A reductionist approach to model photosynthetic self-regulation in eukaryotes in response to light

© 2015 Authors; published by Portland Press Limited. This work was supported by the Marie Curie Initial Training Network AccliPhot financed by the European Union [grant number PITN-GA-2012-316427 (to A.M. and O.E.)]; and the Deutsche Forschungsgemeinschaft [Cluster of Excellence on Plant Sciences, CEPLAS (EXC 1028) (to O.E.)].

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Floral and faunal characteristics and content of photosynthetic pigment in soils of northern Victoria Land, Antarctica

Although soil algae are among the main primary producers in most terrestrial ecosystems of continental Antarctica, there are very few quantitative studies on their relative proportion in the main algal groups and on how their distribution is affected by biotic and abiotic factors. Such knowledge is essential for understanding the functioning of Antarctic terrestrial ecosystems. We therefore analyzed biological soil crusts from northern Victoria Land to determine their pH, electrical conductivity (EC), water content (W), total and organic C (TC and TOC) and total N (TN) contents, and the presence and abundance of photosynthetic pigments. In particular, the latter were tested as proxies for biomass and coarse-resolution community structure. Soil samples were collected from five sites with known soil algal communities and the distribution of pigments was shown to reflect differences in the relative proportions of Chlorophyta, Cyanophyta and Bacillariophyta in these sites. Multivariate and univariate models strongly indicated that almost all soil variables (EC, W, TOC and TN) were important environmental correlates of pigment distribution. However, a significant amount of variation is independent of these soil variables and may be ascribed to local variability such as changes in microclimate at varying spatial and temporal scales. There are at least five possible sources of local variation: pigment preservation, temporal variations in water availability, temporal and spatial interactions among environmental and biological components, the local-scale patchiness of organism distribution, and biotic interactions.

Combined effects of solar UV radiation and CO2-induced seawater acidification on photosynthetic carbon fixation of phytoplankton assemblages in the South China Sea, 2010

We carried out short term pCO2/pH perturbation experiments in the coastal waters of the South China Sea to evaluate the combined effects of seawater acidification (low pH/high pCO2) and solar UV radiation (UVR, 280-400 nm) on photosynthetic carbon fixation of phytoplankton assemblages. Under photosynthetically active radiation (PAR) alone treatments, reduced pCO2 (190 ppmv) with increased pH resulted in a significant decrease in the photosynthetic carbon fixation rate (about 23%), while enriched pCO2 (700 ppmv) with lowered pH had no significant effect on the photosynthetic performance compared to the ambient level. The apparent photosynthetic efficiency decreased under the reduced pCO2 level, probably due to C-limitation as well as energy being diverged for up-regulation of carbon concentrating mechanisms (CCMs). In the presence of UVR, both UV-A and UV-B caused photosynthetic inhibition, though UV-A appeared to enhance the photosynthetic efficiency under lower PAR levels. UV-B caused less inhibition of photosynthesis under the reduced pCO2 level, probably because of its contribution to the inorganic carbon (Ci)-acquisition processes. Under the seawater acidification conditions (enriched pCO2), both UV-A and UV-B reduced the photosynthetic carbon fixation to higher extents compared to the ambient pCO2 conditions. We conclude that solar UV and seawater acidification could synergistically inhibit photosynthesis.

Growth and photosynthesis of a diatom Cylindrotheca closterium grown under elevated CO2 in the presence of solar UV radiation

The combination of elevated CO2 and the increased acidity in surface oceans is likely to have an impact on photosynthesis via its effects on inorganic carbon speciation and on the overall energetics of phytoplankton. Exposure to UV radiation (UVR) may also have a role in the response to elevated CO2 and acidification, due to the fact that UVR may variously impact on photosynthesis and because of the energy demand of UVR defense. The cell may gain energy by down-regulating the CO2 concentrating mechanism, which may lead to a greater ability to cope with UVR and/or higher growth rates. In order to clarify the interplay of cell responses to increasing CO2 and UVR, we investigated the photosynthetic response of the marine and estuarine diatom Cylindrotheca closterium f. minutissima cultured at either 390 (ambient) or 800 (elevated) ppmv CO2, while exposed to solar radiation with or without UVR (UVR, 280-400 nm). After a 6 day acclimation period, the growth rate of cells was little affected by elevated CO2 and no obvious correlation with the radiation dose (for both PAR and PAR + UV treatments) could be detected. However, the relative electron transport rate was reduced and was more sensitive to UVR in cells main - tained at elevated CO2 as compared to cells cultured at ambient CO2. The CO2 concentrating mechanism was down regulated at 800 ppmv CO2, but was apparently not completely switched off. These data are discussed with respect to their significance in the context of global climate change.

PhytoREF: a reference database of the plastidial 16S rRNA gene of photosynthetic eukaryotes with curated taxonomy

Photosynthetic eukaryotes have a critical role as the main producers in most ecosystems of the biosphere. The ongoing environmental metabarcoding revolution opens the perspective for holistic ecosystems biological studies of these organisms, in particular the unicellular microalgae that often lack distinctive morphological characters and have complex life cycles. To interpret environmental sequences, metabarcoding necessarily relies on taxonomically curated databases containing reference sequences of the targeted gene (or barcode) from identified organisms. To date, no such reference framework exists for photosynthetic eukaryotes. In this study, we built the PhytoREF database that contains 6490 plastidial 16S rDNA reference sequences that originate from a large diversity of eukaryotes representing all known major photosynthetic lineages. We compiled 3333 amplicon sequences available from public databases and 879 sequences extracted from plastidial genomes, and generated 411 novel sequences from cultured marine microalgal strains belonging to different eukaryotic lineages. A total of 1867 environmental Sanger 16S rDNA sequences were also included in the database. Stringent quality filtering and a phylogeny-based taxonomic classification were applied for each 16S rDNA sequence. The database mainly focuses on marine microalgae, but sequences from land plants (representing half of the PhytoREF sequences) and freshwater taxa were also included to broaden the applicability of PhytoREF to different aquatic and terrestrial habitats. PhytoREF, accessible via a web interface (http://phytoref.fr), is a new resource in molecular ecology to foster the discovery, assessment and monitoring of the diversity of photosynthetic eukaryotes using high-throughput sequencing.

PhytoREF: a reference database of the plastidial 16S rRNA gene of photosynthetic eukaryotes with curated taxonomy

Photosynthetic eukaryotes have a critical role as the main producers in most ecosystems of the biosphere. The ongoing environmental metabarcoding revolution opens the perspective for holistic ecosystems biological studies of these organisms, in particular the unicellular microalgae that often lack distinctive morphological characters and have complex life cycles. To interpret environmental sequences, metabarcoding necessarily relies on taxonomically curated databases containing reference sequences of the targeted gene (or barcode) from identified organisms. To date, no such reference framework exists for photosynthetic eukaryotes. In this study, we built the PhytoREF database that contains 6490 plastidial 16S rDNA reference sequences that originate from a large diversity of eukaryotes representing all known major photosynthetic lineages. We compiled 3333 amplicon sequences available from public databases and 879 sequences extracted from plastidial genomes, and generated 411 novel sequences from cultured marine microalgal strains belonging to different eukaryotic lineages. A total of 1867 environmental Sanger 16S rDNA sequences were also included in the database. Stringent quality filtering and a phylogeny-based taxonomic classification were applied for each 16S rDNA sequence. The database mainly focuses on marine microalgae, but sequences from land plants (representing half of the PhytoREF sequences) and freshwater taxa were also included to broaden the applicability of PhytoREF to different aquatic and terrestrial habitats. PhytoREF, accessible via a web interface (http://phytoref.fr), is a new resource in molecular ecology to foster the discovery, assessment and monitoring of the diversity of photosynthetic eukaryotes using high-throughput sequencing.

Marine photosynthetic picoeukaryotes: community structure at different spatial scales

Programa de doctorado en Oceanografía. En portada: Institut de Ciènces del Mar. Instituto Español de Oceanografía. La fecha de publicación es la fecha de lectura

Effect of ambient levels of ozone on photosynthetic components and radical scavenging system in leaves of African cowpea varieties

Tropospheric ozone (O3), a main component of photochemical oxidants, adversely affects not only human health but also vegetation. To clarify the long-term effects of ambient levels of tropospheric ozone (O3) on photosynthetic components and radical scavenging system in the leaves of cowpea ( Vigna unguiculata L.), two African varieties, Blackeye and Asontem, were grown in open-top chambers and exposed to filtered air (FA), non-filtered air (NF) or non-filtered air with additional O3 of approximately 50 nl l-1. Ambient levels of O3 significantly reduced chlorophyll concentration, quantum yield and activity of ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco), thus contributing to the reduction in net photosynthetic rate at the reproductive growth stage of both varieties; with no significant variety difference in the sensitivity to O3. The O3-induced significant reduction in catalase activity was observed in Blackeye at vegetative and reproductive growth stages; and in Asontem at reproductive growth stage. On the other hand, exposure to O3 significantly increased ascorbate peroxidase activity in Blackeye at reproductive stage and did not significantly affect that in Blackeye at vegetative growth stage and that in Asontem at both growth stages. At reproductive growth stage, activities of monodehydroascorbate reductase and glutathione reductase were significantly increased by the exposure to O3 in both varieties. The results obtained in this study suggest that, although ascorbate peroxidase, monodehydroascorbate reductase and glutathione reductase played important roles in scavenging O3-induced reactive oxygen species in the leaves, radical scavenging ability of these enzymes is not sufficient to avoid detrimental effects of ambient levels of O3 on photosynthesis in both African cowpea varieties.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Light and dark carbon uptake by Dinophysis species in comparison to other photosynthetic and heterotrophic dinoflagellates

The marine dinoflagellate genus Dinophysis includes species that are the causative agents of diarrhetic shellfish poisoning (DSP). Recent findings indicate that some Dinophysis species are mixotrophic, i.e. capable of both autotrophic and heterotrophic nutrition. We investigated inorganic (and organic) carbon uptake by several species of Dinophysis in the Light and dark using the 'single-cell C-14 method', and compared uptake rates with those of photosynthetic Ceratium species and heterotrophic dinoflagellates in the genus Protoperidinium. Experiments were conducted with water from the Gullmar Fjord and from the Koster Strait (Swedish west coast). Nutrient-enriched phytoplankton from surface water samples were concentrated (20 to 70 mu m) and incubated at in situ temperature under artificial light conditions with high concentrations of inorganic C-14 (1 mu Ci ml(-1)). Individual cells of each desired species were manually isolated under a microscope and transferred to scintillation vials. C. tripes showed net C-14 uptake only during light periods, whereas both C. lineatum and C. furca showed C-14 uptake in the Light as well as uptake (and sometimes losses) in the dark. Dinophysis species had similar carbon fixation rates in Light compared to Ceratium species. For D. acuminata and D. norvegica, net carbon uptake occurred in both Light and dark periods. D. acuta showed a loss of carbon in the dark in one experiment, but in another, dark C uptake was significantly higher than uptake in Light. When exposed to Light, C. furca, D. norvegica and D. acuta had high specific carbon uptake rates. Growth rates for the different species were calculated from C-14 uptake by the cells during the first hours of incubation in light. D. acuminata and D. norvegica had similar maximum growth rates, 0.59 and 0.63 d(-1) (mu); the maximum growth rate of D. acuta was lower (0.41 d(-1)). The positive dark carbon uptake by Dinophysis may suggest a mixotrophic mode of nutrition. In one experiment, both D. norvegica and D. acuta showed a significantly higher carbon uptake in a dark bottle than in a Light bottle, which would be consistent with uptake of C-14-labeled organic matter by D. norvegica and D. acuta. Demonstration of direct uptake of dissolved and particulate organic matter would provide conclusive evidence of mixotrophy and this will require the development of new protocols for measuring organic matter uptake applicable to Dinophysis in the natural assemblages.

Influência do sistema anteoxidante da catalase no ciclo do glioxilato durante o estabelecimento pós-germinativo de cártamo (Carthamus tinctorius L.) e de girassol (Helianthus annuus L.)

Oilseeds are a high-value natural resource, due to its use as a substitute for petroleum. However, the storage time can reduce seed viability and oil quality. Therefore, scientific efforts have been made to provide a increment of storage time, germination rates and plant establishment of high-value oilseeds. The seedling establishment depends of the plant pass over the functional transition stage, characterized by a metabolic change from heterotrophic condition to autotrophic one. The storage oil mobilization is performed by β-oxidation process and the glyoxylate cycle. Also, the functional transition involves acclimation to photosynthetic condition, which generally includes the participation of antioxidant system and the reactive oxygen species, the latter are produced in various reactions of primary and secondary metabolism. In the present study, Catalase was inhibited during the functional transition of sunflower and safflower, after were performed many analyzes to elucidate the effects caused on the SOD and APX antioxidant systems. Also, were checked the changes in expression pattern of the glyoxylate cycle enzymes markers, ICL and MLS. It was observed that after CAT inhibition, the SOD and APX antioxidant systems allow the seedling establishment. Besides, was verified that both oilseeds can be accelerate the reverse mobilization and the photosynthetic establishment when Catalase activity has dramatically decreased