Chlorophyll a Fluorescence and Absorption in Two Chlamydomonas Species

• Autorzy: Friedrich S. , Spukerman E.

Warianty tytułu

PL

Fluoroscencja i absorpcje chlorofilu a dwóch gatunków Chlamydomonas

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Phytoplankton densities in lakes and oceans are often measured via in vivo chlorophyll a (Chl a) fluorescence. This quick and non-invasive method has large advantages over traditional sampling and extraction methods. Here we hypothesize that measurements of in vivo fluorescence might overestimate the actual Chl a concentration when algal cells contain relatively high concentrations of Chl a degradation products, as a result of reaching the stationary phase in growth or living in a stress-full environment. Therefore the in vivo and in vitro fluorescence of Chl a was measured in two species of Chlamydomonas and compared with total Chl a content. Regular sampling over the full range of their growth curves was obtained. Chlamydomonas reinhardtii was selected as a species living in neutral, non-stressed environments and Chlamydomonas acidophila inhabits very acidic (pH 2.0-3.4), stress-full environments. Scattering of fluorescence during in vivo measurements resulted in an on average 25-fold lower Chl a concentration compared with in vitro measurements in both species. Cells of C. reinhardtii scattered approx. 1.5-fold more of the in vivo fluorescence than C. acidophila. The cellular Chl a content incrcased during the first fortnight period in both Chlamydomonas species. After reaching its maximum, the cellular Chl a content decreased with time in both species. This decrease was not accompanied by an increase of Chl a degradation products. The percentage of Chl a degradation products to total Chl a concentration was not significantly different between C. acidophila and C. reinhardtii; both species containing approximately 16 % of Chl a degradation products to total Chl a, Only 73-80 % of the concentration of Chl a measured by the in vitro fluorometric method was recovered in the HPLC. Therefore, despite the settings of the fluorometer, fluorescence possibly overestimated the Chl a concentration. In conclusion we find that external low pH or stationary growth does not result in increased concentrations of degradation products of Chl a. In addition, the extrapolation from the in situ detection of Chl a fluorescence with multiparameter sensors to concentrations of Chl a must be performed with great care as the use is subject to species-specific scattering of the fluorescence signal.

PL

Zagęszczenia fitoplanktonu w jeziorach i oceanach często jest mierzone in vivo za pomocą fluorescencji chlorofilu a (Chl a). Ta szybka i nieinwazyjna metoda ma dużą przewagę nad tradycyjnymi metodami pobierania próbek i ekstrakcji. W tej pracy badamy hipotezę, że pomiary in vivo fluorescencji rzeczywistego stężenia Chl a mogą prowadzić do zawyżonych ocen stężeń, jeśli komórki glonów zawierają stosunkowo duże stężenia produktów rozpadu Chl a w wyniku osiągnięcia stanu stacjonarnego wzrostu lub w wyniku przebywania w środowisku zawierającym wiele czynników stresowych. Zmierzono fluorescencję Chl a in vivo i in vitro dla dwóch gatunków Chlamydomonas i porównano z całkowitą zawartością Chl a. Uzyskano próbki w pełnym zakresie ich krzywej wzrostu. Chlamydomonas reinhardtii został wybrany jako gatunek żyjący w warunkach naturalnych, nie stresowych, a Chlamydomonas acidophila zamieszkuje stresogenne, bardzo kwaśne środowisko (pH 2,0-3,4). Rozpraszanie fluorescencji w czasie pomiarów in vivo wskazywało na średnio 25-krotnie mniejsze stężenie Chl a w porównaniu z pomiarami in vilro dla obu gatunków. W warunkach in vivo komórki C. reinhardtii rozpraszały ok. l ,5-krotnie silniej niż C. acidophila. W okresie pierwszych dwóch tygodni eksperymentu zawartość Chl a w komórkach rosła u obu gatunków Chlamydomonas. Po osiągnięciu maksimum zawartość Ch! a zmniejszała się z czasem u obu gatunków. Stosunki zawartości produktów rozpadu Chl a do całkowitej zawartości Chl a nie różniły się statystycznie istotnie pomiędzy C. acidophila i C. reinhardtii. Oba gatunki zawierały około 16 % produktów degradacji Chl a w stosunku do całkowitego jego stężenia. Tylko 73-80 % stężenia Chl a mierzonego metodą fluory-metryczną in vitro zostało oznaczone za pomocą HPLC. Dlatego też, niezależnie od ustawienia fluorymctru, metoda fluorescencyjna prawdopodobnie zawyża stężenie Chl a. W rezultacie okazuje się, że niskie zewnętrzne pH lub stacjonarna równowaga wzrostu nie powodują zwiększenie stężenia produktów rozkładu Chl a. Ponadto ekstrapolacje fluorescencyjnego wykrywania Chl a in situ za pomocą czujnika wieloparametrowego do stężenia Chl a muszą być wykonane z dużą starannością ze względu na zależność rozpraszania fluorescencyjnego od rodzaju badanego gatunku.

Słowa kluczowe

EN

Chlamydomonas reinhardtii; Chlamydomonas acidophila; freshwater ecology; chlorophyll a fluorescence; chlorophyll a absorption; in vivo measurements; in vitro measurements; growth; degradations products; multiparameter probe; HPLC

PL

Chlamydomonas reinwardtii; Chlamydomonas acidophila; ekologia wód słodkich; fluorescencja chlorofilu a; absorpcja chlorofilu a; pomiary in vivo; pomiary in vitro; wzrost; produkty rozkładu; sondy wieloparametrowe; HPLC

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. A
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 16, nr 11
• Strony: 1501--1513
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Friedrich S.

autor

Spukerman E.

• Department of Ecology and Ecosystem Modelling, University of Potsdam, Am Neuen Palais 10, Potsdam, Germany,

Bibliografia

• [1] Tittel J., Bissinger V., Zippel B., Gaedke U., Bell E., LorkeA. and Kamjunke N.: Mixotrophs combine resource use to outcompete specialists: Implications for aquatic food webs - P.N.A.S., USA. 100, 2003, 12776-12781.
• [2] Leboulanger C., Quiblier C. and Dufour P.: Rapid assessment of multiple-limiting factors of phytoplankton biomass; in vivo chlomphyll a fluorescence and factorial design, Arch. Hydrobiol. 2006, 166, 433-451.
• [3] Rucker J. and Liepelt A.: Pigmentbestimmung in sauren Tagebauseen - Probleme und Losungsansatze -DGL — Tagungsbericht (Braunschweig), Tuzing 2003.
• [4] Develi E.E., Kideys A.E. and Tugrul S.: Effect of nutrients on culture dynamics of marine phytoplankton, Aquat. Sci. 2006, 68, 28-39.
• [5] Szymczak-Zyła M., Grażyna Kowalewska G. and William Louda J.: The influence of microorganisms on chlorophyll a degradation in the marine environment, Limnol. Oceanogr. 2006, 53, 851-862.
• [6] Ikegami I., Nemoto A. and Sakashita K.: The formation of Zn-Chl a in Chlorella heterotrophically grown in the dark with an excessive amount ofZn2+, Plant Cell Physiol. 2005, 46, 729-735.
• [7] Stich H.B. and Brinker A.: Less is belter: Uncorrected versus Pheopigment-corrected photometric chlorophyll-a estimation, Arch. Hydrobiol. 2005, 162, 111-120.
• [8] Jeffry S.W., Mantoura R.F.C. and Wright S.W.: Phytoplankton pigments in oceanography, UNESCO Publishing, Paris 1998.
• [9] Kohl J.-G. and Nicklisch A.: Okophysiologie der Algen, G. Fischer Verlag, Stuttgart, New York 1988.
• [10] Mantoura R.F.C., Jefrey S.W., Liewelyn C., Claustre H. and Moralies C.B.: Comparison between spectrophotometric, fluorometric and HPLC methods for chlorophyll analysis, [In:] Jeffry S.W., Mantoura R.F.C. and Wright S.W.: Phytoplankton pigments in oceanography, UNESCO Publishing, Paris 1997, 361-381.
• [11] Wright S.W., Jefrey S.W. and Mantoura R.F.C.: Evaluation of methods and solvents for pigment extraction, [In:] Jeffry S.W., Mantoura R.F.C. and Wright S.W.: Phytoplankton pigments in oceano¬graphy, UNESCO Publishing, Paris 1997, 261-282.
• [12] Webb D.J., Bumson B.K., Trimbee A.M. and Prepas E.E.: Comparison of chlorophyll-a extraction with ethanol and dimethyl-sulfoxide/acetone, and concern about spectrophotometric phaeopigment correlation. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1992, 49, 2331-2336.
• [13] Welschmeyer N.A.: Fluorometric analysis of chlorophyll a in the presence of chlorophyll h and pheopigments. Limnol. Oceanogr. 1994, 39, 1985-1992.
• [14] Ettl H.: Subwasserflora von Mitteleuropa 9, Chlorophyta l, Ist ed. Gustav Fischer Verlag, Jena 1983.
• [15] Doi H., Kikuchi E., Hino S., Itoh T., Takagi S. and Shikano S.: Seasonal! dynamics of carbon stable isotope ratios of particulate organic matter and benthic diatoms in strongly acidic Lake Katanuma, Aquat. Microb. Ecol. 2003, 33, 87-94.
• [16] Gerloff-Elias A., Spijkerman E. and Schubert H.: Light acclimation of Chlamydomonas acidophila accumulating in the hypolimnion of an acidic lake (pH 2,6), Freshw. Biol. 2005, 50, 1301-1314.
• [17] Messerli M.A., Amaral-Zettler L.A., Zettler E., Jung S.-K., Smith P.J.S. and Sogin M.L.: Life at acidic pH imposes an increased energetic cost for a eukaryotic acidophile, J. Exp. Biol. 2005, 208, 2569-2579.
• [18] Gerloff-Elias A., Deepak B., Mollich A. and Spijkerman E.: Temperature- and pH- dependent accumulation of heat-shock proteins in the acidophilic green alga Chlamydomonas acidophila, FEMS Microbiol. Ecol. 2006, 56, 345-354.
• [19] Briantais J.-M., Cornic G. and Hodges M.: The modification of chlorophyll fluorescence of Chlamydomonas reinhardtii by photoinhibition and chloramphenicol addition suggests a form of photosystem II less susceptible to degradation, FEBS Letters 1988, 236, 226-230.
• [20] Forster B., Osmond C.B., Boynton J.E, and Gillham N.W.: Mutants of Chlamydomonas reinhardtii resistant to very high light, J. Photochem. Photobiol. 1999, 48, 127-135.
• [21] Forster B., Osmond C.B. and Boynton J.B.: Very high light resistant mutant of Chlamydomonas reinhardtii: responses of photsystem II, nonphotochemical ąuenching and xanthophyll pigments to light and CO2. Photosynthesis Res. 2001, 67, 5-15.
• [22] Doi M., Inage T. and Shioi Y.: Chlorophyll degradation in a Chlamydomonas reinhardtii mutant: An accumulation of pyropheophorbide a by anaerobiosis, Plant Celi Physiol. 2001, 42, 469-474.
• [23] Nishikawa K., Machida H., Yamakoshi Y., Ohtomo R., Saito K., Saito M. and Tominaga N.: Polyphosphate metabolism in an acidophilic alga Chlamydomonas acidophila KT-1 (Chlorophyta) under phosphate stress, Plant Science 2006, 170, 307-313.
• [24] Nichols H.W.: Growth media-freshwater, Stcin J.R. (Ed.), Handbook of Phycological Methods: Culture Methods and Growth Measurements. Cambridge University Press, Cambridge 1973, 7-24.
• [25] Bissinger V., Jander J. and Tittel J.: A new medium free of organic carbon to cultivate organisms from extremely acidic mining lakes (pH 2.7), Acta Hydrochim. Hydrobiol. 2007, 28, 310-312.
• [26] Gilmore A.M. and Yamamoto H.Y.: Resolution of lutein and zeaxanthin using a non endcapped, lightly carbon-loaded CIS high-performance liquid chromatographic column, J. Chromatography 1991, 543, 137-145.
• [27] Fach B.: Growth and photosynthesis of C. acidophila grown in acidic, iron-rich lake water, Diploma Thesis University of Potsdam, Potsdam 2008.
• [28] Gerloff-Elias A., Spijkennan E. and Proeschold T.: Effect of external pH on the growth, photosynthesis and photosynthetic electron transport of Chlamydomonas acidophila Negoro, isolated from an extremely acidic lake (pH 2.6), Plant Cell Environ. 2005, 28, 1218-1229.
• [29] Spijkennan E., Barua D., Gerloff-Elias A., Kern J., Gaedke U. and Heckathorn S.A.: Stress responses and metal tolerance of Chlamydomonas acidophila in metal-enriched lake water and artificial medium, Extremophiles 2007, 11, 551-562.
• [30] Geider R.J. and La Roche J.: Redfield revisited: variability of C: N: P in marine microalgae and its biochemical basis, Eur. J. Phycol. 2002, 37, 1-17.
• [31] Geider R.J., Maclntyre H.L., Graziano L.M. and McKay R.M.L.: Responses of the photosynthetic apparatus of Dunaliella tertiolecta (Chlorophyceae) to nitrogen and phosphorus limitation. Eur. J. Phycol. 1998, 33, 315-332.
• [32] Meyns S., Uli R. and Rob B.: Comparison of chlorophyll-a analysis by HPLC and spectropholometry: Where do the differences come from? Acta Hydrobiol. 1994, 1032, 129-139.
• [33] Mantile P., Hortensteiner S. and Thomas H.: Chlorophyll a degradation. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant. Mol. Biol. 1999, 50, 67-95.
• [34] Doi M., Shima S., Egashira T., Nakamura K. and Okayama S.: New bile pigment excreted by a Chlamydomonas reinhardtii mutant o possible breakdown catabolite of Chlorophyll a. J. Plant Physiol. 1997, 150, 504-508.
• [35] Tittel J., Bissinger V., Gaedke U. and Kamjunke N.: Inorganic carbon limitation and mixotrophic growth in Chlamydomonas from an acidic mining lake, Protist. 2005, 156, 63-75.