Πειραματική μελέτη της αλληλεπίδρασης θερμικών και ωσμωτικών καταπονήσεων στην οικοφυσιολογία των αγγειοσπέρμων Cymodocea nodosa και Ruppia maritima

Abstract

Seagrasses are key structural and functional elements of coastal ecosystems due to the services and functions they provide. For example, seagrasses provide habitat for invertebrates and vertebrates, protect coastlines from hydrodynamics and erosion and are important blue carbon sink and source. The global distribution of seagrasses depends mainly on their temperature tolerance, but on a local scale it also depends on their salinity tolerance. Therefore, determining the optimal conditions and tolerance limits of photosynthesis and growth to temperature and salinity is important to assess their present and predict future distributions. The species Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson and Ruppia maritima Linnaeus are usually perennial and live side by side in many different Mediterranean marine and estuarine environments. Overlap of their meadows is not common, and has not been observed in the habitats of Eastern Macedonia and Thrace (EMTH). In the present thesis, the effects of temperature and salinity on photosynthetic response variables (effective quantum yield - ΔF/Fm’, leaf chlorophyll-a and chlorophyll-b content, chlorophyll a/b ratio) and growth (leaf elongation rate and growth rate, GR) of C. nodosa and R. maritima were studied. In particular, the optimal conditions and their tolerances for the two factors were determined in shoots from different areas (Kavala Gulf, Rodopi coasts, Fanari lagoon) of the EMTH. Optimal ΔF/Fm’ values of R. maritima were found at salinities from 5 to 60 and that of C. nodosa from 10 to 50; that is, it was confirmed that R. maritima is more salinity tolerant than C. nodosa. The upper ΔF/Fm’ temperature tolerance limit of C. nodosa was from 34 to 35oC, higher than that of R. maritima (32-34oC). In contrast, R. maritima showed higher ΔF/Fm’ values to low temperatures, down to 10oC, compared to C. nodosa (down to 15 and 20oC). The optimum growth temperature of C. nodosa was found at 30oC and of R. maritima at 20-30oC. The growth optimum of R. maritima (20-30oC) explains and agrees with the seasonal pattern of the species, while the tolerance to low temperatures enables it to hibernate in lagoons. Since R. maritima can tolerate a broader range of salinities and temperatures than C. nodosa, the absence of R. maritima from the coastal ecosystems of the region may be attributed to other factors. Recent studies emphasized the need to further study the interactions of stresses, as these cannot be predicted from the study of single stressors and may intensify the effects of various phenomena, such as ocean overheating or extreme weather conditions due to the climate crisis. In order to confirm that the interaction of temperature and salinity in the photosynthetic function of C. nodosa is additive, C. nodosa shoots were collected from Akrotiri Brasidas (EMTH). The effects of temperature (two levels: 22, 34oC) and salinity (two levels: 35, 50) in ΔF/Fm′ and leaf chlorophyll-a content (mg g−1 fresh biomass) were studied. The high temperature – high salinity interaction was found to be antagonistic on the 20th experimental day for ΔF/Fm′ and additive for Chl-a content. The effect size of osmotic stress was found to be greater than that of thermal stress.Two populations of C. nodosa (A, B) inhabit the coasts of EMTH. We found that the two populations display a paradoxical feature: while there are meadows of the same population (A) whose leaf morphology differs, e.g. large and wide in the meadow of Nea Karvali and short and thin in the Brasidas Cape (Kavala Gulf), there are meadows that belong to different populations and have similar leaf morphology, e.g. Nea Karvali in the Kavala Gulf (A) and Imeros in Thrace (B). The three meadows grew at different water temperatures, the lowest in the Imeros meadow, as shown by oceanographic studies. In order to study if the ecophysiological characteristics of C. nodosa are determined by the genetic distance of its populations, the responses of photosynthesis function and growth of the three meadows of the species (Vrasidas, Imeros, Nea Karvali) were studied in combination with thermal (two levels: 15 , 23oC) and osmotic changes (three levels: 15, 33.5 and 50). Following the intra-population comparison between the meadows of Brasidas and Nea Karvali (2015), an inter-population comparison of the meadows of Nea Karvali and Imeros (2016) followed. The following response variables were studied: ΔF/Fm′, leaf chlorophyll-a and chlorophyll-b content (mg g−1 fresh biomass), the chlorophyll a/b ratio, and shoot growth rate (cm shoot−1 day−1). The analyses showed clustering of the three meadows according to the sampling year, and therefore, the genetic affinity of the meadow appeared to have no particular contribution, highlighting acclimatization as a determining factor of clustering. Specifically, the shoots of Nea Karvali of the two sampling years were clustered with the shoots of the corresponding year (Nea Karvali 2015 – Vrasidas 2015, Nea Karvali 2016 – Imeros 2016). Furthermore, the possible acclimation of the two species to climate change scenarios involving changes in temperature (thermal stress) and salinity (osmotic stress) was studied. It was observed that, while osmotic stress decreased ΔF/Fm′ of C. nodosa shoots, heat stress and the interaction of thermal and osmotic stress caused an increase in ΔF/Fm′, a result that led us to conclude that temperature plays a role in this interaction primarily, as has been established by previous research. Finally, the interaction types of thermal and osmotic stress on the photosynthetic response variables of C. nodosa were studied and found to be mostly additive. The absence of synergistic interactions can be attributed to several causes, including that the organisms under study are primary producers (at the base of the food pyramid) and that heat stress induces a multitude of physiological mechanisms that overwhelm osmotic stress responses when combined, and in transcriptional level.

Τα θαλάσσια αγγειόσπερμα (ΘΑ) αποτελούν βασικά δομικά και λειτουργικά στοιχεία των παράκτιων οικοσυστημάτων εξαιτίας των υπηρεσιών και των λειτουργιών που προσφέρουν. Για παράδειγμα, τα ΘΑ αποτελούν ενδιαίτημα για ασπόνδυλα και σπονδυλωτά ζώα, προστατεύουν τις ακτές από τον υδροδυναμισμό και τη διάβρωση κι αποτελούν σημαντική μπλε πηγή και αποθήκη άνθρακα. Η παγκόσμια γεωγραφική κατανομή των ΘΑ εξαρτάται κυρίως από την ανοχή τους στη θερμοκρασία, αλλά σε τοπική κλίμακα εξαρτάται και από την αλατότητα. Συνεπώς, ο προσδιορισμός των βέλτιστων συνθηκών και των ορίων ανοχής της φωτοσύνθεσης και της αύξησής τους στη θερμοκρασία και την αλατότητα είναι σημαντικός, ώστε να εκτιμηθούν οι παρούσες και να προβλεφθούν οι μελλοντικές κατανομές τους. Τα είδη Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson και Ruppia maritima Linnaeus είναι συνήθως πολυετή είδη ΘΑ που ζουν γειτονικά σε πολλά διαφορετικά μεσογειακά θαλάσσια ή λιμνοθαλάσσια περιβάλλοντα, ενώ η αλληλεπικάλυψη των λειμώνων τους δεν είναι συνήθης και δεν έχει παρατηρηθεί στα ενδιαιτήματα της Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης (ΑΜΘ). Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας και της αλατότητας σε μεταβλητές απόκρισης σχετικές με τη φωτοσυνθετική λειτουργία (ενεργός φωτονιακή απόδοση του φωτοσυστήματος ΙI - ΔF/Fm’, περιεκτικότητα των φύλλων σε χλωροφύλλη-α, χλωροφύλλη-β και η αναλογία χλωροφυλλών α/β) και αύξησης [ρυθμός επιμήκυνσης φύλλων και ρυθμός αύξησης (GR)] των ειδών C. nodosa και R. maritima. Συγκεκριμένα, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες και ανοχές τους ως προς τους δύο παράγοντες σε δεσμίδες από διαφορετικές περιοχές (Κόλπος Καβάλας, Ακτές Ροδόπης, Λιμνοθάλασσα Φαναρίου) της ΑΜΘ. Το εύρος ανοχής της φωτοσυνθετικής λειτουργίας του είδους R. maritima προσδιορίστηκε στις αλατότητες από 5 έως 60 και του είδους C. nodosa από 10 έως 50, δηλαδή επιβεβαιώθηκε ότι το είδος R. maritima είναι περισσότερο ευρύαλο από το είδος C. nodosa. Το ανώτερο θερμοκρασιακό όριο ανοχής της φωτοσυνθετικής λειτουργίας του είδους C. nodosa ήταν από 34 μέχρι 35oC, δηλαδή υψηλότερο από αυτό του R. maritima (32-34oC). Αντίθετα, το είδος R. maritima έδειξε υψηλότερη ανοχή στις χαμηλές θερμοκρασίες (10oC) συγκρινόμενο με το C. nodosa (μεταξύ 15 και 20oC). Η βέλτιστη θερμοκρασία αύξησης του C. nodosa βρέθηκε στους 30oC και του R. maritima στους 20-30oC. Τα βέλτιστα αύξησης του είδους R. maritima (20-30oC) φαίνεται να εξηγούν και να συμφωνούν με το εποχικό του πρότυπο, ενώ η ανοχή του στις χαμηλές θερμοκρασίες μάλλον δίνει τη δυνατότητα διαχείμασής του στις λιμνοθάλασσες της ΑΜΘ. Δεδομένου ότι το είδος R. maritima μπορεί να αντέξει μεγαλύτερο εύρος αλατοτήτων και θερμοκρασιών από το είδος C. nodosa, η απουσία του R. maritima από τα παράκτια οικοσυστήματα της περιοχής μάλλον πρέπει να αποδοθεί σε άλλους παράγοντες. Πρόσφατες μελέτες τονίζουν την ανάγκη περαιτέρω μελέτης των αλληλεπιδράσεων των καταπονήσεων, καθώς αυτές δε μπορούν να προβλεφθούν από τη μελέτη μεμονωμένων παραγόντων καταπόνησης και μπορεί να εντείνουν τις επιπτώσεις διαφόρων φαινομένων, όπως της υπερθέρμανσης του θαλάσσιου περιβάλλοντος ή ακραίων μετεορολογικών συνθηκών εξαιτίας της κλιματικής κρίσης. Με σκοπό να εξεταστεί αν η αλληλεπίδραση θερμοκρασίας και αλατότητας στη φωτοσυνθετική λειτουργία του είδους C. nodosa είναι αθροιστική, συλλέχθηκαν δεσμίδες C. nodosa από το Ακρωτήριο Βρασίδας (Κόλπος Καβάλας, ΑΜΘ) και προσδιορίστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας (δύο επίπεδα: 22, 34oC) και της αλατότητας (δύο επίπεδα: 35, 50) στην ΔF/Fm′ και στην περιεκτικότητα των φύλλων σε χλωροφύλλη-α (mg g−1 νωπής βιομάζας). Η αλληλεπίδραση υψηλής θερμοκρασίας – υψηλής αλατότητας βρέθηκε να είναι ανταγωνιστική την 20η μέρα πειράματος για τη ΔF/Fm′ και αθροιστική για την περιεκτικότητα σε Chl-a. Το μέγεθος επίδρασης της ωσμωτικής καταπόνησης βρέθηκε να είναι μεγαλύτερο από αυτό της θερμικής καταπόνησης. Στις ακτές της ΑΜΘ εποικούν δύο πληθυσμοί του είδους C. nodosa (Α, Β). Διαπιστώσαμε ότι οι δύο πληθυσμοί εμφανίζουν ένα παράδοξο χαρακτηριστικό: ενώ υπάρχουν λειμώνες του ίδιου πληθυσμού (Α) των οποίων η μορφολογία των φύλλων διαφέρει, π.χ. μεγάλα και πλατιά στο λειμώνα της Νέας Καρβάλης και κοντά και λεπτά στο Ακρωτήριο Βρασίδας (Κόλπος Καβάλας), υπάρχουν λειμώνες που ανήκουν σε διαφορετικούς πληθυσμούς κι έχουν παρόμοια μορφολογία φύλλου, π.χ. στη Νέα Καρβάλη του κόλπου Καβάλας (πληθυσμός Α) και στις ακτές του Ίμερου στη Θράκη (πληθυσμός Β). Οι τρεις λειμώνες αναπτύσσονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες ύδατος, με τις χαμηλότερες στο λειμώνα του Ίμερου, όπως φαίνεται από ωκεανογραφικές μελέτες. Με σκοπό να εξεταστεί αν τα οικοφυσιολογικά χαρακτηριστικά του είδους C. nodosa καθορίζονται από τη γενετική απόσταση των πληθυσμών της, μελετήθηκαν οι αποκρίσεις της φωτοσυνθετικής λειτουργίας και της αύξησης των τριών λειμώνων του είδους (Βρασίδας, Ίμερος, Νέα Καρβάλη) σε συνδυασμό θερμικών (δύο επίπεδα: 15, 23oC) και ωσμωτικών μεταβολών (τρία επίπεδα: 15, 33.5 και 50). Μετά την ενδοπληθυσμιακή σύγκριση μεταξύ των λειμώνων του Βρασίδα και της Νέας Καρβάλης (2015), ακολούθησε διαπληθυσμιακή σύγκριση του λειμώνα της Νέας Καρβάλης με αυτόν του Ίμερου (2016). Μελετήθηκαν οι ακόλουθες μεταβλητές απόκρισης: ΔF/Fm′, περιεκτικότητα των φύλλων σε χλωροφύλλη-α και χλωροφύλλη-β (mg g−1 νωπής βιομάζας), η αναλογία χλωροφυλλών α/β και η αύξηση (cm shoot−1 day-1) δεσμίδων. Οι αναλύσεις έδειξαν ομαδοποίηση των τριών λειμώνων με κριτήριο το έτος δειγματοληψίας του υλικού και συνεπώς η γενετική συγγένεια του λειμώνα φάνηκε να μην έχει ιδιαίτερη συνεισφορά, αναδεικνύοντας το ιστορικό προσαρμογής (εγκλιματισμός) σε καθοριστικό παράγοντα ομαδοποίησης. Συγκεκριμένα, οι δεσμίδες της Νέας Καρβάλης των δύο ετών διαχωρίστηκαν και ομαδοποιήθηκαν με τις δεσμίδες της αντίστοιχης χρονιάς (Νέα Καρβάλη 2015 – Βρασίδας 2015, Νέα Καρβάλη 2016 – Ίμερος 2016). Ακόμη, μελετήθηκε ο πιθανός εγκλιματισμός των δύο ειδών σε σενάρια κλιματικής κρίσης που αφορούν σε μεταβολές θερμοκρασίας (θερμική καταπόνηση) και αλατότητας (ωσμωτική καταπόνηση). Παρατηρήθηκε ότι, ενώ η ωσμωτική καταπόνηση μείωσε τη ΔF/Fm′ των δεσμίδων του είδους C. nodosa, η θερμική καταπόνηση και ο συνδυασμός θερμικής-ωσμωτικής καταπόνησης προκάλεσε αύξηση της ΔF/Fm′, αποτέλεσμα που μας οδήγησε στο συμπέρασμα ότι πρωταρχικό ρόλο παίζει η θερμοκρασία στην αλληλεπίδραση αυτή, όπως έχει διαπιστωθεί κι από προϋπάρχουσες μελέτες. Τέλος, μελετήθηκαν οι τύποι αλληλεπιδράσεων θερμικής και ωσμωτικής καταπόνησης στις φωτοσυνθετικές μεταβλητές απόκρισης (ΔF/Fm′, χλωροφύλλη-α, χλωροφύλλη-β, αναλογία χλωροφυλλών α/β) και του είδους C. nodosa και βρέθηκαν να είναι στην πλειοψηφία τους αθροιστικές (46 στις 50). Η απουσία συνεργιστικών αλληλεπιδράσεων μπορεί να αποδοθεί σε πολλές αιτίες, μεταξύ αυτών ότι μελετήθηκαν πρωτογενείς παραγωγοί (στη βάση της τροφικής πυραμίδας) και ότι η θερμική καταπόνηση προκαλεί την επαγωγή πληθώρας φυσιολογικών μηχανισμών, που υπερκαλύπτει τις αποκρίσεις της ωσμωτικής καταπόνησης, όταν αυτές συνδυάζονται, και σε μεταγραφικό επίπεδο.