Genetic variability and structuring of deep Corallium rubrum (Linnaeus, 1758) populations

ABSTRACT Given the decline of shallow-water red coral populations resulting from over-exploitation and mass mortality events, deeper populations below 50 metres depth (mesophotic populations) are currently the most harvested; unfortunately, very little is known about their biology and ecology. The persistence of these populations is tightly linked to their adult density, reproductive success, larval dispersal and recruitment. Moreover, for their conservation, it is paramount understand processes such as connectivity within and among populations. Here, for the first time, genetic variability and structuring of Corallium rubrum populations collected in the Tyrrhenian Sea ranging from 58 to 118 metres were analyzed using ten microsatellite loci and two mitochondrial markers (mtMSH and MtC). The aims of the work were 1) to examine patterns of genetic diversity within each geographic area (Elba, Ischia and Praiano) and 2) to define population structuring at different spatial scales (from tens of metres to hundreds of kilometres). Based on microsatellite data set, significant deviations from Hardy-Weinberg equilibrium due to elevated heterozygote deficiencies were detected in all samples, probably related to the presence of null alleles and/or inbreeding, as was previously observed in shallow-water populations. Moreover, significant levels of genetic differentiation were observed at all spatial scale, suggesting a recent isolation of populations. Biological factors which act at small spatial scale and/or abiotic factors at larger scale (e.g. summer gyres or absence of suitable substrata for settlement) could determine this genetic isolation. Using mitochondrial markers, significant differences were found only at wider scale (between Tuscany and Campania regions). These results could be related to the different mutation rate of the molecular makers or to the occurrence of some historical links within regions. A significant isolation by distance pattern was then observed using both data sets, confirming the restricted larval dispersal capability of the species. Therefore, the hypothesis that deeper populations may act as a source of larvae helping recovery of threatened shallow-water populations is not proved. Conservation strategies have to take into account these results, and management plans of deep and currently harvested populations have to be defined at a regional or sub regional level, similarly to shallow-water populations. Nevertheless, further investigations should be needed to understand better the genetic structuring of this species in the mesophotic zone, e.g. extending studies to other Mediterranean deep-water populations.

Effetto dei modulatori del sistema serotoninergico sulla trasduzione del segnale AMPc-dipendente nel mitilo

Lo sviluppo della medicina ha determinato un utilizzo sempre crescente di sostanze farmacologiche, le quali una volta escrete dagli organismi raggiungono le acque dei fiumi e dei laghi, per arrivare poi all’ambiente marino costiero, che ne risulta sempre maggiormente contaminato. Negli organismi non bersaglio esposti ai residui dei farmaci in ambiente, queste sostanze potrebbero indurre effetti simili a quelli specifici nel caso i bersagli molecolari siano stati conservati durante l’evoluzione, oppure avere effetti inattesi se i bersagli molecolari sono conservati ma hanno una differente funzione. Questo lavoro di tesi è volto a studiare i potenziali effetti indotti dalla fluoxetina (FX, farmaco antidepressivo inibitore dell’uptake della serotonina), e dal propranololo (PROP, farmaco bloccante sia dei recettori β-adrenergici che serotoninergici nell’uomo) nei mitili Mytilus galloprovincialis, esposti a tali sostanze, valutandone l’interazione con i meccanismi di trasduzione del segnale AMPc-dipendente. Sono stati valutati in particolare i livelli di AMPc e l’attività dell’enzima PKA, inoltre si è studiato se i farmaci influiscano con i meccanismi di regolazione del gene ABCB1, che codifica per la P-glicoproteina (Pgp), che ha il compito di estrudere all’esterno della cellula gli xenobiotici che vi sono entrati. Gli studi sono stati condotti dopo esposizione dei mitili in vivo ai due farmaci ed alla loro miscela per 7 giorni in acquario. I risultati hanno indicato che la FX causa una diminuzione statisticamente significativa dei livelli di AMPc, dell’attività della PKA e anche dell’espressione del gene ABCB1 rispetto al controllo, sia nel mantello che nella ghiandola digestiva. Nella ghiandola digestiva il PROP provoca una significativa riduzione dei livelli di AMPc, dell’attività della PKA e dell’espressione del gene ABCB1 rispetto ai valori di controllo. Nel mantello, invece, il PROP aumenta i livelli di AMPc e l’espressione del gene ABCB1, anche se non ha effetti significativi sull’attività della PKA. Per caratterizzare i recettori per la serotonina (5HT), e il possibile ruolo di antagonista giocato dal PROP, abbiamo inoltre trattato in vitro emociti di mitilo con la 5HT l’agonista fisiologico del recettore, usata da sola ed in presenza del PROP. I dati ottenuti dimostrano che negli emociti di mitilo sono espressi recettori 5HT1 accoppiati a proteine G inibitrici, e che il PROP blocca l’effetto della 5HT, agendo come antagonista dei recettori 5HT1. Nell’insieme i dati dimostrano che i farmaci possono avere effetti sugli organismi acquatici anche a concentrazioni molto basse come quelle ambientali. I dati della tesi non dimostrano che PROP e FX hanno effetti deleteri sulle popolazioni o le comunità dei molluschi, ma debbono essere considerati come indicatori della vulnerabilità degli animali a questi composti. Si è dimostrato per la prima volta che gli emociti di mitilo possiedono recettori di tipo 5HT1 correlati alla riduzione dei livelli intracellulari di AMPc, e soprattutto che il sistema AMPc/PKA è deputato alla regolazione dell’espressione dei geni ABCB1 codificanti per proteine del complesso Multi Xenobiotic Resistance.

Caratterizzazione dei parametri fisiologici di microalghe utilizzabili nei processi di fitodepurazione

La depurazione è un processo finalizzato a ridurre in modo significativo le sostanze inquinanti presenti nelle acque reflue prima del loro rilascio in ambiente. L’uso delle alghe in impianti di depurazione di acque reflue prende il nome di ficorimedio e potrebbe rappresentare un’alternativa o una integrazione alla depurazione tradizionale dei reflui per il fatto che le alghe operano la rimozione di nutrienti e metalli pesanti dalle acque e al tempo stesso possono fornire biomassa utilizzabile come nuova fonte di energia. Lo scopo principale di questo lavoro è stato di saggiare la capacità depurativa di microalghe idonee per la depurazione dei reflui, questo è stato fatto tramite due esperimenti. Il primo esperimento è stato realizzato in modo tale da simulare un sistema continuo di crescita di Scenedesmus sp. andando a ricreare le stesse condizioni di un sistema all’aperto come negli open ponds, in particolare prelevando periodicamente una parte di biomassa e sostituendola con terreno nuovo. Sono state applicate tre diverse condizioni per analizzare quale metodo permetteva di ottenere maggiori valori di produttività di biomassa e per valutare come questa si diversifica nel tempo nella sua componente biochimica, inoltre si è valutata anche la componente fisiologica, attraverso la misura dell’efficienza fotosintetica. Nel successivo esperimento è stata utilizzata una popolazione algale naturale, proveniente dalla vasca di sedimentazione terziaria del depuratore di Ravenna, e fatta crescere nell’effluente primario. L’esperimento era volto a comprendere i processi di successione delle microalghe in un sistema aperto attraverso uno studio della composizione delle specie nel tempo e a confrontare la crescita e l’efficienza di fitodepurazione della popolazione mista con quelle di Scenedesmus sp. Nelle colture di Scenedesmus sp. in semicontinuo si è visto che il tempo di residenza idraulica minore determina una concentrazione di biomassa inferiore a quella che si ottiene nelle colture con tempi di residenza idraulica maggiori. La produttività dei polisaccaridi (g/L/day) risulta più elevata all’aumentare dei tempi di residenza idraulica, mentre per le proteine l’andamento è inverso. I valori di efficienza fotosintetica evidenziano fenomeni di fotoinibizione nella coltura con minor tempo di residenza idraulica senza che vi sia un danno dell’apparato fotosintetico. L’esperimento basato sulla crescita di una popolazione naturale in coltura batch ha mostrato che la velocità di crescita e la densità di biomassa raggiunta sono di poco inferiori a quelle della monocoltura di Scenedesmus sp. La popolazione è in grado di rimuovere i nutrienti presenti nell’effluente primario dopo 7 giorni, in un tempo maggiore rispetto a quello impiegato da Scenedesmus sp. Questo esperimento ha evidenziato che, sebbene Scenedesmus sp. fosse presente in scarsa quantità all’inizio dell’esperimento, la sua concentrazione aumenta nel tempo dimostrando così di essere maggiormente competitiva rispetto alle altre microalghe presenti nella coltura e di resistere a grazers e patogeni. I risultati ottenuti in questo studio sono importanti per la conduzione di esperimenti di ficodepurazione su scala più ampia e ha permesso di comprendere come la biomassa algale si caratterizza nel tempo andando a simulare le condizioni di crescita in un sistema continuo.

Controllo adrenergico del metabolismo glucidico in Anguilla anguilla

Le conoscenze relative al controllo ormonale del metabolismo epatico dei pesci sono ancora piuttosto limitate e per molti anni sono state controverse. Per lungo tempo si è ritenuto che le catecolamine, adrenalina e noradrenalina, agissero nel fegato dei pesci soltanto attraverso i recettori adrenergici di tipo β. Quindi l’assetto recettoriale dei mammiferi, che comprende recettori α e β, era considerato frutto di un processo evolutivo che non aveva ancora avuto luogo nei pesci. Successivamente, nel fegato di vari teleostei è stata dimostrata la presenza di recettori sia α che β. Tuttavia il ruolo fisiologico dei due tipi di recettori non è ancora chiaro. Per esempio, in acciughe e sgombri non è stato fatto alcuno studio sulla risposta alle catecolamine ottenuta attraverso i recettori α e β, nel fegato di trota i recettori α non sono accoppiati alla cascata fisiologica che porta al rilascio di glucosio, e in anguilla e pesce gatto l’azione delle catecolamine attraverso recettori β è predominante rispetto a quella attraverso recettori α. L’utilizzo di ligandi farmacologici non ha portato a chiarimenti significativi, perché la loro specificità per i recettori di mammifero non trova sempre riscontro nei pesci. In questo studio, quindi, abbiamo studiato l’espressione dei geni codificanti per i recettori α e β adrenergici attraverso la tecnica della PCR real time, ottenendo i primi dati in letteratura per quanto riguarda la loro quantificazione assoluta. L’organismo modello utilizzato è stata l’anguilla, teleosteo caratterizzato da un ciclo biologico molto particolare in cui si distinguono nettamente una fase gialla ed una argentina. Le anguille argentine non sono mai state studiate a tale proposito, e date le estreme differenze nella disponibilità e nell’uso delle risorse energetiche in questi due stadi di crescita, il presente studio ha mirato a valutare la differente sensibilità alle catecolamine da parte degli epatociti isolati da anguille gialle ed argentine. I nostri dati hanno confermato quanto solo ipotizzato nei vari studi pubblicati negli ultimi due decenni, ma mai avvalorato da risultati sperimentali, cioè che i recettori α e β sono contemporaneamente espressi negli epatociti dell’anguilla, sia gialla che argentina, e la proporzione tra loro giustifica il ruolo significativamente maggiore giocato dai recettori β. Nelle anguille argentine infatti, come nelle gialle, l’effetto dell’adrenalina sul rilascio di glucosio ottenuto attraverso recettori β è chiaramente predominante. Inoltre, i nostri dati indicano che in due diverse fasi del ciclo vitale dell’anguilla, così come si osserva nell’ontogenesi dei mammiferi, i recettori adrenergici sono espressi in quantità differente.

Variazione della capacità riproduttiva del corallo Leptopsammia pruvoti (Scleractinia, Dendrophylliidae) lungo un gradiente latitudinale di temperatura

La temperatura influenza molti dei processi fisiologici degli organismi marini e, considerato che la riproduzione dei coralli sembrerebbe essere sensibile agli stress, è necessario comprendere come questa possa reagire ai cambiamenti climatici globali per riuscire a prevedere le future risposte delle popolazioni. Leptopsammia pruvoti (Scleractinia, Dendrophylliidae) è un corallo solitario non zooxantellato presente in Mediterraneo e lungo le coste Atlantiche dal Portogallo alla Gran Bretagna meridionale, dalla superficie fino a 70 metri di profondità.. È un organismo gonocorico con fecondazione interna. In questo lavoro di tesi sono stati analizzati gli aspetti della gametogenesi di L. pruvoti a diverse latitudini per ottenere risultati preliminari riguardanti le possibili correlazioni tra attività riproduttiva e parametri ambientali (temperatura e irradianza). Tale studio si colloca all’interno del progetto europeo sul riscaldamento globale e biologia dei coralli FP7–IDEAS-ERC “Corals and Global Warming: The Mediterranean versus the Red Sea” (CoralWarm). I risultati presentati in questo lavoro sono relativi a cinque popolazioni di L. pruvoti (Genova, Calafuria, Palinuro, Scilla e Pantelleria) disposte lungo un gradiente latitudinale di temperatura e irradianza nel versante occidentale della penisola italiana. I campioni sono stati raccolti mediante campionamenti mensili effettuati tramite immersioni subacquee. Su ogni campione sono state effettuate misurazioni biometriche e analisi cito-istometriche. Nelle popolazioni analizzate i parametri riproduttivi (fecondità, abbondanza, indice gonadico, dimensione) sono stati messi in relazione con la temperatura di fondo (DT, °C) e l’irradianza solare (W/m2) peculiari di ogni sito. L. pruvoti ha mostrato una sessualità gonocorica in tutti i siti considerati. In tutte le popolazioni, la presenza di due stock di ovociti e la distribuzione degli stadi di maturazione degli spermiari durante le fasi di attività riproduttiva, nell’arco dell’anno, hanno permesso di definire un periodo di reclutamento e uno di maturità gonadica, suggerendo che tali eventi siano influenzati dai cambiamenti stagionali della temperatura dell’acqua e del fotoperiodo. Nel periodo di reclutamento, la fecondità presentava una debole correlazione positiva con i parametri ambientali considerati. Al momento della maturità gonadica gli ovociti erano di dimensioni maggiori e meno numerosi rispetto al periodo precedente, nelle popolazioni con una maggiore temperatura e irradianza. Una possibile interpretazione potrebbe essere l’esistenza di un processo di fusione degli ovociti nel periodo di maturità gonadica che sembrerebbe più marcato nelle popolazioni più calde e maggiormente irradiate. La spermatogenesi, diversamente, non ha delineato finora un pattern chiaramente interpretabile. Con i dati attualmente in nostro possesso, non possiamo tuttavia escludere che le differenze riscontrate nelle dimensioni di ovociti e spermiari lungo il gradiente latitudinale considerato siano dovute a un lieve sfasamento nel raggiungimento della maturità gonadica, pur mantenendo la medesima stagionalità nel ciclo riproduttivo delle diverse popolazioni. Ulteriori studi saranno necessari per poter meglio comprendere i complessi meccanismi che regolano e controllano i processi riproduttivi al variare dei parametri ambientali. In questo modo sarà possibile considerare i risulti ottenuti nel contesto dei cambiamenti climatici globali.

Investigations on the G-protein involved in Cnidarian phototransduction

This study aimed to investigate which genes Cnidaria use for photoreception and test whether Gi alpha subunit protein is involved in the phototransduction cascade, giving additional tools to investigate light-mediated behaviors, as nematocyte firing. Here, I engineered an opsin gene promoter construct useful to test whether nematocyte sensory cells express opsin gene. By determining the expression of one of the unique EST opsin genes of the eyeless hydrozoan Hydra magnipapillata genome in nematocyte sensory cells, we will be able to investigate whether light modulation is an ancestral feature in Cnidaria, and whether regulation of nematocyte discharge by opsin-mediated phototransduction predated this pathway’s function in cnidarian eyes. Nematocytes, the cnidarians stinging cells, discharge nematocysts to capture prey. As nematocysts are energetically expensive, the discharge is tightly regulated and occurs after proper chemical and mechanical stimulation. Cnidarians are also known to display a rich corpus of photobehaviors, which are often associated with activities that involve nematocytes. Previous experiments on nematocyst firing modulation show that light decreases nematocyte firing. This study contributed to confirm that bright light decreases the tendency for nematocytes to discharge in Haliplanella luciae. Similar findings in cubozoan and hydrozoan lead us to believe that light modulation of cnidocytes may be an ancestral feature of Cnidaria. Experimentally, I found no evidence that pertussis toxin, a Gi alpha subunit protein inhibitor, ablates Hydra magnipapillata photobehaviour, preliminary suggesting that Gi alpha subunit protein is not involved in photoresponse. I found no significant association between pertussis toxin and nematocyte firing in Haliplanella luciae both in conditions of dim and bright light, suggesting that Gi alpha subunit protein is not involved in photoresponse. We have preliminary evidence for a prevalence of photoreception over chemoreception, tending toward conditions of bright light. This finding may suggest the involvement of a Gs alpha subunit protein in Haliplanella luciae phototransduction pathway. While nematocyte chemo- and mechano-sensitivity have been extensively studied, further research is necessary to better understand what an ancestral phototransduction cascade looked like, and how opsin-based phototransduction acts to regulate nematocyte discharge.

Competizione e interazioni allelopatiche tra Ostreopsis ovata e altre microalghe.

Le fioriture algali rappresentano un problema emergente che colpisce le attività ricreative costiere negli ultimi decenni e molta responsabilità è attribuita alla pressione antropica sulle coste, anche se fondamentalmente i fenomeni di fioriture dannose rimangono imprevedibili. Un tempo confinate in aree tropicali e sub-tropicali, nuove alghe tossiche produttrici di composti palitossina-simili, quali Ostreopsis spp., si sono diffuse anche in regioni temperate, come il Mediterraneo. Le condizioni di sviluppo di queste fioriture sono legate a fattori ambientali quali irraggiamento, temperatura, concentrazione di nutrienti e alle caratteristiche biologiche delle singole specie. Per valutare il rischio reale sulla salute dell’uomo, vi è necessità di conoscere i parametri ambientali ottimali alla proliferazione delle specie, in termini di temperatura, intensità luminosa e disponibilità di nutrienti, così come di chiarire la struttura delle tossine e le condizioni che possono favorire la loro produzione. In questo studio un ceppo della dinoflagellata Ostreopsis ovata e un ceppo della dinoflagellata Prorocentrum lima sono stati coltivati in colture batch a tre diverse temperature (20°C, 25°C, 30°C) come monocolture e come colture miste. La raccolta è avvenuta nel periodo della loro presunta fase stazionaria. Le informazioni circa il comportamento delle microalghe nelle diverse colture sono state raccolte tramite calcolo del tasso di crescita, analisi del consumo di nutrienti, valutazione dell’efficienza fotosintetica, produzione di tossine. E’ stato applicato un nuovo metodo di misura per il calcolo dei biovolumi. Tra le due microalghe, O. ovata ha esibito maggiore variabilità morfologica, tassi di crescita più elevati e migliore efficienza fotosintetica, mostrando però di subire stress alla temperatura di 30°C. P. lima ha presentato tassi di crescita inferiori, incompleto utilizzo dei nitrati e minore efficienza fotosintetica, accompagnata da grande dissipazione di energia sotto forma di calore. Nelle colture miste, l’uptake più rapido di nitrati da parte di O. ovata ha fatto sì che il numero di cellule di P. lima fosse notevolmente inferiore a quello sviluppatosi nelle colture pure. Ciononostante, la produzione di acido okadaico da parte di P. lima non si è modificata in presenza di O. ovata. Il ceppo di O. ovata utilizzato è stato in grado di produrre ovatossina-a, la tossina maggiormente presente nelle cellule, e quantità circa quattro volte inferiori di ovatossine d+e, oltre a piccole quantità di palitossina putativa. Non è stato invece in grado di produrre le altre due ovatossine conoscisute, l’ovatossina-b e l’ovatossina-c. La produzione di tossine ha dimostrato di essere correlata positivamente con l’aumento della temperatura quando espressa su unità di biovolume, ed è stata inferiore nelle colture miste rispetto alle colture pure. Grazie alla maggiore capacità di crescita, al miglior utilizzo di nutrienti e alla migliore efficienza fotosintetica, O. ovata si dimostra in grado di dare origine a importanti eventi di fioritura, mentre per P. lima i parametri di crescita studiati non evidenziano questa capacità. Le analisi in corso circa la quantità di tossine emesse nel mezzo di coltura permetterano di completare il quadro delineato dal presente studio. Allo stato attuale, non si può concludere che esista attività allelopatica di una specie nei confronti dell’altra.

DNA barcoding taxonomy and diversity of the Mediterranean sharks and rays

Elasmobranchs are an important by-catch of commercial fisheries targeting bony fishes. Fisheries targeting sharks are rare, but usually almost all specimen bycatched are marketed. They risk extinction if current fishing pressure continues (Ferretti et al., 2008). Accurate species identification is critical for the design of sustainable fisheries and appropriate management plans, especially since not all species are equally sensitive to fishing pressure (Walker & Hislop 1998). The identification of species constitutes the first basic step for biodiversity monitoring and conservation (Dayrat B et al., 2005). More recently, mtDNA sequencing has also been used for species identification and its use has become widespread under the DNA Barcode initiative (e.g. Hebert et al. 2003a, 2003b; Ward et al. 2005, 2008a; Moura et al 2008; Steinke et al. 2009). The aims of this work were: 1) identify sharks and skates species using DNA barcode; 2) compare species of different provenance; 3) use DNA barcode for misidentified species. Using DNA barcode 15 species of sharks (Alopias vulpinus, Centrophorus granulosus, Cetorhinus maximus, Dalatias licha, Etmopterus spinax, Galeorhinus galeus, Galeus melastomus, Heptranchias perlo, Hexanchus griseus, Mustelus mustelus, Mustelus punctulatus, Oxynotus centrina, Scyliorhinus canicula Squalus acanthias, Squalus blainville), 1 species of chimaera (Chimaera monstrosa) and 21 species of rays/skayes (Dasyatis centroura, Dasyatis pastinaca, Dasyatis sp., Dipturus nidarosiensis, Dipturus oxyrinchus, Leucoraja circularis, Leucoraja melitensis, Myliobatis aquila, Pteromylaeus bovinus, Pteroplatytrygon violacea, Raja asterias, Raja brachyura, Raja clavata, Raja miraletus, Raja montagui, Raja radula, Raja polystigma, Raja undulata, Rostroraja alba, Torpedo marmorata, Torpedo nobiliana, Torpedo torpedo) was identified.

Caratterizzazione dei sedimenti presenti nella spiaggia sommersa della costa emiliano-romagnola

Il presente lavoro di tesi si inserisce nel Progetto “Monitoraggio dei sedimenti del litorale” dell’ARPA-Agenzia Regionale Prevenzione e Ambiente, e ne prende in considerazione parte dei risultati. Il progetto è nato con l’obiettivo di fornire una caratterizzazione dei sedimenti della costa emiliano-romagnola sommersa. Nello specifico questa tesi ha riguardato l’apprendimento e l’esecuzione delle analisi ecotossicologiche dei sedimenti compiute su due specie, l’Ampelisca diadema (Costa, 1853) e il Paracentrotus lividus (Lamarck, 1816), allo scopo di determinare lo stato di contaminazione dei sedimenti considerati e classificarli secondo classi di giudizio di tossicità predefinite. A tali test ecotossicologici sono stati sottoposti campioni di sedimenti campionati nel 2010 in 104 siti e 4 diverse batimetrie posti lungo tutto il litorale emiliano-romagnolo. I risultati ottenuti nell’ambito dei due test ecotossicologici sono stati analizzati separatamente e confrontati con dati riguardanti la batimetria e le caratteristiche chimico-fisiche dei sedimenti raccolti (granulometria, contenuto di contaminanti) al fine di poter spiegare il ruolo delle componenti abiotiche nella definizione della tossicità. A tale scopo sono state eseguite delle analisi univariate e multivariate (PCA) dei dati. In seguito si sono stati comparati i risultati ottenuti nei due test. Il presente lavoro ha permesso di avere un quadro preliminare dello stato di contaminazione dei sedimenti della costa sommersa dell’Emilia-Romagna