Advances in Chemical PhysicsAdvances in Chemical PhysicsФизиология растений0015-33033034-6126The Russian Academy of Sciences64821310.31857/S0015330324040046MOANOIЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleМорфологические и физиолого-биохимические свойства меланизированного таллома лишайника Сetraria islandicaМорфологические и физиолого-биохимические свойства меланизированного таллома лишайника Сetraria islandicaДаминоваА. Г.
Russian Federation
daminova.ag@gmail.comГалееваE. И.ГалееваЕ. И.
Russian Federation
daminova.ag@gmail.comРахматуллинаД. Ф.
Russian Federation
daminova.ag@gmail.comВиктороваЛ. В.
Russian Federation
daminova.ag@gmail.comМинибаеваФ. В.
Russian Federation
daminova.ag@gmail.comКазанский институт биохимии и биофизики – обособленное структурное подразделение Федерального исследовательского центра “Казанский научный центр Российской академии наук”Казанский (Приволжский) федеральный университет0211202471441842528012025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0015-3303/article/view/648213

Лишайники представляют собой экстремофильные симбиотические ассоциации, обладающие феноменальной устойчивостью к действию абиотических стрессовых факторов. Меланизация талломов является одним из защитных механизмов лишайников в ответ на УФ-воздействие в условиях избыточной инсоляции. Микроструктура и биохимические особенности меланизированных талломов лишайников, однако, остаются малоизученными. В настоящей работе мы проанализировали морфологию, наномеханические и физиолого-биохимические свойства естественно-меланизированных талломов лишайника Cetraria islandica. Меланиновая природа пигментированного слоя верхнего кортекса таллома C. islandica подтверждена окрашиванием в результате качественных реакций, характерных для меланинов. Установлено, что меланизация приводит к изменениям микроструктуры верхнего кортекса микобионта, в частности утолщению клеточных стенок и увеличению межгифового пространства. Наномеханические свойства, в том числе параметры адгезии и жесткости, отличались у меланизированных и бледных (немеланизированных) талломов, что свидетельствует о возможном образовании сложных ассоциатов меланина с компонентами клеточных стенок микобионта при меланизации. Кроме того, обнаружено, что меланизированные талломы C. islandica характеризуются высокой антиоксидантной активностью и пониженной дыхательной активностью, по сравнению с таковыми у бледных талломов. Можно полагать, что изменения в микроструктуре, наномеханических и физиолого-биохимических свойствах талломов, происходящие в ходе меланизации, способствуют формированию устойчивости лишайников к воздействию интенсивной инсоляции.

Лишайники представляют собой экстремофильные симбиотические ассоциации, обладающие феноменальной устойчивостью к действию абиотических стрессовых факторов. Меланизация талломов является одним из защитных механизмов лишайников в ответ на УФ-воздействие в условиях избыточной инсоляции. Микроструктура и биохимические особенности меланизированных талломов лишайников, однако, остаются малоизученными. В настоящей работе мы проанализировали морфологию, наномеханические и физиолого-биохимические свойства естественно-меланизированных талломов лишайника Cetraria islandica. Меланиновая природа пигментированного слоя верхнего кортекса таллома C. islandica подтверждена окрашиванием в результате качественных реакций, характерных для меланинов. Установлено, что меланизация приводит к изменениям микроструктуры верхнего кортекса микобионта, в частности утолщению клеточных стенок и увеличению межгифового пространства. Наномеханические свойства, в том числе параметры адгезии и жесткости, отличались у меланизированных и бледных (немеланизированных) талломов, что свидетельствует о возможном образовании сложных ассоциатов меланина с компонентами клеточных стенок микобионта при меланизации. Кроме того, обнаружено, что меланизированные талломы C. islandica характеризуются высокой антиоксидантной активностью и пониженной дыхательной активностью, по сравнению с таковыми у бледных талломов. Можно полагать, что изменения в микроструктуре, наномеханических и физиолого-биохимических свойствах талломов, происходящие в ходе меланизации, способствуют формированию устойчивости лишайников к воздействию интенсивной инсоляции.

Cetraria islandicaантиоксидантная активностьдыханиелишайникимеланизацияморфология талломатопографияПравительство РФGovernment of the Russian FederationРоссийский научный фондRussian Science Foundation23-14-00327Eisenreich W., Knispel N., Beck A. Advanced methods for the study of the chemistry and the metabolism of lichens // Phytochem. Rev. 2011. V. 10. P. 445. https://doi.org/10.1007/s11101-011-9215-3Armstrong R.A. Adaptation of lichens to extreme conditions. In: eds. Shukla V., Kumar S., Kumar N. Plant adaptation strategies in changing environment. Singapore: Springer. 2017. P. 27. https://doi.org/10.1007/978-981-10-6744-0_1Dadachova E., Bryan R.A., Howell R.C., Schweitzer A.D., Aisen P., Nosanchuk J.D., Casadevall A. The radioprotective properties of fungal melanin are a function of its chemical composition, stable radical presence and spatial arrangement // Pigm. Cell Melanoma Res. 2008. V. 21. P. 192. https://doi.org/10.1111/j.1755-148X.2007.00430.xHuijser A., Pezzella A., Sundström V. Functionality of epidermal melanin pigments: current knowledge on UV-dissipative mechanisms and research perspectives // Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. V. 13. P. 9119. https://doi.org/10.1039/C1CP20131JSchweitzer A.D., Revskaya E., Chu P., Pazo V., Friedman M., Nosanchuk J.D., Cahill S., Frases S., Casadevall A., Dadachova E. Melanin-covered nanoparticles for protection of bone marrow during radiation therapy of cancer // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 2010. V. 78. P. 1494. https://doi.org/10.1016/j.ijrobp.2010.02.020Solhaug K.A., Gauslaa Y., Nybakken L., Bilger W. UV-induction of sun-screening pigments in lichens // New Phytol. 2003. V. 158. P. 91. https://doi.org/10.1046/j.1469-8137.2003.00708.xDaminova A.G., Rogov A.M., Rassabina A.E., Beckett R.P., Minibayeva F.V. Effect of melanization on thallus microstructure in the lichen Lobaria pulmonaria // J. Fungi. 2022. V. 8. P. 791. https://doi.org/10.3390/jof8080791Daminova A.G., Rassabina A.E., Khabibrakhmanova V.R., Beckett R.P., Minibayeva F.V. Topography of UV-melanized thalli of Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. // Plants. 2023. V. 12. P. 2627. https://doi.org/10.3390/plants12142627Honegger R., Haisch A. Immunocytochemical location of the (1→3) (1→4)-β-glucan lichenin in the lichen-forming ascomycete Cetraria islandica (Icelandic moss) // New Phytol. 2001. V. 150. P. 739. https://doi.org/10.1046/j.1469-8137.2001.00122.xNybakken L., Solhaug K.A., Bilger W., Gauslaa Y. The lichens Xanthoria elegans and Cetraria islandica maintain a high protection against UV-B radiation in Arctic habitats // Oecologia. 2004. V. 140. P. 211. https://doi.org/10.1007/s00442-004-1583-6Solhaug K.A., Eiterjord G., Løken M.H., Gauslaa Y. Non-photochemical quenching may contribute to the dominance of the pale mat-forming lichen Cladonia stellaris over the sympatric melanic Cetraria islandica // Oecologia. 2024. V. 204. P. 187.Youngchim S., Nosanchuk J.D., Pornsuwan S., Kajiwara S., Vanittanakom N. The role of L-DOPA on melanization and mycelial production in Malassezia furfur // PLoS One. 2013. V. 8. P. 1. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0063764Rejniak J. New method of melanin staining in histological preparations // Pathol. Pol. 1956. V. 7. P. 101.Lillie R.D. A Nile blue staining technic for the differentiation of melanin and lipofuscins // Stain Technol. 1956. V. 31. P. 151.Викторова Л.В., Галеева Е.И., Минибаева Ф.В. Лакказы и тирозиназы в талломах лишайника Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. // Экобиотех. 2020. Т. 3. С. 220. https://doi:10.31163/2618-964X-2020-3-2-220-228Bellincampi D., Dipperro N., Salvi G., Gervcone F., De Lorenzo G. Extracellular H2O2 induced by oligogalacturonides is not involved in the inhibition of the auxin-regulated rolB gene expression in tobacco leaf explants // Plant Physiol. 2000. V. 122. P. 1379. https://doi.org/10.1104/pp.122.4.1379Валитова Ю.Н., Хабибрахманова В.Р., Гурьянов О.П., Уваева В.Л., Хайруллина А.Ф., Рахматуллина Д.Ф., Галеева Е.И., Трифонова Т.В., Викторова Л.В., Минибаева Ф.В. Изменение липидного состава лишайника Peltigera canina при действии повышенной температуры // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2023. Т. 3. С. 532. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2023-13-4-532-544Słominski A., Moellmann G., Kuklinska E., Bomirski A., Pawelek J. Positive regulation of melanin pigmentation by two key substrates of the melanogenic pathway, L-tyrosine and L-dopa // J. Cell Sci. 1988. V. 89. P. 287. https://doi.org/10.1242/jcs.89.3.287Nash T.H. Lichen Biology. 2nd Edition, Cambridge: Cambridge University Press. 2008. 502 p. http://dx.doi.org/10.1017/CBO9780511790478Butler M.J., Day A.W. Fungal melanins: A review // Can. J. Microbiol. 1998. V. 44. P. 1115. https://doi.org/10.1139/w98-119Jacobson E.S. Pathogenic roles for fungal melanins // Clin. Microbiol. Rev. 2000. V. 13. P. 708. https://doi.org/10.1128/cmr.13.4.708Pacelli C., Bryan R.A., Onofri S., Selbmann L., Zucconi L., Shuryak I., Dadachova E. The effect of protracted X-ray exposure on cell survival and metabolic activity of fast and slow growing fungi capable of melanogenesis // Environ. Microbiol. Rep. 2018. V. 10. P. 255. https://doi.org/10.1111/1758-2229.12632Pavan M.E., López N.I., Pettinari M.J. Melanin biosynthesis in bacteria, regulation and production perspectives // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2020. V. 104. P. 1357. https://doi.org/10.1007/s00253-019-10245-yChoi K.-Y. Bioprocess of microbial melanin production and isolation // Front. Bioeng. Biotechnol. 2021. V. 9. P. 1. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.765110Raposo G., Marks M.S. Melanosomes – dark organelles enlighten endosomal membrane transport // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2007. V. 8. P. 786. https://doi.org/10.1038/nrm2258Yoshikawa-Murakami C., Mizutani Y., Ryu A., Naru E., Teramura T., Homma Y., Fukuda M. A novel method for visualizing melanosome and melanin distribution in human skin tissues // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. P. 8514. https://doi.org/10.3390/ijms21228514Рассабина А.Е., Гурьянов О.П., Бекетт Р.П., Минибаева Ф.В. Меланин лишайников Cetraria islandica и Pseudevernia furfuracea: особенности строения и физико-химические свойства // Биохимия. 2020. Т. 85. С. 729.Rassabina A.E., Khabibrakhmanova V.R., Babaev V.M., Daminova A.G., Minibayeva F.V. Melanins from the lichens Lobaria pulmonaria and Lobaria retigera as ecofriendly adsorbents of synthetic dyes // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. P. 15605. https://doi.org/10.3390/ijms232415605Хабибрахманова В.Р., Рассабина А.Е., Хайруллина А.Ф., Минибаева Ф.В. Физико-химические характеристики и антиоксидантные свойства меланинов, выделенных из лишайника Leptogium furfuraceum (Harm.) // Химия растительного сырья. 2022. Т. 4. С. 115.Gauslaa Y., Alam M.A., Lucas P.L., Chowdhury D.P., Solhaug K.A. Fungal tissue per se is stronger as a UV-B screen than secondary fungal extrolites in Lobaria pulmonaria // Fungal Ecol. 2017. V. 26. P. 109. https://doi.org/10.1016/j.funeco.2017.01.005Mafole T.C., Solhaug K.A., Minibayeva F.V., Beckett R.P. Occurrence and possible roles of melanic pigments in lichenized ascomycetes // Fungal Biol. Rev. 2019. V. 33. P. 159. https://doi.org/10.1016/j.fbr.2018.10.002Mostert A.B., Powell B.J., Pratt F.L., Hanson G.R., Sarna T., Gentle I.R., Meredith P. Role of semiconductivity and ion transport in the electrical conduction of melanin // PNAS. 2012. V. 109. P. 8943. https://doi.org/10.1073/pnas.1119948109Siletti C.E., Zeiner C.A., Bhatnagar J.M. Distributions of fungal melanin across species and soils // Soil Biol. Biochem. 2017. V. 113. P. 285. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.05.030