj található benne. Leírtunk három új fajt, köztük egy új genuszt. 5. Kifejlesztettünk egy új videomikrográfiás módszert a heterotróf ostorosok diverzitásának vizsgálatára, mellyel az alul-észleltséget csökkenetettük a videofelvételek alkalmazása és a hosszú vizsgálati idı segítségével. A heterotróf ostorosok lokális diverzitása nagyságrendekkel több, mint amit az eddigi vizsgálatok kimutattak, az abundáns fajok mellett egy hatalmas, ritka fajokból álló háttérdiverzitás jellemzı. 6. A heterotróf ostorosok között sok különbözı, egymással kevéssé versengı funkcionális csoport mutatható ki. A nagyszámú felülethez tapadt faj elıfordulását a heterogén környezet teszi lehetıvé. Szigorú korlátozó kényszerfeltételek hiánya és a heterogén környezet miatt rengeteg ritka faj túlélhet a planktonban

27 Publikációs tevékenység Nemzetközi folyóiratcikkek: Ács, É., Szabó, K., Kiss, Á. K., Tóth, B., Záray, Gy., Kiss, K. T. (2006): Investigation of epilithic algae on the River Danube from Germany to Hungary and effect of a very dry year on the algae of the River Danube. Archiv für Hydrobiologie, Supplement Large Rivers: 16: IF: 1,362 Katalin É. Szabó, Judit Makk, Keve Tihamér Kiss, Alexander Eiler, Éva Ács, Bence Tóth, Áron Keve Kiss, Stefan Bertilsson (2008): Sequential colonization of river periphyton analysed by microscopy and molecular fingerprinting. Freshwater Biology 53: IF: 2,650 Áron Keve Kiss, Éva Ács, Keve Tihamér Kiss, Júlia Katalin Török (2009): Structure and seasonal dynamics of the protozoan community (heterotrophic flagellates, ciliates, amoeboid protozoa) in the plankton of a large river (River Danube, Hungary). European Journal of Protistology 45: IF: 1,729 Áron Keve Kiss, Júlia Katalin Török, Éva Ács, Keve Tihamér Kiss (2009): Pseudodifflugia klarae nov. spec., Bereczkya minuta nov. gen. nov. spec. and Paramphitrema muelleri nov. spec.: three new filose testate amoebae from the plankton of the river Danube. Acta Protozoologica 28/2 (in press) IF: 1,226 Publikációs lista: 10 folyóiratcikk 2 konferenciakiadvány 20 nemzetközi és hazai konferencia absztrakt 4 könyvismertetés Hivatkozások: 11 SCI hivatkozás: 7 Kumulatív impakt faktor: 6,967

28 Köszönetnyilvánítás Köszönöm témavezetım Ács Éva és Kiss Keve Tihamér segítségét Köszönöm Török Júlia szakmai segítségét Az ELTE Környezettudományi Doktori Iskolának és a Magyar Dunakutató Állomásnak a kutatási lehetıséget, az Állomás munkatársainak sokrétő segítségét Az ELTE Mikrobiológia Tanszéknek a CCD kamera használatát Köszönöm a külföldi kollégák (A. Mylnikov, A. Smirnov, W. Foissner) tanítását és segítségét A kutatásokat az alábbi pályázatok segítették: MU-00186/00/2000 GVOP / OTKA

29 Köszönöm a hallgatóság figyelmét!