XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Дафнии – род планктонных ракообразных, длина тела от 0.2 до 6 мм. Широко используется в биологии как модельный объект для изучения состояния окружающей среды. Обладая достаточно простым уходом и содержанием, но высокой чувствительностью к различным токсинам и химикатам.

Дафнии относятся к классу ракообразных, поэтому их тело имеет типичную для этих животных морфологию. Тело дафний состоит из двух отделов: головы (протоцефалон) и туловища (туловищно-грудной отдел). Протоцефалон включает в себя акрон (первую пару антенн), который у дафний слабо развит, и четыре сегмента, включая три сегмента головы и один сегмент груди. Туловищно-грудной отдел состоит из семи сегментов, каждый из которых несет по паре плавательных ножек (плеопод). Последний сегмент туловища несет уросому с анальным отверстием. Таким образом, всего у дафний имеется 14 пар конечностей: 3 пары антенн и 11 пар плавательных ног. Всего в течение жизни Дафния (Daphnia) может линять до 24 раз. Размеры Дафний (Daphnia) составляют минимум 0,5 мм (выметанная молодь), максимальные размеры самок - 6,0 мм. Самцы отличаются от самок меньшими размерами (2 - 2,5 мм), видоизмененной формой тела, постабдомена и антеннулы [5].

Развитие. Жизненный цикл начинается, когда самка производит кладку яиц (обычно 6-10), которые выпускаются в ее расплодную камеру, расположенную под ее панцирем. Яйца вылупляются в молодых особей в этой расплодной камере и высвобождаются, когда их мать линяет, как правило, в течение 2-3 дней. Молодые особи, которые уже напоминают взрослых особей, проходят через ряд линьок и звездочек. Самки считаются половозрелыми после развития расплодных мешочков, обычно через 4-6 звездочек, обычно через 6-10 дней. Если условия неблагоприятны или если они были произведены половым путем, яйца будут выпущены в эфиппиум, твердую защитную оболочку, где яйца входят в диапаузу перед вылуплением, когда условия более благоприятны [5].

Репродукция. Род Дафнии (Daphnia) размножаются как бесполым, так и половым путем и имеют циклический партеногенетический жизненный цикл, демонстрируя гетерогонное размножение. При бесполом размножении самки производят диплоидные яйца, которые развиваются в точные клоны; только самки производятся во время циклов бесполого размножения. Однако в неблагоприятных условиях (низкая доступность пищи, перепады температур, высокая плотность популяции) этот вид эми размножается половым путем. Во время полового размножения самцы хватаются за самок, используя свои специализированные вторые усики. Самки производят гаплоидные яйца, которые оплодотворяются самцами и заключены в эфиппию. Эти случаи переносятся на спину самки и отпадают во время ее следующей линьки. Яйца входят в диапаузу и остаются в эфиппии до тех пор, пока условия не станут благоприятными. Половое размножение, как правило, происходит в конце осенних месяцев, а яйца, защищенные эфиппией, обеспечивают всплеск популяции с приходом весны [5].

Пик яйценоскости приходится на весенние месяцы (апрель и май), но яйца могут быть произведены летом и осенью. В весенние месяцы самка может производить яйца каждые четыре дня; яйца/молодь остаются в выводковых мешочках в течение 2-3 дней. Количество яиц, произведенных за один раз, может составлять от 1 до 100, в среднем 6-10 яиц на расплод. Самка может размножаться до 25 раз на протяжении всей своей жизни, хотя в среднем всего 6 раз [5].

Самки держат свои яйца и недавно вылупившиеся молодые в своих расплодных камерах в течение нескольких дней, обеспечивая питательные вещества во время развития. После освобождения несовершеннолетних дополнительная родительская опека не осуществляется [6].

Продолжительность жизни дафний зависит от условий окружающей среды и может варьироваться от нескольких недель до нескольких месяцев. В оптимальных условиях дафнии могут жить до 3-4 месяцев.

Питание. Дафнии являются фильтраторами и питаются микроскопическими водорослями и бактериями, которые они отфильтровывают из воды с помощью своих антенн. Спереди ротовое отверстие Дафниий (Daphnia) прикрыто крупной верхней губой, внутри которой расположены слюнные железы из гигантских полиплоидных клеток. Их секрет склеивает частицы пищи в пищевой комок [5].

Род Дафнии впервые были описаны в 1785 году О.Ф. Мюллером.

В 1932 г. Э. Науманн предложил использование в качестве тест-объекта дафний.

В 1984 г. в США Д. Маунтом и Т. Норбергом разработан 7и суточный тест на Дафниях. Для использования в СССР тест был адаптирован в лаборатории физиологии и токсикологии водных животных ИБВН РАН под руководством проф. Б.А.Флерова.

За последние годы осуществлена частичная расшифровка генома Дафнии, который состоит из 200 миллионов нуклеотидов, но при этом содержит минимум 30,9 тысяч генов это еще больше укрепило их полезность для тестирования на экотоксичность, включая демонстрацию чувствительности генома Дафнии к стрессовым факторам окружающей среды. 

Такие свойства делают дафнию перспективным модельным организмом в новой области – геномике среды (Environmental Genomics), считают ученые. На ней можно будет изучать, как гены взаимодействуют со средой. Она может стать не просто индикатором, но генным индикатором на загрязнения. Дафния – хороший сенсор, так как экспрессия многих ее генов изменяется в зависимости от состава окружающей среды. Поскольку женские особи, размножающиеся клонированием, содержат один и то же набор генов, помещая какие-то из них в воду с загрязнителем, а другие в чистую воду, можно получить генный ответ на этот загрязнитель.

Преимущества дафнии как объекта биологического исследования:

1. Прозрачность тела дафний позволяет наблюдать изменение физиологических параметров объекта во время эксперимента, таких как рост, размножение, частота сердечных сокращений и пр.

2. Короткий жизненный цикл дает возможность применения дафний в тестах на плодовитость, а также быстрый рост и размножение дают возможность быстро проводить эксперименты.

3. Дафнии очень чувствительны к изменениям в окружающей среде, поэтому их часто используют в качестве индикаторов загрязнителей в водной среде. Также в ответ на действие различных факторов среды они меняют форму и цвет, отращивают усы, шипы и пр.

4. При хороших условиях дафнии размножаются партеногенезом. При таком типе размножения потомство является клоном родителя, что является необходимым условием для проведения экспериментов в основе которых лежит сравнение реакции генетически идентичных животных на воздействие различных факторов. При неблагоприятных условиях нарождаются только самцы, обычно этот показатель используют чтобы выяснить выживаемость и благополучие вида в данных условиях.

5. Плодовитость дафний является чувствительным критерием для исследований радиационного излучения.

6. Дафния доступный тест-объект, что немаловажно при проведении многих тестов.

В каких исследованиях можно применить:

1. Биотестирование установления токсичности различных водоемов, оценка качества питьевой воды. Выявление пороговых концентраций токсичности многих веществ(соли тяжелых металлов, фосфорорганических пестицидов и пр.).

2. Биоиндикация антропогенной нагрузки в среде обитания тестируемых организмов

3. Исследования влияния радиационных излучений на живой организм

Ответные реакции модельных тест-объектов на нефтяное загрязнение среды

В экспериментах использовали невысокие концентрации сырой нефти (1% и 3%) и водорастворимой фракции нефти, которые добавляли непосредственно в среду обитания.

Анализ выживаемости рачков в течение 7 дней показал, что дафнии снижали свою жизнеспособность при действии водорастворимой фракции нефти в концентрации 1,1% и 0,5%. Поведенческие реакции рачков, регистрируемые по двигательной активности, снижались в большем диапазоне концентраций — от 1,1% до 0,2%. Это свидетельствует о том, что поведение у животных более чуткий биоиндикационный показатель по сравнению с выживаемостью.

Полученные результаты свидетельствуют об опасности нефтяного загрязнения среды даже в невысоких концентрациях для растительных и животных организмов [1].

Влияние различных концентраций взвешенных веществ на выживаемость дафний.

Приводятся результаты лабораторных исследований влияния различных концентраций взвешенных веществ на выживаемость рачков Daphnia magna. Изучались концентрации 10, 100, 200, 300, 1000, 3000, 9000 мг/л. Опыты проводили на взрослых рачках и на молоди. Летальный токсический эффект (100 % гибель) в обоих вариантах установлен для растворов с концентрациями, превышающими 1000 мг/л. Период негативного воздействия, за который наблюдается 100 % гибель, 10 суток. [4].

Оценка качества водоемов по биологическим и токсикологическим показателям

Пробы воды отобрали с поверхностного горизонта на р. Волга, водотоке Кутум и «Лебедином озере» - искусственный водоем в районе г. Астрахань. В день отбора проб проводили биотестирование (тест-объект Daphnia magna Straus). Критерием острой токсичности считается гибель рачков дафнии 50 и более процентов за период времени (96 час.) в тестируемой воде по сравнению с контролем. Контролем служила отстоянная водопроводная вода. После 96 часовой экспозиции отмечена гибель рачков р. Волга - 5% в исследуемых образцах водотока Кутум и «Лебедином озере» - 15%. Результаты биотес- тирования р. Волга находилась в безвредном интервале (гибель дафний до 10 %), водото- ка Кутум и «Лебединого озера» - отсутствия острой токсичности у гидробионтов (гибель рачков до 50 %) [2].

Вирусный трансгенез культур эмбриональных клеток пресноводных микроракообразных дафний.

Целью исследования было определить, можно ли использовать рекомбинантный вектор вируса везикулярного стоматита (VSV), кодирующий трансген, для заражения и экспрессии чужеродного гена в эмбриональных первичных клеточных культурах, полученных из пресноводных ракообразных Дафний. Для облегчения оценки переноса генов был разработан воспроизводимый метод получения первичных культур из эмбриональных тканей дафний. В течение 24 часов после заражения в культуре клеток можно было обнаружить экспрессию трансгена. Было обнаружено, что VSV реплицируется в клетках без видимого цитопатического эффекта [3].

Род Дафнии (Daphnia) имеет потенциал быть бесценными животными для различных областей исследований. Они уже хорошо изучены в контексте экологической и эволюционной роли.

Короткий жизненный цикл дает возможность применения Дафний в тестах на плодовитость, а также быстрый рост и размножение дают возможность быстро проводить эксперименты. Дафнии очень чувствительны к изменениям в окружающей среде, поэтому их часто используют в качестве индикаторов загрязнителей в водной среде.

Список литературы:

1. Петухова Г. А. Ответные реакции модельных тест-объектов на нефтяное загрязнение среды / Г. А. Петухова, В. В. Дмитриева, В. В. Забродина, Е. И. Стрючкова, О. А. Ефрюгина // Вестник Тюменского государственного университета. Экология и природопользование. 2017. Том 3. № 1. С. 98-107. DOI: 10.21684/2411-7927-2017-3-1-98-107

2. Королевская В.М., Баширова М.Н., Епифанова А.А., Березовская А.С., Гречухина В.А., Коломин Н.А. Астраханский государственный технический университет / Королевская В.М. // Статья в журнале - научная статья. - 2016. - С. 53-57.

3. Viral transgenesis of embryonic cell cultures from the freshwater microcrustacean Daphnia/ J Exp Zool A Comp Exp Biol. 2006 Jan 1;305(1):62-7. doi: 10.1002/jez.a.250.

4. Макаренкова И.Ю. ФГБНУ "Государственный научно- производительный центр рыбного хозяйства" / Макаренко И.Ю. // Статья в журнале "ВЕСТНИК РЫБОХОЗЯЙСТВЕННОЙ НАУКИ" - научная статья. -2016. - С. 91-93.

5. Петрова М.И., Шукшанцева Т.С., Рябоштан П.Ф., Бузулуцкая Е.И. Род Дафнии (Daphnia), как модельный объект в эпигенетике // Материалы XV Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» (дата обращения: 19.03.2024 ).

6. О. Т. Клейвен,. Ларссон и А. Хобаек, «Половое размножение в Daphnia magna требует трех   стимулов», Oikos , vol. 65, no. 2, pp. 197–206, 1992.