Rekonstruering av cyanobakterien Planktothrix sine forekomster i Hålandsvatnet fra 1980 fram til 2014 under påvirkning av den vertsspesifikke parasitten Chytridiomycota

Abstract

Cyanobakterier har eksistert i ~ 3,5 milliarder år, noe som gir dem en historisk evolusjonær fordel ved tilpasning til enten menneskeskapte eller naturlige endringer. Algene kan danne oppblomstringer som ofte er giftige, hvorpå toksiske forekomster er et resultat av oligopeptid-produksjon. Slike peptider kodes av en meget gammel del av cyanobakterienes genom, og individer innenfor samme algepopulasjon kan ha ulik oligopeptid sammensetning eller profiler. Derfor antas horisontal genoverføring, rekombinasjon og dupliserende hendelser innenfor cyanobakterienes genom å være opprinnelsen til deres strukturelle mangfold i dag. Slike forskjeller i oligopeptider anvendes for å dele Planktothrix inn i typer, eller kjemotyper. Dette studiet forsøker å rekonstruere Planktothrix sine forekomster i Hålandsvatnet fra 1980 til 2014. Studiet inkluderer også chytride-soppen som er i stand til å parasittere Planktothrix for å se på rollen chytridene spiller for variasjon i oligopeptid-sammensetning. Forskningen ble gjennomført for å finne ut om chytridene utgjør en drivkraft til variasjon blant Planktothrix populasjonene i Hålandsvatnet, hvor antropogene- og klimatiske påvirkninger ellers antas å ha sterk innvirkning. Primere utviklet for å finne Planktothrix variasjon ble brukt til å identifisere fire kjemotyper, inkludert Kjemotype 1, -5, -7 og -9. Det ble også studert chytride-DNA, samt algepigmenter i 1 cm tykke lag fra sedimentkjerner. Resultatene indikerer at Kjemotype 1 og -7 begge var til stede mens Kjemotype 5 og -9 manglet. Chytrider ble også identifisert, og ser ut til å fungere som pådrivere til variasjon i Planktothrixpopulasjonen i Hålandsvatnet. Resultatene tyder på at kjemotypene har økende variasjon fra år til år, med oppblomstringer som reduseres raskt og en positiv sammenheng mellom mangfold av genotyper og varighet av algeoppblomstringene. Dette tilsvarer Red Queen hypotesen, hvor coevolusjon mellom parasitt og vert forklares med et «kappløp» for å oppnå best fitness. Planktothrix og chytrider har ulik lys- og temperaturtoleranse, hvorpå Hålandsvatnets overvåkingsdata antyder at innsjøens chytridiomycosis av Planktothrix sjelden hindres av lave temperaturer. Dette kan resultere i en mangel på termiske refugier for cyanobakterien. Derfor, basert på Red Queen hypotese, for å unnslippe chytrideindusert stress, må Planktothrix danne nye oligopeptider. Mangfoldet reduserer stresset fra soppen på bestemte varianter, noe som åpner for økt Planktothrix-diversitet. Dette er grunnen til at chytridiomycosis på Planktothrix populasjonen i Hålandsvatnet fungerer som en drivkraft til økt Planktothrix diversitet. Dette studiet tyder også på at utveksling av DNA-sekvenser og/ eller hele filamenter av Planktothrix ved regional genflyt kan være mulig mellom innsjøer over lengre avstander. Kjemotyper oppdaget i Hålandsvatnet er tidligere påvist i Øst-Norge, over 300 kilometer unna. Inntil nå har det vært relativt lite forskning basert på bruk av sediment for å analysere Planktothrix DNA. Offentlig forvaltning kan bruke sediment for å bestemme tilstedeværelsen av giftproduserende alger i tidligere uovervåkede innsjøer for å gjennomføre nødvendige tiltak. Mer forskning er nødvendig for å videreutvikle metoder for å øke forståelsen av Planktothrix-chytride interaksjoner. Dette er svært viktig for bærekraftig forvaltning av dagens vannressurser.

Cyanobacteria have existed for ~3.5 billion years, giving them a historical evolutionary advantage in adapting to either anthropogenic or natural changes. Cyanobacteria may form blooms, which are often toxic. This toxicity can be found in the cyanobacteria Planktothrix, and is the result of oligopeptide production. While such peptide-codes are a very old part of the cyanobacteria genome, individuals within the same algae population may have different oligopeptide compositions or profiles. Hence, horizontal gene transfer, recombination and duplicative events within the cyanobacteria genome are believed to be the origin of their structural diversity today. Such differences in oligopeptide profiles are used to seperate Planktothrix into types, or chemotypes. This study attempts to reconstruct Planktothrix distribution based on chemotypes in lake Hålandsvatnet from 1980 until 2014. The study also includes the chytrid fungi, capable of Planktothrix parasitism to look at the role chytrids play in oligopeptide variations. Research was conducted to discover whether the chytrids constitute an impetus to any variation found among Planktothrix populations in Hålandsvatnet, where anthropogenic- and climatic influence otherwise are believed to have a strong impact. Primers developed to detect Planktothrix variation were used to identify four chemotypes, including Chemotype 1, -5, -7 and -9. Chytrid-DNA was analyzed as well as algal pigments in 1cm samples down the sedimentcores. Results indicate that Chemotype 1 and -7 were both present while Chemotypes 5 and -9 were missing. Chytrids were also identified and appear to be acting as driving forces for variation in the Planktothrix population of lake Hålandsvatnet. The results indicate that the chemotypes have increasing variation from year to year, with blooms that decrease rapidly and a positive correlation between diversity of genotypes and duration of algal blooms. This corresponds to the Red Queen hypothesis, coevolution between parasite and host explained by a “race” to achieve the best fitness. Planktothrix have different light and temperature tolerance ranges than chytrids, whereupon lake Hålandsvatnets monitoring data suggests that its chytrid populations rarely are reduced by low temperatures. This might result in a lack of thermal refuge for Planktothrix. Therefore, based on the Red Queen hypothesis, in order to escape chytrid-induced stress, Planktothrix need to form new oligopeptides. This diversity decreases the pressure of the fungus on specific variants, allowing for increased Planktothrix-diversity. This is why chytridiomycosis on the Planktothrix population in lake Hålandsvatnet works as a driving force in the oligopeptide variations in the Planktothrix population of lake Hålandsvatnet. This research also indicates that regional gene transfer, exchange of DNA fragments and/ or entire filaments of Planktothrix may be possible between lakes over longer distances. Hence, chemotypes discovered in lake Hålandsvatnet is also detected in the eastern Norway, over 300 kilometers away. Until now there has been relatively little research based on use of sediment to analyze Planktothrix DNA. Public management could use sediment to determine presence of toxic phytoplankton in previously unmonitored lakes so as to implement appropriate action. More research is needed to further develop methods to increase the understanding of the Planktothrixchytrid interaction. This is very important for sustainable managing today's water resources.