Photoacclimation mechanismsand light responses in marine micro- and macroalgae

Abstract

Photoacclimation mechanisms and light responses in marine micro- and macroalgae

Marine diatoms play a fundamental role in marine ecosystems and on global climate, as they fix more CO2 and release more oxygen than all rainforests combined. An estimated 40-45% of photosynthesis on Earth occurs in the ocean. It is dominated by the phytoplankton (Bacillariophyceae), and the diatoms comprise the major group. In contrast, macroalgae contribute with a modest 3% to marine primary production, but play a key role as shelter, food and reproduction facilities for organisms in the littoral zone. Light is the environmental variable with highest impact on marine algae. Diatoms are constantly being displaced by currents and turbulent mixing in the water column, and consequently experience highly unpredictable light conditions. Macroalgae are anchored to substrate in the littoral zone, and experience large light fluctuations due to tides, wave exposure and shadowing by nearby kelp. Considering that most of the life on Earth depends on photosynthesis, either directly or indirectly, it is crucial to understand how marine micro- and macroalgae perceive, signal and respond to changes in the available light at the molecular level, and how molecular changes affect cell physiology. By using a multi-disciplinary approach, analyses of light intensity and light quality-dependent gene expression, pigmentation, chloroplast morphology, light utilization, bio-optical characteristics and photosynthetic activity were used to establish models for light acclimation in diatoms and green macroalgae. We found that the photosynthetic apparatus was kept intact during dark periods and readily could be activated upon re-exposure to light. Other major findings were that repair and photoprotection was light quality-dependent and that light-induced chloroplast changes in green macroalgae play a principle role in their photoacclimation. The project has been a close cooperation between the Cell, Molecular Biology and Genomics group and the group for Marine Ecophysiology.

Fotoakklimatisering og lysresponser i marine mikro- og makroalger

Hele 40-45% av den fotosyntetiske primærproduksjonen på jorda foregår i havet. Mikroskopiske planktonalger antas å stå for størstedelen av denne, og kiselalgene (diatoméer) dominerer denne gruppen. Gjennom fotosyntesen står de for en større del av CO2 fikseringen og oksygenproduksjonen enn verdens samlede regnskogsareal. I tillegg til å utgjøre næringsgrunnlaget for store deler av den marine faunaen, har kiselalger vist seg å ha potensiale innen bio- og nanoteknologi og som kilde til fornybar energi (biodiesel).

I motsetning til kiselalger står makroalger for beskjedne 3% av den globale marine primærproduksjonen. Likevel spiller de en nøkkelrolle som tilholdssted, næringsgrunnlag og reproduksjonsfasiliteter for organismer i littoralsonen.

Siden størstedelen av livet på jorda er direkte eller indirekte avhengig av fotosyntese drevet av energien i sollyset, har målet med dette prosjektet vært å øke forståelsen for hvordan fotosyntetiske organismer oppfatter, signalerer og responderer på endringer i det tilgjengelige lyset. Grunnet deres dominerende økologiske rolle globalt har vi benyttet en kiselalgeart (Phaeodactylum tricornutum) som modellorganisme for å forske på mekanismene som ligger til grunn for denne svært suksessfulle gruppens evne til å trives under de konstant skiftende lysforholdene i havet. I tillegg ble dynamisk lysakklimatisering under fluktuerende lysforhold i sjøen gjennom et år undersøkt hos den vanlige norske makroalgearten havsalat (Ulva lactuca). Gjennom et samarbeidsprosjekt mellom gruppen for Celle-, Molekylærbiologi and Genomikk (CMBG) og gruppen for Marin Økofysiologi på NTNU har vi bidratt til ny og viktig kunnskap om effekten endringer i lysmiljø har på molekylært, metabolsk, fysiologisk og bio-optisk nivå i marine mikro- og makroalger. Ved å kombinere genekspresjonsanalyser med studier av pigmenter, kloroplaster og fotosyntetisk aktivitet, har vi blant annet funnet at reparasjon og fotobeskyttelse er avhengig av lysets bølgelengde, at kiselalger opprettholder et funksjonelt fotosyntetisk apparat i mørke og at Ulva regulerer lysabsorpsjon ved å ”krympe” kloroplastene.