GRASSMET - Climate change effects on seagrass secondary metabolism: ecological implications

Sommario

Questo progetto mira a rispondere ad una questione rilevante, ma ancora inesplorata per quanto riguarda le implicazioni del cambiamento climatico sulle comunità di fanerogame: quale sarà l'impatto dei cambiamenti nella relativa disponibilità di carbonio e azoto nei profili dei metaboliti primari e secondari della pianta e di come saranno le conseguenze fanerogame marine capacità di difendersi contro lo stress ossidativo e contro epifiti ed erbivori? Fanerogame marine costituiscono alcuni degli ecosistemi marini più produttivi di tutto il mondo, con una grande importanza ecologica ed economica ed ancora poco si sa per quanto riguarda le conseguenze fisiologiche ed ecologiche del cambiamento climatico su queste piante. La maggior parte degli scenari di cambiamento climatico prevedono che le concentrazioni atmosferiche di C_O2 raggiungeranno valori superiori a 700 ppm prima del 2100, modificando le relative disponibilità di carbonio e di altri nutrienti, con importanti ricadute previste sul metabolismo delle piante. In base a ciò che è noto per le piante terrestri, si prevede che l’efficienza di assimilazione di C e N aumenta con l'aumento della disponibilità di C_O2, con conseguenze dirette sull’equilibrio C:N nei tessuti vegetali. In questo scenario, è probabile che la capacità di difesa delle fanerogame possa essere influenzata in modo significativo, dal momento che le molecole coinvolte nei processi di difesa sono anche ricche di carbonio e/o azoto e condividono vie metaboliche con carboidrati e aminoacidi di sintesi. Il sistema antiossidante dipende dall'attività di numerosi enzimi, composti fenolici e alcaloidi, molecole con composizioni distinte. Mentre i polifenoli, un folto gruppo di composti fenolici, non contengono N, gli alcaloidi sono composti contenenti N. Inoltre, fenoli, alcaloidi e antiossidanti giocano tutti un ruolo importante nella allelopatia e nei rapporti pianta- epifiti - erbivori. Pertanto, i cambiamenti nella disponibilità di carbonio e azoto hanno il potenziale per influenzare non solo le risposte della pianta, ma anche l'insediamento della comunità epifitica e l'attività di pascolo. Per rispondere a questa domanda complessa, abbiamo progettato un approccio graduale, che inizia ottimizzando le metodologie analitiche per lo screening e l'identificazione dei composti fenolici, alcaloidi, aminoacidi e zuccheri solubili in praterie di fanerogame marine, concentrandosi sulle molecole note per essere rilevanti nei meccanismi difensivi, a causa della loro attività antiossidante, allelopatica o anti- erbivoria. Il secondo passo sarà quello di indagare l'effetto di elevata C_O2 e diverse concentrazioni di azoto nell’equilibrio composti fenolici:alcaloidi. Ciò avverrà attraverso una serie di esperimenti di manipolazione da svolgere nella struttura mesocosmo già in funzione presso la stazione marittima CCMAR e anche campionando piante in prossimità di aree vulcaniche sottomarine del Mediterraneo in cui le piante C. nodosa sono esposte ad alte concentrazioni di C_O2 e basse oncentrazioni di azoto. Infine, studieremo come i diversi profili metabolici influenzano i rapporti piante-epifite-erbivori, di nuovo con una serie di esperimenti di manipolazione in mesocosmo. Per realizzare il worklplan ambizioso , abbiamo assemblato una squadra che deriva in gran parte da due progetti precedenti che hanno posto le basi per questo naturale sviluppo, la European Science Foundation COST action "Seagrass productivity: From genes to ecosystem management" (ES0906) ed il progetto FCT "High-C_O2 effects on seagrass photosynthetic ecophysiology" (PTDC/MAREST/ 3687/2012). Cymodocea nodosa è stata scelta come specie modello, per la quale il team ha recentemente sequenziato l'intero trascrittoma, mettendo a disposizione una grande quantità di risorse molecolari. Metodologicamente, useremo una combinazione innovativa di strumenti ecofisiologici, accoppiato con tecniche genetiche, al fine di collegare i processi biochimici alle risposte trascrizionali sottostanti.

Ruolo SZN

Istituzione partecipante per la caratterizzazione genetica di Cymodocea nodosa in situ e nei mesocosmi e per la valutazione dell'espressione genica in situ ed in condizioni controllate.

Partners

University of Algarve, Portugal; Stazione Zoologica Anton Dohrn, Italy

Durata

2015-2016

P. I.

Gabriele Procaccini 
Coordinatore del progetto: Joao Silva (University of Algarve, Portugal)

Istituzione finanziatrice

Ministerio da Educacao e Ciencia - Portugal

HighGrass - High-C_O2 effects on seagrass photosynthetic ecophysiology

Sommario

La concentrazione atmosferica di C_O2 è in forte aumento dall'inizio dell'era industriale. Gli oceani sono responsabili per assorbire circa il 25% della C_O2 di origine antropica emessa nell'atmosfera, ma in questo processo la chimica dell'acqua del mare si sta alterando, con l'aumento del carbonio inorganico disciolto totale (Ci) e la diminuzione del pH. Allo stato attuale, molto poco si sa sugli effetti potenziali che questi cambiamenti possono avere sulla biologia ed ecologia delle piante marine, nonostante il fatto che queste costituiscono  ecosistemi che sono tra i più produttivi dell’ambiente marino, con una grande importanza ecologica ed economica (Costanza et al. 1997). Un grande impatto è probabile che si verifichi a livello di acquisizione di carbonio fotosintetico. Allo stato attuale, grandi incertezze persistono in relazione al funzionamento dei processi fondamentali di raccolta della luce ed all'acquisizione di carbonio in piante marine. Gran parte di queste lacune sono legate al fatto che, sebbene le fanerogame sono angiosperme, alcuni dei meccanismi fisiologici e vie di captazione della luce ed acquisizione di carbonio non sono identiche a quelle che si trovano nelle loro controparti terrestri, né a quelli utilizzati da macroalghe che abitano ambienti acquatici simili. Pertanto, una comprensione globale del funzionamento di questi meccanismi è un pre-requisito per ulteriori ricerche finalizzate a prevedere gli effetti di un ambiente ad alta C_O2 su fisiologia, produttività, distribuzione e funzione degli ecosistemi a fanerogame. Mentre si ritiene comunemente che i tassi fotosintetici delle seagrasses risponderanno positivamente a uno scenario ad alta C_O2 (Hellblom et al. 2001), i pochi studi pubblicati su questo argomento non sono consensuali, mostrando risposte diverse e mancano approfondimenti fisiologici per i risultati osservati. D'altra parte, gli studi condotti nelle emissioni naturali di C_O2 hanno rivelato che le fanerogame sono adattatate a vivere sotto i livelli permanentemente elevati di C_O2 (Hall-Spencer et al. 2008) e sono in grado di sfruttare C_O2 di origine vulcanica (Vizzini et al. 2010). Tuttavia, le informazioni disponibili sugli effetti di un rilascio continuo di C_O2 sulla produttività delle piante sono scarse. Il primo passo nella nostra ricerca sarà quello di risolvere le lacune critiche di conoscenza per quanto riguarda il funzionamento dei processi fisiologici fondamentali di raccolta della luce e l'acquisizione di carbonio a fanerogame marine. Il passo successivo sarà quello di determinare, in condizioni controllate in mesocosmo, gli effetti a breve e lungo termine di esposizione ad elevata C_O2 sul funzionamento di questi due processi. Infine, studieremo come piante che crescono in prossimità di siti naturali ad alta C_O2 si sono adattate a tali condizioni, in condizioni di alta e di scarsa illuminazione. Per far fronte a questa serie di obiettivi, useremo una combinazione innovativa di strumenti ecofisiologici, accoppiato a tecniche di genomica e proteomica in un approccio multilivello, dai geni al livello dell’intero ecosistema.

Ruolo SZN

Istituzione partecipante per la caratterizzazione genetica di piante in situ e nei mesocosmi e per la valutazione dell'espressione genica in situ ed in condizioni controllate.

Partners

University of Algarve, Portugal; Stazione Zoologica Anton Dohrn, Italy; University of Palermo, Italy; University of Calabria, Italy

Durata

2013-2014

P. I.

Gabriele Procaccini
Coordinatore del progetto: Joao Silva (University of Algarve, Portugal)

Istituzione finanziatrice

Ministerio da Ciencia, Tecnologia e Ensino Superior - Portugal

HEATGRASS - Tolerance to HEAT stress induced by climate change in the seaGRASS Posidonia oceanica

Sommario

Il cambiamento climatico è in aumento nella frequenza e intensità di eventi estremi di calore durante l’estate. Ondate di calore stanno aumentando la stratificazione termica delle acque del Mar Mediterraneo, con conseguenze drammatiche per gli ecosistemi costieri. Come conseguenza di queste onde di calore, è stato recentemente previsto che le praterie di Posidonia oceanica potrebbe essere funzionalmente estinte entro la metà di questo secolo. Tuttavia, non esistono testimonianze di questo rapporto di causa-effetto e quasi nulla si sa circa la capacità di tolleranza di questa fanerogama al riscaldamento. Vi è, quindi, l'urgente necessità di determinare la resilienza e la capacità di acclimatazione della specie per la conservazione di questi preziosi ecosistemi, e per le funzioni ed i servizi che questi forniscono. L'obiettivo generale di questa ricerca è di scoprire come gli eventi sporadici di calore estremo incideranno sulle praterie di P. oceanica, e di prevedere come queste risponderanno sotto gli effetti del cambiamento climatico, lungo le coste del Mediterraneo europeo. A tal fine, il presente progetto si baserà su sperimentazione in mesocosmo e combinerà trascrittomica con approcci ecofisiologici per un'analisi comparata delle piante da regimi termici contrastanti. I principali obiettivi specifici sono: i) determinare e analizzare con un approccio integrato le risposte di stress ed i meccanismi di tolleranza di P. oceanica ed il recupero da un'ondata di calore simulata, ii) identificare i geni specifici associati con la tolleranza e la capacità di recupero della specie a stress da calore, iii) confrontare se genotipi da profondità termicamente contrastanti di una stessa popolazione differiscono nella loro tolleranza e resistenza al riscaldamento, e iv) confrontare se le popolazioni da località termicamente contrastanti differiscono nella loro tolleranza e resistenza al riscaldamento. I risultati rappresenteranno un contributo nuovo e sostanziale alla capacità della specie di adattarsi al riscaldamento globale, particolarmente utile per adottare decisioni nelle politiche di gestione e conservazione.

Ruolo SZN

Coordinatore del progetto ed istituto ospitante

Durata

7/2015-6/2016

P. I.

Gabriele Procaccini

Istituzione finanziatrice

EU, FP7-PEOPLE-2013-IEF

Contributo alla SZN

€ 249,242.80

IRMA: Implementazione e connessione Remota di una piattaforma per il monitoraggio in tempo reale di microorganismi MArini

Finanziato con Decreto MIUR del 26-3-2014
Responsabile Scientifico Raffaella Casotti

Questo progetto propone di utilizzare un prototipo per la colorazione automatica ed in continuo di batteri per il monitoraggio in situ ad alta frequenza (diverse volte al giorno, fino a ogni 30 min). Tale strumento andrà ad integrare gli strumenti già disponibili alla SZN per il monitoraggio di microorganismi fotosintetici, permettendo la definizione a stretta scala temporale e spaziale del comparto microbico. Si studierà la fattibilità di uso su battelli di campionamento, anche senza supervisione tecnica e, a lungo termine, su boe di monitoraggio. I dati prodotti forniranno utili informazioni sulla variabilità temporale a scala molto ridotta della dinamica microbica in diversi siti costieri. Il prodotto finale sarà un dimostratore di stazione di monitoraggio multiparametrica che trasmetta dati ambientali di diversa origine in tempo reale, operata da remoto, contribuendo alla realizzazione un sistema di allerta precoce per il rischio ambientale

Il nostro ruolo nel progetto è di Coordinare le azioni e di testare calibrare e validare il prototipo

Partners: SZN, CytoBuoy bv (Olanda, George Dubelaar), Eawag (Svizzera, Frederick Hammes), CNRS- MIO (Francia, Gérald Grégori, Melilotus Thyssen, Michel Denis), INGV (Italia, Giovanni Iannaccone, Sergio Guardato)