Published October 1, 2015 | Version v1
Publication Open

Interactive Effects of Temperature and UV Radiation on Photosynthesis of Chlorella Strains from Polar, Temperate and Tropical Environments: Differential Impacts on Damage and Repair

Creators

  • 1. University of Malaya
  • 2. International Medical University
  • 3. Taylor's University
  • 4. Monash University

Description

Global warming and ozone depletion, and the resulting increase of ultraviolet radiation (UVR), have far-reaching impacts on biota, especially affecting the algae that form the basis of the food webs in aquatic ecosystems. The aim of the present study was to investigate the interactive effects of temperature and UVR by comparing the photosynthetic responses of similar taxa of Chlorella from Antarctic (Chlorella UMACC 237), temperate (Chlorella vulgaris UMACC 248) and tropical (Chlorella vulgaris UMACC 001) environments. The cultures were exposed to three different treatments: photosynthetically active radiation (PAR; 400–700 nm), PAR plus ultraviolet-A (320–400 nm) radiation (PAR + UV-A) and PAR plus UV-A and ultraviolet-B (280–320 nm) radiation (PAR + UV-A + UV-B) for one hour in incubators set at different temperatures. The Antarctic Chlorella was exposed to 4, 14 and 20°C. The temperate Chlorella was exposed to 11, 18 and 25°C while the tropical Chlorella was exposed to 24, 28 and 30°C. A pulse-amplitude modulated (PAM) fluorometer was used to assess the photosynthetic response of microalgae. Parameters such as the photoadaptive index (Ek) and light harvesting efficiency (α) were determined from rapid light curves. The damage (k) and repair (r) rates were calculated from the decrease in ΦPSIIeff over time during exposure response curves where cells were exposed to the various combinations of PAR and UVR, and fitting the data to the Kok model. The results showed that UV-A caused much lower inhibition than UV-B in photosynthesis in all Chlorella isolates. The three isolates of Chlorella from different regions showed different trends in their photosynthesis responses under the combined effects of UVR (PAR + UV-A + UV-B) and temperature. In accordance with the noted strain-specific characteristics, we can conclude that the repair (r) mechanisms at higher temperatures were not sufficient to overcome damage caused by UVR in the Antarctic Chlorella strain, suggesting negative effects of global climate change on microalgae inhabiting (circum-) polar regions. For temperate and tropical strains of Chlorella, damage from UVR was independent of temperature but the repair constant increased with increasing temperature, implying an improved ability of these strains to recover from UVR stress under global warming.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الاحترار العالمي واستنفاد الأوزون، والزيادة الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية (UVR)، لها آثار بعيدة المدى على الكائنات الحية، تؤثر بشكل خاص على الطحالب التي تشكل أساس الشبكات الغذائية في النظم الإيكولوجية المائية. كان الهدف من هذه الدراسة هو التحقيق في التأثيرات التفاعلية لدرجة الحرارة والأشعة فوق البنفسجية من خلال مقارنة استجابات التمثيل الضوئي لأصناف مماثلة من كلوريلا من بيئات أنتاركتيكا (Chlorella UMACC 237) والمعتدلة (Chlorella vulgaris UMACC 248) والاستوائية (Chlorella vulgaris UMACC 001). تعرضت المزارع لثلاث علاجات مختلفة: الإشعاع النشط ضوئيًا (PAR ؛ 400–700 نانومتر)، PAR بالإضافة إلى الأشعة فوق البنفسجية- A (320–400 نانومتر) (PAR + UV - A) و PAR بالإضافة إلى الأشعة فوق البنفسجية- A والأشعة فوق البنفسجية- B (280–320 نانومتر) (PAR + UV - A + UV - B) لمدة ساعة واحدة في الحاضنات المحددة عند درجات حرارة مختلفة. تعرضت كلوريلا أنتاركتيكا إلى 4 و 14 و 20 درجة مئوية. تعرضت الكلوريلا المعتدلة إلى 11 و 18 و 25 درجة مئوية بينما تعرضت الكلوريلا الاستوائية إلى 24 و 28 و 30 درجة مئوية. تم استخدام مقياس الفلورة المعدل لمدى النبض (PAM) لتقييم استجابة التمثيل الضوئي للطحالب الدقيقة. تم تحديد معلمات مثل مؤشر التكيف الضوئي (EK) وكفاءة حصاد الضوء (α) من منحنيات الضوء السريعة. تم حساب معدلات التلف (k) والإصلاح (r) من الانخفاض في ΦPSIIeff بمرور الوقت أثناء منحنيات استجابة التعرض حيث تعرضت الخلايا لمجموعات مختلفة من PAR و UVR، وتناسب البيانات مع نموذج KOK. أظهرت النتائج أن الأشعة فوق البنفسجية أ تسببت في تثبيط أقل بكثير من الأشعة فوق البنفسجية ب في التمثيل الضوئي في جميع عزلات الكلوريلا. أظهرت العزلات الثلاثة للكلوريلا من مناطق مختلفة اتجاهات مختلفة في استجابات التمثيل الضوئي تحت التأثيرات المشتركة للأشعة فوق البنفسجية (PAR + UV - A + UV - B) ودرجة الحرارة. وفقًا للخصائص الخاصة بالسلالة المذكورة، يمكننا أن نستنتج أن آليات الإصلاح (r) عند درجات حرارة أعلى لم تكن كافية للتغلب على الأضرار الناجمة عن الأشعة فوق البنفسجية في سلالة Chlorella في القطب الجنوبي، مما يشير إلى الآثار السلبية لتغير المناخ العالمي على الطحالب الدقيقة التي تسكن المناطق القطبية (المحيطة). بالنسبة للسلالات المعتدلة والاستوائية من الكلوريلا، كان الضرر الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية مستقلاً عن درجة الحرارة ولكن ثابت الإصلاح زاد مع زيادة درجة الحرارة، مما يعني تحسين قدرة هذه السلالات على التعافي من إجهاد الأشعة فوق البنفسجية تحت الاحتباس الحراري.

Translated Description (French)

Le réchauffement climatique et l'appauvrissement de la couche d'ozone, ainsi que l'augmentation du rayonnement ultraviolet (UV) qui en résulte, ont des impacts considérables sur le biote, en particulier sur les algues qui forment la base des réseaux trophiques dans les écosystèmes aquatiques. L'objectif de la présente étude était d'étudier les effets interactifs de la température et des rayons UV en comparant les réponses photosynthétiques de taxons similaires de Chlorella provenant d'environnements antarctiques (Chlorella UMACC 237), tempérés (Chlorella vulgaris UMACC 248) et tropicaux (Chlorella vulgaris UMACC 001). Les cultures ont été exposées à trois traitements différents : rayonnement photosynthétiquement actif (PAR ; 400–700 nm), PAR plus rayonnement ultraviolet-A (320–400 nm) (PAR + UV-A) et PAR plus rayonnement UV-A et ultraviolet-B (280–320 nm) (PAR + UV-A + UV-B) pendant une heure dans des incubateurs réglés à différentes températures. La Chlorelle antarctique a été exposée à 4, 14 et 20°C. La Chlorelle tempérée a été exposée à 11, 18 et 25°C tandis que la Chlorelle tropicale a été exposée à 24, 28 et 30°C. Un fluoromètre à modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) a été utilisé pour évaluer la réponse photosynthétique des microalgues. Des paramètres tels que l'indice photoadaptatif (Ek) et l'efficacité de récolte de la lumière (α) ont été déterminés à partir de courbes de lumière rapides. Les taux de dommages (k) et de réparation (r) ont été calculés à partir de la diminution de ΦPSIIeff au fil du temps pendant les courbes de réponse à l'exposition où les cellules ont été exposées aux différentes combinaisons de PAR et UVR, et en ajustant les données au modèle Kok. Les résultats ont montré que les UV-A provoquaient une inhibition beaucoup plus faible que les UV-B de la photosynthèse dans tous les isolats de Chlorella. Les trois isolats de Chlorella de différentes régions ont montré des tendances différentes dans leurs réponses de photosynthèse sous les effets combinés des UV (PAR + UV-A + UV-B) et de la température. Conformément aux caractéristiques spécifiques à la souche notées, nous pouvons conclure que les mécanismes de réparation (r) à des températures plus élevées n'étaient pas suffisants pour surmonter les dommages causés par les rayons UV dans la souche de chlorelle antarctique, suggérant des effets négatifs du changement climatique mondial sur les microalgues habitant les régions (circum) polaires. Pour les souches tempérées et tropicales de Chlorella, les dommages causés par les rayons UV étaient indépendants de la température, mais la constante de réparation augmentait avec l'augmentation de la température, ce qui impliquait une meilleure capacité de ces souches à se remettre du stress des rayons UV sous le réchauffement climatique.

Translated Description (Spanish)

El calentamiento global y el agotamiento del ozono, y el consiguiente aumento de la radiación ultravioleta (UVR), tienen impactos de gran alcance en la biota, afectando especialmente a las algas que forman la base de las redes alimentarias en los ecosistemas acuáticos. El objetivo del presente estudio fue investigar los efectos interactivos de la temperatura y la UVR comparando las respuestas fotosintéticas de taxones similares de Chlorella de ambientes antárticos (Chlorella UMACC 237), templados (Chlorella vulgaris UMACC 248) y tropicales (Chlorella vulgaris UMACC 001). Los cultivos se expusieron a tres tratamientos diferentes: radiación fotosintéticamente activa (PAR; 400–700 nm), PAR más radiación ultravioleta-A (320–400 nm) (PAR + UV-A) y PAR más radiación UV-A y ultravioleta-B (280–320 nm) (PAR + UV-A + UV-B) durante una hora en incubadoras ajustadas a diferentes temperaturas. La Chlorella antártica fue expuesta a 4, 14 y 20°C. La Chlorella templada se expuso a 11, 18 y 25°C mientras que la Chlorella tropical se expuso a 24, 28 y 30°C. Se utilizó un fluorómetro modulado por amplitud de pulso (PAM) para evaluar la respuesta fotosintética de las microalgas. Los parámetros como el índice fotoadaptativo (Ek) y la eficiencia de recolección de luz (α) se determinaron a partir de curvas de luz rápidas. Las tasas de daño (k) y reparación (r) se calcularon a partir de la disminución en ΦPSIIeff a lo largo del tiempo durante las curvas de respuesta a la exposición donde las células se expusieron a las diversas combinaciones de PAR y UVR, y ajustando los datos al modelo Kok. Los resultados mostraron que los UV-A causaron una inhibición mucho menor que los UV-B en la fotosíntesis en todos los aislados de Chlorella. Los tres aislados de Chlorella de diferentes regiones mostraron diferentes tendencias en sus respuestas de fotosíntesis bajo los efectos combinados de UVR (PAR + UV-A + UV-B) y temperatura. De acuerdo con las características específicas de la cepa observadas, podemos concluir que los mecanismos de reparación (r) a temperaturas más altas no fueron suficientes para superar el daño causado por la UVR en la cepa de Chlorella antártica, lo que sugiere efectos negativos del cambio climático global en las microalgas que habitan en las regiones (circun) polares. Para las cepas templadas y tropicales de Chlorella, el daño de la UVR fue independiente de la temperatura, pero la constante de reparación aumentó con el aumento de la temperatura, lo que implica una mejor capacidad de estas cepas para recuperarse del estrés de la UVR bajo el calentamiento global.

Files

journal.pone.0139469&type=printable.pdf

Files (933.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:0629fd906703f82f61694ae96611f92a
933.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التأثيرات التفاعلية لدرجات الحرارة والأشعة فوق البنفسجية على التمثيل الضوئي لسلالات الكلوريلا من البيئات القطبية والمعتدلة والاستوائية: التأثيرات التفاضلية على الأضرار والإصلاح
Translated title (French)
Effets interactifs de la température et du rayonnement UV sur la photosynthèse des souches de chlorelle des environnements polaires, tempérés et tropicaux : impacts différentiels sur les dommages et la réparation
Translated title (Spanish)
Efectos interactivos de la temperatura y la radiación UV en la fotosíntesis de cepas de Chlorella de entornos polares, templados y tropicales: impactos diferenciales en el daño y la reparación

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2174706824
DOI
10.1371/journal.pone.0139469

Is supplement to
https://openalex.org/W4389565994 (Other)
https://openalex.org/W4388881017 (Other)
https://openalex.org/W4298144339 (Other)
https://openalex.org/W4285391885 (Other)
https://openalex.org/W2968540412 (Other)
https://openalex.org/W2906610104 (Other)
https://openalex.org/W2533279817 (Other)
https://openalex.org/W2504273662 (Other)
https://openalex.org/W2071620136 (Other)
https://openalex.org/W2000169285 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Malaysia

References

  • https://openalex.org/W1625533523
  • https://openalex.org/W1964961309
  • https://openalex.org/W1965013405
  • https://openalex.org/W1967316578
  • https://openalex.org/W1967948031
  • https://openalex.org/W1972407658
  • https://openalex.org/W1973630771
  • https://openalex.org/W1974785163
  • https://openalex.org/W1980572359
  • https://openalex.org/W1984958756
  • https://openalex.org/W1985364311
  • https://openalex.org/W1985636766
  • https://openalex.org/W1987262517
  • https://openalex.org/W1997188528
  • https://openalex.org/W2001164687
  • https://openalex.org/W2002448320
  • https://openalex.org/W2003592637
  • https://openalex.org/W2004864130
  • https://openalex.org/W2004963059
  • https://openalex.org/W2005960177
  • https://openalex.org/W2011317467
  • https://openalex.org/W2016304484
  • https://openalex.org/W2016452153
  • https://openalex.org/W2019246262
  • https://openalex.org/W2026799354
  • https://openalex.org/W2028997907
  • https://openalex.org/W2031288942
  • https://openalex.org/W2038987975
  • https://openalex.org/W2047599526
  • https://openalex.org/W2052226642
  • https://openalex.org/W2052545390
  • https://openalex.org/W2065724049
  • https://openalex.org/W2072298480
  • https://openalex.org/W2074600948
  • https://openalex.org/W2074796470
  • https://openalex.org/W2083517593
  • https://openalex.org/W2089562938
  • https://openalex.org/W2099967346
  • https://openalex.org/W2106957788
  • https://openalex.org/W2109915405
  • https://openalex.org/W2114083125
  • https://openalex.org/W2120544856
  • https://openalex.org/W2126797498
  • https://openalex.org/W2130758785
  • https://openalex.org/W2131245486
  • https://openalex.org/W2132184891
  • https://openalex.org/W2155109186
  • https://openalex.org/W2160002794
  • https://openalex.org/W2160044763
  • https://openalex.org/W2162494465
  • https://openalex.org/W2168232185
  • https://openalex.org/W2170394607
  • https://openalex.org/W2330324445
  • https://openalex.org/W2611829928
  • https://openalex.org/W287833343
  • https://openalex.org/W3021789278
  • https://openalex.org/W4230235086
  • https://openalex.org/W4242300116
  • https://openalex.org/W4384382694