Studio sulle risposte allo stress termico in differenti popolazioni mediterranee ed atlantiche di Cymodocea nodosa, Tesi

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MESSINA

DIPARTIMENTO DI

SCIENZE CHIMICHE, BIOLOGICHE, FARMACEUTICHE ED AMBIENTALI

Studio sulle risposte allo stress termico in differenti popolazioni

mediterranee ed atlantiche di Cymodocea nodosa (Ucria) Ascherson

Tesi di laurea di:

Stefania Benedetta Cogliandro Relatore:

Chiar.mo Prof. Gaetano Gargiulo

Anno Accademico 2017/2018 1

Sommario

Introduzione……………………………………………………………………………………..3

Il riscaldamento globale………………………………………………………………………….3

Influenza dello stress termico sulle fanerogame marine…………………………………………7

Ruolo delle variazioni genetiche nella guida dell'ecologia delle fanerogame…………………...8

La resilienza………………………………………………………………………………….…10

Parametri per l'analisi della resilienza…………………………………………………………..13

Cymodocea nodosa……………………………………………..……………………………….14

Scopo della tesi…………………………………………………………………………………..16

Materiali e metodi………………………………………………………………………………..17

Risultati…………………………………………………………………………………………..35

Discussione………………………………………………………………………………………63

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Introduzione

Il riscaldamento globale

Le fanerogame marine abitano un ampio range termico che va dagli 0°C ai 45°C. Alcune specie

possono tollerare una variabilità della temperatura dell'acqua anche maggiore di 20°C all'anno,

grazie a meccanismi protettivi che permettono l'ottimizzazione T-specifica di funzioni

metaboliche vitali, prima fra tutte la fotosintesi; comunque, tali meccanismi protettivi possono

venire meno sotto stress termico. Alcune popolazioni di fanerogame marine vivono ai loro limiti

termici e quindi a costante rischio di un aumento termico. Aumenti annuali di temperatura minori

di 3°C hanno indotto mortalità e cambiamenti in termini di habitat e di abbondanza in

popolazioni che vivono in zone temperate e subtropicali (Collier et al., 2017). Le fanerogame

marine hanno un optimum di temperatura tra i 12-26°C e i 23-32°C rispettivamente per le specie

temperate e tropicali. Sebbene molte specie siano più tolleranti di altre ai cambiamenti climatici

(es. Halodule wrightii Ascherson e Halophila ovalis (R.Brown) J.D.Hooker), molti parametri

fisiologici e di crescita esibiscono curve di performance termiche con una temperatura threshold

dopo la quale vi è un rapido declino (Hernàn et al., 2017).

Guardando ai valori numerici del riscaldamento globale, la temperatura superficiale del mare è

aumentata dal 20° secolo ad oggi ed è proiettata a crescere tra gli 0,6 e 1,5°C nei prossimi 40

anni (IPCC 2013). Tale aumento è previsto specialmente ai tropici e nell'emisfero settentrionale

subtropicale (Hernàn et al., 2017). Inoltre, dati in letteratura predicono un rapido riscaldamento

della superficie marina attorno alle Isole Baleari (Fig.1), in particolare un aumento medio estivo

della SSTmax di 3.4±1.3°C alla fine del 21° secolo, dovuto agli effetti combinati del

riscaldamento dell'acqua entrante dall'Atlantico dallo Stretto di Gibilterra (2.8±1.1°C) e

dall'aumento dell'ampiezza del ciclo stagionale di 0.6±0.5°C. Quindi le estati saranno più calde

(in riferimento ad un anno) alla fine di questo secolo rispetto al presente. (Jordà et al., 2012)

Gli aumenti di temperatura spesso lasciano poco tempo di reazione alle fanerogame marine. Esse

si affidano alle risposte a breve termine, per esempio ad un efficiente adattamento fotosintetico o

ad una regolazione ed espressione dei geni legati allo stress, quali molecole “chaperones” ed

antiossidanti. La fotosintesi in tutti i suoi componenti è affetta dalle elevate temperature, in

particolare il fotosistema PSII è uno dei primi sistemi ad esserne affetto (Winters et al., 2011).

Il modo in cui gli organismi a livello di specie, popolazione e comunità reagiscono al “global

change” è una questione di centrale importanza per la ricerca scientifica nel 21° secolo, dal

momento in cui si iniziò ad osservare che gli ecosistemi a fanerogame marine sono in declino in

tutto il mondo, evidenziando la questione di come il riscaldamento globale possa amplificare tale

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declino. In studi di simulazione su popolazioni di Zostera marina Linnaeus (Bergmann et al.,

2010; Winters et al., 2011) è stato evidenziato che i declini e danni fisiologici per temperature

elevate su tale specie sono associati ai recenti picchi di calore nell'Europa centrale come quello

della durata di 3 settimane durante l'estate del 2003. Sebbene gli esperimenti sull'adattamento

termico dei sistemi terresti siano numerosi, le informazioni relative agli ecosistemi marini sono

scarse e si concentrano soprattutto su animali ectotermi e coralli, come ad esempio sul bleaching

dei coralli e sulla mortalità del reef. Risulta evidente la necessità di studi su altri organismi

marini anche in considerazione del fatto che questi ultimi, sebbene utilizzino lo stesso repertorio

di geni, possono reagire in modo molto diverso allo stress termico rispetto a quelli terrestri.

L'acqua possiede una capacità termica maggiore di quella dell’aria, per cui gli aumenti di

temperatura avvengono lentamente ma persistono per più tempo (Bergmann et al., 2010; Hernàn

et al., 2017). Il riscaldamento climatico è un problema globale, nei cui confronti gli organismi

reagiscono attraverso un cambio di range biogeografico ed un'alterazione della sincronizzazione

degli eventi ecologici. Il riscaldamento pone una minaccia al biota marino e ai suoi ecosistemi

(Fig.2). La temperatura aumentata può influenzare il metabolismo, il ciclo vitale, e il

comportamento. Inoltre, può causare cambi di direzione nella distribuzione delle specie,

particolarmente per quelle ad alta mobilità come i pesci. Tuttavia, lo spostamento per un

miglioramento sarà ovviamente difficoltoso per le specie a mobilità ridotta o assente (sessili). Gli

effetti del riscaldamento in organismi come coralli, fanerogame e kelp portano ad un

cambiamento nella struttura del landscape e nella composizione della comunità con implicazioni

sulle specie associate. Le fanerogame marine formano importanti habitat costieri in regioni

temperate e tropicali, hanno ruoli chiave, come la trasparenza dell'acqua, l'attenuazione delle

onde e la fonte di carbonio (Hernàn et al., 2017). Per quanto riguarda gli organismi animali e

vegetali dotati di mobilità, si riporta uno shift di 6.1km/decade per le comunità terrestri ed uno

shift dagli 1.4 ai 28 km/decade per le comunità marine, mentre la fenologia riproduttiva

primaverile avanza in media dai 2.3 ai 2.8 giorni/decade sulla terra e di 4.3 giorni/decade in

mare. Considerando la mediana nel periodo di tempo 1960–2009, il tasso di riscaldamento dal

1960 è stato più di 3 volte veloce sulla terra (0.24°C/decade) che in mare (0.07°C/decade). La

velocità del cambiamento climatico è molto irregolare sulla terra, mentre la superficie

dell'oceano ha temperature omogenee con i gradienti spaziali poco profondi separati da confini

termici relativamente netti. La variazione geografica nella velocità del cambiamento climatico

può spiegare molto degli adattamenti e spostamenti delle specie sia marine che terrestri.

Nonostante la terra si riscaldi più velocemente, il cambio stagionale è alla fine dei conti più

evidente in oceano per le variazioni termiche stagionali meno nette. I cambiamenti nella

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sincronizzazione delle stagioni sono dovuti all’arrivo anticipato della primavera di ca. 2.08

giorni/decade nell'emisfero Nord e di 2.52 giorni/decade nell'emisfero Sud per gli oceani

(escludendo l'equatore per la mancanza di forti variazioni annuali). Gli effetti diretti del

“warming” si risentono sia in oceano che in terra a latitudini comparabili e maggiormente attorno

all'equatore (Fig.3) (Burrows et al., 2011). Marbà et al. (2015) riportavano i valori di temperatura

delle acque superficiali e profonde del Mar Mediterraneo rilevati in Agosto nel periodo 1985-

2011. Essi mostravano il raggiungimento del valore massimo di ca. 28°C per la SST nella parte

centrale ed orientale del bacino (Fig.4A). Inoltre, osservavano che fino a 40 metri la diminuzione

della temperatura segue un andamento rapido, per poi presentare i valori medi tipici di

temperatura, in riferimento al passato, ai successivi livelli di profondità (Fig.4B).

In definitiva, s’ipotizza che la pressione climatica unita ad altri stress biotici e abiotici porterà

all’estinzione di alcune praterie di fanerogame marine nei prossimi decenni, con la relativa

compromissione delle funzioni svolte da questi organismi (Collier et al., 2017).

Fig.1 Proiezione dell'andamento di temperatura per il 21° secolo nelle Isole Baleari ipotizzato con diversi

modelli: grigio per AOGCMS, viola per PROTHEUS, blu per VANIMEDAT2, rosso per la media dei valori

ottenuti con tali sistemi (da Jordà et al., 2012).

Fig.2 Siti di rilevamento di impatti della temperatura sul biota nel Mar Mediterraneo. I numeri indicano il

numero di impatti rilevati per ogni categoria di impatto per sito. I punti indicano un impatto su scala locale, gli

asterischi su scala regionale. I colori dei punti indicano la categoria di impatto: viola se la temperatura ha

influenzato l'abbondanza del biota, blu per la sopravvivenza, rosso per la fertilità, marrone per gli eventi

migratori, verde per la fenologia (da Marbà et al., 2015). 5

Fig.3 Trend di temperatura oceanica e terrestre negli anni 1960-2009. A destra, nella cartina del globo terrestre,

in rosso sono indicati gli aumenti di temperatura di intervalli di 0,5°C, in blu sono indicate le diminuzioni di

temperatura di intervalli di 0,5°C. A sinistra, l'andamento della temperatura è espresso in °C/decade: rosso per

la terra emersa, blu per gli oceani (da Burrows et al., 2011).

Fig.4 A) Mappa del Mar Mediterraneo con valori di SST rilevati in Agosto nel periodo 1985-2011 e B)

rappresentazione grafica dell'andamento dei valori di temperatura del medesimo periodo in funzione della

profondità delle acque (da Marbà et al., 2015). 6

Influenza dello stress termico sulle fanerogame marine

Le fanerogame marine fanno parte dei più eterogenei ecosistemi marini e estuarini nel mondo

(Bostrom et al., 2006). Al pari del kelp, dei muschi e delle mangrovie, esse sono specie

fondatrici di ecosistemi. Conoscerne la rete trofica, i cambiamenti fisiologici e le interazioni

ecologiche (ad es. il grazing) permette di comprendere il funzionamento e di conseguenza come

prevedere e mitigare le risposte allo stress naturale e antropogenico subito da questi organismi

(Valentine et al., 2006). L'aumentata temperatura influenza le interazioni pianta-consumatore e

può promuovere un più forte controllo top-down delle performance della pianta dovuto a

cambiamenti nella produzione primaria, nell’appetibilità e nei tassi di grazing. Il grazing può

essere la principale causa di mortalità durante le prime fasi di vita, esercitando una forte

pressione selettiva. Le fanerogame possiedono diversi meccanismi per tollerare o resistere al

grazing, come l'aumento delle riserve di carboidrati e il ricorso ai composti fenolici.

In uno scenario futuro di riscaldamento globale, gli stadi precoci di Posidonia oceanica

(Linnaeus) Delile potrebbero essere influenzati negativamente, anche indirettamente,

aumentando l’interesse dei consumatori a 29°C e conseguentemente l'appetibilità e la

suscettibilità al grazing ed al controllo top-down. Si è visto che il riscaldamento tende a far

diminuire il contenuto fenolico nelle foglie delle piante terrestri e nelle alghe e ciò è stato

attribuito alla loro polimerizzazione in altre forme chimiche. Tuttavia non si sono osservati

cambiamenti simili nei tessuti delle fanerogame marine cresciute in mesocosmi eccetto che nei

semi. Questi esibiscono un più alto contenuto fenolico a 29°C e sono strutture critiche per i

nutrienti, e quindi difesi dalla pianta in modo preferenziale (ODT Optmal defense theory).

Anche le fibre provvedono alla resistenza contro il grazing, riducendone la digeribilità. Come per

tutti i processi metabolici, vi è un optimum di temperatura per la formazione di tali fibre;

variazioni durante la crescita ne influenzano la struttura, la chimica, il comportamento meccanico

e la funzione di difesa. Infine, si è osservata una tendenza dei ricci di mare ad un minor consumo

delle foglie durante il trattamento a 25°C rispetto a quello a 29°C, attribuibile alle modifiche

delle fibre e all'aumento delle necessità metaboliche dei ricci ad alte temperature, anche se tali

dati non hanno un riscontro statistico (Hernàn et al., 2017). 7

Ruolo delle variazioni genetiche nella guida dell'ecologia delle

fanerogame marine

Lo studio dell'espressione dei geni che codificano per le proteine “di maggior interesse” in un

determinato ambito è un utile collegamento tra il genotipo ed il fenotipo, poiché variando

l'espressione genica varia il tipo di risposta, l'adattamento e la tollerabilità di un organismo ad

uno stimolo ambientale. Ciò può essere studiato dal punto di vista della divergenza

dell'espressione genica all'interno di una popolazione o tra popolazioni della stessa specie che

vivono in ambienti diversi (Bergmann et al., 2010). Comprendere il legame tra le risposte

ecologiche e fisiologiche aiuta nella mitigazione degli impatti (Hernàn et al., 2017).

L'importanza risiede nel fatto che l'induzione dei geni associati allo stress può esprimersi molto

prima che gli effetti fenotipici siano evidenti. Particolari geni stress-inducibili potrebbero anche

servire come precoci indicatori delle variazioni ambientali (Bergmann et al., 2010). Inoltre, lo

studio di una possibile rapida variazione nell'espressione dei geni, presenti in una stessa

popolazione o tra popolazioni, potrebbe essere utile per dimostrare l'adattamento termico in

ambienti contrastanti. Tali studi potrebbero portare a selezionare popolazioni adattabili a

condizioni termiche stressanti utilizzabili per recuperare aree danneggiate (“genetic rescue”)

(Winters et al., 2011). Simili considerazioni erano riportate da Procaccini et al. (2007) che

affermavano che la comprensione delle basi genetiche per l'adattamento rimaneva una questione

fondamentale per biologi e genetisti dell'evoluzione, e che tale comprensione doveva passare

attraverso lo studio della correlazione genotipo-fenotipo. A livello applicativo, tale correlazione

fornisce indicazioni per la selezione della fonte genetica, per la scelta del donatore e per le

metodiche di recupero. Quindi la questione centrale nell'utilizzo delle tecniche ecogenomiche in

ambito marino è capire come gli organismi reagiscono fisiologicamente a questi eventi di stress,

capire quali meccanismi genetici molecolari conferiscono plasticità e tolleranza, e se tali

caratteristiche hanno basi genetiche ereditabili. Nei sistemi marini, lo studio della trascrizione dei

geni ha portato alla comprensione delle basi genetiche dell'adattamento alla temperatura, della

calcificazione nel fitoplancton, e nella risposta di piante ed animali marini agli stress abiotici

(Reusch et al., 2008).

La diversità biologica si distingue in livelli, dal livello di geni al livello di ecosistema. Reusch et

al. (2005) andavano oltre il concetto di partenza secondo cui la diversità di specie influenza la

resilienza dell'ecosistema. Nei loro lavori su Zostera marina essi osservavano che la diversità

genotipica può sostituire il ruolo della diversità di specie là dove questa è bassa. Gli effetti della

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biodiversità netta sono in tal caso spiegati dalla complementarietà genotipica piuttosto che dalla

selezione di particolari resistenti genotipi. Gli effetti positivi sugli invertebrati suggeriscono che

la diversità genetica presenta anche effetti secondari, raggiungendo i vari livelli trofici: questo

fatto contribuisce a proporre la questione del significato di tale diversità. Fino a tempi recenti, i

processi ecologici e genetici erano considerati separatamente soprattutto perché era ampiamente

creduto che i fattori