Physiological adaptations in two ecotypes of Fucus vesiculosus and in Fucus radicans with focus on salinity

The in origin intertidal marine brown alga Fucus vesiculosus L. grow permanently sublittoral in the brackish Bothnian Sea, side by side with the recently discovered F. radicans L. Bergström et L. Kautsky. Environmental conditions like salinity, light and temperature are clearly different between F. vesiculosus growth sites in the Bothnian Sea (4-5 practical salinity units, psu; part of the Baltic Sea) and the tidal Norwegian Sea (34-35 psu; part of the Atlantic Ocean). The general aims of this thesis were to compare physiological aspects between the marine ecotype and the brackish ecotype of F. vesiculosus as well as between the two Bothnian Sea species F. vesiculosus and F. radicans. The result in the study indicates a higher number of water soluble organic compounds in the marine ecotype of F. vesiculosus compared to the brackish ecotype. These compounds are suggested to be compatible solutes and be due to an intertidal and sublittoral adaptation, respectively; where the intertidal ecotype needs the compounds as a protection from oxygen radicals produced during high irradiation at low tide. The sublittoral ecotype might have lost the ability to synthesize these compound/compounds due to its habitat adaptation. The mannitol content is also higher in the marine ecotype compared to the brackish ecotype of F. vesiculosus and this is suggested to be due to both higher level of irradiance and higher salinity at the growth site. 77 K fluorescence emission spectra and immunoblotting of D1 and PsaA proteins indicate that both ecotypes of F. vesiculosus as well as F. radicans have an uneven ratio of photosystem II/photosystem I (PSII/PSI) with an overweight of PSI. The fluorescence emission spectrum of the Bothnian Sea ecotype of F. vesiculosus however, indicates a larger light-harvesting antenna of PSII compared to the marine ecotype of F. vesiculosus and F. radicans. Distinct differences in 77 K fluorescence emission spectra between the Bothnian Sea ecotype of F. vesiculosus and F. radicans confirm that this is a reliable method to use to separate these species. The marine ecotype of F. vesiculosus has a higher photosynthetic maximum (Pmax) compared to the brackish ecotype of F. vesiculosus and F. radicans whereas both the brackish species have similar Pmax. A reason for higher Pmax in the marine ecotype of F. vesiculosus compared to F. radicans is the greater relative amount of ribulose-1.5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco). The reason for higher Pmax in marine ecotype of F. vesiculosus compare to the brackish ecotype however is not due to the relative amount of Rubisco and further studies of the rate of CO2 fixation by Rubisco is recommended. Treatments of the brackish ecotype of F. vesiculosus in higher salinity than the Bothnian Sea natural water indicate that the most favourable salinity for high Pmax is 10 psu, followed by 20 psu. One part of the explanation to a high Pmax in 10 psu is a greater relative amount of PsaA protein in algae treated in 10 psu. The reason for greater amount of PsaA might be that the algae need to produce more ATP, and are able to have a higher flow of cyclic electron transport around PSI to serve a higher rate of CO2 fixation by Rubisco. However, studies of the rate of CO2 fixation by Rubisco in algae treated in similar salinities as in present study are recommended to confirm this theory.  Fucus vesiculosus L. (Blåstång) är en brunalg som i huvudsak växer i tidvattenzonen i marint vatten men arten klarar också att växa konstant under ytan i det bräckta Bottenhavet. Norska havet och den del av Bottenhavet, där algerna är insamlade i denna studie, har salthalterna 34-35 psu (praktisk salthaltsenhet) respektive 4-5 psu. F. radicans L. Bergström et L. Kautsky (Smaltång) är en nyligen upptäckt art (2005) som har utvecklats i Bottenhavet. F. radicans och Bottenhavets ekotyp av F. vesiculosus växer sida vid sida och har tidigare ansetts vara samma art. Sett till hela Östersjön, så ändras ytans salthalt från 25 till 1-2 psu mellan Östersjöns gräns mot Kattegatt och norra Bottenviken. Den låga salthalten i Östersjön beror på det höga flödet av sötvatten från älvarna och på ett litet inflödet av saltvatten i inloppet vid Kattegatt. Salthaltsgradienten är korrelerad med antalet arter som minskar med minskad salthalt. Östersjön är ett artfattigt hav och de arter som finns är till stor del en blandning av söt- och saltvattenarter. Det finns bara ett fåtal arter som är helt anpassade till bräckt vatten och F. radicans är en av dem. Exempel på miljöskillnader för F. vesiculosus i Norska havet och i Bottenhavet är salthalten, tidvattnet, ljuset och temperaturen. Tidvattnet i Norska havet gör att algerna växlar mellan att vara i vattnet och på land, vilket utsätter algerna för stora ljusskillnader, snabba och stora temperaturväxlingar samt även torka. De alger som växer i Bottenhavet har däremot en jämnare och lägre temperatur, istäcke på vintern och mindre tillgång på ljus eftersom de alltid lever under vattenytan. Skillnaderna i miljön mellan växtplatserna leder till skillnader i fysiologiska anpassningar. Anledningen till att F. vesiculosus och F. radicans valdes som studieobjekt i denna avhandling är att de är viktiga nyckelarter i Bottenhavet. F. vesiculosus och F. radicans är de enda större bältesbildande alger som finns i det artfattiga ekosystemet och de används därför flitigt som mat, gömställe, parningsplats och barnkammare för t.ex. fisk. Att de är nyckelarter gör det angeläget att försöka förstå hur algerna är anpassade och hur de reagerar på miljöförändringar för att få veta hur de kan skyddas och bevaras. F. radicans inkluderades även för att se hur en naturlig art i Bottenhavet är anpassad i jämförelse med den invandrade F. vesiculosus. Marin F. vesiculosus inkluderades för att vara en artreferens från artens naturliga växtplats. Studien visar att det finns fler vattenlösliga organiska substanser (finns vissa organiska substanser som har en proteinskyddande funktion) i den marina ekotypen av of F. vesiculosus än i Bottenhavets ekotyp. Anledningen till detta föreslås vara en anpassning till att växa i tidvattenzonen. Vid lågvatten utsätts F. vesiculosus från Norska havet för starkt ljus, uttorkning, och snabba temperatur- växlingar vilket gör att den kan behöva dessa organiska substanser som skydd mot fria syreradikaler som bildas under lågvattenexponeringarna. F. vesiculosus från Bottenhavet har troligen mist förmågan att syntetisera dessa substanser på grund av anpassning till att hela tiden växa under ytan. Mängden mannitol (socker) är högre i den marina ekotypen av of F. vesiculosus än i Bottenhavets ekotyp. Detta föreslås bero på högre fotosyntetiskt maximum i F. vesiculosus från Norska havet jämfört med ekotypen från Bottenhavet. Skillnaden i fotssyntetiskt maximum är bland annat kopplat till ljus- och salthaltskillnaden på algernas växtplatser. Denna teori styrks av att både fotosyntesen och halten av mannitol ökar i Bottenhavets ekotyp när den behandlas i högre salthalt. Studien visar även att båda ekotyperna av F. vesiculosus samt F. radicans har ett ojämnt förhållande mellan fotosystem II och I (PSII och PSI) med en dominans av PSI. Denna slutsats är baserad på fluorescens emissions mätningar vid 77 K (-196 °C) och mätning av den relativa mängden D1 protein (motsvarar PSII) och PsaA protein (motsvarar PSI). F. vesiculosus från Bottenhavet visar ett emission spektrum som pekar mot en jämnare fördelning av PSII och PSI jämfört med den marina ekotypen och F. radicans. Detta stämmer dock inte med förhållandet mellan D1/PsaA som indikerar att alla tre har mer PSI än PSII. Förklaringen till avvikelsen mellan metoderna antas vara att F. vesiculosus från Bottenhavet har större ljus-infångande antennpigment än marin F. vesiculosus och F. radicans. De tydliga skillnaderna i 77 K fluorescens emission spektra mellan Bottenhavets F. vesiculosus och F. radicans visar att denna metod kan användas som säker artidentifiering. Den marina ekotypen av F. vesiculosus har högre fotosyntetiskt maximum än de båda arterna från Bottenhavet. Mätningar av den relativa mängden av enzymet Rubisco, viktigt för upptaget av koldioxid hos växter och alger, visar att mängden enzym är en sannolik förklaring till skillnaden i fotosyntetiskt maximum mellan den marina ekotypen av F. vesiculosus och F. radicans och detta är troligen en normal artskillnad. Mängden Rubisco kan dock inte förklara skillnaden i fotosyntetiskt maximum mellan de båda ekotyperna av F. vesiculosus. För att undersöka vad skillnaden mellan dessa två beror på så föreslås istället mätningar av Rubisco’s koldioxidfixeringshastighet. Det är en ökning av fotosyntetiskt maximum i Bottenhavets ekotyp av F. vesiculosus när den behandlas i högre salthalt (10, 20 och 35 psu) och det högsta fotosyntetiska maximumet uppmättes i alger som behandlats i 10 psu. Denna ökning beror inte på ökning i den relativa mängden av Rubisco. Ökningen i fotosyntesen speglas dock av en ökning av den relativa mängden PsaA. Detta antas bero på att det behövs mer energi i form av ATP och att en ökning av detta kan ske på grund av att mer PsaA kan driva den cykliska elektrontransporten i fotosyntesreaktionen. Ökat behov av ATP antas bero på en ökning av Rubisco aktiviteten men mätning av aktiviteten krävs för att bekräfta detta.

Photosynthesis in relation to D1, PsaA and Rubisco in marine and brackish water ecotypes of Fucus vesiculosus and Fucus radicans (Phaeophyceae)

The aim of this study was to investigate photosynthetic differences between the marine, Norwegian Sea ecotype and the brackish, Bothnian Sea ecotype of F. vesiculosus and F. radicans and to see whether photosynthetic differences could be connected with the relative amounts of D1 protein (PSII), PsaA (PSI) protein and/or Rubisco. For this purpose, we tested if a higher photosynthetic maximum (P (max)) in the Atlantic Ocean ecotype of F. vesiculosus relative to the Baltic Sea ecotype, and an increase of the P (max) in Baltic Sea ecotype of F. vesiculosus at higher salinity, could be due to an increase in the relative amounts of Rubisco. The proteins have been evaluated on a relative basis. Immunoblot signals showed that the amount of Rubisco was higher in both ecotypes of F. vesiculosus than in F. radicans, but no differences could be detected between the two ecotypes of F. vesiculosus. The results suggest an uneven photosystem protein stoichiometry in Fucus, with more of the PSI protein PsaA relative to the PSII protein D1. The difference in P (max) between the two ecotypes of F. vesiculosus might be related to the difficulties for the algae to adapt to the environment in Bothnian Sea