Bioluminescence of Toxic Dinoflagellates in the Baltic Sea – From Genes to Models

Visa fullständig post

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3806-4
Titel: Bioluminescence of Toxic Dinoflagellates in the Baltic Sea – From Genes to Models
Author: Le Tortorec, Anniina
Medarbetare: Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten, miljövetenskapliga institutionen
Nivå: Doktorsavhandling (sammanläggning)
Abstrakt: Phytoplankton constitute the basis of food webs and are responsible for almost all photosynthesis in the open sea. Occasionally, given suitable conditions, one phytoplankton species can increase in abundance and form a mass occurrence known as a bloom. Harmful Algal Blooms (HABs), in turn, can have adverse effects on the ecosystem, for example causing oxygen depletion, clogging of fish gills, or toxicity. HABs are common in shallow and stratified coastal waters and the number, frequency and coverage of areas affected by HABs are increasing globally mainly due to eutrophication, changes in nutrient ratios and global climate change. One of the main phytoplankton groups forming HABs are dinoflagellates. Among dinoflagellates the genus Alexandrium is particularly notorious with many species in this genus producing a variety of potent neurotoxins. Dinoflagellates are the only known photosynthetic organisms that can produce bioluminescence and the majority of bioluminescence in marine surface waters is produced by dinoflagellates. Bioluminescence in dinoflagellates is considered a defensive mechanism against grazing and many harmful dinoflagellate taxa produce bioluminescence. The dinoflagellate Alexandrium ostenfeldii forms dense bioluminescent blooms in shallow and sheltered areas of the Baltic Sea during the late summer. These blooms pose a potential threat to humans and ecosystems in the region due to observed production of toxins. The distribution and abundance of A. ostenfeldii is poorly known in the coastal waters of the Baltic Sea. The aim of this thesis was to study the variability of A. ostenfeldii bioluminescence production to evaluate whether bioluminescence can be used as an early warning signal of harmful dinoflagellate blooms in the Baltic Sea. More precisely, the aim was to study the expression of A. ostenfeldii bioluminescence to learn how much genetic, phenotypic and environmentally induced variability there is in bioluminescence production in the species. Studies conducted on luciferase genes and bioluminescence emission showed that bioluminescence is a prominent feature in Baltic A. ostenfeldii. Measurements on individual cell cultures and natural populations revealed large daily and seasonal variation in bioluminescence emission relating to the circadian rhythm in bioluminescence expression and seasonal changes in A. ostenfeldii abundance. Large intraspecific variation in bioluminescence production was observed in response to changes in temperature and salinity. A. ostenfeldii abundance, toxin concentrations and bioluminescence intensity were positively correlated in our field data. All tested A. ostenfeldii strains produced both bioluminescence and toxins and it can be assumed that concurrent production of both is a predominant property in Baltic A. ostenfeldii. The obtained results show that it is possible to relate bioluminescence to A. ostenfeldii bloom succession using automated measurements. However, the highly-localized distribution of blooms may require advance knowledge of potential bloom locations to be able to target the monitoring efforts. Species distribution modelling showed promise to address this problem by identifying potentially suitable habitats for A. ostenfeldii.Kasviplankton muodostaa ravintoketjun perustan ja on vastuussa lähes kaikesta perustuotannosta avoimilla merialueilla. Toisinaan suotuisissa olosuhteissa yksi kasviplanktonlaji saattaa runsastua huomattavasti ja muodostaa massaesiintymän eli kukinnan. Haitallisiksi leväkukinnoiksi kutsutaan sellaisia kukintoja, jotka aiheuttavat haittaa ympäristölle, muille vesieliöille tai ihmisille esimerkiksi vähentämällä hapen määrää vedessä, tukkimalla kalojen kiduksia tai erittämällä myrkkyjä. Haitallisia leväkukintoja esiintyy yleisesti matalissa ja suojaisissa rannikkovesissä ja niiden määrät ovat lisääntyneet maailmanlaajuisesti rehevöitymisen, ravinteiden suhteiden muuttumisen ja ilmastonmuutoksen seurauksena. Yksi tärkeimmistä haitallisia kukintoja muodostavista ryhmistä on panssarisiimalevät. Erityisesti monet Alexandrium-sukuun kuuluvat panssarisiimalevälajit tuottavat useita erilaisia hermomyrkkyjä. Monet panssarisiimalevälajit tuottavat lisäksi bioluminesenssia eli sinistä valoa, joka on parhaiten nähtävissä veden pinnalla yöaikaan. Ilmiö tunnetaan myös nimellä merituli. Alexandrium ostenfeldii –panssarisiimalevä muodostaa tiheitä valoa tuottavia kukintoja Itämeren rannikkoalueilla erityisesti loppukesästä. A. ostenfeldiin tuottamien myrkkyjen on osoitettu kertyvän simpukoihin ja kaloihin, ja lisäksi myrkyillä on haitallisia vaikutuksia kasvi- ja eläinplanktoniin. Lajin levinneisyys ja siihen vaikuttavat ympäristötekijät Itämeren rannikkoalueilla tunnetaan huonosti. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia kuinka paljon geneettistä, phenotyyppistä ja ympäristön aiheuttamaa vaihtelua A. ostenfeldii -lajin bioluminesenssin tuotannossa on ja voitaisiinko bioluminesenssin havainnointia käyttää ennakkovaroituksena myrkyllisestä panssarisiimaleväkukinnasta. Tulokset osoittavat, että kaikki Itämeren A. ostenfeldii -populaatiot tuottavat bioluminesenssia ja, että bioluminesenssin tuotossa on selvä vuorokausirytmi. Lisäksi tuotetun valon määrä vaihtelee populaation koon ja kehitysvaiheen mukaan. Lajin sisällä havaittiin suurta vaihtelua tuotetun bioluminesenssin määrässä suhteessa muutoksiin lämpötilassa ja suolapitoisuudessa. Luonnosta kerätyssä aineistossa havaittiin selvä positiivinen yhteys A. ostenfeldiin runsauden, tuotettujen myrkkyjen ja bioluminesenssin välillä. Kaikki testatut A. ostenfeldii - kannat tuottivat sekä bioluminesenssia että myrkkyjä, mikä viittaa siihen, että nämä kaksi ominaisuutta esiintyvät rinnakkain Itämeren populaatioissa. Saadut tulokset osoittavat, että on mahdollista yhdistää tuotetun valon määrä A. ostenfeldii -populaation kehittymiseen käyttäen automaattisia mittausmenetelmiä. Kukintojen hyvin paikallinen esiintyminen hankaloittaa kuitenkin niiden havaitsemista, minkä takia etukäteistieto mahdollisista kukintapaikoista olisi tärkeää. Habitaattimallien avulla voidaan kartoittaa ne alueet, jotka ovat erityisen alttiita A. ostenfeldii -kukinnoille. Lisäksi habitaattimalleja voidaan käyttää apuna ennustettaessa, miten etenevä ilmastonmuutos vaikuttaa A. ostenfeldii -kukintoihin Itämerellä.
Permanenta länken (URI): URN:ISBN:978-951-51-3806-4
http://hdl.handle.net/10138/228275
Datum: 2017-11-24
Subject:
Rights: Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.


Filer under denna titel

Total number of downloads: Loading...

Filer Storlek Format Granska
biolumin.pdf 1.623Mb PDF Granska/Öppna

Detta dokument registreras i samling:

Visa fullständig post