Evolution and detection of cyanobacterial hepatotoxin synthetase genes

Tutkimustuotos: OpinnäyteVäitöskirjaArtikkelikokoelma

Abstrakti

Syanobakteerien massaesiintymät (kukinnat) vesistöissä ovat yleisiä kaikkialla maailmassa. Kukinnat ovat usein myrkyllisiä johtuen syanobakteerien tuottamista maksa- ja hermomyrkyistä. Yleisimmät syanobakteerien tuottamat maksamyrkyt ovat mikrokystiini ja nodulariini. Makeissa vesissä mikrokystiinejä tuottavat tavallisimmin Anabaena, Microcystis ja Planktothrix. Sen sijaan nodulariineja tuottavat vain Nodularia spumigena –syanobakteerit, joita esiintyy murtovesissä. Ongelmallista on, ettei myrkkyä tuottavia syanobakteerisoluja voida erottaa myrkkyä tuottamattomista soluista mikroskoopilla katsomalla. Sen sijaan mikrokystiini- ja nodulariinisyntetaasigeeneihin perustuvat molekyylibiologiset menetelmät mahdollistavat myrkyllisten syanobakteerien tunnistamisen.
Tässä työssä kehitettiin menetelmiä, jotka tunnistavat näiden maksamyrkyllisten syanobakteereiden DNA:sta yhden maksamyrkkyjen valmistukseen tarvittavan geenin osan. Aluksi suunniteltiin ”yleiset” alukkeet, jotka tunnistivat ja monistivat tämän geenin sekä mikrokystiinejä tuottavista Anabaena-, Microcystis-, Planktothrix- ja Nostoc-sukujen syanobakteereista (mcyE-geeni) että nodulariineja tuottavista Nodularia-suvun syanobakteereista (ndaF-geeni). Monistettujen geenien avulla tutkittiin miten nämä geenit ovat kehittyneet syanobakteerien evoluution aikana. Tutkimus paljasti, että mikrokystiini- ja nodulariinisyntetaasigeenit ovat erittäin vanhoja. Tulokset tukivat myös oletusta, että mikrokystiinisyntetaasigeenit ovat periytyneet sukupolvelta toiselle eivätkä ole siirtyneet satunnaisesti solujen välillä nk. lateraalisessa geenisiirrossa. Evoluution aikana mikrokystiinisyntetaasigeenit ovat todennäköisimmin hävinneet joiltakin syanobakteereilta ja vastaavasti säilyneet muilla, mikä on johtanut siihen että näitä geenejä on vain osalla nykyisistä syanobakteereista. Sukupuuanalyysin mukaan nodulariinisyntetaasigeenit kehittyivät mikrokystiinisyntetaasigeeneistä.
Tutkimme kuinka yleisiä eri sukuihin kuuluvat mikrokystiinin tuottajat olivat 70 suomalaisessa järvessä. Mahdollisia mikrokystiinin tuottajia havaittiin 84% järvistä käytettäessä ”yleisiä” alukkeita ja 91% järvistä, kun käytettiin eri sukuja tunnistavia alukkeita. Microcystis-sukuun kuuluvia tuottajia havaittiin 70% järvistä, Planktothrix- ja Anabaena-sukuihin kuuluvia tuottajia taas 63% ja 37% järvistä. Myrkyllisten syanobakteerisukujen esiintyminen ja erityisesti usean suvun esiintyminen samanaikaisesti oli yleisempää rehevöityneimmissä järvissä. Tutkimuksessa geenimonistustuloksia myös verrattiin tilastollisesti useisiin ympäristötekijöihin. Korrelaatioanalyysi osoitti usean suvun rinnakkaisesiintyminen liittyvän mm. veden korkeaan typpipitoisuuteen. Lisäksi regressioanalyysissä typpipitoisuuden osoitettiin osaltaan selittävän mcyE-geenien ja siten myös mikrokystiinejä tuottavien syanobakteereiden esiintymistä. Tuloksista voidaan päätellä järvien korkeiden ravinnepitoisuuksien nostavan usean mikrokystiinin tuottajasuvun esiintymistodennäköisyyttä, jolloin myös myrkyllisten massaesiintymisten kehittymisen riski on suurempi rehevissä vesissä.
Tutkimuksessa kehitettiin myös menetelmä, jolla kaikki vesinäytteessä olevat mikrokystiinin tai nodulariinin mahdolliset tuottajat voidaan tunnistaa yhdellä kertaa. Tätä nk. DNA-sirumenetelmää varten suunniteltiin Anabaena-, Microcystis-, Planktothrix-, Nostoc-, ja Nodularia-suvuille koetinparit, joilla niiden mcyE- tai ndaF-geenit voidaan tunnistaa. Koetinparit osoittautuivat spesifisiksi ja herkiksi, kun niitä arvioitiin syanobakteerikannoilla sekä järvi- ja Itämeri-näytteillä. DNA-siruilla pystyttiin tunnistamaan ympäristönäytteissä olevat mahdolliset maksamyrkkyjen tuottajat lähes yhtä herkästi kuin kvantitatiivisella geenimonistusanalyysillä, jota käytettiin varmentamaan DNA-sirutuloksia. Optimoimalla menetelmän geenimonistusvaihetta DNA-sirumenetelmää voitiin parantaa.
Useiden eri sukuihin kuuluvien maksamyrkyllisten syanobakteerien mikrokystiini- ja nodulariinisyntetaasigeenien tutkiminen oli palkitsevaa. Geenien havaittiin olevan hyvin vanhoja. Sen lisäksi kehitettiin uusia menetelmiä, joilla voidaan tunnistaa kaikki tärkeimmät maksamyrkkyjen tuottajat. Mikrokystiiniä tuottavien Microcystis-, Planktothrix-, ja Anabaena-syanobakteerien havaittiin esiintyvän samanaikaisesti erityisesti runsasravinteisissa järvissä. Maksamyrkkyä tuottavien syanobakteerien ja siten myös myrkyllisten kukintojen esiintymistä voitaisiin mahdollisesti ehkäistä suojelemalla järviä rehevöitymiseltä ja niiden kunnostamisella.

Alkuperäiskielienglanti
JulkaisupaikkaHelsinki
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-10-4369-7
Sähköinen ISBN978-952-10-4370-3
TilaJulkaistu - 27 marraskuuta 2007
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tieteenalat

  • opinnäytteet
  • väitöskirjat
  • mikrobiologia
  • syanobakteerit
  • toksiinit
  • maksamyrkyt
  • DNA-sirut
  • evoluutio

Siteeraa tätä

Rantala, A. (2007). Evolution and detection of cyanobacterial hepatotoxin synthetase genes. Helsinki: University of Helsinki, Department of Applied Chemistry and Microbiology.