Evaluating the effect of depth on the photobiology of red coralline algae

Abstract

Røde kalkalger (RKA) er fotosyntetiske røde makroalger med global utbredelse og bemerkelsesverdig lystoleranse, men det er utført lite forskning på deres dybdefordeling og fotobiologi. Denne studien søker å utvide vår forståelse av hvordan dybde påvirker RKA-fotobiologi gjennom målinger av fotosyntetiske parametere, restitusjonshastigheter av maksimalt kvanteutbytte av fluorescens fra PSII, in vivo klorofyll a fluorescens emissionsspektra av PS II og in vivo reflektansspektra av RKA-prøver fra flere steder og dybder. Prøvene ble samlet fra grunt vann (0,1 m) i Midt-Norge og dypt vann (44 til 66 m) i Midt-Norge og Svalbard, som representerer både tempererte og arktiske marine miljøer.

Prøvetakings- og måleinnsatsen benyttet en rekke instrumenter og teknologier. Diving PAM II-fluorometer og spektrometer ble brukt til å samle korttids lyskurver, restitusjonskurver av maksimalt kvanteutbytte av fluorescens fra PSII og in vivo klorofyll a fluorescens emissionsspektra av PS II. De korttids lyskurvene ble brukt til å beregne fotosyntetiske parametere, spesielt fotosyntetisk effektivitet (α), lysmetningsparameter (EK), maksimal elektrontransporthastighet (rETRMAX) og maksimalt effektivt kvanteutbytte av fluorescens fra PS II (Φ_PSII^max). Dette arbeidet demonstrerte også vellykket levedyktigheten av å kombinere avanserte teknologier som en mini-ROV og manipulatorarm for å muliggjøre innsamling av alger fra større dybder enn det tradisjonelle SCUBA-begrensninger (30 m) tillater.

Studien fant betydelige variasjoner i fotosyntetisk ytelse på forskjellige dybder. Mens grunne RKA hadde EK som varierte fra 6,5 til 10,3 μmol kvanta m-2 s-1, hadde dype RKA -prøver svært lave EK-verdier mellom 2,3 og 3,6 μmol kvanta m-2 s-1. Innenfor grunne RKA ble det observert minimale forskjeller på tvers av både tidsmessige og lysstyrkeeksponeringer. Blant dype RKA var det betydelige forskjeller mellom fotosyntetiske parametere, avhengig av prøvenes plassering og dybde, noe som antyder at det er bemerkelsesverdige variasjoner selv blant dyptvanns (40+ m) RKA. Dype RKA viste også en høyere evne enn grunne RKA til å komme seg etter korttids lyskurven inkubering, relativt til deres Φ_PSII^max. Videre bidrag til tolkningen av in vivo klorofyll a fluorescens emissionsspektra av PS II ble også gjort. For de in vivo spektrale reflektansmålingene ble det funnet en omvendt trend mellom RKA dybdetyper for forholdet mellom fycobiliprotein fykoerytrin og klorofyll a innhold, hvor dype RKA hadde en høyere relativ mengde fykoerytrin. Den høyere mengden fykoerytrin antyder at dype RKA er bedre egnet til å absorbere grønt lys. Dette arbeidet forbedrer den nåværende forståelsen av RKA-fotobiologi og deres evne til å vokse i lavlysmiljøer og understreker viktigheten av fortsatt forskning på RKA.

Red coralline algae (RCA) are photosynthetic red macroalgae with a highly global distribution and remarkable light tolerance, yet minimal research has been undertaken on their depth distribution and photobiology. This study seeks to expand our understanding of the impacts depth has on RCA photobiology through measurements of photosynthetic parameters, recovery rates of maximum quantum yield of PSII fluorescence, in vivo Chl a fluorescence emission spectra of PS II, and in vivo reflectance spectra of RCA specimens from multiple sites and depths. Specimens were collected from shallow water (0.1 m) in mid-Norway and deep water (44 to 66 m) in mid-Norway and Svalbard, representing both temperate and Arctic marine environments.

Sampling and measurement efforts utilized a suite of instruments and technologies. The Diving PAM II fluorometer and spectrometer was used to collect rapid light curves, recovery curves of maximum quantum yield of PSII fluorescence, and in vivo Chl a fluorescence emission spectra of PS II. The rapid light curves were used to calculate photosynthetic parameters, specifically photosynthetic efficiency (α), maximum electron transport rate (rETRMAX), light saturation parameter (EK), and maximum quantum yield (Φ_PSII^max) for dark acclimated cells. This work also successfully demonstrated the viability of combining advanced technologies such as a mini-ROV and gripper to enable sampling deep-water algae from greater depths than traditional SCUBA (30 m) limits allow.

The study found significant variations in photosynthetic performance across different depths. While shallow-water RCA had EK irradiances ranging from 6.5 to 10.3 μmol quanta m-2 s-1, the deep-water RCA samples had extremely low EK values between 2.3 and 3.6 μmol quanta m-2 s-1. Within shallow-water RCA, there were minimal differences observed across both temporal and irradiance exposures. Among deep-water RCA, there were significant differences between photosynthetic parameters, depending on the location and depth of the specimens, suggesting there are notable variations even among deep-water (40+ m) RCA. Deep-water RCA also exhibited a higher ability than shallow-water RCA to recover following the rapid light curve, relative to their Φ_PSII^max. Further contributions into interpreting in vivo Chl a fluorescence emission spectra of PS II were also made. For the in vivo spectral reflectance measurements, an inverse trend was found between RCA depth types for the ratio of green-light absorbing phycobiliprotein phycoerythrin and blue- and red-light absorbing chlorophyll a content in living tissue, with deep-water RCA possessing a higher relative amount of phycoerythrin. The higher content of phycoerythrin suggests deep-water RCA are better suited for absorbing green light. This work enhances the current understanding of RCA photobiology and its ability to grow in low-light environments and underscores the importance of continuing to study RCA.