Preservation of fresh algae plays an important role in algae seed subculture and aquaculture. The determination and examination of the changes of cell viability, composition, and bacterial species during storage would help to take suitable preservation methods to prolong the preservation time of fresh algae. Nostoc flagelliforme is a kind of edible cyanobacterium with important herbal and dietary values. This article investigated the changes of bacterial species and biochemical characteristics of fresh N. flagelliforme concentrate during natural storage. It was found that the viability of cells decreased along with the storage time. Fourteen bacteria strains in the algae concentrate were identified by PCR-DGGE and were grouped into four phyla, including Cyanobacteria, Firmicutes, Proteobacteria, and Bacteroidetes. Among them, Enterococcus viikkiensis may be a concern in the preservation. Eleven volatile organic compounds were identified from N. flagelliforme cells, in which geosmin could be treated as an indicator of the freshness of N. flagelliforme. The occurrence of indole compound may be an indicator of the degradation of cells.
A genomic DNA fragment encoding a putative maltooligosyltrehalose trehalohydrolase (NfMTH) for trehalose biosynthesis was cloned by the degenerate primer- PCR from cyanobacterium Nostoc flagelliforme. The ORF of NfMTH is 1,848 bp in length and encodes 615 amino acid residues, constituting a 70 kDa protein. The deduced amino acid sequence of NfMTH contains 4 regions highly conserved for MTHs. By expression of NfMTH in E. coli, the function of this protein was demonstrated, where the recombinant protein catalyzed the hydrolysis of maltooligosyl trehalose to trehalose. The expressions of MTH and maltooligosyltrehalose synthase in the filaments of N. flagelliforme were upregulated significantly under dehydration stress, NaCl stress, and high temperature-drought stress. The accumulations of both trehalose and sucrose in the filaments of N. flagelliforme were also improved significantly under the above stresses. Furthermore, trehalose accumulated in smaller quantities than sucrose did when under NaCl stress, but accumulated in higher quantities than sucrose did when under temperature-drought stress, indicating that both trehalose and sucrose were involved in N. flagelliforme adapted to stresses and different strategies conducted in response to various stress conditions.
The debranching enzyme of Nostoc punctiforme (NPDE) is a novel enzyme that catalyzes the hydrolysis of $\alpha$-1,6-glycosidic linkages in starch, followed by the sequential hydrolysis of $\alpha$-1,4-glycosidic linkages. The debranching activity of NPDE is highly specific for branched chains with a degree of polymerization (DP)>8. Moreover, the rate of hydrolysis of $\alpha$-1,4-linkages by NPDE is greatly enhanced for maltooligosaccharides (MOs) with a DP>8. An analysis of reaction mixtures containing various starches revealed the accumulation of maltooctaose (G8) with glucose and maltose. Based on the novel enzymatic properties of NPDE, an MO mixture containing more than 60% G8 with yield of 18 g G8 for 100 g starch was prepared by the reaction of NPDE with soluble starch, followed by ethanol precipitation and gel permeation chromatography (GPC). The yield of the G8-rich mixture was significantly improved by the addition of isoamylase. In summary, a 4-step process for the production of a G8-rich mixture was developed involving the enzymatic hydrolysis of starch by NPDE.
Cyanobacteria are distributed worldwide, and many new cyanobacterial species are discovered in tropical region. The Nostoc-like genus Amazonocrinis has been separated from the genus Nostoc based on polyphasic methods. However, species diversity within this genus remains poorly understood systematically because only one species (Amazonocrinis nigriterrae) has been described. In this study, two novel strains (NUACC02 and NUACC03) were isolated from moist rice field soil in Thailand. These two strains were characterized using a polyphasic approach, based on morphology, 16S rRNA phylogenetic analysis, internal transcribed spacer secondary structure and ecology. Phylogenetic analyses based on 16S rRNA gene sequences confirmed that the two novel strains formed a monophyletic clade related to the genus Amazonocrinis and were distant from the type species A. nigriterrae. The 16S rRNA gene sequence similarity (<98.1%) between novel strains and all other closely related taxa including the Amazonocrinis members exceeded the cutoff for species delimitation in bacteriology, reinforcing the presence of a new Amazonocrinis species. Furthermore, the novel strains possessed unique phenotypic characteristics such as the presence of the sheath, necridia-like cells, larger cell dimension and akinete cell arrangement in long-chains and the singularity of D1-D1', Box-B, V2, and V3 secondary structures that distinguished them from other Amazonocrinis members. Considering all the results, we described our two strains as Amazonocrinis thailandica sp. nov. in accordance with the International Code of Nomenclature for Algae, Fungi and Plants.
Park, Jae-Eun;Lee, Jun-Young;Lee, Min-Woo;Jang, Eun-Jin;Hong, Chang-Oh;Kim, Keun Ki
Journal of Life Science
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v.28
no.11
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pp.1321-1331
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2018
The aim of this study was to separate the photosensitizer that induces apoptosis of U937 and SK-HEP-1 cells from Nostoc commune. Dried N. commune was extracted with $CH_2Cl_2/MeOH$ (1:1) to separate the photosensitizer using various chromatographic techniques. The isolated compound was identified as pheophytin a ($C_{55}H_{74}N_4O_5$) with a molecular weight of 870. Its photodynamic activities were assessed under different irradiation conditions (light and non-light) at the same concentration range of $1.15-23.0{\mu}M$. The apoptosis inducing activity in U937 or SK-HEP-1 cells appeared only in the light. The mechanisms underlying the pheophytin a-mediated photodynamic inhibition of cancer cells were further investigated by examining cell morphology changes, cytotoxicity, caspase-3/7 activity, fluorescence staining, flow cytometry analysis, and DNA fragmentation in these two cell lines. The positive control and the light irradiation group showed typical apoptotic responses, including morphological changes, cytotoxicity, caspase activity, nucleus shrinkage owing to chromatin condensation, DNA laddering, and the presence of apoptotic bodies. Cytotoxicity markedly increased in a dose-dependent manner after a 12 hr exposure. Caspase-3/7 activity was higher in U937 cells than in SK-HEP-1 cells. Apoptosis induction therefore appeared to be both concentration- and light-dependent. In conclusion, pheophytin a, isolated from the blue green alga N. commune, had a photodynamic apoptosis-inducing effect on U937 and SK-HEP-1 cells. The findings reported here can be used as basic data for the development of next-generation photosensitizers from N. commune.
The use of 16S rDNA is commonplace in the determination of prokaryotic species. However, it has limitations, and there are few studies at the genus level. We investigated conserved genes and metabolic pathways at the genus level in 28 strains of 13 genera of prokaryotes using the COG database (conserved genes) and MetaCyc database (metabolic pathways). Conserved genes compared to total genes (core genome) at the genus level ranged from 27.62%(Nostoc genus) to 71.76%(Spiribacter genus), with an average of 46.72%. The lower ratio of core genome meant the higher ratio of peculiar genes of a prokaryote, namely specific biological activities or the habitat may be varied. The ratio of common metabolic pathways at the genus level was higher than the ratio of core genomes, from 58.79% (Clostridium genus) to 96.31%(Mycoplasma genus), with an average of 75.86%. When compared among other genera, members of the same genus were positioned in the closest nodes to each other. Interestingly, Bacillus and Clostridium genera were positioned in closer nodes than those of the other genera. Archaebacterial genera were grouped together in the ortholog and metabolic pathway nodes in a phylogenetic tree. The genera Granulicella, Nostoc, and Bradyrhizobium of the Acidobacteria, Cyanobacteria, and Proteobacteria phyla, respectively, were grouped in an ortholog content tree. The results of this study can be used for (i) the identification of common genes and metabolic pathways at each phylogenetic level and (ii) the improvement of strains through horizontal gene transfer or site-directed mutagenesis.
The effect of bensulfuron-methyl on the nontargeted cyanobacteria was greater on A. variabillis than N. commune. Both A. variabillis and N. commune were initially able to utilize low concentrations of the herbicide, bensulfuron-methyl, whereas higher concentrations of bensulfuron-methyl or the hydrolyzed products of the herbicide were found to be toxic. Growth and photosynthesis inhibitions of over $50\%$ were observed, when 8 to 10 ppm of the herbicide was applied. Nitrogenase activities of the cyanobacteria were decreased by $94-98\%$ in A. variabillis and by $85-86\%$ in N. commune after 24 h of incubation with 10 ppm and 20 ppm of bensulfuron-methyl. Nitrogenase activities were also inhibited by the addition of ammonium salts as low as 0.05 mM. Furthermore, the toxic effect of the herbicide was the highest at pH 4-6, showing approximately $42-60\%$ toxicity, whereas much lower toxicity $(9-28\%)$ was observed at higher pH of 7-10, due to base-catalyzed hydrolysis of bensulfuron-methyl.
Three kinds of organic matter such as glucose, oxalic acid, and ethanol were added to the media(N-free or NO$\_$3/-riched) and their effects on the nitrogen fixation of Nostoc pruniforme were measured by manometric technique through the experiments in vivo. 1) The organic matters used in this experiments showed effective results as a role of substrate for the fixation of atmospheric nitrogen. 2) In the nitrogen-free medium treated with the both of flucose nad ethanol, the highest nitrogen uptakes were detected in the treated of low concentrations (glucose ; 0.1%, 0.5%, ethanol : 0.1%, 0.5%). On the contrary, the highest nitrogen uptakes in NO$\_$3/-riched medium were measured at the treated of high concentrations (glucose ; 2%, 1%, ethanol ; 1.5%, 1.0%). 3) The highest nitrogen uptakes in N-free medium treated with oxalic acid were measured at the concentration of 2% and 1%, respectively. In the medium of NO$\_$3/-riched, the nitrogen uptakes were in the opposite directions.
Cyanobacteria are the dominant micro flora in rice-fields, contributing significantly to fertility as a natural biofertilizer. Recent studies show a continuous depletion of the stratospheric ozone layer, and the consequent increase in solar UV-B (280-315 nm) radiation reaching the Earth's surface. UV-B radiation causes reduction in growth, survival, protein content, heterocyst frequency and fixation of carbon and nitrogen in many cyanobacteria. UV -B induced bleaching of pigments, disassembly of phycobilisomal complexes, thymine dimer formation and alterations in membrane permeability have also been encounterd in a number of cyanobacteria. However, certain cyanobacteria produce photoprotective compounds such as water soluble colorless mycosporine-like amino acids (MAAs) and the lipid soluble yellow-brown colored sheath pigment, scytonemin, to counteract the damaging effects of UV-B. Cyanobacteria, such as Anabaena sp., Nostoc commune, Scytonema sp. and Lyngbya sp. were isolated from rice fields and other habitats in India and screened for the presence of photoprotective compounds. A circadian induction of the synthesis of MAAs by UV -B was noted in a number of cyanobacteria. Polychromatic action spectra for the induction of MAAs in Anabaena sp. and Nostoc commune also show the induction to be UV-B dependent peaking at 290 nm. Another photoprotective compound, scytonemin, with an absorption maximum at 386 nm (also absorbs at 300, 278, 252 and 212 nm), was detected in many cyanobacteria. In conclusion, a particular cyanobacterium having photoprotective compounds may be a potent candidate as biofertilizer for crop plants.
The effects of lights with different wavelengths on the growth and the yield of extracellular polysaccharides of Nostoc flagelliforme cells were investigated in a liquid cultivation. N. flagelliforme cells were cultured for 16 days in 500 ml conical flasks containing BG11 culture medium under $27{\mu}mol{\cdot}m^{-2}{\cdot}s^{-1}$ of light intensity and $25^{\circ}C$ on a rotary shaker (140 rpm). The chlorophyll a, phycocyanin, allophycocyanin, and phycoerythrin contents in N. flagelliforme cells under the lights of different wavelengths were also measured. It was found that the cell biomass and the yield of polysaccharide changed with different wavelengths of light. The biomass and the yield of extracellular polysaccharides under the red or violet light were higher than those under other light colors. Chlorophyll a, phycocyanin, and allophycocyanin are the main pigments in N. flagelliforme cells. The results showed that N. flagelliforme, like other cyanobacteria, has the ability of adjusting the contents and relative ratio of its pigments with the light quality. As a conclusion, N. flagelliforme cells favor red and violet lights and perform the complementary chromatic adaptation ability to acclimate to the changes of the light quality in the environment.
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