Advanced

Diel vertical migration in marine dinoflagellates

Jephson, Therese LU (2012)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Den globala uppvärmningen av vår jord påverkar inte bara lufttemperaturen, utan även haven blir varmare. Dessutom förespås en ökning i nederbörd vilket kommer att göra havens ytvatten mindre salta. Temperaturförändringen och den ökade nederbörden kan leda till att skiktningen, den s.k. vertikala stratifieringen, som finns naturligt i haven blir skarpare och starkare. Stratifiering innebär att det finns en densitetsskillnad mellan två vattenmassor, t.ex. på grund av skillnad i temperatur eller salthalt. Den skiktning som bildas leder till minskad omblandning mellan yt- och bottenvattenmassorna. Omblandningen kan vara väldigt viktig då bottenvattnet ofta är mer näringsrikt och på så vis kan... (More)
Popular Abstract in Swedish

Den globala uppvärmningen av vår jord påverkar inte bara lufttemperaturen, utan även haven blir varmare. Dessutom förespås en ökning i nederbörd vilket kommer att göra havens ytvatten mindre salta. Temperaturförändringen och den ökade nederbörden kan leda till att skiktningen, den s.k. vertikala stratifieringen, som finns naturligt i haven blir skarpare och starkare. Stratifiering innebär att det finns en densitetsskillnad mellan två vattenmassor, t.ex. på grund av skillnad i temperatur eller salthalt. Den skiktning som bildas leder till minskad omblandning mellan yt- och bottenvattenmassorna. Omblandningen kan vara väldigt viktig då bottenvattnet ofta är mer näringsrikt och på så vis kan tillföra ytvattnet och organismerna där näring, som de annars kan ha svårt att få tillgång till. Dock finns det mycket små encelliga organismer, så kallade mikroalger eller växtplankton, som har förmågan att simma och därmed kan ta sig igenom skiktningen och på så vis tillgodose sitt behov av näring. Många av dessa växtplankton är fotosyntetiserande och behöver därför befinna sig nära ytan under dygnets ljusa timmar. Under natten kan de simma neråt och lagra näring i de undre skikten för att sedan simma uppåt igen under dagen. Denna dygnsvandring ger dessa organismer en klar konkurrensfördel. En stor grupp som har denna förmåga är dinoflagellaterna.



I min avhandling har jag arbetat med den vertikala dygnsvandringen hos dinoflagellater. Jag har fokuserat på att testa hur de hanterar olika skarpa temperatur- och salthaltsskiktningar, s.k. kallade termokliner och halokliner, och således funderat kring hur en starkare skiktning kommer gynna alternativt missgynna dinoflagellaterna. Mina experiment har i huvudsak genomförts i två meter höga cylindrar där jag har skapat temperatur- eller salthaltskiktningar.



Mina resultat visar att en stark termo- eller haloklin kan utgöra en barriär för dinoflagellater under deras dygnsvandring. Under sommaren är temperaturen i ytvattnet i Öresund och Östersjön generellt högre jämfört med bottenvattnet, samtidigt som det generellt är en högre salthalt i bottenvattnet. Är klinen tillräckligt stark simmar de inte igenom och kan således inte dra nytta av näringen i bottenvattnet. Dock utgör svaga skiktningar inget större problem, men variationerna mellan olika arter är stor. Trots att arterna är mycket lika och torde ha liknande tolerans mot variationer i miljön så tyder mina resultat på att det finns art-specifika vandringsmönster. Mina resultat visar exempelvis att två närbesläktade arter har helt olika sätt att förhålla sig till en relativt svag haloklin. Den ena Ceratium tripos påbörjar sin dygnsvandring ovanför klinen och vandrar ner till klinen under natten och upp igen till ytan under dagen, medan den andra arten Ceratium furca påbörjar vandringen under haloklinen och simmar således upp till klinen under dagen och ner igen under natten. Dessa två arter, och många fler, undersöktes även i Sveriges största fjord, Gullmarsfjorden. Denna fjord är ofta skiktad eftersom det salta Skagerrak-vattnet möter sötvatten från land och bildar en salthaltsgradient. I denna fältstudie visar jag att flera arter har förmågan att utföra sin dygnsvandring i sin naturliga miljö, i en situation då vattenmassorna är relativt stabila, d.v.s. transport och omblandning av vattenmassorna är liten. Resultaten visade att vid en storm, då vattnet i fjorden blandas om och byts ut, kan dinoflagellaterna få svårigheter att upprätthålla sin simhastighet och riktning, vilket medför att deras vertikala dygnsvandring kollapsar under en period.



Två ytterligare arter, Prorocentrum minimum och Heterocapsa triquetra, som jag har studerat är vanligt förekommande i Öresund och Östersjön. Dessa arter har en bred tolerans mot olika salthalter och temperaturer och jag studerade deras tillväxt vid en kombination av olika temperaturer med olika salthalt. Resultatet visade att en ökad temperatur inte hade någon positiv effekt på hur snabbt de växte om vattnet de levde i hade en låg salthalt. Det var endast vid hög salthalt, vilket påträffas i bottenvattnet av Öresund och Östersjön, där en högre temperatur också ledde till att algerna växte betydligt snabbare. Dessutom visade denna studie att en salthaltsskillnad på 15 hindrade algerna från att ta sig igenom haloklinen. Denna styrka på haloklin är vanligt förekommande i Öresund. Även en termoklin hade betydelse för hur algerna placerade sig vertikalt i vattenmassan.



Utöver temperatur- och salthaltsskiktningars påverkan på dinoflagellater har jag också studerat betydelsen av olika ljus; vitt, blått och rött. Dinoflagellater har nämligen förmågan att använda sig av ljus (utöver dess fotosyntetiserande förmåga) för att kunna veta var i vattenmassan de befinner sig. Jag testade hur dinoflagellaten Alexandrium minutum reagerade på olika våglängder av vitt, blått och rött ljus under dygnsvandringen. Dessutom ville jag se om de hade rhodopsin-pigment för att ta upp ljusenergi. Intressant nog reagerade algerna liknande på ljuset oavsett våglängd och även rhodopsin verkade användas av cellerna i snarlik omfattning.



Sammanfattningsvis har studierna i denna avhandling bidragit till ökad kunskap om dinoflagellaternas ekologi och beteende, vilket är viktigt då miljöförhållandena i våra hav och längs kusterna kommer att förändras. Resultaten visar att det inte alltid är lätt att förutspå var i vattenmassan algerna befinner sig. De flesta arter jag har testat är giftiga och kan bilda algblomningar, både i ytvattnet och djupare ner i vattenmassan. En tätare provtagning, både i djupled och tidsmässig, är nödvändig vid miljöövervakning eftersom det idag är viktigt att kunna förutspå när och hur stora algblomningarna kommer att bli. Att veta mer om processerna bakom den vertikala dygnsvandringen och dess ekologiska betydelse är relevant för att kunna göra korrekta prediktionsmodeller för framtiden. (Less)
Abstract
Increasing precipitation and surface water temperature due to global change may strengthen stratification in coastal regions, which could influence the behavior of dinoflagellate diel vertical migration (DVM). DVM is a behavioral mechanism by which dinoflagellates can access photosynthetically active radiation near the surface, and nutrients at depth. During this process, cells may need to cross both salinity and temperature gradients (haloclines and thermoclines, respectively). My results show that different dinoflagellate species display unique DVM behaviors in stratified waters and increasing halo- and thermocline strength may act as barriers between the surface- and bottom water. There is, however, large variation in how... (More)
Increasing precipitation and surface water temperature due to global change may strengthen stratification in coastal regions, which could influence the behavior of dinoflagellate diel vertical migration (DVM). DVM is a behavioral mechanism by which dinoflagellates can access photosynthetically active radiation near the surface, and nutrients at depth. During this process, cells may need to cross both salinity and temperature gradients (haloclines and thermoclines, respectively). My results show that different dinoflagellate species display unique DVM behaviors in stratified waters and increasing halo- and thermocline strength may act as barriers between the surface- and bottom water. There is, however, large variation in how dinoflagellates cope with stratification and even closely related species have different strategies. Different DVM strategies may lead to a niche separation among species, which was also observed in my research. Moreover, during powerful mixing of the water column i.e. during strong winds in situ, the continuous DVM behavior was disrupted.



In addition, as indicated by my experiments, dinoflagellates were influenced by the combination of salinity and temperature. An increase in temperature had no significant effect on growth rate if cells were grown in low salinity environments. The results indicate higher growth rates for two bloom-forming species when growing in salinities corresponding to bottom water conditions on the west coast of Sweden. Thus, there is a trade-off for dinoflagellates between low-salinity light-rich surface conditions and high-nutrient, low-light and high salinity bottom water conditions. If different species have different optimal growth conditions, a geographical separation among species is to be expected. Furthermore, the results indicate that the primary trigger for vertical migration is light in combination with an internal clock controlling the behavior. I show that there is a positive phototactic response to both white, blue and red light and demonstrate that the non-photosynthetic photoreceptor rhodopsin gene exists and is expressed in the cells.



Harmful algal blooms (HABs) affect nearly every coastal region of the world and dinoflagellate blooms is a major problem for the shellfish industry. Efforts are made into designing accurate models that predict harmful algae blooms and these models need to be derived from reliable experimental and observational data. High resolution sampling and repeated measurements in time is needed to be able to detect DVM behavior in the field and species-specific data may need to be coordinated and integrated in the models. To predict harmful algal blooms of vertically migrating species, the migration patterns and the growth rates in the natural environment should be further clarified for each species. If increasing precipitation and temperature strengthen the gradient in coastal regions, the nutrient-rich bottom water will be inaccessible to cells unable to migrate through the gradient. Thus, stronger stratification will benefit migrating species able to cross the gradient during DVM and generate more variability in were we can expect to find specific species in situ. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Assoc Prof Richardson, Tammi L., University of South Carolina, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Key words: diel vertical migration, DVM, dinoflagellates, stratification, halocline, thermocline, behavior diel vertical migration, behavior
pages
122 pages
publisher
Department of Biology, Lund University
defense location
Blå Hallen, Ecology Building, Sölvegatan 37, Lund
defense date
2012-11-15 09:30
ISBN
978-91-7473-387-7
language
English
LU publication?
yes
id
43af086e-7358-4f5d-b1fb-c0c375d89b95 (old id 3130159)
date added to LUP
2012-10-17 11:33:47
date last changed
2016-09-19 08:45:07
@misc{43af086e-7358-4f5d-b1fb-c0c375d89b95,
  abstract     = {Increasing precipitation and surface water temperature due to global change may strengthen stratification in coastal regions, which could influence the behavior of dinoflagellate diel vertical migration (DVM). DVM is a behavioral mechanism by which dinoflagellates can access photosynthetically active radiation near the surface, and nutrients at depth. During this process, cells may need to cross both salinity and temperature gradients (haloclines and thermoclines, respectively). My results show that different dinoflagellate species display unique DVM behaviors in stratified waters and increasing halo- and thermocline strength may act as barriers between the surface- and bottom water. There is, however, large variation in how dinoflagellates cope with stratification and even closely related species have different strategies. Different DVM strategies may lead to a niche separation among species, which was also observed in my research. Moreover, during powerful mixing of the water column i.e. during strong winds in situ, the continuous DVM behavior was disrupted. <br/><br>
<br/><br>
In addition, as indicated by my experiments, dinoflagellates were influenced by the combination of salinity and temperature. An increase in temperature had no significant effect on growth rate if cells were grown in low salinity environments. The results indicate higher growth rates for two bloom-forming species when growing in salinities corresponding to bottom water conditions on the west coast of Sweden. Thus, there is a trade-off for dinoflagellates between low-salinity light-rich surface conditions and high-nutrient, low-light and high salinity bottom water conditions. If different species have different optimal growth conditions, a geographical separation among species is to be expected. Furthermore, the results indicate that the primary trigger for vertical migration is light in combination with an internal clock controlling the behavior. I show that there is a positive phototactic response to both white, blue and red light and demonstrate that the non-photosynthetic photoreceptor rhodopsin gene exists and is expressed in the cells. <br/><br>
<br/><br>
Harmful algal blooms (HABs) affect nearly every coastal region of the world and dinoflagellate blooms is a major problem for the shellfish industry. Efforts are made into designing accurate models that predict harmful algae blooms and these models need to be derived from reliable experimental and observational data. High resolution sampling and repeated measurements in time is needed to be able to detect DVM behavior in the field and species-specific data may need to be coordinated and integrated in the models. To predict harmful algal blooms of vertically migrating species, the migration patterns and the growth rates in the natural environment should be further clarified for each species. If increasing precipitation and temperature strengthen the gradient in coastal regions, the nutrient-rich bottom water will be inaccessible to cells unable to migrate through the gradient. Thus, stronger stratification will benefit migrating species able to cross the gradient during DVM and generate more variability in were we can expect to find specific species in situ.},
  author       = {Jephson, Therese},
  isbn         = {978-91-7473-387-7},
  keyword      = {Key words: diel vertical migration,DVM,dinoflagellates,stratification,halocline,thermocline,behavior diel vertical migration,behavior},
  language     = {eng},
  pages        = {122},
  publisher    = {ARRAY(0xb3ae4e0)},
  title        = {Diel vertical migration in marine dinoflagellates},
  year         = {2012},
}