Diel rhythmicity in amino acid uptake by Prochlorococcus

The marine cyanobacterium Prochlorococcus, the most abundant phototrophic organism on Earth, numerically dominates the phytoplankton in nitrogen (N)-depleted oceanic gyres. Alongside inorganic N sources such as nitrite and ammonium, natural populations of this genus also acquire organic N, specifically amino acids. Here, we investigated using isotopic tracer and flow cytometric cell sorting techniques whether amino acid uptake by Prochlorococcus is subject to a diel rhythmicity, and if so, whether this was linked to a specific cell cycle stage. We observed, in contrast to diurnally similar methionine uptake rates by Synechococcus cells, obvious diurnal rhythms in methionine uptake by Prochlorococcus cells in the tropical Atlantic. These rhythms were confirmed using reproducible cyclostat experiments with a light-synchronized axenic Prochlorococcus (PCC9511 strain) culture and S-35-methionine and H-3-leucine tracers. Cells acquired the tracers at lower rates around dawn and higher rates around dusk despite > 10(4) times higher concentration of ammonium in the medium, presumably because amino acids can be directly incorporated into protein. Leucine uptake rates by cells in the S+G(2) cell cycle stage were consistently 2.2 times higher than those of cells at the G(1) stage. Furthermore, S+G(2) cells upregulated amino acid uptake 3.5 times from dawn to dusk to boost protein synthesis prior to cell division. Because Prochlorococcus populations can account from 13% at midday to 42% at dusk of total microbial uptake of methionine and probably of other amino acids in N-depleted oceanic waters, this genus exerts diurnally variable, strong competitive pressure on other bacterioplankton populations.

Light enhanced amino acid uptake by dominant bacterioplankton groups in surface waters of the Atlantic Ocean

35S-Methionine and 3H-leucine bioassay tracer experiments were conducted on two meridional transatlantic cruises to assess whether dominant planktonic microorganisms use visible sunlight to enhance uptake of these organic molecules at ambient concentrations. The two numerically dominant groups of oceanic bacterioplankton were Prochlorococcus cyanobacteria and bacteria with low nucleic acid (LNA) content, comprising 60% SAR11-related cells. The results of flow cytometric sorting of labelled bacterioplankton cells showed that when incubated in the light, Prochlorococcus and LNA bacteria increased their uptake of amino acids on average by 50% and 23%, respectively, compared with those incubated in the dark. Amino acid uptake of Synechococcus cyanobacteria was also enhanced by visible light, but bacteria with high nucleic acid content showed no light stimulation. Additionally, differential uptake of the two amino acids by the Prochlorococcus and LNA cells was observed. The populations of these two types of cells on average completely accounted for the determined 22% light enhancement of amino acid uptake by the total bacterioplankton community, suggesting a plausible way of harnessing light energy for selectively transporting scarce nutrients that could explain the numerical dominance of these groups in situ.

Nanoplankton and picoplankton in the Western English Channel: abundance and seasonality from 2007–2013

The nano- and picoplankton community at Station L4 in the Western English Channel was studied between 2007 and 2013 by flow cytometry to quantify abundance and investigate seasonal cycles within these communities. Nanoplankton included both photosynthetic and heterotrophic eukaryotic single-celled organisms while the picoplankton included picoeukaryote phytoplankton, Synechococcus sp. cyanobacteria and heterotrophic bacteria. A Box–Jenkins Transfer Function climatology analysis of surface data revealed that Synechococcus sp., cryptophytes, and heterotrophic flagellates had bimodal annual cycles. Nanoeukaryotes and both high and low nucleic acid-containing bacteria (HNA and LNA, respectively) groups exhibited unimodal annual cycles. Phaeocystis sp., whilst having clearly defined abundance maxima in spring was not detectable the rest of the year. Coccolithophores exhibited a weak seasonal cycle, with abundance peaks in spring and autumn. Picoeukaryotes did not exhibit a discernable seasonal cycle at the surface. Timings of maximum group abundance varied through the year. Phaeocystis sp. and heterotrophic flagellates peaked in April/May. Nanoeukaryotes and HNA bacteria peaked in June/July and had relatively high abundance throughout the summer. Synechococcus sp., cryptophytes and LNA bacteria all peaked from mid to late September. The transfer function model techniques used represent a useful means of identifying repeating annual cycles in time series data with the added ability to detect trends and harmonic terms at different time scales from months to decades.

Distribution of excitation energy in photosynthesis: a study of heat loss, photo chemical activity and fluorescence emission in intact calls of cyanobacterium.

Photosynthetic state transitions were investigated in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 6301 by studying fluorescence emission, heat loss, and PS I activity in intact cells brought to state 1 and state 2. 77K fluorescence emission spectra were modelled with a sum of 6 components corresponding to PBS, PS II, and PS I emissions. The modelled data showed a large decrease in PS II fluorescence accompanied with a small increase in the PS I fluorescence upon transition to state 2 for excitation wavelengths absorbed by both PBS and ChI ll.. The fluorescence changes seen with ChI .a. excitations do not support the predictions of the mobile PBS model of state transition in PBS-containing organisms. Measurements of heat loss from intact cells in the two states were similar for both ChI it. and PBS excitations over three orders of magnitude of laser flash intensity. This suggests that the PBS does not become decoupled from PS II in state 2 as proposed by the PBS detachment model of state transition in PBS-containing organisms. PS I activity measurements done on intact cells showed no difference in the two states, in contrast with the predictions of all of the existing models of state transitions. Based on these results a model for state transition In PBScontaining organisms is proposed, with a PS II photoprotectory function.

Pigment orientation changes detected by low temperature linear dichroism spectroscopy: cold-hardening transition in phycobilisome-containing organisms

Low temperature (77K) linear dichroism spectroscopy was used to characterize pigment orientation changes accompanying the light state transition in the cyanobacterium, Synechococcus sp. pee 6301, and cold-hardening in winter rye (Secale cereale L. cv. Puma). Samples were oriented for spectroscopy using the gel squeezing method (Abdourakhmanov et aI., 1979) and brought to 77K in liquid nitrogen. The linear dichroism (LD) spectra of Synechococcus 6301 phycobilisome/thylakoid membrane fragments cross-linked in light state 1 and light state 2 with glutaraldehyde showed differences in both chlorophyll a and phycobilin orientation. A decrease in the relative amplitude of the 681nm chlorophyll a positive LD peak was observed in membrane fragments in state 2. Reorientation of the phycobilisome (PBS) during the transition to state 2 resulted in an increase in core allophycocyanin absorption parallel to the membrane, and a decrease in rod phycocyanin parallel absorption. This result supports the "spillover" and "PBS detachment" models of the light state transition in PBS-containing organisms, but not the "mobile PBS" model. A model was proposed for PBS reorientation upon transition to state 2, consisting of a tilt in the antenna complex with respect to the membrane plane. Linear dichroism spectra of PBS/thylakoid fragments from the red alga, Porphyridium cruentum, grown in green light (containing relatively more PSI) and red light (containing relatively more PSll) were compared to identify chlorophyll a absorption bands associated with each photosystem. Spectra from red light - grown samples had a larger positive LD signal on the short wavelength side of the 686nm chlorophyll a peak than those from green light - grown fragments. These results support the identification of the difference in linear dichroism seen at 681nm in Synechococcus spectra as a reorientation of PSll chromophores. Linear dichroism spectra were taken of thylakoid membranes isolated from winter rye grown at 20°C (non-hardened) and 5°C (cold-hardened). Differences were seen in the orientation of chlorophyll b relative to chlorophyll a. An increase in parallel absorption was identified at the long-wavelength chlorophyll a absorption peak, along with a decrease in parallel absorption from chlorophyll b chromophores. The same changes in relative pigment orientation were seen in the LD of isolated hardened and non-hardened light-harvesting antenna complexes (LHCII). It was concluded that orientational differences in LHCII pigments were responsible for thylakoid LD differences. Changes in pigment orientation, along with differences observed in long-wavelength absorption and in the overall magnitude of LD in hardened and non-hardened complexes, could be explained by the higher LHCII monomer:oligomer ratio in hardened rye (Huner et ai., 1987) if differences in this ratio affect differential light scattering properties, or fluctuation of chromophore orientation in the isolated LHCII sample.

Der Einfluss von Seamounts auf die klein- und mesoskalige Verteilung des Phytoplanktons im zentralen, subtropischen Nordostatlantik

Thema dieser Arbeit war die Beschreibung des Einflusses von Seamounts auf die Verteilung und Zusammensetzung von Phytoplanktonpopulationen. Dazu wurden exemplarisch zwei verschiedene Seamounts während zweier multidisziplinärer Expeditionen im subtropischen Nordostatlantik ausgewählt. Diese waren der Ampere Seamount (35°05’N 012°55‘W) und die Große Meteorbank (30°00’N 028°30‘W). I. Der Ampere Seamount wurde vom 29.04.-09.05.1996 während der Forschungsreise POS 218 mit FS „Poseidon“ besucht. Dort wurde versucht, ausgehend von einer zentralen Position, entlang radialer Schnitte über den Seamount dessen Einfluss auf die Verteilung des Phytoplanktons zu erfassen. Durch direkte Messung bzw. Beprobung der Wassersäule war eine Charakterisierung der abiotischen Umweltparameter Temperatur, Salzgehalt, potentielle Dichte, gelöster Sauerstoff, Nährsalze und Lichttiefe möglich. Weiterhin wurden der Phytoplanktonbestand und die Zusammensetzung der Phytoplanktonpopulation anhand mehrerer Untersuchungsmethoden beschrieben. Diese waren Bestimmungen von partikulärem organischem Kohlenstoff und Stickstoff, Chlorophyll a-Messungen, HPLC-Pigmentanalysen, mikroskopische Zählungen sowie die Bestimmung von gesamter und größenfraktionierter Primärproduktion. Zwei exemplarische Schnitte in Nord-Süd- bzw. West-Ost-Ausrichtung wurden ausgewählt. Die Ergebnisse zeigten deutlich einen Einfluss des Seamounts auf die abiotischen Umweltparameter. So ließ sich ein Anstieg der Isopyknen um etwa 20-30 m über dem Gipfelbereich feststellen im Vergleich zu Stationen, welche weiter entfernt vom Gipfel waren. Nährsalze waren im Allgemeinen an der Oberfläche nur in sehr geringen Konzentrationen nachzuweisen. Ein deutlicher Konzentrationsanstieg erfolgte ab einer Tiefe von etwa 75 m. Eine Ausnahme stellte die Südflanke des Seamounts dar, wo etwas höhere Nährsalzkonzentrationen schon ab Wassertiefen von etwa 30 m festgestellt wurden. Dies kann vermutlich auf die hydrografischen Bedingungen an dieser Stelle zurückgeführt werden. Erste, vorläufige Modellberechnungen lassen auf einen Einfluss eines starken Einschnitts an der sehr steilen Südflanke des Seamounts auf eine Strömung schließen, welche kälteres, nährsalzreicheres Tiefenwasser nach oben bringt. Auch bei der Verteilung der biotischen Variablen machte sich der Einfluss dieser Strömung bemerkbar. Die POC-Konzentrationen lagen im Mittel bei etwa 75.5 μg/l mit einem Tiefenmaximum bei ca. 80 m. An der Südflanke wiederum zeigte sich eine heterogene Verteilung der POC-Konzentration ohne deutlich ausgebildetes Maximum. Ein deutlich ausgebildetes Tiefenchlorophyllmaximum (TCM) wurde unterhalb der Dichtesprungschicht in Wassertiefen zwischen 50 und 100 m beobachtet, wie es allgemein für subtropische Meeresgebiete typisch ist. Auch das TCM zeichnete sich durch einen Anstieg um ca. 25 m im Gipfelbereich aus. Weiterhin war auffällig, dass das Chl a- und das Nitritmaximum in der gleichen Tiefe lagen. Dies könnte evtl. durch erhöhte Fraßaktivitäten und nachfolgende Anhäufung von Exkretionsprodukten des Zooplanktons erklärt werden, wie schon bei anderen Seamounts nachgewiesen wurde. Die Primärproduktion erreichte Werte, wie sie für diese Meeresregion schon früher bestimmt wurden. Auffällig war bei der fraktionierten Produktionsmessung die Dominanz von Pico- und Nanoplankton. Ein etwas höherer Anteil von Mikrophytoplankton an einigen Stationen könnte mit dem Auftrieb von etwas nährsalzreicherem Wasser an der Südseite des Ampere Seamounts zusammenhängen. Die Pigmentanalysen zeigten, dass die Phytoplanktonpopulation von Picoplanktongruppen bestimmt war. Diese waren in erster Linie Cyanophyceen und Prochlorophyceen, welche bis zur Tiefe des TCM vorherrschten. Unterhalb des TCM nahm der Anteil dieser beiden Gruppen ab, während Chrysophyceen, Chlorophyceen und Prymnesiophyceen zunahmen. Die Gruppen des Mikroplanktons, Dinophyceen und Bacillariophyceen, spielten nur eine untergeordnete Rolle. II. Die Große Meteorbank wurde vom 25.08.-23.09.1998 während der Forschungsreise M 42/3 mit FS „Meteor“ besucht. Auch dort wurde versucht, entlang verschiedener Schnitte über den Seamount dessen Einfluss auf die Verteilung des Phytoplanktons zu erfassen. Ausser den schon beim Ampere Seamount beschriebenen Messungen und Beprobungen zur Erfassung der abiotischen Umweltparameter und biotischen Variablen bzw. des Phytoplanktonbestands und der Zusammensetzung der Phytoplanktonpopulation wurden noch Zählungen des Picoplanktons anhand der Durchflusszytometrie sowie rasterelektronenmikroskopische Beobachtung und Auszählung der Coccolithophoridenflora (Prymnesiophyceae) durchgeführt. An der Großen Meteorbank wurden keine Bestimmungen der Primärproduktion gemacht. Zwei exemplarische Schnitte in Nord-Süd- bzw. West-Ost-Ausrichtung wurden ausgewählt. Die Ergebnisse zeigten auch bei diesem Seamount einen deutlichen Einfluss auf die abiotischen Umweltparameter. Ein Anstieg der Isopyknen um 30 m konnte über dem Bankplateau nachgewiesen werden. Als herausragendes Merkmal war hier eine ringförmige Vertiefung der durchmischten Schicht über den Flanken zu verzeichnen, was zu einer Isolierung der Wassermassen innerhalb dieser Ringstruktur führte. Dies spiegelte sich in der Verteilung der meisten untersuchten Parameter wider. So folgten ein Großteil der biogeochemischen Variablen wie die Nährsalze und der Chlorophyll a-Gehalt dem Aufwölben der Isopyknen. Die Nährsalze waren, wie schon beim Ampere Seamount, in den Oberflächenschichten fast vollständig erschöpft. Ein deutlicher Konzentrationsanstieg war erst ab Tiefen zwischen 100 und 125 m zu verzeichnen. Dies könnte zum einen durch eine stabilere Schichtung der Wassersäule und zum anderen durch die ausgeprägte Isolierung der Wassermassen über dem Plateau erklärt werden. Die mittleren Konzentrationen von partikulärem organischem Kohlenstoff (50.7 μg/l), Stickstoff (9.8 μg/l), des Phytoplanktonkohlenstoffs (0.6 μg/l) und des Chlorophyll a (0.06 μg/l) lagen an der Großen Meteorbank unterhalb der am Ampere Seamount festgestellten Werte. Dies könnte ebenfalls auf die zuvor erwähnte Schichtung und Isolierung zurückgeführt werden. Das Tiefenchlorophyllmaximum war zwischen 75 und 125 m gemessen worden. Deutlich war hier der Einfluss der hydrografischen Bedingungen über dem Bankplateau auf das Verteilungsmuster des Chlorophyll a-Gehaltes zu sehen, insbesondere die geringen Chlorophyll a-Gehalte über den Flanken. Dies kann auf die Isolierung der Wassermasse über dem Plateau zurückgeführt werden. Noch klarer als am Ampere Seamount war an der Großen Meteorbank die Dominanz von Pico- und Nanoplankton anhand der Pigmentanalysen zu erkennen. So erreichte der mittlere Anteil der Prochlorophyceen bis zu 75 % der Phytoplanktonpopulation. Diese Ergebnisse wurden durch die Untersuchungen mit Hilfe der Durchflusszytometrie bestätigt. So überwogen in den Oberflächenschichten zunächst Zellen der Gattung Synechococcus. Diese wurden mit zunehmender Tiefe durch Prochlorococcus ersetzt. Einen zahlenmäßig geringeren Anteil erreichten eukaryotische Picoplanktonzellen. In Biomasse umgerechnet überwog diese letzte Gruppe die beiden vorherigen allerdings. Dies ist auf die größeren Zellen der Picoeukaryoten zurückzuführen und konnte auch durch die höheren Zahlen der kleineren Zellen nicht kompensiert werden. An der Großen Meteorbank wurde eine erwartungsgemäß hohe Diversität von Coccolithophoriden gefunden. In den beiden untersuchten Tiefenhorizonten (100 und 200 m) zeigte sich bei 100 m die höhere Artenvielfalt und Abundanz, während bei 200 m nur noch wenige unversehrte Zellen gefunden wurden. Dies könnte mit Wegfraß durch Zooplanktonorganismen erklärt werden. Weiterhin reichte die mittlere euphotische Zone (0.1 % Lichttiefe) nur bis etwa 130 m, sodass nicht mehr genügend Licht für die Photosynthese zur Verfügung stand. Die Dominanz von Pico- und Nanoplankton ist allgemein aus oligotrophen Meeresgebieten, um welche es sich auch bei dieser Untersuchung handelte, bekannt und wird mit Anpassungen an die etwas höheren Nährsalzkonzentrationen in größeren Tiefen und die gleichzeitig verringerten Lichtintensitäten erklärt. Im Gegensatz zu einigen anderen Untersuchungen konnte an beiden Seamounts keine Erhöhung der Biomasse festgestellt werden. Auch die Primärproduktion, die nur am Ampere Seamount gemessen wurde, war nicht erhöht. Die dargestellten Ergebnisse lassen dennoch für beide untersuchten Seamounts auf ein getrenntes Ökosystem schließen. An der Großen Meteorbank wird dies insbesondere durch die Isolierung von Wassermassen und den darin enthaltenen Planktonorganismen über dem Bankplateau deutlich.

Pastaje (grazing) del microzooplancton en aguas de las Islas Canarias

[EN]The impact of micrograzers upon primary production was measured north of the Canary Islands during 2010 and 2011 using the dilution technique. Grazing was estimated from chlorophyll a but also taking into account the different phototrophic organisms, that is, Synechococcus (Syn), Prochlorococcus (Pro), autotrophic picoeukaryotes (APE) and autotrophic nanoflagellates (ANF). Some experiments showed significant values of grazing upon Syn, Pro or APE although no significant grazing was measured on chlorophyll a. Furthermore, a positive relationship, this means growth instead of grazing, was observed in Syn and Pro in two experiments. Grazing on heterotrophic prokaryotes was also determined and the obtained values were always highly significant. These results showed that the impact of micrograzers upon primary production is a complex process which involves a different grazing pressure upon phytoplankton groups. Therefore, a detailed analysis of the pico, nano and microplanktonic community is essential to really understand the role of micrograzers and the trophic interactions among these groups in subtropical waters.

Patterns in marine microbial community structure

Programa en Oceanografía

Bottle effects, toxicity and cell viability during incubation experiments to asses community respiration

Máster en Oceanografía

Ecological modelling of the phytoplankton dynamics in the northern Gulf of Aqaba (Red Sea)

The Gulf of Aqaba represents a small scale, easy to access, regional analogue of larger oceanic oligotrophic systems. In this Gulf, the seasonal cycles of stratification and mixing drives the seasonal phytoplankton dynamics. In summer and fall, when nutrient concentrations are very low, Prochlorococcus and Synechococcus are more abundant in the surface water. This two populations are exposed to phosphate limitation. During winter mixing, when nutrient concentrations are high, Chlorophyceae and Cryptophyceae are dominant but scarce or absent during summer. In this study it was tried to develop a simulation model based on historical data to predict the phytoplankton dynamics in the northern Gulf of Aqaba. The purpose is to understand what forces operate, and how, to determine the phytoplankton dynamics in this Gulf. To make the models data sampled in two different sampling station (Fish Farm Station and Station A) were used. The data of chemical, biological and physical factors, are available from 14th January 2007 to 28th December 2009. The Fish Farm Station point was near a Fish Farm that was operational until 17th June 2008, complete closure date of the Fish Farm, about halfway through the total sampling time. The Station A sampling point is about 13 Km away from the Fish Farm Station. To build the model, the MATLAB software was used (version 7.6.0.324 R2008a), in particular a tool named Simulink. The Fish Farm Station models shows that the Fish Farm activity has altered the nutrient concentrations and as a consequence the normal phytoplankton dynamics. Despite the distance between the two sampling stations, there might be an influence from the Fish Farm activities also in the Station A ecosystem. The models about this sampling station shows that the Fish Farm impact appears to be much lower than the impact in the Fish Farm Station, because the phytoplankton dynamics appears to be driven mainly by the seasonal mixing cycle.

Oceanography during TYDEMAN cruise DCM (DeepChlorMax) to the Equatorial Atlantic

The cruise with RV Tydeman was devoted to study permanently stratified plankton systems in the (sub)tropical ocean, which are characterised by a deep chlorophyll peak between 80 and 150 m. To minimise lateral effects by horizontal transport of nutrients and organic matter from river outflow and upwelling regions, stations were selected in the middle of the North Atlantic Ocean between the continents of America and Africa. (5 - 35° N and 50 - 15° W). Here the vertical distributions of light and nutrients control the abundance and growth of autotrophic algae in the thermically stratified water column. This phytoplankton is numerically dominated by the prokaryotic picoplankters Synechococcus spp. and Prochlorococcus spp., which are smaller than 2 ?m. The productivity of the 100 to 150 m deep euphotic zone can be high, because a high heterotrophic/autotrophic biomass ratio induces a rapid regeneration of nutrients and inorganic carbon. Primary grazers are mainly micro-organisms such as heterotrophic nannoflagellates and ciliates, which feed on the small algae and on bacteria. Heterotrophic bacteria can outnumber the autotrophic algae, because their number is related to the substrate pools of dissolved and particulate dead organic matter. These DOC and detritus pools reach equilibrium at a concentration, where the rate of their production (proportional to algal biomass) equals their mineralisation and sinking rate (proportional to the concentration and weight of POC and detritus). At a relatively low value of the weight-specific loss rates, the equilibrium concentration of these carbon pools and their load of bacteria can be high. The bacterial productivity is proportional to the mineralisation rate, which in a steady state can never be higher than the rate of primary production. Hence the ratio in turnover rate of bacteria and autotrophs tends to be reciprocally proportional to their biomass ratio.