Descrittori biochimici per le fanerogame marine

La Posidonia oceanica è una fanerogama marina endemica del Mediterraneo. Forma ampie praterie sottomarine che costituiscono uno dei sistemi più produttivi del bacino e svolgono un ruolo cruciale nelle dinamiche e nel mantenimento degli ecosistemi marini costieri (ossigenazione delle acque, cibo e riparo per vari organismi, riduzione dell'idrodinamismo e quindi dell'erosione costiera). È considerata una specie chiave ed è elencata nella Direttiva Habitat 92/43/CEE, ma è anche riconosciuta come indicatore della qualità delle acque marine costiere, in conformità alla direttiva quadro sulle acque (WFD 2000/60/UE). Purtroppo, il crescente impatto delle attività antropiche nelle aree costiere è responsabile di una diffusa regressione delle praterie di Posidonia. Il declino delle praterie di Posidonia oceanica è causato dal disturbo antropico che determina modifiche al regime idrologico e al trasporto littorale, inquinamento/eutrofizzazione (es. acquacoltura intensiva) e danno meccanico (es. ancoraggi). Prove sempre più significative suggeriscono che le praterie di Posidonia sono anche vulnerabili ai cambiamenti climatici, a causa dell'impatto delle temperature più elevate sulla sopravvivenza dei singoli ciuffi. Di conseguenza, lo sviluppo e la combinazione di descrittori sensibili e misurabili, che possono rivelare alterazioni ambientali, sono ormai essenziali per il monitoraggio dello stato di conservazione delle praterie. Gli indicatori attualmente utilizzati per il monitoraggio delle praterie danno indicazioni a livello individuale, di popolazione o di comunità; tuttavia, molti di loro hanno bassa sensibilità e spesso è necessaria la combinazione/integrazione di più indicatori per ottenere informazioni significative. L'individuazione di indicatori in grado di dare informazioni ecologicamente rilevanti in tempi brevi è un problema cruciale per la conservazione delle praterie di Posidonia. Nel 2004 è stato individuato un nuovo descrittore per Posidonia: la sintesi di composti fenolici, un descrittore biochimico di facile determinazione. I composti fenolici sono una classe di metaboliti secondari ampiamente distribuiti nelle piante terrestri e acquatiche. Sono presenti in tutti gli organi vegetali e giocano ruoli diversi, da quelli strutturali a quelli fisiologici, inclusa la difesa delle piante. La concentrazione di fenoli totali è considerata un marcatore biochimico di stress ambientale nelle piante terrestri, ma alte concentrazioni di composti fenolici sono state rilevate in piante di Posidonia esposte a differenti pressioni ambientali: la competizione con l'alga invasiva Caulerpa taxifolia, la contaminazione da metalli, la vicinanza a impianti di acquacoltura intensiva. L'aumento dei composti fenolici rappresenta una reazione generica a stress ambientali differenti e quindi può essere usata come sistema di screening dello stato di conservazione della prateria. La concentrazione di fenoli totali varia nelle foglie, per via della loro breve durata di vita, e con la profondità. Al contrario, il livello di sintesi e di accumulo dei composti fenolici nei rizomi è più stabile, per cui è stato messo a punto un sistema di valutazione sulla base di questo dato.
 
Associato alla determinazione dei fenoli totali è stato proposto l’uso dell’analisi elettroforetica bidimensionale delle proteine, per identificare modifiche di espressione in piante esposte e non a stress ambientali, una via possibile per identificare nuovi possibili marcatori delle condizioni di stress nelle piante. Gli studi del prototipo sono stati effettuati sulla prateria di Posidonia oceanica di Talamone prima e poi su quella di S. Marinella (Roma).
 
Inoltre recentemente, insieme con la quantificazione dei composti fenolici nei rizomi sono stati proposti altri descrittori: pigmenti fotosintetici, marcatori di stress ossidativo e le misure della diversità genetica, utilizzati con successo come marcatori della qualità dell’ambiente. Tutti questi marcatori possono essere valutati su uno stesso singolo ciuffo: questo permette una valutazione più accurata dello stato di conservazione della pianta, riduce l’impatto del campionamento e, non ultimo, riduce i costi del campionamento stesso. I marcatori biochimici (composti fenolici e pigmenti fotosintetici) sono stati applicati con successo anche ad altre fanerogame marine quali Cymodocea nodosa, Zostera noltii e Halophila stipulacea raccolte da siti diversi e condizioni ambientali differenti (C. nodosa e Z. noltii, laguna di Ria formosa, Faro, Portogallo; H. stipulacea, Golfo di Aqaba, Eilat, Israele).
 
Un’altra applicazione della determinazione dei fenoli nelle fanerogame marine ha riguardato lo studio della pressione dell’erbivoria da parte di un mollusco, Smaragdia souverbiana, che si ciba di fanerogame, su due specie di fanerogame simpatriche in diversi siti/condizioni ambientali della costa orientale australiana, Zostera muelleri e Halophila ovalis. Il lavoro ha dimostrato l’importanza della concentrazione di fenoli e della sua variazione a seconda delle condizioni ambientali, rispetto alla pressione dell’erbivoria, mostrando come gli erbivori possano determinare influenze top-down sulle dinamiche delle fanerogame marine.

 Questo lavoro è stato possibile grazie a numerose collaborazioni: Agata Giallongo, Maria Di Bernardo e Letizia Anello del CNR - IBIM (Istituto di Biomedicina e Immunologia Molecolare) "Alberto Monroy" di Palermo; Andrea Peirano e Carla Micheli dell'ENEA (rispettivamente del Centro Ricerche Santa Teresa-La Spezia, e Centro Ricerche Casaccia-Roma); Isabel Barrote e João Silva dell'Università dell'Algarve/CCMAR di Faro (Portogallo); Gidon Winters del Dead Sea & Arava Science Center, Hazeva (Israele). Inoltre, un Erasmus Mundus mobility grant del Programma NESSIE ci ha permesso di trascorrere un periodo di lavoro in Australia, presso la School of Biological Sciences dell’Università del Queensland a Brisbane e di collaborare con Ian R. Tibbets e Renee A. Rossini.

 

 

Rotini A., Tibbetts I.R., Migliore L., Rossini R.A. (2018) - THE TRADE-OFF BETWEEN DIGESTIBILITY AND PHENOL CONTENT INFLUENCES THE FOOD CHOICE OF THE OBLIGATE SEAGRASS-FEEDING NERITID SNAIL SMARAGDIA SOUVERBIANA. Journal of Molluscan Studies, 84(1): 12-18. DOI: 10.1093/mollus/eyx038

 Grazing influences the structure and function of seagrass meadows. Like terrestrial plants, seagrasses have evolved nutritional, structural and chemical mechanisms to either tolerate or resist grazing. Phenols are common secondary metabolites that have multiple roles, including grazing deterrence, and their content in seagrass tissues can vary both among species and within a single species in response to biotic and abiotic processes. Such variability influences the grazing behaviour of species that consume seagrass, but few studies have addressed mesograzers that consume or damage seagrass, such as the nerite Smaragdia souverbiana. We assessed the effect of environmentally-mediated differences in phenol concentration on these seagrass mesograzers by testing: (1) if phenol content is different between sites and seagrass species (Zostera muelleri vs Halophila ovalis) and (2) if S. souverbiana inflicts different amounts of damage on different seagrasses from different sites, according to their phenol content. Phenol content was consistently lower in Z. muelleri than H. ovalis, and concentrations were about 60% lower in both species at one of two sites in eastern Moreton Bay, Queensland. These differences corresponded to different foraging patterns of S. souverbiana, with the snails generally choosing the seagrass species with the lowest phenol content. These results suggest that S. souverbiana chooses among locally available seagrasses based on a trade-off between phenol content and digestibility (related to cell size). This work demonstrates how subtle local processes can create complex changes in seagrass–grazer interactions with potential ecological consequences at local and regional scales.

 
Rotini A., Belmonte A., Barrote I., Micheli C., Peirano A., Santos R.O., Silva J., Migliore L. (2013) EFFECTIVENESS AND CONSISTENCY OF A SUITE OF DESCRIPTORS FOR ASSESSING THE ECOLOGICAL STATUS OF SEAGRASS MEADOWS (POSIDONIA OCEANICA L. DELILE). Estuarine, Coastal and Shelf Science, 130: 252–259. DOI: 10.1016/j.ecss.2013.06.015
 
The increasing rate of human-induced environmental changes on coastal marine ecosystems has created a demand for effective descriptors, in particular for those suitable for monitoring the status of seagrass meadows. Growing evidence has supported the useful application of biochemical and genetic descriptors such as secondary metabolite synthesis, photosynthetic activity and genetic diversity. In the present study, we have investigated the effectiveness of different descriptors (traditional, biochemical and genetic) in monitoring seagrass meadow conservation status. The Posidonia oceanica meadow of Monterosso al Mare (Ligurian sea, NW Mediterranean) was subjected to the measurement of bed density, leaf biometry, total phenols, soluble protein and photosynthetic pigment content as well as to RAPD marker analysis. This suite of descriptors provided evidence of their effectiveness and convenient application as markers of the conservation status of P. oceanica and/or other seagrasses. Biochemical/genetic descriptors and those obtained by traditional methods depicted a well conserved meadow with seasonal variability and, particularly in summer, indicated a healthier condition in a portion of the bed (station C), which was in agreement with the physical and sedimentological features of the station. Our results support the usefulness of introducing biochemical and genetic approaches to seagrass monitoring programs since they are effective indicators of plant physiological stress and environmental disturbance.
 
Rotini A., Anello L., Di Bernardo M., Giallongo A., Valiante L., Migliore L. (2013) COMPARATIVE ANALYSIS OF BED DENSITY, TOTAL PHENOL CONTENT AND PROTEIN EXPRESSION PATTERN IN POSIDONIA OCEANICA (L.) Delile. Open Journal of Ecology, 3(6): 438-444. DOI: 10.4236/oje.2013.36050
 
Posidonia oceanica meadows are experiencing a progressive decline, and monitoring their status is crucial for the maintenance of these ecosystems. We performed a comparative analysis of bed density, total phenol content and protein expression pattern to assess the conservation status of Posidonia plants from the S. Marinella (Rome, Italy) meadow. The total phenol content was inversely related to maximum bed density, confirming the relationship between high phenol content and stressful conditions. In addition, protein expression pattern profiles showed that the number of differentially expressed proteins was dramatically reduced in the latest years compared to previous analyses. Our results support the usefulness of integrating solid descriptors, such as phenol content, with novel biochemical/molecular approaches in the monitoring of meadows.
 
posidonia4
 
Rotini A., Micheli C., Valiante L., Migliore L. (2011) ASSESSMENT OF POSIDONIA OCEANICA (L.) DELILE CONSERVATION STATUS BY STANDARD AND PUTATIVE APPROACHES: THE CASE STUDY OF SANTA MARINELLA MEADOW (ITALY, W MEDITERRANEAN). Open Journal of Ecology, 1(2): 48-56 doi:10.4236/oje.2011.12006
 
The conservation status of the Posidonia oceanica meadow at Santa Marinella (Rome) was evaluated through both standard (bed density, leaf biometry, “A” coefficient, Leaf Area Index, rhizome production) and biochemical/genetic approaches (total phenol content and Random Amplified Polymorphic DNA marker). The biochemical/genetic results are in agreement with those obtained by standard approaches. The bed under study was ranked as a disturbed one, due to its low density, and high heterogeneity in leaf biometry, LAI values, “A” coefficient and primary production. This low quality ranking is confirmed by both mean phenol content in plants, quite high and scattered, and by the low genetic variability in the meadow, with a very high similarity of specimen at a local scale. Hence, these two putative approaches clearly identify the endangered conservation status of the meadow. They link plant biodiversity and ecophysiology to ecosystem ‘health’. Further- more, they are repeatable and standardizable and could be usefully introduced in meadows monitoring to check environmental quality.
 
Migliore L., Rotini A., Randazzo D., Albanese N.N., Giallongo A. (2007) PHENOLS CONTENT AND 2-D ELECTROPHORESIS PROTEIN PATTERN: A PROMISING TOOL TO MONITOR POSIDONIA MEADOWS HEALTH STATE. BMC Ecology, 7:6 doi:10.1186/1472-6785-7-6
 
The endemic seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile colonizes soft bottoms producing highly productive meadows that play a crucial role in coastal ecosystems dynamics. Human activities and natural events are responsible for a widespread meadows regression; to date the identification of "diagnostic" tools to monitor conservation status is a critical issue. In this study the feasibility of a novel tool to evaluate ecological impacts on Posidonia meadows has been tested. Quantification of a putative stress indicator, i.e. phenols content, has been coupled to 2-D electrophoretic protein analysis of rhizome samples. The overall expression pattern from Posidonia rhizome was determined using a preliminary proteomic approach, 437 protein spots were characterized by pI and molecular weight. We found that protein expression differs in samples belonging to sites with high or low phenols: 22 unique protein spots are peculiar of "low phenols" and 27 other spots characterize "high phenols" samples. Posidonia showed phenols variations within the meadow, that probably reflect the heterogeneity of environmental pressures. In addition, comparison of the 2-D electrophoresis patterns allowed to highlight qualitative protein expression differences in response to these pressures. These differences may account for changes in metabolic/physiological pathways as adaptation to stress. A combined approach, based on phenols content determination and 2-D electrophoresis protein pattern, seems a promising tool to monitor Posidonia meadows health state.
 
posidonia1 posidonia3