The life cycle and genetic structure of the red alga Furcellaria lumbricalis on a salinity gradient

Abstract

The life cycle and genetic diversity of the red alga Furcellaria lumbricalis (Hudson) Lamouroux were investigated in 15 populations in northern Europe. The occurrence of different life cycle phases and seasonality of reproduction were studied in four brackish populations in the northern Baltic Sea. Furthermore, a new method, based on genome screening with ISSR markers combined with a restriction-ligation method, was developed to discover microsatellite markers for population genetic analyses. The mitochondrial DNA cox2-3 spacer sequence and four microsatellite markers were used to examine the genetic diversity and differentiation of red algal populations in northern Europe. In addition, clonality and small-scale genetic structure of one Irish and four Baltic Sea populations were studied with microsatellite markers. It was discovered that at the low salinities of the northern Baltic Sea, only tetrasporophytes and males were present in the populations of F. lumbricalis and that winter was the main season for tetrasporangial production. Furthermore, the population occurring at the lowest salinity (3.6 practical salinity units, psu) did not produce spores. The size of the tetraspores was smaller in the Baltic Sea populations than that in the Irish population, and there were more deformed spores in the Baltic Sea populations than in the Irish populations. Studies with microsatellite markers indicated that clonality is a common phenomenon in the Baltic Sea populations of F. lumbricalis, although the proportion of clonal individuals varied among populations. Some genetic divergence occurred within locations both in Ireland and in the northern Baltic Sea. Even though no carpogonia were detected in the field samples during the study, the microsatellite data indicated that sexual reproduction occurs at least occasionally in the northern Baltic Sea. The genetic diversity of F. lumbricalis was highest in Brittany, France. Since no variation was discovered in the mtDNA cox2-3 spacer sequence, which is generally regarded as an informative phylogeographic marker in red algae, it can be assumed that the studied populations probably share the same origin.

Monivuotinen punaleviin kuuluva haarukkalevä (Furcellaria lumbricalis), muodostaa Itämeressä punalevävyöhykkeen kalliorannoilla rakkolevävyöhykkeen alapuolella. Punalevävyöhykkeen esiintymissyvyys vaihtelee erilaisten ympäristötekijöitten vaikutuksesta ja rehevöitymisen seurauksena se voi myös rannalta puuttua. Haarukkalevän merkitys rannan eliöyhteisössä on merkittävä, sillä levät tarjoavat kasvualustan monille rihmalevälajeille ja paikallaan eläville selkärangattomille, mutta myös suojapaikkoja liikkuville selkärangattomille ja kaloille. Atlantin valtameressä haarukkalevää tavataan Pohjois-Espanjasta arktisille alueille. Laji elää Atlantilla useimmiten runsaina kasvustoina vuorovesilammikoissa, mutta se voi kasvaa myös rannan syvemmissä osissa.

Tutkin väitöskirjatyössäni haarukkalevän elinkiertoekologiaa ja geneettistä monimuotoisuutta Pohjois-Euroopassa. Punalevien elinkierto on monimutkainen, koostuen sekä haploidista että kahdesta diploidista elinkierron vaiheesta, sekä kolmesta erilaisesta itiötyypistä. Aikaisemmin on ajateltu, että Itämeren alhainen suolapitoisuus vaikuttaa punaleviin siten, että suvullinen lisääntyminen estyy ja punalevät lisääntyvät vain paloittumalla. Tutkin eri elinkierron vaiheiden esiintymistä ja lisääntymisen ajoittumista keräämällä näytteitä Suomen rannikolla esiintyvistä haarukkaleväpopulaatioista, minkä lisäksi mittasin myös itiöiden kokoa ja muotoa sekä Itämeressä että Atlantin valtameressä. Tutkimuksessa ilmeni, että populaatioista löytyi vain koiraita ja tetrasporofyyttisiä yksilöitä, naaraita ei tavattu lainkaan. Alhaisessa suolapitoisuudessa (3.6 psu, practical salinity units) itiöitä ei tavattu lainkaan. Tetrasporofyytit tuottivat itiöitä pääosin talviaikaan. Valtameripopulaatioiden ja Itämeressä elävien populaatioiden välillä oli huomattavaa eroa itiöiden koossa, Itämeressä tuotetut itiöt (tetraspoorit) olivat pienempiä. Tämän lisäksi Itämeressä tuotetut haarukkalevän itiöt olivat myös useammin epämuodostuneita kuin valtameripopulaatioissa.

Kehitimme osana väitöskirjatutkimustani dosentti Helena Korpelaisen kanssa uuden menetelmän löytää yksilöiden geneettisessä sormenjälkitutkimuksessa hyödynnettäviä mikrostelliittimarkkereita. Näiden nopeasti muuntuvien genomin alueiden avulla voidaan tutkia esimerkiksi populaatioiden geneettistä monimuotoisuutta, mutta ne antavat myös tietoa populaatioiden lisääntymisjärjestelmästä. Mikrosatelliittien lisäksi hyödynsin haarukkaleväpopulaatioiden geneettisessä tutkimuksessa myös solun mitokondrion DNA:sta (mtDNA) löytyvää cox2-3 geenivälialuetta selvittääkseni lajin leviämishistoriaa Pohjois-Euroopassa jääkauden jälkeen.

Klonaalisuus oli geneettisten analyysien perusteella yleisempää Itämeren haarukkaleväpopulaatioissa kuin Atlantin valtameren leväpopulaatioissa, joskin klonaalisten yksilöiden määrä vaihteli eri populaatioiden välillä Itämeressä. Lievää geneettistä erilaistumista havaittiin paikallisella tasolla kaikissa tutkituissa leväpopulaatioissa. Geneettisen aineiston perusteella voidaan myös olettaa, että haarukkaleväpopulaatiot lisääntyvät seksuaalisesti ainakin ajoittain myös Itämeressä, mahdollisesti Tanskan salmien läpi ajoittain tulevien suolavesipulssien seurauksena.

Korkein geneettinen monimuotoisuus löydettiin Ranskan rannikolla, Bretagnessa, elävästä haarukkaleväpopulaatiosta. mtDNA:ssa ei havaittu eroja eri punaleväpopulaatioiden välillä, vaikka kyseistä geenien välialuetta on aikaisemmin käytetty sen suuren muuntelevuuden takia useilla muilla punalevälajeilla. Voidaan siis olettaa, että Pohjois-Euroopan haarukkaleväpopulaatiot ovat levinneet Eurooppaan vain yhdeltä alueelta viimeisimmän jääkauden jälkeen.