INTRODUCCIÓN

Las praderas de pastos marinos juegan papeles ecológicos críticos en las áreas costeras tropicales y templadas y se consideran de los sistemas más productivos dentro de los ambientes marinos (^{Phillips y McRoy 1980}). En el mar Mediterráneo, Cymodocea nodosa y Posidonia oceanica forman grandes praderas y son la vegetación dominante en las zonas costeras. En México, Zostera marina es la principal vegetación acuática que se encuentra sumergida en las lagunas costeras y ensenadas someras de la península de Baja California y el golfo de California (^{Muñiz-Salazar et al. 2005}). Además de la importancia de la biomasa de brotes y rizomas, las praderas de pastos marinos sirven como sustratos para una gran cantidad de algas, invertebrados y vertebrados (^{Brito et al. 2005}). Al igual que con otras plantas acuáticas, las fluctuaciones estacionales en la temperatura del agua de mar y la disponibilidad de nutrientes afectan la productividad y la biomasa de los pastos marinos y a sus epífitas asociadas. Por ejemplo, tanto la biomasa superficial como la productividad primaria de C. nodosa y Z. marina disminuyen en invierno debido a las bajas temperaturas del agua de mar (^{Cabello-Pasini et al. 2004}).

Junto con la biomasa y la productividad primaria, los componentes bioquímicos de las algas marinas y los pastos marinos fluctúan en respuesta a las condiciones ambientales. Por ejemplo, se ha encontrado que el contenido de clorofila en los brotes de Z. marina y C. nodosa aumenta con la profundidad y la limitación de luz (^{Mazzella y Alberte 1986}, ^{Cabello-Pasini et al. 2003}). El contenido de carbono y nitrógeno en los tejidos de la vegetación marina también varía según las fluctuaciones en la irradiancia, la temperatura y la concentración de nitrógeno en el agua de mar (^{Cabello-Pasini et al. 2004}). En general, la absorbancia en los tejidos de algas marinas también varía según las concentraciones de clorofila y nitrógeno y el nivel de irradiancia. Por lo tanto, la absorción tisular fluctúa estacionalmente. Sin embargo, los medios y la medida en que la absorción tisular y la asimilación de carbono y nitrógeno están reguladas por la concentración de nitrato en el agua de mar aún no se comprenden bien en los pastos marinos, aunque está bien consolidado que los niveles de nitrato en la columna de agua y de reserva de carbono activan la actividad de la nitrato reductasa en brotes de Z. marina (^{Touchette y Burkholder 2007}).

Las tasas fotosintéticas en las plantas generalmente se determinan evaluando la evolución de oxígeno o la incorporación de carbono en los tejidos. Durante las últimas 2 décadas, la fluorometría ha demostrado ser un medio confiable y efectivo para evaluar los procesos fotosintéticos en macrófitos marinos (^{Edwards y Baker 1993}; ^{Beer et al. 1998}, ²⁰⁰⁰). De hecho, los métodos fluorométricos que estiman las características fotosintéticas no son intrusivos y son mucho más rápidos que las técnicas de evolución de oxígeno o de incorporación de carbono. En particular, la fluorometría modulada por amplitud de pulso (PAM, por sus siglas en inglés) de la fluorescencia de clorofila in vivo asociada con el fotosistema II (FSII) se puede usar para monitorear las reacciones primarias de la fotosíntesis en condiciones de luz artificial o natural (^{Beer et al. 2000}). Los estudios empíricos han demostrado que la tasa de transporte de electrones (TTE) está estrechamente relacionada con la evolución de oxígeno y la fijación de CO₂ en plantas C₄ (^{Edwards y Baker 1993}), y se han reportado valores cercanos a la relación teórica de producción de TTE:oxígeno de 5-7 mol de electrones por mol de producción de oxígeno en 2 especies de Ulva (^{Figueroa et al. 2003}).

Al igual que en las plantas, las tasas fotosintéticas en los pastos marinos dependen de factores ambientales, como la temperatura del agua de mar y la irradiancia, y de factores biológicos, como el tipo de tejido y la historia lumínica a largo plazo de la muestra. Tanto la radiación como la temperatura del agua de mar regulan las tasas fotosintéticas de las algas y los pastos marinos. Sin embargo, los efectos de las concentraciones de nutrientes en el agua de mar sobre la TTE en estas plantas acuáticas son menos conocidos. El conocimiento de los efectos de los nutrientes sobre la TTE en el aparato fotosintético es fundamental para comprender las fluctuaciones estacionales de la fotosíntesis, el crecimiento y otras características metabólicas en los pastos marinos. En el fitoplancton y las macroalgas, se ha demostrado que el rendimiento cuántico óptimo covaría con las concentraciones de silicio y fósforo en el agua de mar (^{Kolber et al. 1990}, ^{Young y Beardall 2003}). Además, se ha demostrado que la concentración de nitrógeno en el agua de mar regula la relación entre la TTE y la fotosíntesis bruta en el alga verde U. rigida (^{Cabello-Pasini y Figueroa 2005}). Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar los efectos de los niveles de irradiancia y las concentraciones de nitrato en el agua de mar sobre la TTE del pasto marino C. nodosa.

MATERIALES Y MÉTODOS

RESULTADOS

Las concentraciones de carbono y nitrógeno en los tejidos de C. nodosa variaron en relación con la concentración de nitrato en el medio (Fig. 1). Los niveles de carbono tisular aumentaron 6.5% (P < 0.05) cuando la concentración de nitrato en el medio aumentó de 0 a 100 µM NO₃ ^-. En contraste con la concentración de carbono en los tejidos, los niveles de nitrógeno aumentaron (P < 0.05) más del 60.0% en C. nodosa cuando la concentración de nitrato en los medios aumentó de 0 a 100 µM NO₃ ^-. La relación C:N del tejido disminuyó significativamente de 18.5 ± 2.2 en tejidos incubados sin nitrato (0 µM NO₃ ^-) a 12.6 ± 1.9 en tejidos incubados con 100 µM NO₃ ^-.

Figura 1 Concentración de carbono (C) (% peso seco [PS]), concentración de nitrógeno (N) (%PS) y la relación C:N en tejidos de Cymodocea nodosa incubados con diferentes concentraciones de nitrato (NO₃ ^-). Los puntos de datos representan el promedio de 6 muestras ± desviación estándar. 

La concentración de nitrato en el medio reguló la transmitancia y reflectancia de los brotes de C. nodosa (Fig. 2). La transmitancia en los brotes disminuyó exponencialmente (P < 0.05) de 0.290 ± 0.07 en brotes incubados sin nitrato (0 µM NO₃ ^-) a 0.198 ± 0.07 en brotes incubados con 100 µM NO₃ ^-. La reflectancia no mostró un patrón claro con respecto a la concentración de nitrato en el medio, aunque los valores máximos de reflectancia se observaron en los brotes incubados con 25 y 50 µM de NO₃ ^-.

Figura 2 Transmitancia, reflectancia y absorbancia de tejidos de Cymodocea nodosa incubados con diferentes concentraciones de nitrato (NO₃ ^-). Los puntos de datos representan el promedio de 10 muestras ± desviación estándar. 

El rendimiento cuántico efectivo en los brotes de C. nodosa se vio afectado por la concentración de nitrato en el medio (Fig. 3). Los valores de Φ_FSII aumentaron significativamente (P < 0.05) de 0.70 ± 0.03 en brotes incubados sin nitrato (0 µM NO₃ ^-) y llegaron a saturación (0.78 ± 0.01) en brotes incubados con 50 y 100 µM NO₃ ^-.

Figura 3 Rendimiento cuántico efectivo en brotes de Cymodocea nodosa incubados con diferentes concentraciones de nitrato (NO₃ ^-). Los puntos de datos representan el promedio de 10 muestras ± desviación estándar. 

El rendimiento cuántico efectivo en los brotes de C. nodosa repletos de nitrato fluctuó como resultado del nivel de irradiación a lo largo del día (Fig. 4). La irradiancia siguió una curva sinusoidal típica, aunque se observaron ligeras desviaciones del modelo debido a cielos despejados. El rendimiento cuántico efectivo en los brotes disminuyó significativamente (P < 0.05) a medida que aumentaba la irradiancia, con valores mínimos observados al mediodía solar o 2 h después. Sin embargo, la disminución de los valores de Φ_FSII fue 4 veces mayor en los brotes incubados con radiación solar total (100 % E_o) en comparación con los incubados con solo 20% E_o. Los valores de Φ_FSII se recuperaron 2 h después de la puesta del sol en brotes incubados con 20%, 33% y 60% de E_o. Por el contrario, los valores de Φ_FSII de los brotes incubados con radiación solar total (100% E_o) no se recuperaron por completo durante el mismo periodo de tiempo. No obstante, los valores de Φ_FSII en estos brotes se recuperaron por completo a la mañana siguiente (datos no mostrados).

Figura 4 Radiación fotosintéticamente activa (RFA) incidente en octubre de 2004 en el sitio de estudio. Valores del rendimiento cuántico efectivo en los brotes de Cymodocea nodosa incubados con diferentes niveles de RFA incidentes. Los símbolos representan la media ± desviación estándar. Las barras de error que no se muestran son más pequeñas que el tamaño del símbolo. 

El rendimiento cuántico efectivo en los brotes de C. nodosa se vio afectado de manera diferencial por la irradiación que recibieron a lo largo del día (Fig. 5). El primer valor de rendimiento cuántico efectivo (irradiancia = 0 µmol fotón·m^-2·s^-1) corresponde a F_v/F_m, ya que las plantas se mantuvieron en la oscuridad durante toda la noche. Como se preveía, los valores de F_v/F_m fueron mayores que los valores de Φ_FSII. En todos los casos, se observó una disminución lineal (P < 0.05) en los valores de Φ_FSII desde el amanecer hasta el mediodía solar. La recuperación de los valores de Φ_FSII también fue lineal, y se observó la misma tasa en los brotes incubados con 20% y 33% de E_o (Fig. 5a, b). La pendiente de la curva de recuperación disminuyó significativamente en las muestras de la tarde incubadas con 60% y 100% de E_o (Fig. 5c, d).

Figura 5 Rendimiento cuántico efectivo en brotes de Cymodocea nodosa incubados con 20% (a), 33% (b), 60% (c) y 100% (d) de irradiancia incidente (E_o). Los símbolos vacíos indican muestras desde el amanecer hasta el mediodía solar, mientras que los símbolos llenos indican muestras desde el mediodía solar hasta la puesta del sol. Los símbolos representan la media ± desviación estándar. Las barras de error que no se muestran son más pequeñas que el tamaño del símbolo. 

Los valores de rendimiento cuántico efectivo fluctuaron en brotes de C. nodosa en condiciones de atenuación de luz (33% E_o) como resultado de la concentración de nitrato en el tratamiento de pre-incubación (Fig. 6). La irradiancia siguió una curva sinusoidal típica, aunque se observó dispersión de los datos como resultado de la nubosidad en el sitio de estudio. En general, los valores de Φ_FSII disminuyeron (P < 0.05) a medida que aumentaba la irradiación a lo largo del día. Sin embargo, mientras que los valores de Φ_FSII disminuyeron a casi cero en brotes pre-incubados sin nitrato (0 µM NO₃ ^-), los valores iniciales de Φ_FSII disminuyeron ~25% en brotes pre-incubados con 25 y 100 µM de NO₃ ^-. El rendimiento cuántico efectivo en brotes pre-incubados con 5 µM de NO₃ ^- disminuyó a valores ligeramente inferiores a los de los brotes pre-incubados con 25 y 100 µM de NO₃ ^-. La recuperación completa de los valores de Φ_FSII 3 h después de la puesta del sol solo se observó en brotes pre-incubados con 25 y 100 µM de NO₃ ^-. En brotes incubados con 0 y 5 µM de NO₃ ^-, la recuperación completa de los valores de Φ_FSII no se observó hasta la mañana siguiente (datos no mostrados).

Figura 6 Radiación fotosintéticamente activa (RFA) incidente en octubre de 2004 en el sitio de estudio. Valores del rendimiento cuántico efectivo en brotes de Cymodocea nodosa incubados con diferentes niveles de FRA incidentes. Los símbolos representan la media ± desviación estándar. Las barras de error que no se muestran son más pequeñas que el tamaño del símbolo. 

Los valores de rendimiento cuántico efectivo disminuyeron a medida que aumentó la irradiancia. El rendimiento cuántico efectivo antes del amanecer (irradiancia = 0 µmol fotón·m^-2·s^-1) correspondió a F_v/F_m, ya que las plantas se mantuvieron en la oscuridad durante toda la noche. La disminución del rendimiento cuántico efectivo en función de la irradiancia de la mañana fue significativamente mayor (P < 0.05) en los brotes incubados con 0 y 5 µM de NO₃ ^- y menor en los brotes incubados con 25 y 100 µM de NO₃ ^- (Fig. 7). Por el contrario, la tasa de recuperación fue similar entre todos los tratamientos.

Figura 7 Rendimiento cuántico efectivo en función de la irradiancia en brotes incubados con 0, 5, 25 y 100 µM de NO₃ ^-. 

DISCUSIÓN

La concentración de nitrógeno externo en los medios parece desempeñar un papel fundamental en la determinación de las concentraciones de carbono y nitrógeno en los tejidos de C. nodosa. Además, los cambios en las características bio-ópticas de los brotes se asociaron con la concentración de nitrato en el medio, lo que sugiere que el nitrógeno puede asignarse en respuesta a los requisitos de luz de la fotosíntesis. Se ha encontrado que tanto el contenido de nitrógeno como el de carbono en las células de algas marinas cambia rápidamente durante horas o días como resultado de las fluctuaciones en la concentración de nitrato en el agua de mar (^{Young y Beardall 2003}). Como se ha observado en otras algas marinas y especies de plantas superiores, en este estudio se observó una disminución en la transmitancia a medida que aumentaban los niveles de nitrógeno en los tejidos (^{Carter y Spiering 2002}), lo que probablemente fue el resultado del aumento de los niveles de clorofila dentro de las células de los tejidos (^{Cabello-Pasini y Figueroa 2005}). Los estudios realizados en varios pastos marinos del mar Mediterráneo han encontrado que las relaciones de luz son similares a las que ocurren en las macroalgas marinas, es decir, que la absorción de luz aumenta de forma no lineal a medida que aumenta el contenido de clorofila a (^{Enriquez et al. 1994}). Esto tiene implicaciones para el crecimiento y la asignación de nitrógeno a la clorofila. Por ejemplo, las poblaciones submareales de Halophyla ovalis presentaron un mayor contenido de nitrógeno tisular que el de las plantas intermareales como resultado directo del elevado contenido de clorofila y, consecuentemente, de la elevada capacidad de captación de luz de esta especie a bajos niveles de irradiancia (^{Dawson y Dennison 1996}).

Además de la irradiancia, la disponibilidad de nitratos afectó el Φ_FSII. Pocos estudios han examinado los efectos de los nutrientes en las reacciones fotoquímicas primarias. Si las reservas de nitrógeno se asignan a la clorofila, la limitación afectará directamente al complejo de recolección de luz. En condiciones de limitación de nitrógeno, la sección transversal de absorción funcional del FSII aumenta junto con una disminución posterior en la transferencia de energía entre los centros de reacción del FSII (^{Young y Beardall 2003}). En nuestro estudio, el aumento de las concentraciones de nitrato se relacionó solo con un ligero aumento en la fotosíntesis, que se midió en términos de rendimiento cuántico efectivo. De hecho, a 0 µM de NO₃ ^-, los brotes siguieron exhibiendo valores altos de Φ_FSII, lo que puede indicar que la limitación de nitrógeno no estimula la extinción no fotoquímica (i.e., la disipación térmica) a corto plazo. Alternativamente, las reservas de nitrógeno se pueden removilizar para proporcionar precursores de clorofila.

El rendimiento cuántico efectivo de la fluorescencia de clorofila a in vivo en C. nodosa varió a lo largo del día. Este patrón se ha observado comúnmente en macroalgas (^{Franklin y Forster 1997}, ^{Hader y Figueroa 1997}, ^{Hanelt 1998}) y en algunos pastos marinos, como Posidonia oceanica (^{Figueroa et al. 2002}). Como se esperaba, F_v/F_m al amanecer (i.e., después de la incubación en la oscuridad durante la noche) fue mayor que el rendimiento cuántico efectivo en condiciones de luz. Se ha propuesto que el incremento en la disipación de energía térmica al mediodía es responsable de estas variaciones diurnas. Sin embargo, nuestros resultados demuestran que tanto el contenido de carbono como el de nitrógeno en los tejidos de C. nodosa dependen del historial de pre-incubación con nitrato. La disponibilidad de nitrato en los medios también afectó el rendimiento cuántico efectivo determinado por fluorometría. En general, este estudio sugiere que las reducciones en la concentración de nitrato en el agua de mar reducen la capacidad de fotoinhibición dinámica de C. nodosa, lo que probablemente sea el caso para otras macrófitas marinas. Por lo tanto, se necesita investigar más a fondo como la disponibilidad de nutrientes y el nitrato en el agua de mar afecta la fotosíntesis, la respiración y las relaciones de rendimiento cuántico óptimo.