Response of Posidonia oceanica (L.) Delile and its associated N2 fixers to different combinations of temperature and light levels

Abstract

[eng] Ocean warming and water turbidity are threats for the persistence of seagrass meadows and their effects on the productivity of seagrasses and the functioning of their associated microorganisms have not been studied extensively. The purpose of this study was to assess the effects of different light levels and temperatures on Posidonia oceanica, the endemic seagrass species in the Mediterranean Sea, and their N2 fixing community, which contributes importantly to the nitrogen requirements and high productivity of the plants. Aquarium experiments were conducted in winter when the plants are more vulnerable to changes in temperature, subjecting them to short-term exposures to ambient (15.5 ºC) and elevated temperatures (ambient+5.5 ºC) and at limited (13 µmol photons m-2 s -1 ) and saturating light conditions (124 µmol photons m-2 s -1 ). Primary production, chlorophyll content, reactive oxygen species production, polyphenols content, the nifH gene expression, N2 fixation and alkaline phosphatase activities were measured in different plant tissues. Plants incubated at ambient temperature and high light exhibited enhanced total chlorophyll production and significantly higher gross and net primary production, which were approximately two-fold compared to the rest of the treatments. The oxidative stress analyses revealed increased production of reactive oxygen species in young leaves incubated at ambient temperature and saturating light, while the polyphenols content in top leaves was considerably higher under elevated temperatures. In contrast, N2 fixation and alkaline phosphatase rates were significantly higher under elevated temperature and low light levels. The presence of the N2 fixing phylotypes UCYN-A, -B and -C was detected through genetic analyses, with UCYN-B demonstrating the highest nifH gene transcription levels at elevated temperatures. These findings emphasize the significant role of irradiance on the productivity of P. oceanica and the temperature dependence of the N2 fixation process in winter.

[spa] El calentamiento de los océanos y la turbidez del agua son amenazas para la persistencia de las praderas de pastos marinos y sus efectos sobre la productividad de estas plantas y el funcionamiento de sus microorganismos asociados no han sido estudiados ampliamente. El propósito de este estudio fue evaluar los efectos de diferentes niveles de luz y temperatura en Posidonia oceanica, la especie endémica de pastos marinos en el mar Mediterráneo, y su comunidad fijadora de N2, que contribuye de manera importante a los requerimientos de nitrógeno y la alta productividad de las plantas. Se realizaron experimentos en acuarios en invierno cuando las plantas son más vulnerables a los cambios de temperatura, sometiéndolas a exposiciones a corto plazo de temperaturas ambiente (15,5 ºC) y elevada (ambiente+5,5 ºC) y en condiciones de luz limitadas (13 µmol fotones m-2 s -1 ) y saturantes (124 µmol fotones m-2 s -1 ). Se midió la producción primaria, el contenido de clorofila, la producción de especies reactivas de oxígeno, el contenido de polifenoles, la expresión del gen nifH, las actividades de fijación de N2 y fosfatasa alcalina en diferentes tejidos vegetales. Las plantas incubadas a temperatura ambiente y con luz alta exhibieron un aumento en la producción total de clorofila y valores significativamente más altos de producción primaria bruta y neta, que fueron aproximadamente el doble en comparación con el resto de los tratamientos. Los análisis de estrés oxidativo revelaron una mayor producción de especies reactivas de oxígeno en hojas jóvenes incubadas a temperatura ambiente y con luz saturante, mientras que el contenido de polifenoles en las hojas viejas fue considerablemente mayor a temperaturas elevadas. Por el contrario, las tasas de fijación de N2 y fosfatasa alcalina fueron significativamente más altas a temperaturas elevadas y niveles bajos de luz. La presencia de los filotipos de fijadores de N2 UCYN-A, -B y -C se detectó mediante análisis genéticos, demostrando UCYN-B los niveles más altos de transcripción del gen nifH a temperaturas elevadas. Estos hallazgos enfatizan el papel esencial de la irradiancia en la productividad de P. oceanica y la dependencia de la temperatura del proceso de fijación de N2 en invierno.