Tolerance of the marine microalga Phaeodactylum tricornutum to salinity and glyphosate-based herbicide

Abstract

Den robuste gruppen med kiselalger påvirkes direkte av den globale økte utslippen av klimagasser. Kiselalger kan utover deres industrielle anvendelser innen høy-volum lipid produksjon og bioteknologisk bruk, være en indikator for forurensning. De eksisterer i fleste akvatiske områdene og holder en viktig posisjon i den globale karbonfikseringen og det marine næringsnettet. En økt forståelse av hvordan miljøforhold påvirker kiselalgene er viktig for å bevare miljøet eller utnytte ny kunnskap om kultivering industrielt. Formålet med avhandlingen var å undersøke hvordan kiselalgen Phaeodactylum tricornutum påvirkes av kultivering med NaCl og MgCl2, og av Roundup Garden sammenlignet med kun glyfosat.

Bruken av glyfosat-baserte ugressmiddel som Roundup har økt de siste årene, der spor av forbindelsen er funnet i overflatevann. Glyfosat inhiberer et nøkkelenzym i shikimate-biosynteseveien, noe som hindrer produksjon av forgjengeren til nødvendige aromatiske aminosyrer. Den første delen av denne avhandlingen var å undersøke effekten på vekst og fotosyntetisk prestasjon av P. tricornutum under kultivering av den glyfosat-baserte Roundup Garden, sammenlignet med rent glyfosat. Resultatene fra denne avhandlingen viste en større veksthemmende effekt under eksponering av Roundup sammenlignet med rent glyfosat i samme konsentrasjoner. Forskjellene i vekst-inhibering skyldes den kombinerte effekten av oppskriften for Roundup som også viste å redusere fotosyntetisk prestasjon signifikant ved 5 mg/L av glyfosat-konsentrasjoner. Global oppvarming resulterer i en fluktuerende salinitet som påvirker kiselalgene direkte.

Den andre delen av avhandlingen var å undersøke effektene ved dyrkning av P. tricornutum under høyere konsentrasjoner av NaCl og MgCl2, igjennom vekstvurderinger og propidium-jodid (PI) farging med flow cytometri, vurdering av fotosyntetisk prestasjon og undersøkelse på gen uttrykkelse. Kort- og langtids kultivering viste reduserende celletetthet med økt saltkonsentrasjon. Det var ingen signifikante indikasjoner på langtids-tilpasning til kulturforholdene med hensyn på kultivering eller fotosyntetisk prestasjon. Det ble observert mer forekomst av adherende celler under kultivering med MgCl2. Farging med PI viste høye prosenter med døde celler for konsentrasjoner høyere enn 1.712 M av begge saltene. Puls-amplitudemodulasjons-fluorometri viste størst påvirkning på fotosyntetisk effektivitet og kapasitet etter kultivering med NaCl. Det relative genuttrykket for et utvalg av gener analysert med revers transkripsjon-kvantitativ polymerasekjedereaksjon og RNA-sekvensering viste en mer betydelig påvirkning av NaCl som resulterte i metabolsk tilpasning og regulering i ionetransport i respons til osmotisk stress. Oppsummert hadde NaCl en mer betydelig effekt på det relative genuttrykket til P. tricornutum enn MgCl2, noe som kan tilskrives Na+-ionet.

Diatoms are a robust group of algae that are directly affected by the global increase of climate gases. Industrial applications for diatoms are within high volume lipid production and for biotechnological use. In addition, these algae can be an indicator of pollution. Diatoms are found in most aquatic environments and play a crucial role in global carbon fixation and in the marine food chain. A greater understanding of how changes in environmental aspects affect diatoms is important for preserving the environment and for industrial algae cultivation. The aim for this thesis was to study how the diatom Phaeodactylum tricornutum is affected when cultured with the salt NaCl or MgCl2 or cultured with Roundup Garden in comparison to “pure glyphosate”.

The use of glyphosate-based herbicides such as Roundup has increased in recent years, whereas traces of glyphosate have been found in surface water. Glyphosate inhibits a key enzyme in the shikimate pathway, which disrupts the biosynthesis of a precursor molecule necessary for certain aromatic amino acids. The first part of the thesis was to examine the effects on growth and photosynthetic activity of P. tricornutum when cultured with Roundup Garden, compared to when cultured with pure glyphosate. The results showed a greater inhibition of growth when cultured with Roundup as compared to cultivation with pure glyphosate at the same concentrations. The differences in growth inhibition are a result of the combined effects of the Roundup formula, which also showed a significant reduction of photosynthetic performance at 5 mg/L concentrations of glyphosate.

Fluctuating salinities can be a result of the increased effects of global warming, which in turn affects diatoms directly. The second part of this thesis was to investigate the effects on P. tricornutum when cultured with increasing concentrations of the salts NaCl or MgCl2, by evaluating the culture growth using propidium iodide (PI) staining and flow cytometry, assessments of photosynthetic performance, and analyses of gene expression. Both short- and long-term cultivation of P. tricornutum with salts showed a reduction in cell density when treated with increasing salt concentrations. There were no significant indications of long-term adaptations to the culture conditions with regards to culture growth and photosynthetic performance. Culture conditions with MgCl2 lead to observations of a greater occurrence of cell adhesion of P. tricornutum. PI staining revealed a high percentage of dead cells for salt concentrations above 1.712 M, for both salts. Pulse-amplitude modulated fluorometry showed the greatest effect on photosynthetic performance and capacity of the diatom under culture conditions with NaCl in comparison to MgCl2. The relative expression of selected genes was studied with quantitative reverse transcript polymerase chain reaction and RNA sequencing, which showed the greatest effect on P. tricornutum when cultured with NaCl, resulting in metabolic adaptations and regulation of ion transport in response to osmotic stress. In summary, P. tricornutum cultured with NaCl resulted in the greatest significant effect on the relative gene expression, compared to MgCl2, which is attributed to the Na+-ion.