INVESTIGATION OF THE ADAPTIVE MECHANISMS TO OCEAN ACIDIFICATION IN PATELLA SPECIES FROM CO2 VENT SYSTEMS OF THE MEDITERRANEAN SEA
RIASSUNTO Il continuo incremento delle emissioni antropogeniche di anidride carbonica (CO2) in atmosfera è uno dei principali fattori che contribuiscono all’acidificazione degli oceani (OA). Infatti, circa il 30% della CO2 emessa viene assorbita dagli oceani, dove ne altera l’equilibrio chimico e il pH, il quale è destinato a diminuire dall’attuale valore di 8,1 a circa 7,7 entro la fine del secolo (2100). Numerosi studi hanno evidenziato gli effetti negativi della riduzione del pH su molteplici taxa marini, con importanti ripercussioni a livello fisiologico e metabolico. In particolar modo, però, l’OA impatta negativamente gli organismi calcificanti, poiché influisce sulla disponibilità dei carbonati, rendendo le loro strutture calcaree più sottili e fragili. Ricerche condotte presso i sistemi di vent di CO2, che sono siti naturalmente acidificati dalla CO2 di origine vulcanica che fuoriesce dal fondale marino, hanno dimostrato che alcuni organismi sono in grado di sopravvivere in condizioni di acidificazione, potenzialmente grazie allo sviluppo di specifiche strategie di tolleranza e/o adattamento. Tra questi organismi, il gasteropode Patella spp. è uno dei pochi calcificanti capaci di sopravvivere in siti naturalmente acidificati, come i vent del Castello Aragonese a Ischia e quelli di San Giorgio in Sicilia. Tuttavia, i complessi meccanismi che consentono la sopravvivenza e il potenziale adattamento di questi organismi alle condizioni naturali di OA devono essere ancora chiariti. Pertanto, l’obiettivo di questo progetto di dottorato è stato quello di indagare i potenziali meccanismi molecolari, fisiologici, metabolici, genetici ed epigenetici che permettono a Patella spp. di sopravvivere e di tollerare condizioni di OA attraverso un approccio multidisciplinare. In particolare, questo progetto di dottorato ha cercato di rispondere alle seguenti domande: • L’OA comporta una condizione di stress nelle popolazioni di Patella spp. residenti nel vent del Castello Aragonese, tale da compromettere la loro condizione di salute e il loro benessere? • Esistono specifici meccanismi biochimici, fisiologici e metabolici che contribuiscono a determinare la tolleranza di Patella spp. all’OA? • Patella caerulea è geneticamente adattata all’OA? • C’è un coinvolgimento della metilazione del DNA nel promuovere la tolleranza all’OA? • Qual è il ruolo delle condizioni ambientali nel modellare la risposta all’OA? Il primo capitolo della tesi ha coinvolto tre specie di Patella (P. caerulea, P. rustica e P. ulyssiponensis) campionate presso i sistemi di vent di CO2 del Castello Aragonese dell’Isola di Ischia. Questo vent è caratterizzato da un gradiente naturale di acidificazione che presenta siti con condizioni che variano da pH ambiente (N1: pH = 8,1), a pH intermedio (N2: pH = 7,7), fino a pH estremamente basso (N3: pH < 7,4). Le popolazioni residenti sono state campionate lungo il gradiente di acidificazione e presso il promontorio di San Pietro, un ulteriore sito a pH ambiente (pH = 8,1), localizzato a circa 4 km di distanza dall’area del vent. Inoltre, è stato condotto un esperimento di trapianto in situ della durata di 30 giorni utilizzando P. caerulea, con lo scopo di valutare le risposte indotte dall’acidificazione nel breve termine. Sono stati misurati tratti morfometrici, quali lunghezza, larghezza, altezza della conchiglia e peso dei tessuti molli, ed è stata applicata una batteria di biomarker relativi al sistema antiossidante, al metabolismo energetico, alla neurotossicità e alla biomineralizzazione. Nelle popolazioni residenti, P. caerulea ha mostrato un incremento significativo delle dimensioni e delle riserve energetiche nei siti acidificati, potenzialmente associato a una ridotta competizione e/o pressione predatoria, o a variazioni nella composizione della copertura algale, caratterizzata da uno shift da alghe erette calcificanti a biofilm, più appetibile per grazer come Patella. A differenza di P. caerulea e P. ulyssiponensis, solo P. rustica ha mostrato una modulazione significativa della maggior parte dei parametri biochimici analizzati, probabilmente a causa della sua diversa posizione sulla parete rocciosa, che la espone maggiormente alle fluttuazioni di marea e quindi a un’ulteriore fonte di disturbo. Infine l’esposizione a breve termine di P. caerulea all’OA ha determinato una diminuzione del contenuto proteico e un aumento del contenuto di glicogeno nel sito estremamente acidificato, con l’induzione delle attività della superossido dismutasi e della glutatione-S-transferasi a pH intermedio, suggerendo quindi l’attivazione di meccanismi compensatori per far fronte alle condizioni di acidificazione marina naturale. Nel complesso, i risultati hanno rivelato una risposta distinta all’OA nelle tre specie di Patella. In particolare, l’aumento delle dimensioni e dei parametri energetici osservato in P. caerulea e P. rustica ha evidenziato la necessità di approfondire gli aspetti legati al metabolismo energetico, con lo scopo di poter meglio comprendere il trade-off tra l’attivazione dei meccanismi compensatori e il costo energetico alla base della tolleranza all’OA. Sulla base di queste evidenze, il secondo capitolo si è focalizzato esclusivamente sulla specie P. caerulea, con l’obiettivo di indagare più dettagliatamente le risposte fisiologiche e metaboliche all’acidificazione marina, confrontando popolazioni residenti nei sistemi di vent del Castello Aragonese e organismi trapiantati, analogamente al primo capitolo. Per questo motivo, sono stati misurati i tassi di respirazione e di escrezione dell’ammoniaca quattro volte durante l’anno. Inoltre, sono state effettuate analisi di metabolomica untargeted per indagare i potenziali pathway metabolici coinvolti nella risposta all’OA. Solo durante la stagione estiva, l’OA ha aumentato il tasso respiratorio in individui di P. caerulea provenienti dal sito più acidificato, riducendo contemporaneamente i tassi di escrezione, potenzialmente per preservare maggiori risorse energetiche al fine di contrastare non solo l’OA, ma anche l’aumento delle temperature che caratterizza questa stagione. Inoltre, sia le popolazioni residenti sia quelle trapiantate hanno mostrato una sovraregolazione del metabolismo della carnitina, suggerendo quindi un’induzione della produzione di energia attraverso la β-ossidazione e i successivi cicli di Krebs. Inoltre, diversi metaboliti coinvolti nell’osmoregolazione, nello stress ossidativo e nei meccanismi legati agli acidi nucleici, sono risultati aumentati. Nel complesso, i risultati sembrano confermare la presenza di effetti negativi e di un costo energetico alla base della tolleranza all’OA. Il terzo e ultimo capitolo ha indagato la potenziale influenza della plasticità fenotipica, dell’adattamento genetico e della metilazione del DNA nella tolleranza all’OA in popolazioni adulte e giovanili di P. caerulea provenienti da due sistemi di vent di CO2 del Mar Mediterraneo. Adulti e giovanili di P. caerulea sono stati campionati lungo il gradiente di acidificazione dei sistemi di vent del Castello Aragonese (Ischia) (San Pietro/N1: pH = 8,1; N2: pH = 7,7; N3: pH < 7,4) e dai sistemi di vent di San Giorgio (Sicilia) (Patti: pH = 8,1; San Giorgio: pH = 7,8). In seguito all’estrazione del DNA genomico dal tessuto del piede e alla preparazione delle librerie individuali con il kit NEB Next® Enzymatic Methyl-seq, i campioni sono stati sequenziati mediante sequenziatore Illumina NovaSeq 6000. Il processamento e l’analisi dei dati sono stati condotti sulla piattaforma Euler utilizzando il tool biscuit, il quale ha consentito di estrarre simultaneamente informazioni genomiche ed epigenomiche da dati di sequenziamento della metilazione del DNA. Le analisi di genomica ed epigenomica hanno rivelato pattern divergenti tra le popolazioni di Ischia e della Sicilia. Le popolazioni provenienti dai vent di Ischia hanno mostrato marcati segni di differenziazione genomica, in particolare negli individui adulti provenienti dei siti a pH intermedio ed estremamente acido, mentre sono stati rilevati ridotti livelli di metilazione del DNA, in particolare allo stadio adulto. Questi risultati suggeriscono la presenza di una selezione purificante che agisce sulla variabilità genetica esistente, potenzialmente guidata dalle più pronunciate fluttuazioni di pH che caratterizzano i vent di Ischia. Al contrario, non è stata osservata alcuna differenziazione genomica tra le popolazioni del sistema di vent della Sicilia, ma sono state rilevate maggiori differenze nella metilazione del DNA tra siti acidificati e non acidificati sia negli stadi adulti che negli stadi giovanili. Questi risultati indicano quindi che questo meccanismo epigenetico può svolgere un ruolo chiave nella risposta alle variazioni di pH più moderate di questo sito e potenzialmente aumentare la tolleranza degli organismi all’OA. In conclusione, questo progetto di dottorato ha investigato i meccanismi di tolleranza all’acidificazione marina in diverse specie di Patella, attraverso un approccio olistico che, per la prima volta, ha integrato analisi morfologiche, fisiologiche, metaboliche, biochimiche, genetiche ed epigenetiche. Nel complesso, i risultati hanno evidenziato che Patella spp. è in grado di sopravvivere in condizioni acidificate, sebbene con un costo fisiologico e metabolico, il quale potrebbe essere parzialmente compensato dalle condizioni ambientali più favorevoli. Ciò sottolinea l’importanza di condurre ricerche in ambienti naturalmente acidificati, in quanto consente di formulare ipotesi più realistiche circa le capacità degli organismi marini di persistere ai cambiamenti climatici.
climate change, Patellid limpet, stress ecology, bioenergetic, epigenomics, Settore BIOS-05/A - Ecologia
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