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Tesi di dottorato

dott. Federico Montechiaro

 

Titolo: Homeostasis as a response strategy to environmental changes in microalgae

Coordinatore: Prof. Giorgio Bavestrello

Dottorato: Biologia ed Ecologia marina

Ciclo: V° - Nuova Serie (XIX Ciclo)


 
Abstract

Il potenziale omeostatico (cioè la relativa invariabilità della composizione intracellulare, a dispetto dei cambiamenti ambientali) degli organismi in relazione al tipo e all'intensità delle perturbazioni ambientali è di fondamentale importanza poichè contribuisce a determinare il successo ecologico ed evolutivo di un organismo. L'ipotesi sottesa a questo studio è che esistono circostanze in cui l'omeostasi, più che l'acclimatazione, rappresenta una strategia fisiologica vantaggiosa. Ciò può verificarsi quando gli stress ambientali sono di durata limitata o quando essi eccedono i limiti della plasticità fisiologica delle cellule.

Sono stati studiati gli effetti del buio prolungato (stress non acclimatabile) e di elevati rapporti C/N (stress acclimatabile e di breve durata) sulla crescita, sul metabolismo e sull'allocazione delle risorse, nella dinoflagellata Protoceratium reticulatum e nel cianobatterio Phormidium autumnale. Le cellule di P. reticulatum hanno mostrato variazioni relativamente contenute (1 ordine di grandezza inferiori all'incremento di C/N imposto al mezzo di coltura) o nulle dei tassi di crescita, della fotosintesi, della composizione cellulare e delle attività enzimatiche, in risposta alle elevate concentrazioni di CO2. Le dinoflagellate rappresentano una delle maggiori componenti del fitoplancton oceanico e un componente cruciale delle associazioni endosimbiotiche dei coralli; ne consegue che la relazione tra la crescita delle dinoflagellate e l'incremento della CO2 atmosferica riveste una posizione potenzialmente centrale nell'evoluzione del ciclo globale del C nei prossimi decenni. Le risposte di P. autumnale a 3-4 settimane di buio completo sono state strettamente omeostatiche. Nonostante la privazione della luce e l'assenza di ogni altra fonte energetica, le cellule hanno mantenuto tassi respiratori costanti e composizione cellulare macromolecolare bilanciata (ovvero in proporzioni costanti rispetto alle quantità relative iniziali). Il metabolismo attivo e la composizione cellulare bilanciata sono state mantenute grazie all'utilizzo di risorse intracellulari, come suggerito dalla diminuzione della taglia cellulare del 50% in 4 settimane di buio. Ovviamente, le risposte omeostatiche basate sul consumo di risorse intracellulari non possono proseguire indefinitamente.

I limiti di tali risposte rappresentano una cruciale questione biologica e ulteriori ricerche sono necessarie per ottenere una profonda comprensione della materia e delle sue conseguenze ecologiche ed evolutive.


Abstract (english version)

The homeostatic potential (i.e. the relative invariability of intracellular composition, in spite of the changes occurring in the environment) of organisms in relation to the type and intensity of environmental perturbations is of paramount importance because it contributes to determine the ecological and evolutionary success of an organism. The hypothesis underlying this study is that there are circumstances in which homeostasis, rather than acclimation, represent a favorable physiological strategy.

This may occurr when environmental stresses are limited in time or when they exceed the limits of the physiological plasticity of cells.

The effects of prolonged darkness (non-acclimatable stress) and high external C/N ratio (shortterm, acclimatable stress) on growth, metabolism and resource allocation were studied in the dinoflagellate Protoceratium reticulatum and in the cyanobacterium Phormidium autumnale.

Cells of P. reticulatum showed relatively small (1 order of magnitude smaller than the C/N increment imposed to the growth medium) or null changes in growth rates, photosynthesis, respiration, cell composition and enzymatic activities, as a result of the increased concentrations of CO2. Dinoflagellates are one of the largest components of Ocean  phytoplankton and a crucial component of coral endosymbiotic associations; it follows that the relationship between dinoflagellates growth and atmospheric CO2 increase is likely to play a central role in the evolution of the global C cycle in the next decades. The responses of P. autumnale to 3-4 weeks of complete darkness were strictly  homeostatic. In spite of the light deprivation and the absence of any other external energy source, cells maintained constant respiration rates and balanced (i.e. in the same proportion as their initial content in the cells) macromolecular cell composition. Active metabolism and balanced cell composition were mantained using intracellular resources, as suggested by the 50% size decrease which occurred over 4 weeks of light deprivation. It is obvious that homeostatic responses based on consumption of intracellular resources cannot continue indefinitely. The limits of homeostatic response represent a fundamental biological question and further investigations are required to attain a thorough comprehension of this matter and its ecological and evolutionary consequences.


 
 
Per informazioni rivolgersi a:

Ripartizione  Dottorato di ricerca
tel: 071 2202217
email: dottorato@univpm.it
 
 
 
 

Ultimo aggiornamento: 06-08-2010

 
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