Boelen, Peter

Dutch

ARTS repository - University of Groningen

   University of GroningenSun-dazed to the coreBoelen, PeterIMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of recordPublication date:2002Link to publication in University of Groningen/UMCG research databaseCitation for published version (APA):Boelen, P. (2002). Sun-dazed to the core: Accumulation of DNA damage in (sub) tropical picoplanktonassemblages exposed to solar ultraviolet radiation. s.n.CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).The publication may also be distributed here under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license.More information can be found on the University of Groningen website: https://www.rug.nl/library/open-access/self-archiving-pure/taverne-amendment.Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.Download date: 20-06-2022ate orrsiderrs haslctionult ofrepairrge inr thisrsefulflow{raay>let-B-t ion. Jnarinern andearch:ationsSAMENVATTINGHet onderzoek dat in dit proefschrift wordt beschreven, heeft een bijdrage geleverdaan de kennis over de invloed van schadelijke componenten van het zonlicht op dekleinste organismen in tropische en subtropische zeeën en oceanen.Oceanen beslaan ruim tweederde van het aardoppervlak. Aan de basis vanvrijwel al het leven in de oceanen staan kleine vrijzwevende eencellige algen, oftewelhet fytoplankton. Algen maken gebruik van kooldioxide, andere anorganischevoedingsstoffen en zonlicht om celmateriaal te produceren. Het fytoplankton wordtbegraasd door zoóplankton en vormt zo het begin van een voedselketen aar steedsgrotere dieren. Ongeveer de helft van het organisch materiaal dat door hetfytoplankton wordt geproduceerd, wordt echter direct hergebruikt. Opgelosteorganisclte moleculen lekken uit het fytoplankton of komen vrij als het fytoplanktonafsterft. BU de afbraak van dit organisch materiaal spelen mariene bacteriën, hetbacterioplankton, een belangrijke rol.Tropische en subtropische oceanen, tussen 30o noorderbreedte en 30ozuiderbreedte, zijn over het algemeen zeer helder. De biomassa aan algen in dit soortwateren is laag omdat er weinig anorganische voedingstoffen in zitten. In zo'nomgeving moet een organisme klein zijn om te kunnen concuÍreren met andereorganismen. Bij kleine cellen is de verhouding fussen de oppervlakte van de cel en deinhoud van de cel gunstig waardoor voedingsstoffen vlugger opgenomen kunnenworden. Het fytoplankton en het bacterioplankton in deze voedselarrne oceanen zijndan ook zeer klein. Het overgrote deel van het plankton bestaat uit organismen diekleiner zlln dan 2 pm in doorsnede; het picoplankton.Ofschoon kleine cellen het voordeel hebben dat ze makkelijk voedingsstoffenkunnen opnemen zijn ze, omdat ze zo klein zrjn, extra gevoelig voor de schadelijkecomponenten van het zonlicht. De intensiteit van het zonlicht is in de tropen ensubtropen het gehele jaar hoog. Daar komt bij dat zonnestraling tot grote diepte kandoordringen in de heldere (sub)tropische oceanen. Een zeer schadelijke componentvan het zonlicht is ultraviolet-B-straling (UVB-straling). UVB-straling bestaat uit dekortste golflengtes van het zonlicht die nog tot het aardoppervlak kunnendoordringen, nameltlk de golflengtes tussen de 280 en 315 nanometer. Alhoewel dezegolflengtes maar een klein deel uitmaken van het totale zonnespectrum zijn ze tochenergierijk genoeg om grote schade te kunnen aanrichten aan biologische moleculenzoals eiwitten of DNA.DNA is de drager van de genetische code en daarom onmisbaar voor iederlevend wezen. UVB-straling wordt sterk geabsorbeerd door DNA. Dit kan leiden totfotochemische reacties met als gevolg het ontstaan van DNA-fotoproducten. Dezefotoproducten, zoals cyclobutaan pyrimidine dimeren (CPDs), blokkeren de enzymen1 3 5die van belang zijn br1 de transcriptie n de replicatie van het DNA. Dit kan leiden totmutaties, afname in groeisnelheid of zelfs celsterfte. Over het algemeen zijn cellen instaat deze schade aan het DNA te repareren. De twee belangrijkstereparatiemechanismen zijn 'nucleotide excisie reparatie' en fotoreactivering.Fotoreactivering is een proces waarbij het enzym fotolyase met behulp van zonlichtde beschadiging van het DNA ongedaan maakt. Deze vorm van DNA reparatie isafhankelijk van de hoeveelheid zonlicht die kan doordringen in het water. On-rdat'nucleotide excisie reparatie' in tegenstelling tot fotoreactivering ook in het donkerkan plaatsvinden wordt deze vorrn van herstel ook wel donkerreparatie genoemd.Brj de start van dit promotieonderzoek, in 1995, was er nauwelijks iets bekendover de n-rogehlke ffecten van nafuurlijke UVB-straling op het DNA van marientropisch picoplankton. Of er in zee ophoping van UVB-geïnduceerde DNA-schadeplaatsvond, of dat bijvoorbeeld DNA-herstelmechanismen in staat waren dit tegen tegaan was nog nooit onderzocht. Over het algemeen werd aangenomen dat tropischplankton goed aangepast zou ziln aan de hoge intensitcit van UVB-straling in detropen.In dit proefschrift worden verscheidene veldstudies beschreven waarin deeffecten van natuurlijke UVB-straling op tropisch en subtropisch picoplankton zijnonderzocht. De belangrijkste vraagstelling was of UVB-straling schade konveroorzaken in een belangnjk organisch molecuul dat aanwezig is in alle levendeorganismen, dus ook in het mariene picoplanktor-r: het DNA. De volgende hypotheseswerden gedefinieerd aan het begin van deze studie.l. In zee wordt het DNA van marien tropisch picoplankton beschadigd oor UVB-straling.2. Deze schade wordt voornamelijk gerepareerd door middel van fotoreactivering.3. Groter plankton is beter bestand tegen UVB-straling dan kleiner plankton.4. Tropisch plankton is beter bestand tegen UVB-straling dan plankton van hogerebreedtegraden.Om deze hypotheses te kunnen toetsen werd allereerst informatie verzanleld hoe verbiologisch effect ieve UVB-stral ing, d.w.z. UVB-stral ing die in staat is om het DNAte beschadigen, kan doordringen in (sub)tropische wateren. Hiervoor werd eengevoelige DNA-dosimeter ontwikkeld die werd getest gedurende en vaartocht op deAtlantische Oceaan en in verschillende waterlypes voor de kust van Curagao(hoofdstuk 2). Kleine buisjes met een DNA-oplossing werden voor een bepaaldeperiode opgehangen op verschi l lende dieptes. Vervolgens werd de hoeveelheid UVB-geïnduceerde DNA-schade, gemeten als de hoeveelheid CPDs, in deze Dl.lA-oplossing bepaald. De hoeveelheid geïnduceerde DNA-schade werd vergeleken rnctde hoeveelheid biologisch effectieve UVB-straling waaraan de dosimeterbuisjeswaren blootgesteld. Deze biologisch effectieve doses werden berekend aan de handvan lichtmetingen met behulp van een spectroradiometer met onderwatersensor. DeDNA-dosimeter bleek een betrouwbare en makkeliike manier om de hoeveellieid1 3 6schadelijke U\biologisch effewater. Dit is dite kunnen beïnOp dezelfhet bacterio- edieptes zeewtfilters gebruiktdiameter tussediameter tusseschade gevoncschade werdOceaan. Dit otOm een uhet nodig omveldmonsterswaterkolom aldit transport vvan het zonliDNA-schadelichtomstandiblootgesteldverzameld vllichtregimes.afgeschermd.DNA-sYnthesbepaald wortzonnesPectruDNA-sYntherIn hooftvoor UVB-sgevoeligheidwerd uitgedgeïnduceerdafgeschermcfracties welverhoudingophooPt gecOok ' in hetvan het Plalpicoplanktoexperiment3n totlen inijkste:ring.r l ichtt ie  istmdatrnker:kend.arien:hade,en tepischn d er d ezijnkonendeICSCS'VB-19.gereverINAeenr d e9aor lde/B-.IA-net,J esrndDee idSamenvattingschadelijke UVB-straling in mariene wateren te meten. De resultaten laten zien datbiologisch effectieve UVB-straling tot enkele tientallen meters kan doordringen in hetwater. Dit is diep genoeg om mariene organismen in (sub)tropische zeeën en oceanente kunnen beïnvloeden.Op dezelfde locaties is ook de hoeveelheid UVB-geïnduceerde DNA-schade inhet bacterio- en fytoplankton bepaald (hoofdstuk 3). Hiervoor werd op verschillendedieptes zeewater verzameld dat vervolgens werd gefiltreerd. Er werden meerderefilters gebruikt zodat een onderscheid kon worden gemaakt ussen plankton met eendiameter tussen de 0,2 pm en 1 Fr- (de kleine fractie) en het plankton met eendiameter tussen I pm en 10 pm (de grote fractie). Gemiddeld werd er meer DNA-schade gevonden in de kleine fractie dan in de grote fractie. De grootste hoeveelheidschade werd gemeten in een kleine fractie aÍkomstig uit de centrale AtlantischeOceaan. Dit ondanks het feit dat op andere locaties meer UVB-straling gemeten werd.Om een uitspraak te kunnen doen hoe gevoelig plankton voor UVB-straling is, ishet nodig om te weten aan hoeveel zonlicht het plankton heeft blootgestaan. Dit is brlveldmonsters moeilijk te bepalen omdat het plankton op en neer beweegt in dewaterkolom als het gevolg van door de wind veroorzaakte verticale menging. Tijdensdit transport verandert niet alleen de hoeveelheid maar ook de spectrale samenstellingvan het zonlicht waaraan het plankton wordt blootgesteld. Om de ophoping vanDNA-schade in picoplankton te kunnen volgen onder goed gedefinieerdelichton-rstandigheden werden veldmonsters in transparante zakken aan het zonlichtblootgesteld (hoofdsfuk 4). Veldpopulaties van mariene bacteriën die warenverzameld voor de kust van Curagao, werden blootgesteld aan verschillendelichtregimes. Door middel van filters werd een deel van het zonnespectrumafgeschermd. Het effect van verschillende golflengtes op de snelheid van eiwit- enDNA-synthese en op de inductie van DNA-schade (CPDs) kon op deze manierbepaald worden. De resultaten toonden aan dat alleen het UVB-gedeelte van hetzonnespectrum verantwoordelijk is voor het optreden van DNA-schade. Eiwit enDNA-synthese werden geremd door alle delen van het zonnespectrum.In hoofdstuk 5 wordt een reeks experimenten beschreven waarin de gevoeligheidvoor UVB-straling van tropisch bacterio- en fytoplankton is onderzocht. De UVB-gevoeligheid van twee fracties (0,2 tot 0,8 pm en 0,8 tot 10 p*) van het planktonwerd uitgedrukt als de verhouding tussen de hoeveelheid DNA-schade die werdgeïnduceerd in het plankton en de hoeveelheid schade geïnduceerd in nietafgeschermd en ongerepareerd 'kaal' DNA. Een verschil tussen de twee plankton-fracties werd niet gevonden. In beide fracties schommelde de 'DNA-schade'verhouding rond de 0,32. Uit analyse van veldmonsters bleek dat DNA-schade zichophoopt gedurende de dag en aan het eind van de middag of 's nachts weer afneemt.Ook 'in het veld' werd geen verschil gevonden tussen de kleine en de grotere fractievan het plankton. Om te onderzoeken of br1 het herstel van DNA-schade in tropischpicoplankton fotoreactivering wellicht een rol speelt, zijn 'transplantatie'experimenten uitgevoerd. Hierbr.l werden veldmonsters blootgesteld aan het volle137zonlicl i t  en vervolgens verplaatst naar l0 meter dieptc. Op dcze dicpte is de intensite i tvan de UVB-straling laag maar zijn de golflengtes die van belang zijn bijf ,otoreactivering og steeds aanwezig. Herstel van DNA-schade trad nict op. Dit houdtin dat oftewel in tropisch picoplankton fotoreactivering niet plaatsvindt of dat deherstelmechanismen van het plankton beschadigd waren door de hoge l icht intensitci tin de zakken.Deze laatste mogelijkheid werd ondersteund door experimenten \\,aarbUnatuurlijke populaties van bacterio- en fytoplankton, afkonrstig uit dc Golf van Aqaba(Rode Zee), gcdurende twee achtereenvolgende agcn werden blootgesteld aanzonlicht (hoofdstuk 6). Terwij l  de dageli jkse hoeveelheid UVB-stral ing nietveranderde, was de toenamc van DNA-schade in het plankton hoger op de twccde dagdan op de eerste dag. Bl i jkbaar waren de DNA-herstelcapaciteitcn van het planktonvernrinderd gedurende hct experiment. De toename en afnanrc van DNA-schade irusi lrz werd gcvolgd door op achtereenvolgende agen veldrnonsters te analyscrcn. Dchoeveell"reid CPDs in hct planktorr nam toe gedurende dc dag. Dit betekent dat UVB-straling eerr stressfactor is voor liet plankton in de Golf van Aqaba. Hoer,vel dehoeveell-reid DNA-schade afirarn in liet donker, bleek dat er aan het eind van nachtr-rog steeds wat restschade aanwezig was. Dit suggcreert dat donkerreparatieprocessenniet in staat waren alle DNA-schade te verwijderen. E,en ar"rdere n-rogehlkheid is datde DNA-schade niet gcl i jk verdeeld was over de populat ie, maar dat een groot deelvan de schade aar"rwezig was in een aantal zwaar beschadigde cellen die daardoor nietmeer in staat waren deze schade te repareren. Er werd geen verschil gevonden fussende kleine (0,2 pm tot 0,8 pm) en de grote (0,8 prn tot l0 pm) fract ie van het plankton.Dit was echter niet het geval b11 de experimentcn waarbi j  het plankton gedurendetwee achtereenvolgende dagen in zakken werd blootgesteld aan het zonlicht. In dekleine fractie var-r het plankton werd meer DNA-schadc geïnduccerd an in de grotefract ie. Een verklaring hiervoor was dat de soortensamenstel l ing van het plankton ir tde zakken niet hetzelfde was als in het veld. Na een nacht was de hoeveelheidbacteriën en cyanobacteriën in de zakken fors tocgcnomcn. Deze resultaten toondenaan dat een verandering in soortensamenstel l ing of in l ichtcondit ies kan leiden tot eenverandering in UVB-gevoeligheid van de picoplanktongemeenschap.Om de vraag te kunnen beantwoorden of plankton uit tropiscl-re gebieden beterbestand is tegen UVB-straling dan plankton van hogere brecdtegraden, ziy"t dcgegevens die verzameld waren in de tropen en subtropen vergeleken rnet gegevens uitgematigde n Antarct ische gebieden (hoofdstuk 7). De gevoeligheid van hct planktonwerd berekend door de hoeveelheid CPDs die zich in de loop van de dag in hctplankton ophoopt te delen door de hocveelheid UVB-geïnduceerde DNA-schaclc ineen DNA-dosimeter. Er werd geen verband gevonden tussen breedtegraad en UVB-gevoeligheid. Niet al leen klein marien plankton uit  Antarct ische en genratigdegebieden maar ook tropisch plankton bleek gevoeliger voor UVB-stral ing danplankton uit subtropische gebiederr. Verder werd het fytoplankton uit de gematigde enAntarct ische gebieden gedomineerd oor grote kiezelwieren (diatomeeën) die relat ief1 3 8orrgevocl igdat r i iet aivoor IJVBadaptatieplCONCLU1 .  U i t  hgeïndpicopmcngDczeTClllIT2.  De e;hctp icopzt1n,3.  Mar ioverÍll,ategevofractgevofytolgevc4 .  E r kUVIvanUVlgeffUVUVB-strfytoplansterk kagevondegeconchaardoppgevo lg 'r de intensiteitang zijn bUop. Dit houdtrdt of dat deichtintensiteitnten waarbijrlf van Aqabartgesteld aan'stral ing nietle tweede daghet plankton{A-schade izrtalyseren. De:nt dat UVB-. Hoewel dend van nachtatieprocessenUkheid is dat:n groot deeldaardoor nietonden tussenhet plankton.n gedurendenlicht. In der in de groteI plankton inhoeveelheidtten toondenoiden tot eenbieden beterlen, zijn degegevens uithet planktondag in hetA-schade inrd en UVB-gematigdetraling dan:matigde endie relat ief2 .aJ .Samenvattingongevoelig warer-r voor UVB-geïnduceerde DNA-schade. De resultaten toonden aandat niet al lecn dc breedtegraad bepalend is voor de gevoeligheid van het planktonvoor UVB-straling. Andere factoren zoals celgrootte, tekort aan voedingsstoffen ofadaptatieprocessen ku nen niet buiten beschouwing worden gelaten.CONCLUSIES:l . Uit het onderzoek dat in dit proefschrift wordt beschreven, blijkt dat UVB-geïr-rduceerde DNA-schade een algemeen fenomeen is in marien (sub)tropischpicoplankton. Dit houdt in dat, ook al is plankton onderhevig aan vert icalemenging, natuurlijke UVB-straling een stressfactor is voor deze organismen.Deze vorm van stress kan de groeisnelheid verminderen als het gevolg van derentming van eiwit- of DNA-synthese.De experimenten toonden aan dat donkerreparatie een belangr4ke rol speelt bijhet verwijderen van UVB-geïnduceerde DNA-schade in (sub)tropischpicoplankton. Omdat gedurende de dag DNA-reparatiesnelheden relatief laagzrjn, li jkt fotoreactivering van minder belang te zi1n.Mariene bacteriën en klein fytoplankton (< I pm in diameter) vormen samen deovergrote n-reerderheid van alle organismen in voedselarme (sub)tropischewateren. In het algemeen werden geen verschi l len gevonden in UVB-gevoeligheid tussen verschi l lende groottefract ies van deze kleine organismen. Infracties groter dan I p- werd echter mir-rder UVB-geïnduceerde DNA-schadegevonden dan in kleinere fracties. Dit houdt in dat groter (eukaryotisch)fytoplankton, alhoewel nauwelijks aanwezig in voedselarme wateren, mindergevoelig is voor UVB-geïnduceerde DNA-schade.Er kon niet worden aangetoond at tropisch picoplankton beter bestand is tegenUVB-straling dan plankton van hogere breedtegraden. Andere factoren blekenvan groter belang dan de breedtegraad. Tropisch plankton was gevoeliger voorUVB-straling dan subtropisch plankton. Verder bleek het fytoplankton ingematigde en Antarctische gebieden gedomineerd te worden door grote, relatiefUVB-resistente, diatomeeën.UVB-straling is een belangrijke fysische parameter die het mariene bacterio- enfytoplankton in de bovenste laag van tropische en subtropische zeeën en oceanensterk kan beïnvloeden. Verschillen in UVB-gevoeligheid van het plankton werdengevonden tussen verschillende groottefracties, locaties en seizoenen. Hieruit kangeconcludeerd worden dat veranderingen in de hoeveelheid UVB-straling die hetaardoppervlak bereikt of veranderingen in de helderheid van het water, b.v. als hetgevolg van eutrofiering, van invloed zullen zijn op mariene voedselketens.4 .1 3 9

Sun-dazed to the core:Accumulation of DNA damage in (sub) tropical picoplankton assemblages exposed to solar ultraviolet radiation

https://pure.rug.nl/ws/files/13269647/Boelen.PDF

Sun-dazed to the core:Accumulation of DNA damage in (sub) tropical picoplankton assemblages exposed to solar ultraviolet radiation

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

ARTS repository - University of Groningen