The role of persistent organic pollutants on Prochlorococcus photosynthetic capability under the global change scenario
Authors:   , Fernández Pinos María del Carmen 
Published: July 2023

This thesis aims to assess the effects of the complex mixture of organic pollutants on the Prochlorococcus photosynthetic capability, in field, and at sublethal level, in the multifactorial context of the global change. We designed a feasible and simple sample collection methodology that reduced by minimum degradation or changes on mRNA levels, and a high sensitivity and high selectively molecular tool based on quantify the expression of rbcL and psbA genes by qRT-PCR, as proxies of carbon fixation and photosystem II (PSII) functionality, respectively. Gene expression levels were separately quantified for high-light (HL) and low-light (LL) Prochlorococcus clades. This technique was applied to laboratory experiments under controlled conditions in which axenic cultures of HL-MED4 or LL-MIT9313 Prochlorococcus strains were challenged with either polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) or organoclorine pesticides (OClPs) commercial mixtures, which consisted of few representative compounds of the corresponding family. Although no cellular effects were detected, we observed a decrease of 20% of the rbcL relative expression, which may trigger a reduction of CO2 fixation by Prochlorococcus.
We performed similar experiments using wild populations from the deep chlorophyll maximum (DCM) during the Malaspina circumnavigation. In these experiments, natural communities were challenged with PAH and OClP mixtures, as well as with a complex mixture (CM) of organic pollutants obtained by concentrating seawater. The pollutants concentration increase in relation to environmental levels was much more higher in PAH (70 - 150 times) and OClP (260 - 470 times) experiments than in CM (1.3 - 1.8 times) experiments. None of the treatments induced cellular death, but rbcL expression decreased after 2 h of exposure to the CM. We also found a decrease of LL-psbA expression when exposed to PAH mixture. No significant effects were observed with the OClP mixture.We performed similar experiments using wild populations from the deep chlorophyll maximum (DCM) during the Malaspina circumnavigation. In these experiments, natural communities were challenged with PAH and OClP mixtures, as well as with a complex mixture (CM) of organic pollutants obtained by concentrating seawater. The pollutants concentration increase in relation to environmental levels was much more higher in PAH (70 - 150 times) and OClP (260 - 470 times) experiments than in CM (1.3 - 1.8 times) experiments. None of the treatments induced cellular death, but rbcL expression decreased after 2 h of exposure to the CM. We also found a decrease of LL-psbA expression when exposed to PAH mixture. No significant effects were observed with the OClP mixture.
Finally, we sampled 62 stations at 3 m, DCM and DCM+40 m depth during the Malaspina cruise. Relative gene expression levels of Prochlorococcus rbcL and psbA were determined for a total of 183 samples and the results were compared to as many environmental variables as possible (159), including a number of POP concentrations. We found clear correlations between our molecular measurements and different independent photosynthetic variables, and light conditions resulted determinant. However, the most important finding was the relevant role of POPs on the modulation of Prochlorococcus photosynthetic capability, estimating a decrease of the HL-rbcL expression up to 20% at 3 m depth. In addition, several variables from the photosynthetic community were negatively correlated to the concentrations of different bioavailable PAHs. Hence, this is the first evidence not only of that a small increase in the concentration of POPs present in seawater can reduce the Prochlorococcus photosynthetic capability in field, but also that the POP mixture present in oceans already has a strong influence on the oceanic primary production at a global scale.

El principal objetivo de esta tesis es analizar los efectos de la compleja mezcla de POPs que se encuentra en el océano sobre la capacidad fotosintética de Prochlorococcus en condiciones naturales, a nivel subletal y en el contexto multivectorial del cambio global. Para ello, diseñamos una metodología útil y sencilla de recolección de muestras para reducir al mínimo la degradación y los cambios del ARNm. y una herramienta molecular de gran sensibilidad y altamente específica, basada en la cuantificación de la expresión de los genes rbcL y psbA mediante qRT-PCR, en representación de la fijación de carbono y la funcionalidad del fotosistema II (FSII), respectivamente. Debido a las diferencias fisiológicas, cuantificamos de forma independiente la expresión génica de los clados HL y LL de Prochlorococcus. Esta técnica fue aplicada a experimentos de laboratorio, donde exponíamos cultivos axénicos de las cepas HL MED4 o LL MIT9313 a una de estas dos mezclas comerciales de unos pocos compuestos: hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) o pesticidas organoclorados (OClPs). Aunque no detectamos efectos a nivel celular, observamos una reducción del 20% de la expresión relativa del gen rbcL, lo que podría desencadenar una reducción de la fijación de CO2 llevada a cabo por Prochlorococcus. Realizamos experimentos similares con comunidades naturales del máximo de clorofila profundo (DCM) durante la circunnavegación Malaspina. Esta vez, además de las mezclas de PAHs y OClPs, también expusimos a la comunidad a una mezcla compleja (CM) de POPs que provenía de la concentración de agua marina. El incremento de la concentración de contaminantes sobre los niveles ambientales fue mucho mayor en los experimentos realizados con PAHs (70 - 150 veces) y OClPs (260 - 470 veces) que los realizados con la CM (1.3 - 1.8 veces). Ninguno de los tratamientos indujo muerte celular, sin embargo la expresión de rbcL disminuyó tras 2 h de exposición a la CM. También se redujo la expresión de LL-psbA, durante los experimentos realizados con la mezcla de PAHs. Por el contrario, no encontramos efectos significativos con los OClPs. Finalmente, durante la campaña Malaspina muestreamos 62 estaciones a tres profundidades: 3 m, DCM y DCM+40 m. Para cada muestra analizamos la expresión de rbcL y psbA en Prochlorococcus, en relación a todas la variables ambientales que nos fue posible medir, incluyendo las concentraciones de numerosos POPs. La correspondencia ente nuestros parámetros moleculares y diversas variables fotosintéticas fue obvia, y la luz resultó ser determinante. No obstante, entre las numerosas variables analizadas, los POPs tenían un importante papel en la modulación de la capacidad fotosintética de Prochlorococcus, siendo responsables de una reducción del 20% en la expresión de HL-rbcL a 3 m de profundidad. Además, otros parámetros relacionados con la comunidad fotosintética también correlacionaban negativamente con la concentración de POPs. Por tanto, en esta tesis no solo se evidencia por primera vez que un pequeño incremento de la concentración de los POPs en el océano pueden reducir la capacidad fotosintética de Prochlorococcus, sino también que la mezcla de POPs presente en el océano ya está teniendo una fuerte influencia sobre la producción primaria oceánica a escala global.