Do seagrasses feel the heat? Assessing the potential for microevolutionary change in a marine ecosystem engineering plant in response to global warming

Bergmann, Nina

A central question in ecology is how organisms react to changing environmental conditions induced by global climate change. This is particularly important for ecosystem engineering species, as the fate of whole ecosystems is depending upon their performance and survival. In coastal marine habitats, seagrasses are of outstanding importance as ecosystem builders. Eelgrass, the study species of this thesis, is the most widespread and locally abundant seagrass along soft-sediment coasts of the northern hemisphere. In this thesis I assessed variation among and within eelgrass populations in response to heat stress. I conducted heat stress experiments in a “common stress garden”, simulating a summer heat wave of three weeks followed by a recovery phase. I measured various physiological parameters and assessed the expression profile of selected heat stress associated genes with qPCR as well as the whole transcriptome with next generation sequencing using eelgrass with differing thermal history (a southern population from the Mediterranean Sea and northern populations from the Kattegat and Limfjord, Baltic Sea). To assess variation within populations, I used genotypes originating from a Baltic population. I found that different genotypes showed varying growth rates in control and heat treatment at acute heat stress, but that all populations lost shoots in response to the heat wave, irrespective of their thermal pre-adaptation. While populations diverged in their expression profiles of selected heat stress associated genes already at the onset of heat stress, subsequent global transcription profiling revealed that those effects were of relatively minor importance compared to massive differences in gene expression during the recovery phase between two of the populations. This is in line with findings on the genotype level within one population which showed differences in the expression profiles of selected stress-associated genes between replicated individuals only in the recovery phase. This thesis provides a basis for investigating the potential for microevolution of eelgrass populations in the face of global climate change. Both, cold- as well as warm adapted eelgrass populations responded to heat stress with shoot reduction, a finding that is in line with worldwide records of seagrass decline. On the other hand, there is considerable variation for heat stress-related gene expression within populations, a trait that is likely to be important under global change. As this variation among genotypes is the prerequisite for natural selection and adaptation, populations may succeed to persist.

Eine zentrale Frage der Ökologie ist, wie Organismen auf die durch den globalen Klimawandel veränderten Umweltbedingungen reagieren. Besonders wichtig ist dies für Arten, die die Funktion von ‘Ökosystem-Ingenieuren’ übernehmen, da das Schicksal ganzer Ökosysteme von ihren Reaktionen und ihrem Überleben abhängt. Diese Arbeit behandelt das Große Seegras (Zostera marina). Es ist die häufigste und am weitesten verbreitete Seegrasart auf Weichböden der nördlichen Hemisphäre. Ich untersuchte in dieser Arbeit Unterschiede in der Antwort auf Hitzestress zwischen und innerhalb einzelner Z. marina Populationen. Hierzu führte ich Hitzestress-Experimente in einem ‘common stress garden‘ durch, in denen ich eine dreiwöchige Sommerhitzewelle mit anschließender Erholungsphase simulierte. Ich bestimmte sowohl an verschiedenen Populationen aus unterschiedlichen Temperaturregimen (südliche Populationen aus dem Mittelmeer und nördliche Populationen aus Kattegat und Limfjord, Ostsee) als auch an verschiedenen Genotypen einer Ostseepopulation mehrere physiologische Parameter, Expressionsprofile ausgewählter Stressgene mittels qPCR sowie das gesamte Transkriptionsprofil mittels Next- Generation- Sequenzierungen (NGS). Es zeigte sich einerseits, dass sich verschiedene Genotypen in ihren Wachstumsraten unter Versuchs- und Kontrollbedingungen bei akutem Hitzestress unterscheiden. Andererseits reagierten alle Populationen mit Sproßverlust auf die Hitzewelle, unabhängig von ihrer Anpassung an die jeweils im Feld vorherrschenden Temperaturbedingungen. Obwohl Populationen sich im Expressionsprofil ausgewählter Stressgene schon zu Beginn der Hitzewelle unterschieden, zeigte sich, dass diese Effekte relativ unbedeutend waren im Vergleich zu den starken Unterschieden, die im gesamten Transkriptionsprofil (mittels NGS) zwischen zwei der Populationen während der Erholungsphase festgestellt werden konnten. Dies stimmt mit Ergebnissen auf ‚Genotyp‘- Ebene überein, die zeigten, dass Genotypen einer Population sich im Expressionsprofil ausgewählter Stressgene ebenfalls erst in der Erholungsphase nach der simulierten Hitzewelle unterschieden. Diese Arbeit bietet eine Grundlage zur Untersuchung des Potentials zur Mikroevolution für Populationen des Großen Seegrases angesichts des globalen Klimawandels. Sowohl kalt- als auch warm adaptierte Z. marina Populationen reagierten auf Hitzestress mit Sprossverlust, ein Ergebnis, das zu weltweiten Berichten über den Rückgang der Seegrasbestände passt. Andererseits variieren unterschiedliche Genotypen in ihrer Genexpression unter Hitzestress, einem Merkmal, das unter durch den Klimawandel veränderten Umweltbedingungen wichtig werden kann. Da Variation zwischen Individuen die Basis für natürliche Selektion und Adaptation darstellt, könnte dies den Fortbestand der Populationen des Großen Seegrases ermöglichen.

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Bergmann, Nina: Do seagrasses feel the heat? Assessing the potential for microevolutionary change in a marine ecosystem engineering plant in response to global warming.

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