Blinks in the dark - Detecting and characterizing flash kinetics of bioluminescence for in situ species recognition of zooplankton

Abstract

Med biodiversitetkrisen jorden står overfor, hvor presset på biologisk mangfold øker og effekter av menneskelige handlinger på de naturlige økosystemene vokser, er det et presserende behov for overvåkningsprogrammer og helhetlige vurderinger av biologisk mangfold. Dyreplankton er en svært mangfoldig gruppe med mange taksoner som kan betraktes som indikatorer på de menneskeskapte endringene, hvor det i dag er mangel på kunnskap om visse dyreplanktongrupper, som for eksempel gelatinøse dyreplankton. Dette er skjøre arter som ikke har egnet seg til prøvetakings-, konserverings- og identifiseringsmetodene som vanligvis brukes for marint dyreplankton. En stor andel av taksoner under gelatinøse dyreplankton er bioluminescerende, som er et allestedsnærværende fenomen i verdenshavene. Emisjonen av bioluminescens er forskjellig mellom organismer, hvor noen avgir enkelte lysglimt, mens andre har kontinuerlig glød eller repeterende pulsmønster. Bioluminescens er ofte avhengig av hvilken funksjon arten bruker det til, som for eksempel 1) forsvar; for å unngå eller avskrekke predatorer, 2) predasjon; for å lokke til seg byttedyr og/eller 3) intraspesifikk kommunikasjon. Tidligere studier har antydet at lyset som avgis fra bioluminescerende organismer er et artsspesifikt bioluminescerende fingeravtrykk, men det er i dag mangel på detaljert forskning på området. Denne studien tar sikte på å bidra til å fylle dette kunnskapsgapet ved å identifisere det artsspesifikke bioluminescens-fingeravtrykket, samt å evaluere muligheten for å bruke bioluminescens-lyskinetikk (endringen av bioluminescens intensitet over tid i et lys) som identifikasjonsmetode for gelatinøse dyreplankton og andre marine taksoner.

Organismer ble samlet inn fra Hopavågen, en bukt på kysten av Trøndelag i Midt-Norge, og fra ulike fjorder i Svalbard-regionen høsten 2022. Områdene ble valgt for å bruke organismer fra ulike breddegradienter som representerer ulike lysklima for å se om det bioluminescerende fingeravtrykket er konstant. Totalt ble 382 individer fra taksoner på tvers av fem rekker samlet og identifisert til lavest mulig taksonomiske nivå. Laboratorieeksperiment ble utført med en sensor kalt Underwater Bioluminescence Assessment Tool (UBAT) for å lage et takson-spesifikt bibliotek av bioluminescerende organismer, samt analysere formen, lengden og lysstyrken til den avgitte bioluminescens-lyskinetikk. I tillegg ble det gjort in situ målinger med UBAT i Hopavågen gjennom en runde med flo og fjære og resultatene ble analysert for å se om det ville være mulig å identifisere artene som var til stede basert på informasjonen fra det takson-spesifikke biblioteket. Resultatene av studien viste både intraspesifikk og interspesifikk variasjon av bioluminescens-lyskinetikken fra laboratorieeksperimentene. Det er en indikasjon på at den intraspesifikke variasjonen sannsynligvis skyldes bakgrunnssignaler, skade på individer eller andre årsaker som ikke ble funnet i studien. Den interspesifikke variasjonen kan komme av at takson sender ut lys basert på deres funksjoner, noe som skal gjør det mulig å skille mellom taksoner. Resultatene fra in situ-målingene viste at det var høy aktivitet av bioluminescens, noe som gjorde det vanskelig å isolere lys fra ulike dyreplankton-taksoner. Fra denne studien er det klart at dette er en identifiseringmetode som trenger mer utvikling, og det vil være ideelt å kombinere lyskinetikk med andre teknikker, som molekylære metoder og avbildning, for korrekt artsidentifikasjon.

With the biodiversity crisis the Earth is facing, where the pressure on biodiversity increases and the impact of human actions on natural ecosystem are growing, the need for holistic biodiversity assessments and monitoring programs are urgently needed. Zooplankton is a highly diverse group with many taxa that can be considered as indicators of the anthropogenic changes. However, today, there is lack of knowledge on certain zooplankton groups, such as the gelatinous zooplankton. These organisms still stay misunderstood as the sampling, preservation and identification methods commonly used for marine zooplankton have not been suitable for these fragile species. A great portion of these gelatinous zooplankton are bioluminescent, which is a ubiquitous phenomenon in the world’s oceans. The emission of bioluminescence differs among organisms, where some emit single flashes, continuous glow or repetitive pulse pattern and is often dependent on the function the species utilize the light for. For example, some organisms use it as 1) defense; to evade or deter predators, 2) offense; to obtain prey and/or 3) intraspecific communication. Earlier studies have suggested that the light emitted from bioluminescent have a species-specific bioluminescent fingerprint. However, there is a lack of comprehensive research on species-specific bioluminescence flash kinetics (change of bioluminescence intensity over time during a flash) today. This study aims to contribute to filling this knowledge gap by identifying the species-specific bioluminescent fingerprint and by evaluating the possibility for using bioluminescence flash kinetics as an identification method for bioluminescent gelatinous zooplankton and other marine taxa.

Samples used in the study were collected in Hopavågen, a landlocked bay on the coast of Trøndelag in Mid-Norway and from different fjords in the Svalbard region in autumn 2022. The areas were chosen to retrieve samples from different latitudinal gradients representing different light climates to see if the bioluminescent fingerprint is constant. In total 382 individuals from taxa across five phyla were collected and identified to the lowest taxonomic level as possible. Laboratory experiments were conducted with an Underwater Bioluminescence Assessment Tool (UBAT) to create a taxa-specific library of bioluminescent taxa by analysing the shape, length and brightness of the bioluminescence flash. In addition, in situ measurements with UBAT were done in Hopavågen following a full tidal cycle and the results were analysed to see if it would be possible to identify the species present based on the information from the taxa-specific library. The results of the study showed both intraspecific and interspecific variation of the flash kinetics extracted from laboratory experiments. There is an indication that the intraspecific variation is likely due to background signals, damage on individuals or other reasons that were not found in the study. However, the interspecific variation might be because of taxa emitting light based on their functions, which should make it possible to distinguish between taxa. The results from the in situ measurements were not as expected, with high activity of bioluminescence of dinoflagellates, making it hard to isolate flashes from zooplankton. From this study it is clear that this is an identification method that needs more development, and it would be ideal to combine flash kinetics with other techniques, such as genetic tools and imaging, for correct species identification.