Light responses in the marine diatom Phaeodactylum tricornutum

Abstract

Marine diatoms fix more CO2 than all rainforest and have a fundamental role for production in the oceans and global climate. Almost all life on Earth somehow depends on photosynthesis fuelled by light energy from the sun. Approximately 45% of photosynthesis on Earth each year is performed by aquatic photosynthetic organisms, with phytoplankton being responsible for the majority of the primary production in the ocean. The light climate in the sea is highly unpredictable for phytoplankton, which drift passively with the currents.

Changes in the light environment have an impact on all aspects of life for a photosynthetic organism, ranging from the molecular level to the metabolic and physiological level. In this context, basic research that leads to a better understanding of how aquatic photosynthetic organisms perceive, signal and respond to changes in the light environment is of great interest. Diatoms (Bacillariophycea) are thought to be the most important group of eukaryotic phytoplankton, responsible for generating similar levels of organic carbon as all terrestrial rainforest combined. Using a multidisciplinary approach, we have studied how diatoms receive and respond to light at a molecular level and in a global scale. Gene activities and analyses of pigments and physiological conditioning to the light source and quantity given were used to establish models for light acclimation in diatoms. We found that light harvesting complexes were kept intact during dark periods and easily could be activated as soon as light where available. Another major finding was that repair and photoprotection was light quality dependent. The project has been a close cooperation between the Cell, Molecular Biology and Genomics group and the group for Marine Ecophysiology.

Lysresponser i den marine kiselalgen Phaeodactylum tricornutum

Kiselalger (diatoméer) er encellete fotosyntetiserende alger som finnes i både fersk- og saltvann. De antas å være den viktigste gruppen av eukaryote planteplankton, og står for ca. 20-25% av den totale fotosyntetiske karbonfikseringen på jorden. Oksygen frigjøres under fotosyntese, og kiselalger er regnet for å være ansvarlig for en større andel av oksygenproduksjon på jorden enn alle verdens regnskoger til sammen. Kiselalger fungerer også som en svært viktig næringskilde for andre akvatiske organismer, de kan bli brukt som en kilde for fornybar energi (biodiesel) og har også andre potensielle bruksområder innen bioog nanoteknologi.

Nesten alt liv på jorden er på en eller annen måte avhengig av fotosyntese drevet av lysenergi fra solen. Målet med dette prosjektet har derfor vært å utføre grunnforskning som fører til en økt forståelse av hvordan fotosyntetiske organismer oppfatter, signalerer og responderer til endringer i de omkringliggende lysforholdene. Siden kiselalger er av stor økologisk betydning har en kiselalgeart (Phaeodactylum tricornutum) blitt benyttet som modellorganisme for å få kjennskap til mekanismene som ligger bak denne svært suksessfulle gruppens evne til å trives under de skiftende lysforholdene i det marine miljø. Gjennom et samarbeidsprosjekt mellom gruppen for Celle, Molekylær Biologi and Genomikk (CMBG) og gruppen for Marin Økofysiologi på NTNU har vi generert ny kunnskap om hvilke effekter endringer i lysmiljø har på det molekylære, metabolske og fysiologiske nivå i den marine kiselalgen P. tricornutum. Vi har blant annet funnet ut at algens lyshøstingskomplekser forblir intakt under mørkeperioder slik at disse kan aktiveres så snart lys igjen er tilgjengelig. Et annet viktig funn er at fotobeskyttelse og reparasjon av skader forårsaket av lys er avhengig av tilstedeværelse av blått lys. Disse resultatene har blitt oppnådd ved å kombinere genekspresjonsanlyser med studier av pigmenter og fotosyntetisk aktivitet i algekulturer dyrket under kontrollerte, men skiftende lysforhold.