La carenza di fosforo induce la riproduzione sessuale nel dinoflagellato Prorocentrum cordatum

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14191 (2023) Citare questo articolo

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L'azoto (N) e il fosforo (P) sono elementi essenziali la cui disponibilità promuove la crescita del fitoplancton e regola la produttività primaria acquatica. In questo studio, abbiamo studiato l'effetto della carenza di N e/o P sulla riproduzione sessuale di Prorocentrum cordatum, il dinoflagellato con ciclo vitale aplonte che causa fioriture algali dannose in tutto il mondo. Nelle colture di P. cordatum, N e il deficit combinato di N e P hanno portato all'arresto del ciclo cellulare nelle fasi G0/G1 e all'attenuazione della crescita della coltura cellulare. Abbiamo osservato che la carenza di P, ma non di N, ha innescato la transizione nel ciclo vitale di P. cordatum dallo stadio vegetativo a quello sessuale. Ciò ha comportato un forte aumento della percentuale di cellule con contenuto relativo di DNA nucleare 2C (zigoti) e la comparsa di cellule con contenuto relativo di DNA nucleare 4C (zigoti in divisione). La successiva integrazione con fosfato ha stimolato la meiosi e ha portato ad un notevole aumento del numero di cellule 4C (che dividono gli zigoti). Inoltre, abbiamo eseguito l'analisi dei dati trascrittomici e identificato i presunti trasportatori ed enzimi del fosfato coinvolti nell'assorbimento del fosfato e nella regolazione del suo metabolismo da parte di P. cordatum. Questi includono trasportatori di fosfato inorganico ad alta e bassa affinità, fosfatasi alcalina atipica, fosfatasi acide viola e proteine ​​contenenti domini SPX.

I dinoflagellati sono uno dei gruppi più importanti di protisti che contribuiscono alla produzione primaria marina, ai trasferimenti di materia ed energia all'interno delle catene alimentari acquatiche e alla formazione di fioriture algali dannose in tutto il mondo, chiamate anche "maree rosse"1, 2. Queste microalghe hanno un complesso ciclo vitale con alterazione delle fasi vegetative e sessuali transitorie. Con l'unica eccezione nota di Noctiluca3, i tipici dinoflagellati hanno un ciclo vitale aplonte. In determinate condizioni ambientali, le cellule vegetative si differenziano in gameti che si fondono e formano uno zigote diploide. Quest'ultimo forma una cisti sessuale a riposo o subisce due successive divisioni meiotiche senza incistamento a lungo termine. Durante la germinazione, le cisti sessuali a riposo attraversano la meiosi4,5,6.

La ricerca dei fattori che regolano il passaggio dalla fase vegetativa a quella sessuale del ciclo vitale è oggetto di ricerca da diversi decenni. In alcune specie, questa transizione può essere spontanea3, 7. Tuttavia, come in molti altri protisti, il sesso nei dinoflagellati è considerato una strategia di sopravvivenza in condizioni ambientali avverse, come privazione di nutrienti, regime di temperatura sfavorevole, stress salino, pascolo o parassiti. infezione8,9,10,11. Le interazioni tra i fattori che inducono la sessualità possono essere complesse. Ad esempio, nell'Alessandrium minutum, l'effetto combinato di tre fattori, come carenza di P, bassa salinità e alta temperatura, aumenta significativamente la resa dei planozigoti e delle cisti sessuali a riposo rispetto all'effetto della sola carenza di P e/o N9 . La presenza di un partner appropriato per l'accoppiamento è importante anche per il successo della riproduzione sessuale nelle specie eterotalliche12. Per molti dinoflagellati, il processo sessuale è stato descritto in colture tardive esponenziali o stazionarie, caratterizzate da un'elevata concentrazione cellulare e dall'esaurimento delle fonti di nutrienti13,14,15. Nelle specie eterotrofe, come Polykrikos kofoidii, l'assenza di prede può anche indurre la formazione di gameti7. In effetti, è probabile che la disponibilità di nutrienti svolga un ruolo chiave nella regolazione dei cicli vitali di questo gruppo di protisti. Nelle colture della maggior parte dei dinoflagellati, la sessualità può essere indotta diminuendo o eliminando N e/o P o modificando il loro rapporto nel terreno di coltura8, 16.

Prorocentrum cordatum (attualmente accettato tassonomicamente sinonimo di Prorocentrum Minimum) è un dinoflagellato planctonico neritico e l'agente eziologico di fioriture algali dannose in tutto il mondo17,18,19,20,21. Il ciclo biologico di P. cordatum è stato recentemente descritto22. Nella coltura invecchiata, che cresceva senza aggiungere terreno fresco e sostanze nutritive per più di 3 settimane, sono stati osservati diversi stadi sessuali, come la fusione di gameti, planozigoti e zigoti che si dividono per meiosi. Tuttavia, finora non sono stati segnalati i fattori specifici che innescano la transizione dalla riproduzione vegetativa a quella sessuale. Abbiamo suggerito che la carenza di N e/o P può innescare la riproduzione sessuale in P. cordatum.