Consequences of global warming and metal pollution on the metabolism of omega-3 and -6 fatty acids of Phaeodactylum tricornutum
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| Data de Publicação: | 2017 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/30777 |
Resumo: | Tese de mestrado, Biologia Molecular e Genética, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017 |
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Consequences of global warming and metal pollution on the metabolism of omega-3 and -6 fatty acids of Phaeodactylum tricornutumAquecimento globalEPAFotossínteseNíquelPhaeodactylum tricornutumTeses de mestrado - 2017Departamento de Biologia VegetalTese de mestrado, Biologia Molecular e Genética, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Atividades antropogénicas tais como o consumo de combustíveis fósseis ou a desflorestação induzem a emissão de gases de efeito de estufa para a atmosfera, aumentando a já existente barreira natural à dissipação do calor terrestre para o espaço, que sendo aprisionado leva a um aumento da temperatura média da superfície da terra – o Aquecimento Global. De acordo com o Painel Intergovernamental para as Alterações Climáticas (IPCC), o planeta Terra está a sofrer um aumento no número de eventos térmicos extremos, mais concretamente ondas de calor, que apresentam duração e intensidade cada vez maiores. As ondas de calor, embora tenham a sua maior expressão em termos de subida da temperatura do ar, tendem também a aumentar a temperatura dos oceanos tal como ocorreu em 2005 durante uma onda de calor, em que a água superficial do estuário do Tejo atingiu os 26 ºC. No que diz respeito à poluição dos oceanos por metais pesados, esta tende a ser igualmente potenciada por atividades antropogénicas como realização crescente de dragagens, atividade industrial, metalúrgica e o uso de pesticidas na agricultura que deixam em suspensão metais pesados como o cobalto, o cobre, o zinco, o mercúrio, o chumbo e o níquel, capazes de atingir facilmente a coluna de água. Estes dois fatores de stress abiótico têm um impacto negativo nos ecossistemas expondo os organismos a condições subótimas. O fitoplânton marinho é frequentemente dominado por diatomáceas e por esse motivo estas têm uma grande importância como produtores primários nos oceanos. As diatomáceas apresentam uma grande biodiversidade. Sendo na sua maioria dotadas de atividade fotossintética (autotróficas) estão na base da cadeia trófica, estimando-se que sejam responsáveis por 20 % da produção primária global. Entre as moléculas de maior importância produzidas pelas microalgas estão os ácidos gordos essenciais como os ómega-3 e -6, ácidos linoénico e linoleico, que através de sucessivas reações de elongação e dessaturação dão origem a ácidos gordos polinsaturados de cadeia longa. Entre eles estão os ácidos eicosapentaenóico (EPA) e docosa-hexaenóico (DHA), ambos ómega-3, com elevada importância na saúde cardiovascular e cerebral, tal como em várias funções membranares e celulares. Uma vez que nos humanos, tal como em muitos animais, a taxa biossintética de EPA e DHA é pouco eficaz, a obtenção destes ácidos gordos é apenas alcançada através da dieta. A diatomácea modelo Phaeodactylum tricornutum é uma microalga que pode apresentar quatro morfologias distintas - oval, fusiforme, triradiada e cruciforme. Esta espécie tem a capacidade de uma interconversão de morfologias normalmente induzida por estímulos ambientais. Por ser uma espécie com o genoma já sequenciado, tolerante a inúmeros stresses e capaz de produzir uma quantidade significativa de EPA, o P. tricornutum é um bom modelo para a realização de estudos visando elucidar os mecanismos genéticos, metabólicos e fisiológicos relacionados com a sua capacidade de resistência a stresses ambientais. O principal objetivo desta dissertação foi avaliar o impacto de uma onda de calor, e da poluição por metais pesados, mais concretamente, por níquel, no crescimento, fotossíntese, metabolismo dos ácidos gordos omega-3 e -6 e expressão de genes em P. tricornutum. Após a realização de alguns ensaios preliminares visando o estabelecimento do protocolo experimental a seguir, o estudo fez uso de técnicas não-destrutivas como a medição polarográfica da concentração de oxigénio com elétrodo do tipo Clark e fluorometria PAM que avaliam taxas de consumo de oxigénio e fluorescência da clorofila a, respetivamente; e técnicas bioquímicas e moleculares como cromatografia gasosa e de camada fina e PCR quantitativo, permitindo avaliar a composição lipídica e a expressão de genes do metabolismo lipídico e fotossintético. A exposição a níquel não se revelou tão nefasta como o efeito do aumento da temperatura ou o efeito combinado de ambos os stresses. Com o aumento da concentração de Ni, o P. tricornutum apresentou uma taxa de crescimento com menor acumulação de biomassa. Embora as taxas de produção de O2 tenham sido menores, a eficiência do fotossistema II (PSII) e as taxas de transporte eletrónico permaneceram inalteradas na concentração mais elevada do metal. Os conteúdos em pigmentos fotossintéticos e carotenoides, como a clorofila a e a fucoxantina, respetivamente, diminuíram, sugerindo que a taxa fotossintética baixa poderá ter estado relacionada com alterações na concentração de pigmentos. O aumento da temperatura de crescimento para 26 ºC, durante 3 dias após o início da fase exponencial, demonstrou ter consequências severas na taxa fotossintética, diminuindo não só a taxa de produção de O2 mas também a eficiência do PSII. Observou-se uma maior atividade do lado dador do PSII, onde ocorre a fotólise da água, o que levou a uma absorção excessiva de energia, que não terá sido devidamente transportada através da cadeia transportadora de eletrões, sendo por isso dissipada. De forma a evitar danos causados por espécies reativas de oxigénio e compensar a eficiência baixa do PSII, verificou-se um aumento de carotenoides (fucoxantina, diadinoxantina e diatoxantina) e pigmentos fotossintéticos como a clorofila a. Ao expor a cultura de P. tricornutum simultaneamente aos dois tipos de stress, verificou-se o aumento na intensidade dos danos, assim como alterações mais severas no metabolismo lipídico. A exposição do P. tricornutum a temperaturas de crescimento elevadas e combinadas com a exposição a concentrações elevadas de Ni levou a uma diminuição na percentagem do ómega-3 ácido eicosapentaenóico (EPA) (~30 % vs ~18 %), que se fez sentir igualmente nas classes lipídicas que compõem as membranas dos tilacoides, principalmente no monogalactosildiacilglicerol (MGDG). O stress combinado levou, por outro lado a um aumento de ácidos gordos saturados (C16:0) e monoinsaturados (C16:1), abundantes nos lípidos de reserva. Como consequência destas alterações o índice de duplas ligações, que é um indicador da fluidez da membrana, tendeu a diminuir e o rácio ómega-6 / ómega-3 a aumentar o que causou uma diminuição do valor nutricional da diatomácea. O conteúdo em ácidos gordos totais aumentou em resposta aos tratamentos testados, sendo esta, uma resposta característica em condições de stress que induzem um desvio do metabolismo fotossintético ótimo, e a respetiva acumulação de açúcares. Enquanto a exposição ao Ni levou a uma diminuição da abundância em MGDG, devido à ação de fosfolipases A com atividade galactolipásica, a exposição à onda de calor, levou a um aumento deste lípido, provavelmente como consequência de uma maior expressão do gene que codifica a MGDG sintetase, responsável pela sua biossíntese. Igualmente, em resposta ao aumento da temperatura, uma diminuição da quantidade de fosfatidilglicerol, foi observada, uma resposta característica de tilacoides senescentes, e uma correspondente compensação em sulfoquinovosildiacilglicerol (ambos aniónicos). O estudo da expressão génica revelou uma maior abundância de transcritos de duas dessaturases de ácidos gordos (Δ6 e Δ5), que se pensa estarem envolvidas nos passos finais das vias biossintéticas do C16:3 e C20:5, respetivamente. Embora a percentagem de C16:3 aumente na classe MGDG, a abundância de C20:5 não, o que pode revelar regulações pós-transcricionais ou inibição da atividade enzimática. A expressão génica da anidrase carbónica, responsável pelo transporte de CO2 para a Rubisco aumentou nos organismos expostos a 26 ºC, possivelmente de forma a favorecer a atividade da Rubisco, inibida a temperaturas crescentes. Comparando os resultados da análise de consumo de oxigénio com os dados referentes à fotobiologia dos organismos, foi possível concluir que a capacidade de oxigenação da água do mar pelo P.- tricornutum será negativamente afetada quando sujeito ao stresses analisados. A análise integrada de métodos biofísicos, bioquímicos e moleculares permitiu aprofundar o conhecimento sobre os mecanismos de defesa do P. tricornutum quando exposto a stresses térmicos e a metais pesados. Ao longo desta dissertação foram discutidos os prováveis impactos destes stresses mas também propostos possíveis biomarcadores de stress térmico e de exposição ao Ni, tais como a eficiência do PSII, a abundância de ácidos gordos C16:0 e EPA e o rácio ómega-6 / ómega-3. O valor da diatomácea P. tricornutum como espécie sentinela foi mais uma vez confirmado e o seu uso biotecnológico para produção de lípidos para biodiesel ou aquacultura ou fucoxantina para uso farmacêutico e nutricional apresenta um caráter promissor para estudos futuros.Global warming and heavy metal pollution are being aggravated by anthropogenic activities. The average atmospheric temperature is increasing and the once rare thermal events are becoming more frequent. Since the 1980s, the Mediterranean, more specifically the Iberian Peninsula, has been subject to phenomena such as heat waves that have become increasingly frequent with longer duration and intensity. These events mainly affect air temperature, but the surface of the sea water has slightly increased in recent years, and the surface water of the Tagus estuary reached 26 °C during the particularly hot summer of 2005. In addition to heavy metal pollution, these heat waves can induce stresses with harmful consequences for organisms and ecosystems that are forced to live in sub-optimal conditions. The objective of this dissertation was to evaluate the impact of a heat wave of similar magnitude of the one felt in 2005 in the Tagus estuary and pollution by heavy metals, more specifically, by nickel, in the growth, photosynthesis, metabolism of omega-3 and -6 fatty acids and gene expression of Phaeodactylum tricornutum, a model diatom that is one of the components of the estuarine ecosystem basis. For this, the physiological performance of Phaeodactylum tricornutum cells at two temperatures - control (18 ° C) and heat wave (26 °C, for 3 days) - and exposure to three concentrations of nickel - 1, 2 and 5 μg L-1 was assessed through nondestructive methods such as PAM fluorometry and biochemical methods such as gas- and thin layer chromatography and quantitative PCR. The results suggested that the effect of nickel and a temperature increase differently affected photosynthesis. While nickel did not affect the efficiency of photosystem II at the highest concentrations, there was a decrease in the abundance of the main photosynthetic pigments - chlorophyll a and the carotenoid fucoxanthin, reducing the rate of O2 production. The temperature rise caused a decrease in the efficiency of photosystem II (PSII) and an increase in the activity of its donor side where the complexes involved in the water photolysis can be found. Also observed was a decrease in the quality of the electron transport, which lead to an increase of absorbed energy dissipation. Moreover, an increased concentration of the photosynthetic pigments, such as chlorophyll a, was observed, as a possible compensation mechanism due to the low efficiency of PSII and an increase of carotenoids such as diatoxanthin involved in the protection against reactive oxygen species. The combined effect of both stresses caused the most severe damage to lipid metabolism. There was a decrease in eicosapentaenoic acid (EPA) abundance, double bond index and an increase in the value of the ratio inversely related to the nutritional value (omega-6 / omega-3 ratio). There were also changes in the abundance of the lipid classes that build thylakoid membranes and in their composition - such as a decrease of EPA in monogalactosyldiacylglycerol (MGDG), decrease of phosphatidylglycerol and variations in abundance of MGDG and digalactosyldiacylglycerol. Those results were supported by gene expression analyses of enzymes related to the synthesis and degradation of lipids via quantitative PCR. The temperature rise induced an increase in the gene expression of MGDG synthase and the desaturase responsible for the synthesis of C16:3 in MGDG also increased its expression, in agreement with the increasing abundance of this fatty acid in this lipid class. Possible impacts of metal pollution and heat waves on the ecosystems and trophic chains were proposed. Also, possible biomarkers of thermal stress and heavy metals were identified, such as photosystem II efficiency, abundance of C16:0 and EPA fatty acids and the omega-6 / omega-3 ratio. The value of P. tricornutum as a sentinel species has again been confirmed and its biotechnological value for biodiesel production or fucoxanthin synthesis for pharmaceutical and nutritional purposes showed to be promising features for future studies.Gameiro, Carla Alexandra Lapa Pereira, 1972-Matos, Ana Rita Barreiro Alves de, 1975-Repositório da Universidade de LisboaFeijão, Eduardo Miguel Onofre2018-01-19T16:33:34Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/30777TID:201865572enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:23:45Zoai:repositorio.ul.pt:10451/30777Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:46:23.424660Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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