Nghiên cứu suốt một năm về enzyme chuyển hóa và thành phần cơ thể của loài copepod Bắc Cực Calanus glacialis: những hàm ý về thời gian và cường độ của hiện tượng đi ngủ

Marine Biology - Tập 164 - Trang 1-12 - 2016
Janne E. Søreide1, Barbara Niehoff2, Daniela Freese1,2, Martin Graeve3
1Arctic Biology, The University Centre in Svalbard, Longyearbyen, Norway
2Polar Biological Oceanography, Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, Bremerhaven, Germany
3Chemical Ecology, Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research, Bremerhaven, Germany

Tóm tắt

Kiến thức về khả năng thích nghi của động vật phù du với những điều kiện môi trường thay đổi nhanh chóng ở Bắc Cực là rất quan trọng để dự đoán các quá trình hệ sinh thái trong tương lai. Loài chủ chốt trên thềm lục địa Bắc Cực, copepod calanoid Calanus glacialis, phát triển và tích lũy các dự trữ lipid vào mùa xuân và mùa hè ở các vùng nước bề mặt. Mùa đông được dành cho trạng thái ngủ đông trong các lớp nước sâu với hoạt động trao đổi chất thấp. Do thời gian và cường độ của các thay đổi trao đổi chất chưa được điều tra nhiều, nghiên cứu của chúng tôi nhằm mục đích mô tả sinh lý của C. glacialis trong suốt một năm, từ tháng 7 năm 2012 đến tháng 7 năm 2013. Chúng tôi theo dõi hoạt động của các enzyme đồng hóa và phân giải cũng như thành phần hóa học của loài này, thu thập mẫu ở các độ sâu khác nhau mỗi tháng một lần tại Billefjorden, một fjord có độ cao Bắc Cực. Một phần lớn của quần thể đã di cư đến độ sâu >100 m vào tháng 7 năm 2012. Chỉ sau đó, các hoạt động đồng hóa giảm nhẹ, cho thấy rằng việc trao đổi chất thấp có liên quan đến việc ngừng ăn uống hơn là do điều hòa nội sinh. Trong thời gian ngủ đông, hoạt động của các enzyme đồng hóa giảm xuống một nửa so với các hoạt động đỉnh vào mùa xuân. Thành phần hóa học của các copepod thay đổi ít từ tháng 7 đến tháng 12. Sau đó, hoạt động phân giải lipid tăng lên và hàm lượng lipid giảm, khả năng hỗ trợ việc lột xác và sự trưởng thành của tuyến sinh dục. Hàm lượng protein không thay đổi đáng kể trong suốt mùa đông, điều này cho thấy rằng protein không bị phân giải nhiều trong thời gian này. Hoạt động trao đổi chất tương đối cao ở C. glacialis vào mùa đông cho thấy rằng loài này không bước vào một trạng thái đi ngủ hoàn toàn và do đó có thể phản ứng linh hoạt trước những điều kiện môi trường thay đổi.

Từ khóa

#Calanus glacialis #động vật phù du #trao đổi chất #enzyme #môi trường Bắc Cực #sinh lý học.

Tài liệu tham khảo

Alekseev VR, Hwang J-S, Tseng M-H (2006) Diapause in aquatic invertebrates: What’s known and what’s next in research and medical application? J Mar Sci Technol 14:269–286 Arnkværn G, Daase M, Eiane K (2005) Dynamics of coexisting Calanus finmarchicus, Calanus glacialis and Calanus hyperboreus populations in a high-Arctic fjord. Polar Biol 28:528–538 Arrigo K, van Dijken G, Pabi S (2008) Impact of a shrinking Arctic ice cover on marine primary production. Geophys Res Lett 35:L19603. doi:10.1029/2008GL035028 Atkinson A, Meyer B, Stübing D, Hagen W, Bathmann UV (2002) Feeding and energy budgets of Antarctic krill Euphausia superba at the onset of winter-II. Juveniles and adults. Limnol Oceanogr 47:953–966 Auel H, Klages M, Werner I (2003) Respiration and lipid content of the Arctic copepod Calanus hyperboreus overwintering 1 m above the seafloor at 2300 m water depth in the Fram Strait. Mar Biol 143:275–282 Auerswald L, Gäde G (1999) The fate of proline in the African fruit beetle Pachnoda sinuata. Insect Biochem Mol Biol 29:687–700 Auerswald L, Pape C, Stübing D, Lopata A, Meyer B (2009) Effect of short-term starvation of adult Antarctic krill, Euphausia superba, at the onset of summer. J Exp Mar Biol Ecol 381:47–56 Båmstedt (1988) Interspecific, seasonal and die1 variations in zooplankton trypsin and amylase activities in Kosterfjorden, western Sweden. Mar Ecol Prog Ser 44:15–24 Bligh EG, Dyer WJ (1959) A rapid method of total lipid extraction and purification. Can J Biochem Phys 37:911–917 Bonnet D, Richardson A, Harris R, Hirst A, Beaugrand G, Edwards M, Ceballos S, Diekman R, López-Urrutia A, Valdes L, Carlotti F, Molinero JC, Weikert H, Greve W, Lucic D, Albaina A, Yahia ND, Umani SF, Miranda A, dos Santos A, Cook K, Robinson S, Fernandez de Puelles ML (2005) An overview of Calanus helgolandicus ecology in European waters. Prog Oceanogr 65:1–53 Bradford MM (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem 72:248–254 Chang G, Pan F, Lin YH, Wang H (1984) Continuous spectrophotometric assay for aminoacyl-tRNA synthetases. Anal Biochem 142:369–372 Clark KAJ, Brierley AS, Pond DW (2012) Composition of wax esters is linked to diapause behavior of Calanus finmarchicus in a sea loch environment. Limnol Oceanogr 57:65–75 Clark KAJ, Brierley AS, Pond DW, Smith VJ (2013) Changes in seasonal expression patterns of ecdysone receptor, retinoid X receptor and an A-type allatostatin in the copepod, Calanus finmarchicus, in a sea loch environment: an investigation of possible mediators of diapause. Gen Comp Endocrinol 189:66–73 Clarke ME, Walsh PJ (1993) Effect of nutritional status on citrate synthase activity in Acartia tonsa and Temora longicornis. Limnol Oceanogr 38:414–418 Conover RJ (1962) Metabolism and growth in Calanus hyperboreus in relation to its life cycle. J Cons Int Expl Mer 153:190–197 Conover RJ (1988) Comparative life histories in the genera Calanus and Neocalanus in high latitudes of the northern hemisphere. Hydrobiologia 167(168):127–142 Conover RJ, Corner EDS (1968) Respiration and nitrogen excretion by some marine zooplankton in relation to their life cycles. J Mar Biol Assoc UK 48:49–75 Conover RJ, Huntley M (1991) Copepods in ice-covered seas—distribution, adaptations to seasonally limited food, metabolism, growth patterns and life cycle strategies in polar seas. J Mar Syst 2:1–41 Daase M, Falk-Petersen S, Varpe Ø, Darnis G, Søreide JE, Wold A, Leu E, Berge J, Philippe B, Fortier L (2013) Timing of reproductive events in the marine copepod Calanus glacialis: a pan-Arctic perspective. Can J Fish Aquat Sci 70:871–884 Dahms HU (1995) Dormancy in the Copepoda—an overview. Hydrobiologia 306:199–211 Dale T, Bagøien E, Melle W, Kaartvedt S (1999) Can predator avoidance explain varying overwintering depth of Calanus in different oceanic water masses? Mar Ecol Prog Ser 179:113–121 Danks HV (1987) Insect dormancy: an ecological perspective. Biol Surv Can Mono 1:1–439 Danks HV (2002) The range of insect dormancy responses. Eur J Entomol 99:127–142 Elgmork K, Nilssen JP (1978) Equivalence of copepod and insect diapause. Verh Internat Verein Theor Angew Limnol 20:2511–2517 Engel M, Hirche H-J (2004) Seasonal variability and inter-specific differences in hatching of calanoid copepod resting eggs from sediments of the German Bight (North Sea). J Plankton Res 26:1083–1093 Falk-Petersen S, Mayzaud P, Kattner G, Sargent JR (2009) Lipids and life strategy of Arctic Calanus. Mar Biol Res 5:18–39 Fleminger A, Hulsemann K (1977) Geographical range and taxonomic divergence in North Atlantic Calanus (C. helgolandicus, C. finmarchicus and C. glacialis). Mar Biol 40:233–248 Freese D, Niehoff B, Søreide JE, Sartoris FJ (2015) Seasonal patterns in extracellular ion concentrations and pH of the Arctic copepod Calanus glacialis. Limnol Oceanogr 60:2121–2129 Freese D, Søreide JE, Niehoff B (2016) A year-round study on digestive enzymes in the Arctic copepod Calanus glacialis: implications for its capability to adjust to changing environmental conditions. Polar Biol. doi:10.1007/s00300-016-1891-4 Gabrielsen TM, Merkel B, Søreide JE, Johansson-Karlsson E, Bailey A, Vogedes D, Nygård H, Varpe Ø, Berge J (2012) Potential misidentifications of two climate indicator species of the marine arctic ecosystem: calanus glacialis and C. finmarchicus. Polar Biol 35:1621–1628 Grainger EH (1961) The copepods Calanus glacialis Jaschnov and Calanus finmarchicus (Gunnerus) in Canadian Arctic-Subarctic waters. J Fish Res Board Can 18:663–678 Guppy M, Withers P (1999) Metabolic depression in animals: physiological perspectives and biochemical generalizations. Biol Rev 74:1–40 Hahn DA, Denlinger DL (2011) Energetics of insect diapause. Annu Rev Entomol 56:103–121 Hairston NG, Cáceres CE (1996) Distribution of crustacean diapause: micro- and macro-evolutionary pattern and process. Hydrobiologia 320:27–44 Hassett RP (2006) Physiological characteristics of lipid-rich “fat” and lipid-poor “thin” morphotypes of individual Calanus finmarchicus C5 copepodites in nearshore Gulf of Maine. Limnol Oceanogr 51:997–1003 Hassett RP, Landry MR (1983) Effects of food-level acclimation on digestive enzyme activities and feeding behavior of Calanus pacificus. Mar Biol 75:47–55 Head EJH, Conover RJ (1983) Induction of digestive enzymes in Calanus hyperboreus. Mar Biol Lett 4:219–231 Head EJH, Harris LR (1985) Physiological and biochemical changes in Calanus hyperboreus from Jones Sound, NWT during the transition from summer feeding to overwintering conditions. Polar Biol 4:99–106 Hirche H-J (1983) Overwintering of Calanus finmarchicus and Calanus helgolandicus. Mar Ecol Prog Ser 11:281–290 Hirche H-J (1996) Diapause in the marine copepod, Calanus finmarchicus—a review. Ophelia 44:129–143 Hirche H-J (1998) Dormancy in three Calanus species (C. finmarchicus, C. glacialis and C. hyperboreus) from the North Atlantic. Arch Hydrobiol Spec Issues Adv Limnol 52:359–369 Hirche H-J, Kattner G (1993) Egg-production and lipid-content of Calanus glacialis in spring —indication of a food-dependent and food-independent reproductive mode. Mar Biol 117:615–622 Irigoien X (2004) Some ideas about the role of lipids in the life cycle of Calanus finmarchicus. J Plankton Res 26:259–263 Jaschnov WA (1970) Distribution of Calanus species in the seas of the northern hemisphere. Int Rev Ges Hydrobiol 55:197–212 Johnson CL, Leising AW, Runge JA, Head EJH, Pepin P, Plourde S, Durbin EG (2008) Characteristics of Calanus finmarchicus dormancy patterns in the Northwest Atlantic. ICES J Mar Sci 65:339–350 Jónasdóttir SH (1999) Lipid content of Calanus finmarchicus during overwintering in the Faroe-Shetland Channel. Fish Oceanogr 8:61–72 Kahru M, Brotas W, Manzano-Sarabia M, Mitchel BG (2011) Are phytoplankton blooms occurring earlier in the Arctic? Glob Change Biol 17:1722–1739 Kosobokova KN (1990) Age-related and seasonal changes in the biochemical makeup of the copepod Calanus glacialis as related to the characteristics of its life cycle in the White Sea. Oceanology 30:103–109 Kosobokova KN (1999) The reproductive cycle and life history of the Arctic copepod Calanus glacialis in the White Sea. Polar Biol 22:254–263 Kreibich T, Saborowski R, Hagen W, Niehoff B (2008) Short-term variation of nutritive and metabolic parameters in Temora longicornis females (Crustacea, Copepoda) as a response to diet shift and starvation. Helgol Mar Res 62:241–249 Meyer B, Saborowski R, Atkinson A, Buchholz F, Bathmann U (2002) Seasonal differences in citrate synthase and digestive enzyme activity in larval and postlarval Antarctic krill, Euphausia superba. Mar Biol 141:855–862 Meyer B, Auerswald L, Siegel V, Spahić S, Pape C, Fach BA, Teschke M, Lopata AL, Fuentes V (2010) Seasonal variation in body composition, metabolic activity, feeding, and growth of adult krill Euphausia superba in the Lazarev Sea. Mar Ecol Prog Ser 398:1–18 Miller CB, Grigg H (1991) An experimental study of the resting phase in Calanus finmarchicus (Gunnerus). Bull Plankton Soc Jpn 177:479–493 Miller CB, Cowles TJ, Wiebe PH, Copley NJ, Grigg H (1991) Phenology in Calanus finmarchicus: hypotheses about control mechanisms. Mar Ecol Prog Ser 72:79–91 Morata N, Søreide JE (2013) Effect of light and food on the metabolism of the Arctic copepod Calanus glacialis. Polar Biol 38:67–73 Niehoff B (2007) Life history strategies in zooplankton communities: the significance of female gonad morphology and maturation types for the reproductive biology of marine calanoid copepods. Prog Oceanogr 74:1–47 Niehoff B, Hirche H-J (2005) Reproduction of Calanus glacialis in the Lurefjord (western Norway): indication for temperature—induced female dormancy. Mar Ecol Prog Ser 285:107–115 Niehoff B, Madsen SD, Hansen B, Nielsen TG (2002) Reproductive cycles of three dominant Calanus species in Disko Bay, West Greenland. Mar Biol 140:567–576 Nielsen T, Kjellerup S, Smolina I, Hoarau G, Lindeque P (2014) Live discrimination of Calanus glacialis and C. finmarchicus females: can we trust phenological differences? Mar Biol 161:1299–1306 Nilsen F, Cottier F, Skogseth R, Mattsson S (2008) Fjord-shelf exchanges controlled by ice and brine production: the interannual variation of Atlantic Water in Isfjorden, Svalbard. Cont Shelf Res 28:1838–1853 Ohman MD, Drits AV, Clarke ME, Plourde S (1998) Differential dormancy of co-occurring copepods. Deep Sea Res II 45:1709–1740 Saborowski R, Buchholz F (2002) Metabolic properties of Northern krill, Meganyctiphanes norvegica, from different climatic zones. II. Enzyme characteristics and activities. Mar Biol 140:557–565 Seuthe L, Darnis G, Riser CW, Wassmann P, Fortier L (2007) Winter-spring feeding and metabolism of Arctic copepods: insights from faecal pellet production and respiration measurements in the southeastern Beaufort Sea. Polar Biol 30:427–436 Søreide JE, Falk-Petersen S, Hegseth EN, Hop H, Carroll ML, Hobson KA, Blachowiak-Samolyk K (2008) Seasonal feeding strategies of Calanus in the high-Arctic Svalbard region. Deep Sea Res II 55:2225–2244 Søreide JE, Leu E, Berge J, Graeve M, Falk-Petersen S (2010) Timing of blooms, algal food quality and Calanus glacialis reproduction and growth in a changing Arctic. Glob Change Biol 16:3154–3163 Stitt M (1984) Citrate synthase (condensing enzyme). In: Bergmeyer HU (ed) Methods of enzymatic analysis, vol 4. Chemie, Weinheim, pp 353–358 Stroeve JC, Kattsov V, Barrett A, Serreze M, Pavlova T, Holland M, Meier WN (2012) Trends in Arctic sea ice extent from CMIP5, CMIP3 and observations. Geophys Res Lett 39:L16502. doi:10.1029/2012GL052676 Tarrant AM, Baumgartner MF, Verslycke T, Johnson CL (2008) Differential gene expression in diapausing and active Calanus finmarchicus (Copepoda). Mar Ecol Prog Ser 355:193–207 Teschke M, Kawaguchi S, Meyer B (2007) Simulated light regimes affect feeding and metabolism of Antarctic krill, Euphausia superba. Limnol Oceanogr 52:1046–1054 Torres JJ, Somero GN (1988) Metabolism, enzymatic activities and cold adaption in Antarctic mesopelagic fishes. Mar Biol 98:169–180 Uye S (1985) Resting eggs production as a life history strategy of marine planktonic copepods. Bull Mar Sci 37:440–449 Varpe Ø, Jørgensen C, Tarling GA, Fiksen Ø (2007) Early is better: seasonal egg fitness and timing of reproduction in a zooplankton life-history model. Oikos 116:1331–1342 Visser AW, Jónasdóttir SH (1999) Lipids, buoyancy and the seasonal vertical migration of Calanus finmarchicus. Fish Oceanogr 8:100–106 Windisch HS, Kathöver R, Pörtner H-O, Frickenhaus S, Lucassen M (2011) Thermal acclimation in Antarctic fish: transcriptomic profiling of metabolic pathways. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 301:1453–1466 Yebra L, Hernández-León S (2004) Aminoacyl-tRNA synthetases activity as a growth index in zooplankton. J Plankton Res 26:351–356 Yebra L, Harris RP, Smith T (2005) Comparison of five methods for estimating growth of Calanus helgolandicus later developmental stages (CV-CVI). Mar Biol 147:1367–1375 Yebra L, Hirst AG, Hernández-León S (2006) Assessment of Calanus finmarchicus growth and dormancy using the aminoacyl-tRNA synthetases method. J Plankton Res 28:1191–1198 Yebra L, Berdalet E, Almeda R, Pérez V, Calbet A, Saiz E (2011) Protein and nucleic acid metabolism as proxies for growth and fitness of Oithona davisae (Copepoda, Cyclopoida) early developmental stages. J Exp Mar Biol Ecol 406:87–94