Effects of temperature and nutrient regimes on the recruitment of laminaria digitata

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ruud, Hjalmar
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.1/18123
Resumo: Kelps are important macroalgae found in the temperate rocky marine habitats along the northern Atlantic Ocean coast. Kelp forests and its services to the ecosystem are globally at risk due to anthropogenic activity and climate change, by altering the temperature gradient and the nutrient input and where the kelps exist. This could be detrimental for the coming generations of the kelp, Laminaria digitata, which is one of the major kelp species in the north Atlantic Ocean. As of this, nutrients and temperature regimes that allow microscopic phases for gametogenesis and survival could be at risk. As gametophyte growth and sporophyte development have different optimal temperatures, the microscopic life phases develop at different rates when exposed to different environmental conditions. To investigate the effects of temperature and nutrient regimes on gametophyte growth, gametogenesis, and early sporophyte formation of L. digitata, two populations (Bodø and Quiberon) were exposed to four temperature regimes (4, 8, 12, 18o C) and two nutrient treatments (high (HN) and low(LN)) based on local data from each site. Bodø represents the intermediate zone, which might provide optimum conditions while Quiberon represent the southern distributional limit. The experiment followed a factorial design, testing all temperatures in both nutrient conditions through a mechanistic approach considering both sites. We hypothesized that the response of each population shows local adaptation relating to local nutrient and temperature histories. Results showed that the gametophytes of each population responded differently to the treatments, especially in respect to sporophyte formation, however had similar patterns for development in general. Sporophyte recruitment was 7% higher for the Quiberon population, however, both populations responded positively to optimal temperatures (8 and 12o C) in terms of ontogenetic development. Moreover, both populations interaction with temperature were significantly related to sporophyte recruitment, with Bodø also having a response to the nutrient treatment. In both populations, longer periods of increased temperatures (18o C) enhanced vegetative gametophyte growth but inhibited sporophyte production. This study provides an insight to how Laminaria digitata gametophytes responds to forced environmental conditions in terms of survival, growth, and recruitment. It shows distinct differences between populations, exhibiting local adaption based on local nutrient and temperature histories. With emphasis on which treatments results in the optimal conditions to further knowledge on the adaptation responses of the species to environmental conditions and climate change.
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spelling Effects of temperature and nutrient regimes on the recruitment of laminaria digitataKelp gametophytesLocal adaptationTemperatureNutrientsRecruitmentDomínio/Área Científica::Ciências Naturais::Outras Ciências NaturaisKelps are important macroalgae found in the temperate rocky marine habitats along the northern Atlantic Ocean coast. Kelp forests and its services to the ecosystem are globally at risk due to anthropogenic activity and climate change, by altering the temperature gradient and the nutrient input and where the kelps exist. This could be detrimental for the coming generations of the kelp, Laminaria digitata, which is one of the major kelp species in the north Atlantic Ocean. As of this, nutrients and temperature regimes that allow microscopic phases for gametogenesis and survival could be at risk. As gametophyte growth and sporophyte development have different optimal temperatures, the microscopic life phases develop at different rates when exposed to different environmental conditions. To investigate the effects of temperature and nutrient regimes on gametophyte growth, gametogenesis, and early sporophyte formation of L. digitata, two populations (Bodø and Quiberon) were exposed to four temperature regimes (4, 8, 12, 18o C) and two nutrient treatments (high (HN) and low(LN)) based on local data from each site. Bodø represents the intermediate zone, which might provide optimum conditions while Quiberon represent the southern distributional limit. The experiment followed a factorial design, testing all temperatures in both nutrient conditions through a mechanistic approach considering both sites. We hypothesized that the response of each population shows local adaptation relating to local nutrient and temperature histories. Results showed that the gametophytes of each population responded differently to the treatments, especially in respect to sporophyte formation, however had similar patterns for development in general. Sporophyte recruitment was 7% higher for the Quiberon population, however, both populations responded positively to optimal temperatures (8 and 12o C) in terms of ontogenetic development. Moreover, both populations interaction with temperature were significantly related to sporophyte recruitment, with Bodø also having a response to the nutrient treatment. In both populations, longer periods of increased temperatures (18o C) enhanced vegetative gametophyte growth but inhibited sporophyte production. This study provides an insight to how Laminaria digitata gametophytes responds to forced environmental conditions in terms of survival, growth, and recruitment. It shows distinct differences between populations, exhibiting local adaption based on local nutrient and temperature histories. With emphasis on which treatments results in the optimal conditions to further knowledge on the adaptation responses of the species to environmental conditions and climate change.Macroalgas como a Laminaria digitata, são algas importantes capazes de fornecer abrigo e recursos a outros organismos na extensão da costa norte do Oceano Atlântico, especificamente em habitats marinhos rochosos temperados. A atividade antropogénica e as alterações climáticas, colocam as florestas de algas e os serviços que estas oferecem ao ecossistema em risco a nível global ao alterar o gradiente de temperatura e a entrada de nutrientes e onde estas existem. Isto poderá ser prejudicial para as próximas gerações de uma espécie de algas, Laminaria digitata, a maior das algas no Oceano Atlântico Norte. Este risco está associado ao facto de os nutrientes e os regimes de temperatura que permitem fases microscópicas de gametogénese e sobrevivência poderem estar em risco. Em condições desfavoráveis, os gametófitos têm o potencial de permanecer em crescimento vegetativo. Por sua vez há um fornecimento de um banco de sementes ao fundo do oceano, à espera de condições mais favoráveis. Além disso, em comparação com as plantas terrestres, os gametófitos de algas carecem de cápsulas de sementes para proteção contra o stress local, sendo assim mais suscetíveis a fatores ambientais e perturbações causadas por correntes, herbívoros, e alterações diretas ao seu ambiente local. Algas, tais como L. digitata, possuem crescimento de gametófitos e a formação de esporófitos através da gametogénese em intervalos de temperatura diferentes. Isto torna as espécies vulneráveis a períodos prolongados de temperaturas abaixo do ideal, o que pode ter um impacto nos períodos de tempo normais de desenvolvimento e crescimento de gametófitos, e na formação de esporófitos. Colocamos a hipótese de que a resposta de cada população mostra uma adaptação local relacionada com o registo de ocorrência de nutrientes e temperaturas. Para investigar os efeitos dos regimes de temperatura e nutrientes no recrutamento de L. digitata, duas populações (Bodø e Quiberon) ao longo do gradiente de distribuição ótimo e mais meridional foram examinadas sob um conjunto de tratamentos. Os gametófitos foram expostos a quatro regimes de temperatura (4, 8, 12, 18o C) e dois tratamentos de nutrientes (alto (HN) e baixo (LN)) com base na média local dos dados do verão e inverno de cada local. A experiência seguiu um desenho fatorial, testando todas as temperaturas em ambas as condições nutricionais através de uma abordagem mecanicista considerando ambos os locais. Cada um dos meios nutritivos (HN e LN) foi criado individualmente para ambas as populações, antes do início da experiência em t0. Duas semanas antes do início do processo experimental em água do mar artificial, o material experimental de gametófito vegetativo não foi alimentado. Este procedimento foi aplicado para que os isolados de gametófito se esgotassem em nutrientes, a fim de examinar as concentrações de nutrientes no meio e o seu efeito no desenvolvimento e crescimento dos mesmos. Posteriormente, para permitir que os gametófitos se aclimatassem à sua temperatura final atribuída no dia 0, a aclimatação foi estabelecida 5 dias antes do início do processo experimental para permitir que os gametófitos recuperassem do stress da sementeira, se ajustassem e replicassem a criação. Os resultados mostraram que os gametófitos de cada população responderam de forma diferente aos tratamentos, especialmente no que diz respeito à formação de esporófitos, tendo, no entanto, padrões semelhantes para o desenvolvimento em geral. Em Quiberon, havia aproximadamente 20% mais machos do que fêmeas no quinto dia, enquanto que em Bodø, havia aproximadamente 30% mais fêmeas do que machos, tornando-o um artefacto experimental. É provável que a diferença entre a proporção de sexos entre as populações tenha influenciado o recrutamento esporófito final no 20º dia. No entanto, a proporção entre sexos não foi influenciada pela temperatura e condições nutricionais e não houve interação de fatores. Todos os gametófitos apresentavam apenas uma baixa fertilidade independentemente da temperatura e do nutriente, não ultrapassando os 20% para os gametófitos com ovos ou esporófitos. O recrutamento de esporófitos foi 7% mais elevado para a população de Quiberon, contudo, ambas as populações responderam positivamente às temperaturas ótimas (8 e 12o C) em termos de desenvolvimento ontogenético. A maioria dos esporófitos desenvolveu-se a 8 e 12°C em ambas as populações, enquanto que a 4 e 18°C, os gametófitos cresceram vegetativamente na sua maioria. Além disso, a interação de ambas as populações com a temperatura estava significativamente relacionada com o recrutamento de esporófitos, tendo Bodø também uma resposta ao tratamento com nutrientes. O maior recrutamento de esporófitos por população no 21º dia foi observado a 12o C sob tratamento HN para Quiberon com 37 esporófitos cm2 . Enquanto que, o máximo para Bodø verificou-se a 8o C sob tratamento de HN com 11 esporófitos cm2 . O crescimento do gametófito foi avaliado apenas para a população de Bodø. O crescimento de gametófitos foi significativamente afetado pelo tratamento com nutrientes no final (t20) da experiência: os gametófitos em tratamentos com nutrientes altos cresceram mais do que aqueles sujeitos a tratamentos com nutrientes baixos. Os gametófitos a 18o C HN não se tornaram férteis, mas cresceram mais do que todos os outros gametófitos sujeitos a outros tratamentos. Além disso, uma vez que alguns gametófitos cresceram em grande escala, levou a que outros estivessem em decomposição, provavelmente causando a libertação adicional de fosfato no meio de cultura e a concentrações finais do mesmo mais elevadas comparativamente aquelas do tratamento inicial. Derivado dos tratamentos com baixos nutrientes sob temperaturas abaixo dos níveis ótimos, a densidade de gametófitos diminuiu com o tempo, devido à sua deterioração. Os efeitos resultantes da interação população x nutriente e população x temperatura, foram significativos para a densidade de gametófitos no 20º dia. Adicionalmente, o tratamento de temperatura também teve um efeito significativo independente sobre a densidade para ambas as populações. Em condições de HN, a concentração inicial de nitrato não foi totalmente utilizada no prazo de 21 dias, sendo apenas reduzida em cerca de 50% (de 15 para 7-12 µmol L-1 ), em contraste com o fosfato, que foi totalmente utilizado. Períodos mais longos de aumento de temperatura (18o C) têm o potencial de aumentar o crescimento vegetativo de gametófitos, mas atrasam ou inibem a produção de esporófitos. As temperaturas dentro da gama ótima (8-12o C) para o recrutamento são cruciais para que a espécie persista numa área ao longo do tempo. Com o aumento das temperaturas de verão e as limitações da disponibilidade de nutrientes resultantes das flutuações locais causadas pelas alterações climáticas, as concentrações naturais de nutrientes e as temperaturas anuais podem ser alteradas. Isto poderá levar a que mais gametófitos permaneçam em fase vegetativa, à espera de condições ambientais favoráveis. Assim, como as populações em foco responderam de forma semelhante aos tratamentos de temperatura, as mudanças nas interações das espécies com o ambiente podem ser mais proeminentes, e a sua gama de distribuição pode mudar para fazer face às mudanças no seu ambiente. No entanto, é necessário realizar mais estudos para aprofundar mais conhecimento e consciência sobre a forma como diferentes fatores ambientais afetam a vida biológica e os processos de subpopulação de algas, com mudanças contínuas que estão a ocorrer não só a nível global, mas também a nível local. Este estudo fornece uma perspetiva de como a alga laminaria digitata responde às condições ambientais forçadas em termos de sobrevivência, crescimento de gametófitos, desenvolvimento, recrutamento e utilização de nutrientes. Com destaque às variantes de temperaturas e concentrações de nutrientes que resultam em condições ótimas e abaixo de ótimas, visando aprofundar o conhecimento sobre as respostas de adaptação das espécies às condições ambientais e às alterações climáticas.Serrão, EsterBartsch, InkaSapientiaRuud, Hjalmar2022-07-27T17:55:42Z2021-12-132021-12-13T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.1/18123TID:202910997enginfo: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:RCAAP2023-07-24T10:30:22Zoai:sapientia.ualg.pt:10400.1/18123Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:07:55.421187Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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