Valorización de poblaciones naturales del alga parda Leathesia marina de las costas patagónicas para emprendimientos de maricultura con fines biotecnológicos

Abstract

Esta tesis representa el primer estudio integral de dos poblaciones de Leathesia marina, Phaeophyceae, en la Patagonia argentina. La misma involucra aspectos ecológicos de la especie tales como ciclo de vida, demografía poblacional, estudios fenológicos y de la comunidad de epífitos; así como sus formas de manejo mediante la optimización de su cultivo: control de la fertilidad y caracterización bioquímica del alga, para su posible utilización en la industria farmacéutica o alimentaria. El estudio del ciclo de vida en condiciones de cultivo in vitro, se basó en un enfoque integrado, involucrando observaciones morfológicas, análisis de los niveles de ploidía y estudios moleculares. L. marina presentó un ciclo de vida heteromórfico, que comprende tres morfologías diferentes, dos morfotipos haploides diferentes (gametófito y esporófito), a) un microtalo de morfología globosa, y b) un microtalo postrado y c) un morfotipo diploide (macrotalo o esporófito). Los cambios en el nivel de ploidía durante las diferentes fases del ciclo de vida, se evidenciaron usando citometría de flujo y fluorescencia del DNA. Los análisis filogenéticos basados en cox3 y el conjunto de datos concatenados cox3 y rbcL confirmaron la identidad de los especímenes argentinos como L. marina, que fueron conespecíficos con las poblaciones de L. marina de Nueva Zelanda, Alemania y Japón. A su vez, el estudio fenológico y dinámica poblacional de L. marina en la naturaleza, permitió comprender que el ciclo de vida heteromórfico se encuentra en completa interacción y en respuesta a las presiones selectivas del entorno altamente cambiante de la Patagonia. El talo macroscópico estuvo presente desde septiembre a abril, durante la temporada cálida, mientras que la fase microscópica se observó en dos períodos, marzo-abril y septiembre-octubre, presentando una superposición temporal entre ambas fases. La población del esporofito macroscópico presentó una curva de supervivencia tipo III, las cuales son frecuentes en algas pardas con fases microscópicas, capaces de crecer rápidamente dejando un reclutamiento masivo, seguido de una alta mortalidad. A su vez, la cobertura, la densidad y el tamaño de los macrotalos se relacionaron con los meses más cálidos, pero la capacidad reproductiva fue mayor en los meses más fríos, previo al final de la temporada de los mismos y coincidentemente con la aparición de los microtalos en la naturaleza. Además esta tesis comprende el primer estudio exhaustivo sobre la dinámica temporal de las comunidades epífitas, no solo sobre L. marina, sino que también sobre Colpomenia sinuosa, debido a la morfología análoga de ambas especies y por presentar un papel ecológico similar en la zona intermareal. Esto permitió evaluar el estado sanitario de L. marina y compararlo con otra especie que ocupa el mismo nicho espacial. La comunidad de epífitos se estudió en términos de riqueza, diversidad y abundancia; y su relación con los hospedadores y los factores ambientales. Un total de 31 taxones de epífitas se registraron en ambas especies, las cuales compartieron el 64,5% de las especies epífitas encontradas. Las algas rojas fue el grupo de epifitos con la mayor abundancia en ambos hospedadores y las diatomeas presentaron la mayor riqueza de especies. La riqueza específica fue similar entre ambos hospedadores, pero L. marina presentó menor diversidad y equitatividad y un claro dominio de las especies U. penicilliformis y E. carnea. A causa del interés reciente en la composición de las algas y el arte de cultivarlas por sus beneficios nutricionales y de salud, en esta tesis se analizó la composición bioquímica de L. marina: materia orgánica, alginatos, carbohidratos totales, contenido de proteínas, pigmentos, polifenoles, actividad antioxidante y composición elemental, así como las mejores condiciones de cultivo, evaluando diferentes temperaturas del agua de mar y nutrientes en las fases esporofíticas y gametofíticas. L. marina mostró un contenido relativamente bajo de carbohidratos y proteínas, pero un alto contenido de polifenoles y actividad antioxidante. En los experimentos de cultivo, las mejores condiciones para el cultivo de gametófitos y esporófitos fueron a 8 °C y a 1 PES. El crecimiento de los esporófitos fue mayor que el de los gametófitos. Los gametófitos se pudieron mantener en latencia en condiciones controladas durante 18 meses. El estudio integral realizado en esta tesis, que analiza el ciclo de vida, parámetros demográficos (tasa de mortalidad, supervivencia, rendimiento reproductivo), así como las características morfológicas, puede ayudar a explicar de qué forma las especies como L. marina lograron adaptarse a un ambiente adverso, con grandes cambios estacionales. A su vez el análisis de la composición bioquímica y la optimización de sus cultivos, constituyen las bases fundamentales para realizar un manejo adecuado y sustentable evitando la sobreexplotación de las poblaciones naturales.

This thesis is the first integral study of two Leathesia marina, Phaeophyceae, populations in Argentian Patagonia. It includes ecological aspects of the species, such as, the life cycle, population demography, phenological studies and the community of epiphytes, as well as the optimization of conditions for L. marina culture and management, through fertility control and biochemical characterization of the alga, for its possible use in the pharmaceutical or food industry. The study of the life cycle of Leathesia marina under in vitro culture conditions was based on an integrated approach, involving morphological observations, ploidy levels and molecular studies. Leathesia marina has a heteromorphic life cycle comprising three different morphologies, two morphotypes of the haploid generation (microthallus or gametophyte and sporophyte) and one morphotype of the diploid generation (macrothallus or sporophyte). Changes were observed in the ploidy level during the different phases in the life cycle using DNA flow and fluorescence cytometry. The phylogenetic analyzes based on cox3 and concatenated cox3 and rbcL data set confirmed the identity of the Argentinian specimens as L. marina, which is conspecific with L. marina from New Zealand, Germany and Japan. In turn, the phenological study and population dynamics of L. marina in nature, allowed us to understand that the heteromorphic life cycle of the species is in complete interaction and response to the selective pressures of the highly changing environment of Patagonia. The macroscopic phase was observed from September to April during the warm season, whereas the microscopic phase was observed in two different periods, March–April and September–October. A temporal overlap was observed between the microscopic and macroscopic phases. The macroscopic sporophyte population presented a type III survival curve, which is frequent in brown algae with microscopic phases, capable of growing rapidly and leaving a massive recruitment, followed by high mortality. In turn, the cover, density and size of the macrothalli were related to the warmer months, but reproductive output was higher in the colder months, prior to the end of the season and coincident with the occurrence of the microthalli in nature. In addition, this thesis includes the first exhaustive study on the temporal dynamics of epiphytic communities, not only on L. marina, but also on Colpomenia sinuosa, due to the analogous morphology of both species and for presenting a similar ecological role in the intertidal zone. This makes it possible to evaluate the health status of L. marina and compare it with another species that occupies the same spatial niche. The community of epiphytes was studied in terms of richness, diversity and abundance and their relationships with the environmental factors and host abundance. A total of 31 epiphyte taxa were recorded and it was found that the two hosts shared 64.5% of these epiphytic species. The red algal epiphytic group had the highest abundance on both hosts and the diatoms presented the highest species richness. The specific richness was similar between both hosts, but L. marina presented less diversity and evenness, and there was a clear dominance of the species Urospora penicilliformis and Erythrotrichia carnea. Due to the recent interest in the composition of algae, and the art of farming them for their nutritional and health benefits, this thesis analyzed the biochemical composition of L. marina: organic matter, alginates, total carbohydrates, protein content, pigments, polyphenols, antioxidant activity and elemental composition, as well as the best conditions for optimizing their culture, evaluating the effect of different temperatures and nutrients in the sporophytic and gametophytic phases. L. marina showed a relatively low carbohydrate and protein content, but a high polyphenol content and antioxidant activity. In the culture experiments, the best conditions for gametophyte and sporophyte survival were 8 °C at 1 PES. The growth of the sporophytes was greater than that of the gametophytes. The gametophytes could be maintained in latency under controlled conditions for 18 months. The integral study carried out in this thesis, which analyzes the life cycle, demographic parameters (mortality rate, survival, reproductive performance), as well as the morphological characteristics, can help explain how species such as L. marina manage to adapt to an adverse environment with large seasonal changes. At the same time, the analysis of the biochemical composition and the culture optimization constitute the fundamental bases for adequate and sustainable management, avoiding overexploitation of the natural populations.