Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Physiological adaptations in two ecotypes of Fucus vesiculosus and in Fucus radicans with focus on salinity
Mid Sweden University, Faculty of Science, Technology and Media, Department of Natural Sciences, Engineering and Mathematics.
2011 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The in origin intertidal marine brown alga Fucus vesiculosus L. grow permanently sublittoral in the brackish Bothnian Sea, side by side with the recently discovered F. radicans L. Bergström et L. Kautsky. Environmental conditions like salinity, light and temperature are clearly different between F. vesiculosus growth sites in the Bothnian Sea (4-5 practical salinity units, psu; part of the Baltic Sea) and the tidal Norwegian Sea (34-35 psu; part of the Atlantic Ocean). The general aims of this thesis were to compare physiological aspects between the marine ecotype and the brackish ecotype of F. vesiculosus as well as between the two Bothnian Sea species F. vesiculosus and F. radicans.

The result in the study indicates a higher number of water soluble organic compounds in the marine ecotype of F. vesiculosus compared to the brackish ecotype. These compounds are suggested to be compatible solutes and be due to an intertidal and sublittoral adaptation, respectively; where the intertidal ecotype needs the compounds as a protection from oxygen radicals produced during high irradiation at low tide. The sublittoral ecotype might have lost the ability to synthesize these compound/compounds due to its habitat adaptation. The mannitol content is also higher in the marine ecotype compared to the brackish ecotype of F. vesiculosus and this is suggested to be due to both higher level of irradiance and higher salinity at the growth site.

77 K fluorescence emission spectra and immunoblotting of D1 and PsaA proteins indicate that both ecotypes of F. vesiculosus as well as F. radicans have an uneven ratio of photosystem II/photosystem I (PSII/PSI) with an overweight of PSI. The fluorescence emission spectrum of the Bothnian Sea ecotype of F. vesiculosus however, indicates a larger light-harvesting antenna of PSII compared to the marine ecotype of F. vesiculosus and F. radicans. Distinct differences in 77 K fluorescence emission spectra between the Bothnian Sea ecotype of F. vesiculosus and F. radicans confirm that this is a reliable method to use to separate these species.

The marine ecotype of F. vesiculosus has a higher photosynthetic maximum (Pmax) compared to the brackish ecotype of F. vesiculosus and F. radicans whereas both the brackish species have similar Pmax. A reason for higher Pmax in the marine ecotype of F. vesiculosus compared to F. radicans is the greater relative amount of ribulose-1.5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco). The reason for higher Pmax in marine ecotype of F. vesiculosus compare to the brackish ecotype however is not due to the relative amount of Rubisco and further studies of the rate of CO2 fixation by Rubisco is recommended. Treatments of the brackish ecotype of F. vesiculosus in higher salinity than the Bothnian Sea natural water indicate that the most favourable salinity for high Pmax is 10 psu, followed by 20 psu. One part of the explanation to a high Pmax in 10 psu is a greater relative amount of PsaA protein in algae treated in 10 psu. The reason for greater amount of PsaA might be that the algae need to produce more ATP, and are able to have a higher flow of cyclic electron transport around PSI to serve a higher rate of CO2 fixation by Rubisco. However, studies of the rate of CO2 fixation by Rubisco in algae treated in similar salinities as in present study are recommended to confirm this theory.

 

Abstract [sv]

Fucus vesiculosus L. (Blåstång) är en brunalg som i huvudsak växer i tidvattenzonen i marint vatten men arten klarar också att växa konstant under ytan i det bräckta Bottenhavet. Norska havet och den del av Bottenhavet, där algerna är insamlade i denna studie, har salthalterna 34-35 psu (praktisk salthaltsenhet) respektive 4-5 psu. F. radicans L. Bergström et L. Kautsky (Smaltång) är en nyligen upptäckt art (2005) som har utvecklats i Bottenhavet. F. radicans och Bottenhavets ekotyp av F. vesiculosus växer sida vid sida och har tidigare ansetts vara samma art. Sett till hela Östersjön, så ändras ytans salthalt från 25 till 1-2 psu mellan Östersjöns gräns mot Kattegatt och norra Bottenviken. Den låga salthalten i Östersjön beror på det höga flödet av sötvatten från älvarna och på ett litet inflödet av saltvatten i inloppet vid Kattegatt. Salthaltsgradienten är korrelerad med antalet arter som minskar med minskad salthalt. Östersjön är ett artfattigt hav och de arter som finns är till stor del en blandning av söt- och saltvattenarter. Det finns bara ett fåtal arter som är helt anpassade till bräckt vatten och F. radicans är en av dem. Exempel på miljöskillnader för F. vesiculosus i Norska havet och i Bottenhavet är salthalten, tidvattnet, ljuset och temperaturen. Tidvattnet i Norska havet gör att algerna växlar mellan att vara i vattnet och på land, vilket utsätter algerna för stora ljusskillnader, snabba och stora temperaturväxlingar samt även torka. De alger som växer i Bottenhavet har däremot en jämnare och lägre temperatur, istäcke på vintern och mindre tillgång på ljus eftersom de alltid lever under vattenytan. Skillnaderna i miljön mellan växtplatserna leder till skillnader i fysiologiska anpassningar. Anledningen till att F. vesiculosus och F. radicans valdes som studieobjekt i denna avhandling är att de är viktiga nyckelarter i Bottenhavet. F. vesiculosus och F. radicans är de enda större bältesbildande alger som finns i det artfattiga ekosystemet och de används därför flitigt som mat, gömställe, parningsplats och barnkammare för t.ex. fisk. Att de är nyckelarter gör det angeläget att försöka förstå hur algerna är anpassade och hur de reagerar på miljöförändringar för att få veta hur de kan skyddas och bevaras. F. radicans inkluderades även för att se hur en naturlig art i Bottenhavet är anpassad i jämförelse med den invandrade F. vesiculosus. Marin F. vesiculosus inkluderades för att vara en artreferens från artens naturliga växtplats.

Studien visar att det finns fler vattenlösliga organiska substanser (finns vissa organiska substanser som har en proteinskyddande funktion) i den marina ekotypen av of F. vesiculosus än i Bottenhavets ekotyp. Anledningen till detta föreslås vara en anpassning till att växa i tidvattenzonen. Vid lågvatten utsätts F. vesiculosus från Norska havet för starkt ljus, uttorkning, och snabba temperatur- växlingar vilket gör att den kan behöva dessa organiska substanser som skydd mot fria syreradikaler som bildas under lågvattenexponeringarna. F. vesiculosus från Bottenhavet har troligen mist förmågan att syntetisera dessa substanser på grund av anpassning till att hela tiden växa under ytan. Mängden mannitol (socker) är högre i den marina ekotypen av of F. vesiculosus än i Bottenhavets ekotyp. Detta föreslås bero på högre fotosyntetiskt maximum i F. vesiculosus från Norska havet jämfört med ekotypen från Bottenhavet. Skillnaden i fotssyntetiskt maximum är bland annat kopplat till ljus- och salthaltskillnaden på algernas växtplatser. Denna teori styrks av att både fotosyntesen och halten av mannitol ökar i Bottenhavets ekotyp när den behandlas i högre salthalt.

Studien visar även att båda ekotyperna av F. vesiculosus samt F. radicans har ett ojämnt förhållande mellan fotosystem II och I (PSII och PSI) med en dominans av PSI. Denna slutsats är baserad på fluorescens emissions mätningar vid 77 K (-196 °C) och mätning av den relativa mängden D1 protein (motsvarar PSII) och PsaA protein (motsvarar PSI). F. vesiculosus från Bottenhavet visar ett emission spektrum som pekar mot en jämnare fördelning av PSII och PSI jämfört med den marina ekotypen och F. radicans. Detta stämmer dock inte med förhållandet mellan D1/PsaA som indikerar att alla tre har mer PSI än PSII. Förklaringen till avvikelsen mellan metoderna antas vara att F. vesiculosus från Bottenhavet har större ljus-infångande antennpigment än marin F. vesiculosus och F. radicans. De tydliga skillnaderna i 77 K fluorescens emission spektra mellan Bottenhavets F. vesiculosus och F. radicans visar att denna metod kan användas som säker artidentifiering.

Den marina ekotypen av F. vesiculosus har högre fotosyntetiskt maximum än de båda arterna från Bottenhavet. Mätningar av den relativa mängden av enzymet Rubisco, viktigt för upptaget av koldioxid hos växter och alger, visar att mängden enzym är en sannolik förklaring till skillnaden i fotosyntetiskt maximum mellan den marina ekotypen av F. vesiculosus och F. radicans och detta är troligen en normal artskillnad. Mängden Rubisco kan dock inte förklara skillnaden i fotosyntetiskt maximum mellan de båda ekotyperna av F. vesiculosus. För att undersöka vad skillnaden mellan dessa två beror på så föreslås istället mätningar av Rubisco’s koldioxidfixeringshastighet.

Det är en ökning av fotosyntetiskt maximum i Bottenhavets ekotyp av F. vesiculosus när den behandlas i högre salthalt (10, 20 och 35 psu) och det högsta fotosyntetiska maximumet uppmättes i alger som behandlats i 10 psu. Denna ökning beror inte på ökning i den relativa mängden av Rubisco. Ökningen i fotosyntesen speglas dock av en ökning av den relativa mängden PsaA. Detta antas bero på att det behövs mer energi i form av ATP och att en ökning av detta kan ske på grund av att mer PsaA kan driva den cykliska elektrontransporten i fotosyntesreaktionen. Ökat behov av ATP antas bero på en ökning av Rubisco aktiviteten men mätning av aktiviteten krävs för att bekräfta detta.

 

Place, publisher, year, edition, pages
Sundsvall: Kopieringen Mid Sweden University , 2011. , 62 p.
Series
Mid Sweden University doctoral thesis, ISSN 1652-893X ; 102
Keyword [en]
Bothnian Sea, brackish, brown algae, D1, 77 K fluorescence emission, Fucus vesiculosus, Fucus radicans, light-harvest antenna, mannitol, marine, NMR, Norwegian Sea, quantum yield, photosynthetic maximum capacity (Pmax), photosystem, (PSI, PSII), PsaA, Rubisco, salinity.
National Category
Biological Sciences Botany
Identifiers
URN: urn:nbn:se:miun:diva-13308ISBN: 978-91-86694-25-8OAI: oai:DiVA.org:miun-13308DiVA: diva2:399957
Public defence
2011-03-25, Mittuniversitetet sal O102, Holmgatan 10, 851 70 Sundsvall, 10:15 (Swedish)
Opponent
Supervisors
Available from: 2011-02-25 Created: 2011-02-24 Last updated: 2013-01-30Bibliographically approved
List of papers
1. Desiccation and salinity effects on marine and brackhish Fucus vesiculosus L. (Phaeophyceae).
Open this publication in new window or tab >>Desiccation and salinity effects on marine and brackhish Fucus vesiculosus L. (Phaeophyceae).
2009 (English)In: Phycologia, ISSN 0031-8884, E-ISSN 2330-2968, Vol. 48, no 3, 156-164 p.Article in journal (Other academic) Published
Abstract [en]

Ecotypes of Fucus vesiculosus L. from the Norwegian Sea (34 psu, marine ecotype) and Bothnian Sea (5 psu, brackish ecotype) have been compared with respect to the ability to withstand desiccation at different temperatures (0, 10, and 20°C). The aim was also to investigate the importance of salinity and light for the availably energy reserves, osmotic adjustment, and pigment content. The maximum quantum yield of photosystem II photochemistry (Fv/Fm) values revealed that the marine ecotype was more able to resist desiccation. The brackish algae showed a decrease in Fv/Fm as a response to desiccation at all temperatures, but the decrease was most pronounced at 20°C. The brackish ecotype recovered from desiccation within 5 h only when treated at 0°C. When the two ecotypes were treated at different levels of salinity in darkness and light, the results suggested that both salinity and irradiance are main factors in the differences in mannitol content between the two ecotypes. Chlorophyll (Chl) measurements showed 25% higher Chl α and 60% higher Chl c in the brackish ecotype in comparison to the marine ecotype. Darkness had a more pronounced effect on the Chl content than the salinity and initiated an increase in the amount of Chl, especially Chl c in the brackish ecotype.

Keyword
Brackish, Chlorophyll, Emersion, Mannitol, Marine, Photosynthetic maximal quantum yield (Fv/Fm)
National Category
Ecology
Identifiers
urn:nbn:se:miun:diva-8845 (URN)10.2216/08-45.1 (DOI)000265871800002 ()2-s2.0-66149182906 (ScopusID)
Available from: 2009-05-06 Created: 2009-05-06 Last updated: 2016-09-26Bibliographically approved
2. Fluorescence emission spectra of marine and brackish-water ecotypes of Fucus vesiculosus and Fucus radicans (Phaeophyceae) reveal differences in light-harvesting apparatus: emission spectra in Fucus
Open this publication in new window or tab >>Fluorescence emission spectra of marine and brackish-water ecotypes of Fucus vesiculosus and Fucus radicans (Phaeophyceae) reveal differences in light-harvesting apparatus: emission spectra in Fucus
2011 (English)In: Journal of Phycology, ISSN 0022-3646, E-ISSN 1529-8817, Vol. 47, no 1, 98-105 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The Bothnian Sea in the northerly part of the Baltic Sea is a geologically recent brackish-water environment, and rapid speciation is occurring in the algal community of the Bothnian Sea. We measured low-temperature fluorescence emission spectra from the Bothnian Sea and the Norwegian Sea ecotypes of Fucus vesiculosus L., a marine macroalga widespread in the Bothnian Sea. Powdered, frozen thallus was used to obtain undistorted emission spectra. The spectra were compared with spectra measured from the newly identified species Fucus radicans L.Bergström et L. Kautsky, which is a close relative of F. vesiculosusand endemic to the Bothnian Sea. The spectrum of variable fluorescence was used to identify fluorescence peaks originating in PSI and PSII in this chl c–containing alga. The spectra revealed much higher PSII emission, compared to PSI emission, in the Bothnian Sea ecotype of F. vesiculosus than in F. radicans or in the Norwegian Sea ecotype of F. vesiculosus. The results suggest that more lightharvesting chl a ⁄ c proteins serve PSII in the Bothnian Sea ecotype of F. vesiculosusthan in the two other algal strains. Treatment of the Bothnian Sea ecotype of F. vesiculosusin high salinity (10, 20, and 35 practical salinity units) for 1 week did not lead to spectral changes, indicating that the measured features of the Bothnian Sea F. vesiculosus are stable and not simply a direct result of exposure to low salinity.

Keyword
Brown algae, chlorophyll a/c proteins, 77 K emission, fluorescence spectrum, Fucus vesiculosus, Fucus radicans, light-harvesting, photosystem
National Category
Biological Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:miun:diva-10667 (URN)10.1111/j.1529-8817.2010.00928.x (DOI)000287492700011 ()2-s2.0-79951764727 (ScopusID)
Available from: 2010-01-10 Created: 2009-12-14 Last updated: 2013-02-12Bibliographically approved
3. Photosynthesis and relative amounts of photosynthetic proteins (D1, PsaA and Rubisco) in marine and brackish water ecotypes of Fucus vesiculosus and Fucus radicans (Phaeophyceae):  Photosynthesis and proteins in Fucus
Open this publication in new window or tab >>Photosynthesis and relative amounts of photosynthetic proteins (D1, PsaA and Rubisco) in marine and brackish water ecotypes of Fucus vesiculosus and Fucus radicans (Phaeophyceae):  Photosynthesis and proteins in Fucus
Show others...
(English)Manuscript (preprint) (Other academic)
Abstract [en]

This study investigated if the photosynthetic maximum capacity (Pmax) is related to the relative amounts of D1 (PsbA), PsaA proteins and ribulose-1.5-bisphosphate carboxylase/ oxygenase (Rubisco) in the marine, Norwegian Sea (34-35 practical salinity units, psu) and the brackish, Bothnian Sea (4-5 psu) ecotypes of Fucus vesiculosus and in Fucus radicans. The results revealed higher Pmax in the marine ecotype of F. vesiculosus compared to the brackish Fucus species. The relative amounts of PsaA proteins or D1/PsaA (photosystem II/photosystem I; PSII/PSI) ratio did not indicate any differences between the Fucus strains whereas the relative amount of D1 was higher in the marine F. vesiculosus compared to F. radicans. The PSII/PSI ratios confirm an overweight of PSI in all three Fucus strains. The analyses of the relative amount of Rubisco indicated a greater amount in both ecotypes of F. vesiculosus compared to F. radicans, whereas no differences could be detected between the two ecotypes of F. vesiculosus. Therefore, we suggest that the amount of Rubisco contributed to the differences of Pmax between the marine ecotype of F. vesiculosus and F. radicans. The lower Pmax in the brackish ecotype of F. vesiculosus compared to the marine ecotype however must have another origin and we suggest further investigations of the CO2 fixation rate of Rubisco. The study also included an investigation of the effects of salinity on Pmax and the relative amount of D1, PsaA and Rubisco in the brackish ecotype of F. vesiculosus. Treatment of the algae for one week in 5, 10, 20 and 35 psu resulted in a higher Pmax at higher salinities and a maximum at 10 psu. These results were not reflected in the amount of D1 or Rubisco whereas analyses of the amount of PsaA revealed the highest amount of PsaA in algae treated in 10 psu. We suggest a need of more ATP by cyclic ATP formation to supply a greater Rubisco activity as an explanation.

 

 

Keyword
D1, Fucus vesiculosus, Fucus radicans, oxygen evolution, photosynthetic maximum capacity (Pmax), protein, PSI, PSII, PsaA, Rubisco, salinity
Identifiers
urn:nbn:se:miun:diva-12688 (URN)
Available from: 2010-12-14 Created: 2010-12-14 Last updated: 2013-01-10Bibliographically approved
4. Research note: Ecotype differentiation in qualitative content of water soluble organic compounds between marine and brackish Fucus vesiculosus L. (Phaeophyceae)
Open this publication in new window or tab >>Research note: Ecotype differentiation in qualitative content of water soluble organic compounds between marine and brackish Fucus vesiculosus L. (Phaeophyceae)
2009 (English)In: Phycological Research, ISSN 1322-0829, E-ISSN 1440-1835, Vol. 57, no 2, 127-130 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

In the present study we compared the contents of water soluble organic compounds of the marine intertidal ecotype of Fucus vesiculosus (Phaeophyceae) from the Norwegian Sea (34 practical salinity units, psu) with the sublittoral ecotype of F. vesiculosus from the brackish Bothnian Sea (5 psu). Nuclear magnetic resonance spectra revealed that marine F. vesiculosus had additional types of water soluble organic compounds compared with brackish F. vesiculosus. The results suggested that glycine betaine in the marine ecotype could be the reason for this ecotype differentiation. Furthermore, the qualitative differences between the ecotypes were the same after one week's treatment of marine algae in brackish water and of brackish algae in marine water. These suggest that the additional types of water soluble organic compounds in marine F. vesiculosus are not caused by the salinity conditions at the growth sites. Further research concerning other environmental factors that may influence ecotype differentiation of water soluble organic compounds qualitative content and adaptation in F. vesiculosus is recommended.

Keyword
adaptation; Bothnian Sea; C-13 NMR; glycine betaine; mannitol;
National Category
Biological Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:miun:diva-7149 (URN)10.1111/j.1440-1835.2009.00529.x (DOI)000266431200006 ()2-s2.0-66149153883 (ScopusID)
Available from: 2008-11-29 Created: 2008-11-23 Last updated: 2016-09-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(799 kB)959 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 799 kBChecksum SHA-512
2cc92b54354d986c96597725925e79123652ae36c8b03fba6b0c3e3201883515e2e9224a4286799ad367d92a0371800447053bf3374bf5c510603fff2fc5ef75
Type fulltextMimetype application/pdf
Buy this publication >>

Search in DiVA

By author/editor
Gylle, A Maria
By organisation
Department of Natural Sciences, Engineering and Mathematics
Biological SciencesBotany

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 959 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 1274 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link