Artículos

 

La eficiencia cuántica máxima de separación de carga del fotosistema II de la comunidad de fitoplancton en el Pacífico Nororiental Tropical Mexicano: ¿Una herramienta adecuada para diagnosticar el estrés por nutrientes?

 

Maximum efficiency of charge separation of photosystem II of the phytoplankton community in the Eastern Tropical North Pacific off Mexico: A nutrient stress diagnostic tool?

 

A Almazán-Becerril y E García-Mendoza^*

 

Departamento de Oceanografía Biológica, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE), Km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada, Ensenada 22860, Baja California, México. * E-mail: ergarcia@cicese.mx

 

Recibido en diciembre de 2006.
Aceptado en noviembre de 2007.

 

Resumen

El crecimiento del fitoplancton en zonas oligotróficas del océano puede estar restringido por una baja capacidad fotosintética asociada a una limitación por nutrientes. Se ha documentado la reducción de la capacidad fotosintética como valores bajos de la eficiencia cuántica máxima de separación de carga del fotosistema II (PSII, F_v /F_m). En el presente trabajo se caracterizó la variación espacial y temporal de F_v/F_m en muestras de fitoplancton de la región oceánica del Pacifico Nororiental Tropical (PNOT) ubicado frente a la costa de México para explorar el potencial de este parámetro como indicador de estrés nutricional. Los resultados mostraron que F_v /F_m fue menor de 0.5 en la mayoría de las muestras y presentó una alta variabilidad en muestras de agua recolectadas en la superficie. Esta variabilidad estuvo relacionada con la hora de muestreo. Los cambios de F_v /F_m siguieron un patrón día-noche con valores máximos al final de la tarde y una marcada disminución durante el mediodía asociada a la regulación en la actividad del PSII. En experimentos de enriquecimiento con diferentes nutrientes en muestras de agua superficial no se observó un aumento en F_v/F_m. La comunidad del PNOT estuvo dominada por picoplancton, del cual entre 60 y 80% estuvo constituido por biomasa procariota (Prochlorococcus y otras cianobacterias), y no se encontró evidencia de limitación de la tasa fotosintética por estrés nutricional en condiciones naturales. Por lo tanto, los valores bajos de F_v/F_m relacionados con la regulación de la actividad del PSII e inherentes a especies fitoplanctónicas específicas, no indican un estrés nutricional en ambientes dominados por el picoplancton, como es el caso del PNOT de México. La variabilidad que no está directamente asociada con el estado nutricional de la comunidad fitoplanctónica debe de tomarse en cuenta al usar F_v/F_m como herramienta diagnóstica de limitación por nutrientes.

Palabras clave: Máxima eficiencia del fotosistema II, estrés nutricional, Pacífico Tropical, Prochlorococcus.

 

Abstract

Phytoplankton growth in oligotrophic regions might be constrained by a low photosynthetic capacity related to nutrient stress. A reduced photosynthetic capacity has been documented by low values of the maximum quantum efficiency of charge separation (F_v/F_m) of photosystem II (PSII). In the present work, spatial and temporal variations of F_v/F_m in phytoplankton samples of the Eastern Tropical North Pacific (ETNP) off Mexico were characterized to explore the potential of this parameter as a nutrient stress indicator. Our results show that F_v/F_m was lower than 0.5 in most of the samples and that in surface waters this parameter was highly variable. The variability of F_v/F_m was related to the time of sampling, and F_v/F_m changes followed a day/night cycle with maximum values at dawn and a strong reduction at noon related to down-regulation of PSII activity. Enrichment experiments showed that F_v/F_m did not increase after nitrate addition to surface samples. These results suggest that photosynthesis of the phytoplankton community in the ETNP dominated by picoplankton, of which 60-80% was represented by prokaryote biomass (Prochloroccocus and other cyanobacteria), was not rate-limited under natural conditions. Therefore, low F_v/F_m values associated with PSII down-regulation and inherent of specific phytoplankton species are not indicative of nutrient stress in picoplankton-dominated environments such as the ETNP off Mexico. These sources of variability that are not directly associated with the nutritional status of the phytoplankton community should be taken into account when using F_v/F_m as a diagnostic tool for nutrient limitation.

Key words: Photosystem II maximum efficiency, nutrient stress, tropical Pacific, Prochloroccocus.

 

Introducción

Las técnicas de fluorescencia activa han sido utilizadas ampliamente como una aproximación para conocer el estado fisiológico del fitoplancton marino (Kolber et al. 1990; Falkowski et al. 1991, Geider et al. 1993a, Olaizola et al. 1996, Greene et al. 1994, Behrenfeld et al. 2006). Un parámetro clave derivado de estas técnicas es la eficiencia cuántica máxima de separación de carga del fotosistema II (F_v/F_m). Dependiendo del protocolo usado (ver Kromkamp y Forster 2003), los valores de F_v/F_m menores a 0.65 o 0.75 han sido asociados a una actividad fotosintética subóptima debida a limitación por nutrientes, en particular nitrógeno inorgánico (Kolber et al. 1990, Falkowski et al. 1991, Geider et al. 1993a, Olaizola et al. 1996). El estrés nutricional se refleja en la disminución de la eficiencia del fotosistema II (PSII) causada por la reducción en la tasa de recambio de las reacciones involucradas en la cadena de transporte de electrones y fijación de CO₂ (Kolber y Falkowski 1993).

Aún cuando F_v/F_m es generalmente aceptado como un buen indicador de limitación por nutrientes, este parámetro no necesariamente refleja estrés nutricional en cultivos que crecen en condiciones de equilibrio (Parkhill et al. 2001). Incluso, la historia lumínica podría ser más importante que el estado nutricional para la regulación de F_v/F_m en dinoflagelados que crecen bajo condiciones de estrés (Rodríguez-Román e Iglesias-Prieto 2005). Por lo tanto, las células que crecen en condiciones de estrés pueden presentar valores de F_v/F_m similares a los que presentan las células que crecen sin limitaciones de nutrientes si logran aclimatarse a la baja disponibilidad de los mismos (Parkhill et al. 2001). Aunado a esto, la mayoría de los estudios relacionados con el efecto del estrés nutricional se han efectuado con especies con requerimientos altos de nitrato como las diatomeas (Geider et al. 1993b). Es difícil extrapolar las respuestas fisiológicas observadas en este grupo a condiciones de campo si se toma en cuenta que las comunidades naturales están compuestas por diferentes linajes evolutivos de células procariotas y eucariotas. Particularmente en regímenes oligotróficos las cianobacterias y los picoeucariotas dominan la comunidad de fitoplancton (Goericke et al. 2000). La estructura de una comunidad de fitoplancton es el resultado de la respuesta fisiológica de especies particulares y de procesos ecológicos ligados a condiciones ambientales específicas (Legendre et al. 1999). Las especies que habitan los regimenes oligotróficos deben tener la capacidad de resistir la baja disponibilidad de nutrientes sin que esto afecte su fisiología. Probablemente estas especies desarrollan estrategias que les permiten optimizar su desempeño fotosintético en aguas pobres en nitratos. En el presente trabajo se presenta una serie de experimentos efectuados durante el crucero MEX0203 en el Pacifico Nororiental Tropical (PNOT) mexicano para probar la hipótesis de que, en un régimen oligotrófico con una fuerte estratificación vertical, el fitoplancton está adaptado a estas condiciones y su tasa fotosintética no está limitada. Por lo tanto, valores bajos de F_v/F_m no reflejarán un bajo potencial fotoquímico en esa región.

 

Materiales y métodos

Durante febrero y marzo de 2003 se realizó el crucero MEX0203 en la región del PNOT mexicano a bordo del B/O New Horizon. Se muestrearon un total de 11 estaciones distribuidas en un transecto perpendicular a la línea de costa (fig. 1). En cada estación se registraron los valores de salinidad, temperatura, presión y fluorescencia de la clorofila a (Chl a) en la columna de agua mediante lances de CTD (Seabird 19 plus). Paralelamente se filtraron muestras de agua de profundidades discretas en cada estación para análisis pigmentarios y mediciones de la eficiencia cuántica (F_v /F_m). El criterio para elegir las profundidades de colecta se basó en la distribución vertical de Chl a determinada mediante del perfil vertical de fluorescencia.

Medición de la eficiencia cuántica máxima de separación de carga del PSII (F_v/F_m)

La emisión del PSII fue medida con un fluorómetro de pulsos de amplitud modulada (XE-PAM; Heinz Walz, Effeltrich, Alemania). La nomenclatura y el cálculo de los parámetros han sido descritos por Kromkamp y Forster (2003). La eficiencia cuántica máxima fue calculada como F_v/F_m. La fluorescencia variable (F_v) es la diferencia entre la emisión máxima (F_m) y la mínima (F₀) de la Chl a. F₀ es la señal de fluorescencia en la oscuridad, obtenida con pulsos de excitación de 2 Hz (lámpara de xenón con filtro óptico Schott BG39) y F_m representa la florescencia máxima medida en la oscuridad cuando todo el quenching fotoquímico es suprimido por un pulso de luz saturante (0.8 s). La señal de fluorescencia fue medida en muestras mantenidas en oscuridad por al menos 30 min. Después de este periodo, se colocaron 2 ml de muestra en una celda espectrofotométrica de cuarzo montada en la unidad óptica ED-101US del fluorómetro. Se aplicaron tres pulsos saturantes a cada muestra en intervalos de 30 s. Estas mediciones fueron realizadas por triplicado para cada muestra. La variación entre muestras no fue mayor al 5%. La señal de fluorescencia fue corregida sustrayendo la fluorescencia producida por el agua de mar filtrada por GF/F proveniente de la misma profundidad de la muestra.

Cuantificación de pigmentos fotosintéticos

Se filtraron de 1.5 a 2.5 L de agua mediante filtros GF/F de 25 mm diámetro, que fueron congelados de inmediato en nitrógeno líquido. La extracción de los pigmentos se llevó a cabo por disrupción mecánica (Bead Beater, Biospec Inc.) de los filtros en viales con perlas de vidrio/zirconio y 1.5 mL de acetona al 100% previamente enfriada. El homogenizado se mantuvo por al menos 2 h en oscuridad a -20°C. La solución de pigmentos se separó por centrifugación (15000 g x 5 min, 4°C). Este procedimiento dio buena eficiencia de extracción sin degradación de la muestra (datos no mostrados). La separación de pigmentos se realizó mediante cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) de acuerdo al protocolo de van Heukelem y Thomas (2001) con la modificación descrita en Colombo-Pallota et al. (2006). El equipo de HPLC utilizado fue un modelo Shimadzu de la serie AV-10 equipado con una columna de fase reversa Zorbax Eclipse XDBC-8 (150 mm x 4.6 mm de diámetro interno y 3.5 μm de tamaño de partícula). El detector de absorción fue configurado a 436 nm. Este protocolo separa, a nivel de línea base, la Chl a de la divinil clorofila a (DVChl a), y fue calibrado con 16 estándares comerciales (DHI, Inc. Suecia) de acuerdo a lo descrito por Wright y Montoura (1997).

Estimación de la contribución relativa de los grupos de fitoplancton a la biomasa total

La contribución relativa de los diferentes grupos de fitoplancton a la biomasa total, considerada como la concentración total de clorofila (Chl a + DVChl a = TChl a), fue estimada con el programa CHEMTAX (Mackey et al. 1996). La estimación de la contribución relativa de cada uno de los grupos de fitoplancton a la TChl a con base en una sola matriz de razones pigmentarias involucra de antemano un error analítico ya que supone que todas las especies están aclimatadas a las mismas condiciones ambientales. En este trabajo se intentó hacer estimaciones más confiables dividiendo las muestras en diferentes estratos para representar las condiciones a las cuales la comunidad de fitoplancton está expuesta. Para ello se realizó un análisis de clusters utilizando la distancia euclidiana de las concentraciones de pigmentos y razones pigmentarias en las muestras. Mediante este análisis se separaron tres diferentes grupos de acuerdo a la profundidad de las muestras. Por lo tanto se definieron tres estratos diferentes para el análisis quimiotaxonómico. El primer estrato abarcó los primeros 35 metros de columna de agua, el segundo se estableció entre 36 y 85 m donde se localizó el máximo subsuperficial de clorofila (MSC). Finalmente, se consideró que las muestras obtenidas a más de 85 m provenían de una comunidad con condiciones similares de aclimatación. La matriz inicial de razones pigmentarias fue tomada del trabajo de Schlüter et al. (2000).

La contribución relativa de Prochlorococcus a la biomasa fitoplanctónica se calculó mediante la razón DVChl a/TChl a. Por lo tanto, la contribución de Chl a asociada a ese grupo fue restada de la matriz de razones pigmentarias. De la misma forma, la zeaxantina (Zea) asociada a Prochlorococcus fue sustraída de la matriz para evitar la sobreestimación de la contribución de las cianobacterias. La cantidad de Zea asociada a Prochlorococcus se calculó usando razones Zea/DVChl a de 1, 0.425 y 0.76 para los estratos de superficie, media agua y zona profunda respectivamente. Estas razones fueron obtenidas de muestras donde la DVChl a representó alrededor del 95% de la TChl a. Suponiendo constante este cociente en todas las muestras de la misma capa de profundidad, entonces la zeaxantina asociada a Prochlorococcus se calculó como:

La Zea independiente de Prochlorococcus en cada una de las muestras se atribuyó a otras cianobacterias.

Experimentos de enriquecimiento con nitrato

Para probar el efecto de la adición de nutrientes sobre el desempeño fotosintético de la comunidad de fitoplancton se realizaron tres experimentos de enriquecimiento. En el primer experimento se evaluó la respuesta de la comunidad al enriquecimiento con fosfato (como ortofosfato PO₄^-3), nitrato (como NaNO₃), y hierro (como FeCl₃ quelado). En los resultados de este primer experimento no se observaron cambios en la señal de F_v/F_m, pero si se registró un aumento de la biomasa del fitoplancton en la muestra enriquecida con nitrato (datos no mostrados). Por lo tanto se realizaron dos nuevos experimentos en diferentes fechas añadiendo sólo nitrato a muestras superficiales de la estación 11. Cada experimento consistió en dos tratamientos y un control (sin adición de nitrato). Se hicieron dos réplicas por cada tratamiento y cada control. Se incubaron a bordo muestras de agua de superficie con 2 μM (tratamiento 1) y 4 μM (tratamiento 2) de concentración final de NO3 en botellas de policarbonato de boca angosta de 1 L previamente lavadas con HCl al 10%. Las botellas se mantuvieron en un incubador de acrílico con flujo constante de agua de mar y se cubrieron con una malla de plástico para simular 60-70% de la irradiancia medida en superficie. El objetivo de exponer las muestras a este nivel menor de irradiancia fue disminuir el estrés lumínico sin limitar el crecimiento. Se tomaron alícotas de cada muestra cada 3 horas durante 3 días para mediciones de F_v/F_m. Al final del experimento el resto del agua fue filtrada para analizarla por HPLC. En este paso se mezcló el agua de las botellas control y se trató todo como una sola muestra.

Series de tiempo de F_v/F_m

La eficiencia cuántica máxima fue monitoreada en la comunidad de fitoplancton de superficie (intervalo de 1 a 2 m de profundidad dependiendo de la longitud de la botella y la roseta usadas para el muestreo) y de 40 m durante el periodo de luz en las estaciones 5 y 7 (ver fig. 1). Cada hora se recolectó agua de la superficie para determinar la concentración de pigmentos (HPLC) y para mediciones de F_v/F_m, comenzando antes del amanecer y concluyendo después del ocaso.

 

Resultados

Hidrografía

Durante la época de estudio se registraron temperaturas superficiales mayores a 25°C en la región del ETNP. La termoclina se encontró a ~50 m de profundidad cerca de la costa, y entre 80 y 90 m en las estaciones oceánicas (estaciones 4 a 11; fig. 2). Se observó una pronunciada estratificación (fig. 2c) en la región, lo que evitó el flujo de nitrógeno remineralizado de aguas profundas a la capa de mezcla. Fue evidente la elevación de las isopicnas en algunos puntos a lo largo del transecto, probablemente relacionadas con estructuras de mesoescala, las cuales son características comunes en la zona (López-Calderón et al. 2006).

Cambios verticales de F_v/F_m y la composición de la comunidad de fitoplancton

La figura 3 presenta la distribución de la TChl a a profundidad, F_v/F_m y las contribuciones a la biomasa de los diferentes grupos de fitoplancton estimados por medio de los pigmentos huella en tres estaciones (1, 3 y 11). La estación 1 representó las condiciones relacionadas con un ambiente costero en el que se detectó un máximo subsuperficial de clorofila (DCM) bien desarrollado situado a menos de 20 m de profundidad (fig. 3a). Desde la superficie y hasta 30 m la clorofila asociada a las diatomeas constituyó más de 90% de TChl a. Por debajo del MSC se incrementó sustancialmente la contribución relativa de los procariotas, y la DVChl a constituyó aproximadamente un 90% de la TChl a entre 80 y 90 m de profundidad (fig. 3c). La estación 3 presentó características de transición entre las condiciones oceánicas (estaciones 4 a 11) ylos ambientes influenciados por la costa, y se caracterizó por presentar un MSC relativamente somero (~40 m) con concentraciones de TChl a de 0.37 μg L^-1. En la superficie la TChl a estuvo conformada principalmente por biomasa de células procariotas (>80% de la TChl a). La contribución de estos grupos a la TChl a disminuyó hasta un 23% en el MSC (fig. 3g) y el componente eucariota (fig. 3h) estuvo representado principalmente por primnesiofitas (presencia de 19-hexanoiloxifucoxantina, HF) y pelagofitas (presencia de 19-butanoiloxifucoxantina, BF). En la estación 3, alrededor de los 100 m (fig. 3e), se encontró un segundo MSC donde la DVChl a representó más del 94% de la TChl a. La presencia de este segundo máximo (máximo de Prochlorococcus, pMSC) no estuvo correlacionada con la TChl a en la superficie o en el MSC (P > 0.05; n = 9; correlación de Spearman). Sin embargo, se detectó una fuerte correlación negativa entre la profundidad del pMSC y la distancia a la costa (r = -0.94, P < 0.05; n = 9). El pMSC se detectó en toda el área de estudio excepto en las estaciones 10 y 11 (fig. 3i). El pMSC se ha relacionado con la presencia de la capa del mínimo de oxígeno en el ETNP de México que es somera cerca de la costa y tiende a hacerse más profunda hacia ambientes oceánicos (Goericke et al. 2000). Prochlorococcus fue el taxón más importante en la columna de agua en el área de estudio. Por ejemplo, en la estación 11, la DVChl a constituyó 60% de la TChl a en superficie (fig. 3k). Este aporte disminuyó al 30% en el MSC y se incrementó en aguas más profundas donde llegó a ser más del 90% de la TChl a (fig. 3g, c). En relación a los valores del potencial fotoquímico de la comunidad de fitoplancton en el área, los valores de F_v/F_m estuvieron por debajo, o cercanos a 0.5 en la mayoría de las muestras (fig. 3b, f, j). F_v/F_m pareció incrementarse de la superficie a aguas profundas con valores por encima de 0.5 sólo en el pMSC. La mayor variabilidad de este parámetro se detectó en la superficie y cercano al MSC.

Para identificar una posible relación entre la eficiencia fotoquímica y las diferentes condiciones ambientales se investigó la variación costa-océano de F_v/F_m y la estructura de la comunidad de fitoplancton. Cerca de la costa las diatomeas dominaron la comunidad de fitoplancton, mientras que en el área oceánica 70-80% de la TChl a (~0.1 μg L^-1 en promedio) estuvo asociada a Prochlorococcus y otras cianobacterias (fig. 4a). Las primnesiofitas fueron el grupo de eucariotas mejor representado en las comunidades oceánicas (fig. 4a). Un análisis de correlación entre los grupos de fitoplancton mostró una fuerte asociación entre primnesiofitas y pelagofitas (correlación de Spearman; r = 0.83, P < 0.05; n = 60). Lo mismo se observó para Prochlorococcus y cianobacterias, pero la intensidad de esta relación no fue tan alta como la primera (r = 0.5, P < 0.05; n = 60). Estos cuatro grupos coexistieron en el área, y en las estaciones oceánicas (estaciones 2 a 11) se observó una correlación negativa (r = -0.78, P < 0.05; n = 60) entre los componentes procariotas y eucariotas (principalmente primnesiofitas y pelagofitas). Estos resultados indican que la contribución relativa de estos cuatro grupos principales a la biomasa total definen diferentes comunidades de fitoplancton en el área. Específicamente, la comunidad de fitoplancton en el MSC fue diferente a la de la superficie en la zona oceánica. En la superficie la variación de la biomasa fue causada por cambios en la contribución relativa de las pelagofitas y primnesiofitas (r = 0.88, P < 0.05; n = 9) con cambios concomitantes en el componente procariota (r = -0.88, P < 0.05; n = 9). En contraste, el incremento de biomasa en el MSC fue consecuencia del incremento de especies eucariotas y no de la disminución de la biomasa procariota (r = 0.83; P < 0.05; n = 9). Por lo tanto, consideramos que las comunidades de fitoplancton de la superficie, el MSC y el pMSC en el océano pueden ser consideradas comunidades diferentes y, por tanto, deben de poseer distintas características fisiológicas.

La comunidad de fitoplancton en la superficie fue relativamente constante en la región oceánica (estaciones 2 a 11, fig. 4a). Sin embargo, en las muestras obtenidas a esta profundidad F_v/F_m fue altamente variable (fig. 4c). En comparación con las muestras de la superficie, la comunidad del MSC fue más diversa. La contribución relativa del fitoplancton eucariota a la TChl a fue más importante en el MSC (fig. 4b). Entre 30% y 40% de la TChl a estuvo asociada a primnesiofitas, pelagofitas y, en menor proporción, a diatomeas y prasinofitas (fig. 4b). En el MSC los valores mayores de F_v/F_m se registraron cerca de la costa (0.55). Por el contrario, los valores más bajos se detectaron en estaciones oceánicas (fig. 4d). F_v/F_m disminuyó de la costa hacia mar abierto (fig. 4d) y esta disminución estuvo correlacionada negativamente con la profundidad del MSC (r = -0.81, P < 0.05; n = 9).

Variabilidad diurna de F_v/F_m

En la superficie se detectaron valores bajos de F_v/F_m en muestras recolectadas durante las horas de luz (fig. 4b). Por lo tanto, la variación diurna de este parámetro fue monitoreada en las estaciones 5 y 7 a dos diferentes profundidades. Los cambios de F_v/F_m fueron similares en ambas estaciones. La figura 5 muestra la variación diurna de este parámetro observada en la estación 7. El valor más alto de F_v/F_m fue medido al amanecer (0.6). F_v/F_m disminuyó durante la mañana hasta llegar a su valor más bajo medido al mediodía (0.05) y se recuperó paulatinamente durante la tarde hasta alcanzar 85% del valor medido al amanecer (fig. 5). La razón Zea/Chl a fue significativamente mayor en la superficie (40%) que en las muestras tomadas a 40 m de profundidad (prueba de t, P < 0.05), pero no se detectaron cambios en la concentración relativa de este pigmento ni en la superficie ni en las muestras tomadas a 40 m de profundidad (datos no mostrados). Por lo tanto, la variación diurna no estuvo relacionada con cambios en la concentración de pigmentos de la comunidad de fitoplancton.

Experimentos de enriquecimiento

Se evaluó el efecto de la adición de nutrientes sobre F_v/F_m y la biomasa del fitoplancton. Al igual que en las condiciones in situ, en los experimentos de enriquecimiento la variación de F_v/F_m siguió un ciclo día-noche (fig. 6). La disminución de F_v/F_m durante el mediodía fue menor ya que las células de los experimentos estuvieron expuestas a menores irradiancias comparadas con las condiciones de campo. La adición de nitrato a las muestras superficiales no tuvo efecto notable en F_v/F_m . No hubo un incremento en los valores máximos de F_v/F_m tras la adición de nitratos a las muestras superficiales y este parámetro nunca fue mayor a 0.6. En contraste, la adición de nitrato a estas muestras afectó la acumulación de biomasa y la composición de la comunidad de fitoplancton. Las muestras superficiales utilizadas para los experimentos de enriquecimiento presentaron concentraciones bajas de TChl a (0.1 μg L^-1), en las que los procariotas representaron 80% de la biomasa. (Condición inicial; tabla 1). La adición de nitrato resultó en un incremento de 26 veces en la TChl a en el experimento 1 y en menos de 2 veces en el experimento 2 (tabla 1). La biomasa de las primnesiofitas y pelagofitas, pero principalmente la de las diatomeas, se incrementó en las muestras en las que se añadió nitrato (tabla 1). Esto fue evidente por el incremento de fucoxantina, BF y HF (tabla 1). Particularmente, la concentración de fucoxantina al final del periodo de incubación fue de 100 y 20 veces mayor comparada con la condición inicial y el tratamiento control en los experimentos 1 y 2 respectivamente (tabla 1). En contraste, las concentraciones de Zea y DVChl a fueron semejantes entre el control y los tratamientos con nitrato. Por lo tanto, la biomasa de las ciano-bacterias no se incrementó tras la adición de nitrato.

 

Discusión

La eficiencia máxima de separación de carga del PSII no es un buen indicador de estrés nutricional en las comunidades de fitoplancton de regimenes oligotróficos debido a que este parámetro mostró una fuerte variabilidad diurna, en especial en las muestras superficiales. Por lo tanto, los valores bajos de F_v/F_m no reflejan necesariamente una limitación de la tasa fotosintética de la comunidad de fitoplancton debida al estrés nutricional. El uso de F_v/F_m como indicador de estrés nutricional en estudios oceanográficos se basa en observaciones donde este parámetro se incrementa de la superficie hacia la nutriclina (Geider et al. 1993a). De la misma forma, la disminución de F_v/F_m en muestras superficiales en un gradiente costa-océano ha sido usado para concluir que los valores bajos de este parámetro indican limitación por nutrientes de la tasa fotosintética (Kolber et al. 1990, Geider et al. 1993a, Falkowski et al. 1991, Olaizola et al. 1996). Sin embargo, estos estudios no toman en cuenta la variación diurna de la eficiencia del PSII. Behrenfeld et al. (2006) mostraron que F_v/F_m sigue un ciclo día-noche con una disminución acentuada al mediodía asociada con la respuesta fisiológica del fitoplancton al exceso de luz, y también una disminución durante la noche debida a procesos de respiración. F_v/F_m reflejan la fisiología del fitoplancton; sin embargo, los cambios diurnos de este parámetro deben de ser considerados para hacer inferencias sobre el estrés por nutrientes. Específicamente, el valor más alto al amanecer y su reducción durante la noche define el estado fisiológico de la comunidad de fitoplancton (Behrenfeld et al. 2006). Nuestro estudio concuerda con lo reportado por Behrenfeld et al. (2006).

El grado de reducción de F_v/F_m durante el periodo de luz depende de la cantidad de irradiancia que llega al fitoplancton. Con una composición relativamente similar, la comunidad ubicada a 40 m de profundidad presentó una reducción mucho menor que la superficial durante el mediodía. La disminución de F_v/F_m relacionada con e campo de luz en capas profundas también fue reportado por Behrenfeld et al. (2006). Aunque hubo una disminución considerable al mediodía en las muestras superficiales, se detectó una recuperación casi total al final del día, lo que indica que la actividad del PSII está eficientemente regulada durante las horas de luz. Varios procesos están involucrados en la regulación reversible del PSII. Específicamente, la síntesis en corto plazo de carotenoides fotoprotectores es uno de los procesos más importantes relacionados con la regulación del PSII. La acumulación de diatoxantina es la principal estrategia fotoprotectora en comunidades dominadas por diatomeas (Kashino et al. 2002). Este no es el caso para regiones oligotróficas donde la comunidad del fitoplancton está dominada por cianobacterias. Específicamente, en el PNOT mexicano 60-80% de la biomasa superficial del fitoplancton estuvo asociada con este grupo (figs. 3, 4). La síntesis a corto plazo de carotenoides foto-protectores no está presente en las cianobacterias. Por lo tanto, no se esperaba detectar variaciones en el corto plazo en la concentración de carotenoides, lo cual se confirma con los valores relativamente constantes de la razón Zea/Chl a encontrados a lo largo del día. Sin embargo, esta razón fue mucho mayor en la superficie que en las muestras más profundas. Kana et al. (1988) reportaron que la concentración de Zea es significativamente mayor en cultivos de Synechococcus aclimatados a luz intensa. También, el incremento de la concentración de Zea como respuesta a una alta intensidad de luz ha sido reportada en comunidades oligotróficas superficiales (Letelier et al. 1993, Babin et al. 1996) y en cultivos de Prochlorococcus (Bruyant et al. 2005). Aunque no se ha caracterizado el papel especifico del Zea en la regulación de PSII (quenching energético) en cianobacterias, es claro que este carotenoide juega un papel importante en la fotoprotección de este grupo (Kerfeld 2004). El fitoplancton que habita ambientes oligotróficos debe contar con mecanismos efectivos de fotoprotección para regular la actividad de PSII y evitar la fotoinhibición. Para recuperarse de la fotoinhibición los organismos requieren síntesis de novo de proteínas, lo que representa una inversión energética importante. Por lo tanto, la regulación de la actividad del PSII (reflejado en los valores bajos de F_v/F_m ) no significa que el potencial fotoquímico esté asociado con estrés nutricional. Una observación que corrobora que la fotosíntesis del fitoplancton en el PNOT no está limitada por nitratos es la ausencia de cambios en F_v/F_m después de la adición de este nutriente a las muestras superficiales. La eficiencia del PSII responde inmediatamente a la mitigación del factor de estrés. Por ejemplo, en comunidades de fitoplancton limitadas por hierro, la caída nocturna de F_v/F_m se revierte y su valor se incrementa inmediatamente después de incorporar este micronutriente (Olson et al. 2000, Behrenfeld et al. 2006).

Los valores de F_v/F_m medidos antes del amanecer y al atardecer en las muestras superficiales del PNOT; los obtenidos a 40 m de profundidad y los medidos en los experimentos de enriquecimiento (entre 0.5 y 0.6) son característicos de lo que Behrenfeld et al. (2006) definieron como el régimen fisiológico I de la cuenca del Pacífico Tropical. Este régimen está presente en regiones oceanográficas con suficiente hierro disuelto pero poca disponibilidad de macronutrientes. La tasa fotosintética de la comunidad de fitoplancton en estas regiones no está limitada ya que las microalgas presentan tasas de crecimiento altas (Behrenfeld et al. 2006). Por otra parte, las células con altos requerimientos específicos de nitrato como las diatomeas y primnesiofitas si pueden sufrir limitación en su eficiencia fotosintética por falta de este nutriente. Lo anterior puede explicar la baja acumulación de biomasa de estos grupos en la zona de estudio donde las variaciones en F_v/F_m probablemente no reflejen las condiciones fisiológicas de tales células.

El uso de F_v/F_m como herramienta diagnóstica en oceanografía supone que la comunidad de fitoplancton es considerada una entidad compuesta por organismos que responden en forma homogénea a las restricciones ambientales. Sin embargo, dicha comunidad es un grupo diverso compuesto por microalgas pertenecientes a varios linajes evolutivos. Por lo tanto, la estructura de la comunidad puede jugar un papel importante en los valores máximos de F_v/F_m, y la variación de este parámetro debe estar asociada con la respuesta diferencial de los fitoplanctontes en la comunidad. Por ejemplo, en las cianobacterias F_v/F_m nunca es mayor de 0.45 y las eficiencias de fluorescencia (máxima y mínima) dependen de la asociación de los principales complejos antena (ficobilisomas) ya sea al PSII o PSI (Campbell et al. 1998). Además, en las algas procariotas la respiración y la cadena fotosintética de transporte de electrones están acopladas, lo que afecta el estado redox del conjunto de PQ, y éste a su vez incide directamente en los valores de fluorescencia del PSII (Campbell et al. 1998, Kolber y Falkowski 1993). Por lo tanto, en comunidades mixtas de fitoplancton las estimaciones de F_v/F_m menores a 0.75 (para protocolos PAM) no necesariamente indican una disminución en la eficiencia del PSII. Valores bajos pueden reflejar una contribución significativa de grupos con bajo F_v/F_m a la señal de fluorescencia. De hecho, los valores de F_v/F_m reportados para comunidades naturales nunca son mayores a los reportados en cultivos (Bergmann et al. 2002, Gervais et al. 2002, Kashino et al. 2002).

En conclusión, en las comunidades de fitoplancton de la región del PNOT mexicano, dominadas por autótrofos procariotas, el F_v/F_m máximo medido al amanecer y la insensibilidad de este parámetro a la adición de nitratos, indican que las células procariotas no presentaron características de limitación por las condiciones ambientales presentes. En contraste, las condiciones del PNOT limitan la acumulación de biomasa de especies cuyos requerimientos metabólicos de nitrato son mayores, tales como las diatomeas. La eficiencia máxima del PSII puede reflejar el estado fisiológico de la comunidad a las condiciones ambientales. Sin embargo, los cambios diurnos observados durante las horas de luz y la variación asociada con diferentes comunidades del fitoplanctónicas limitan el uso de la fluorescencia activa como herramienta diagnostica de estrés nutricional.

 

Agradecimientos

Los autores agradecen al CONACyT la beca otorgada a A Almazán, y al Dr. Ralph Goericke de SIO y la tripulación del B/O New Horizon por su apoyo y colaboración.

 

Referencias

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