Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Biology, 2017. / Thesis: Ph. D., Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Science and Engineering (Massachusetts Institute of Technology, Department of Biology; and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2017. / Cataloged from PDF version of thesis. / Includes bibliographical references. / Blooms of the dinoflagellate Alexandrium catenella cause paralytic shellfish poisoning syndrome and present an expanding public health threat. They are inoculated through the germination of benthic cysts, a process regulated by internal and environmental factors, most importantly temperature. Less understood is the effect of temperature conditioning on cyst dormancy cycling, which inhibits germination for long periods. This thesis characterizes the temperature-dependence of both dormancy and germination in natural A. catenella cyst populations from Nauset Marsh (Cape Cod, MA, USA), a small estuarine embayment, and relates these processes to the phenology of blooms there. Through laboratory germination assays, it is shown that dormant A. catenella cysts require a quantifiable amount of chilling to exit dormancy and attain quiescence (i.e. become germinable). A series of experiments compares germination rates of quiescent cysts across a range of temperatures through laboratory experiments and field incubations of raw sediment using plankton emergence traps (PETs). Emergence rates of A. catenella germlings measured by PETs increased linearly with temperature and were comparable to germination under constant laboratory conditions. Total emergence fluxes were much lower than expected, suggesting that germination occurs in a much shallower layer of sediments than typically assumed. The results are synthesized to develop a temperature-dependent model to examine the sensitivity of A. catenella bloom phenology to dormancy-breaking by winter chilling. Notably, the chilling-alleviated dormancy model accurately predicted the timing of quiescence (January) and the variable bloom phenology from multiple blooms in Nauset. Once cysts became quiescent and began to germinate, however, temperatures were typically too cold for growth to exceed losses so there was a several-week lag until bloom development. Years with warmer winters and springs had shorter lag periods and thus significantly earlier blooms. Ecologically, dormancy-breaking by a chilling threshold is advantageous because it prevents the mismatch between conditions that are favorable for germination but not for the formation of large blooms. Synchronized germination after winter chilling also promotes promotes efficient conversion from the cyst seedbed to the spring bloom inoculum. The dormancy mechanism characterized here may be present in other cyst-forming dinoflagellates, but there is likely plasticity that reflects the temperature regime of each habitat. / by Alexis Dal Fischer. / Ph. D.

'impact de plusieurs éléments traces métalliques (ETMs) (plomb, zinc, cuivre ou cadmium) sur la croissance de deux espèces phytoplanctoniques marines, la diatomée Skeletonema costatum et le dinoflagellé toxique Alexandrium catenella, a été étudié à partir de cultures réalisées en conditions physiologiques et en conditions contaminantes. Les résultats obtenus ont révélé des perturbations de croissance chez S. costatum et chez A. catenella, lorsque ces espèces étaient exposées à de fortes concentrations métalliques. Les effets létaux se manifestaient par une forte mortalité cellulaire, accompagnée, chez A. catenella, par la conversion d'un certain nombre de cellules végétatives en kystes de résistance. Puis, l'exsudation de la matière organique dissoute (MOD) par S. costatum et par A. catenella en réponse aux stress métalliques, a été caractérisée. L'exsudation du carbone organique dissous (COD) variait en fonction de la phase de croissance, et était associée au niveau de contamination métallique, et à la nature du métal testé. Les valeurs maximales de COD exsudé par cellule étaient mesurées en réponse à la contamination par le cuivre 16 µM pendant la phase d'adaptation, et en réponse à la contamination par le cadmium 200 µM pendant la phase exponentielle de la croissance. Plus spécifiquement, la matière organique dissoute fluorescente (FDOM) exsudée par S. costatum et par A. catenella a été analysée par spectroscopie de fluorescence 3D associée à l'algorithme PARAFAC. Les traitements PARAFAC révélaient quatre composantes, lesquelles étaient attribuées à deux contributions principales, l'une liée à l'activité biologique de l'espèce, l'autre liée à la décomposition de la matière organique. Les composantes C1 et C2 étaient combinées à des pics tryptophaniques et à des substances humiques, tandis que les composantes C3 et C4 étaient associées à la production de matière organique marine. Par ailleurs, le glucose et le galactose étaient prédominants parmi les aldoses constituant les polysaccharides exsudés dans la MOD. De plus, des modifications protéomiques étaient observées dans les protéomes d'A. catenella, en réponse aux divers stress métalliques. Les protéines de stress exprimées par A. catenella étaient mises en évidence par comparaison des profils d'expression protéiques (PEPs) obtenus par électrophorèse bidimensionnelle (électrophorèse 2D), en conditions physiologiques et en conditions contaminantes. Les protéines de stress étaient impliquées dans de nombreuses catégories fonctionnelles : réponse au stress oxydatif (superoxyde dismutase, sous - unités du protéasome), photosynthèse (ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase, complexe péridinine chlorophylle - protéine, ferrédoxine-NADP réductase), métabolisme des carbohydrates (triosephosphate isomérase, ribose 5-phosphate isomérase, malate déshydrogénase, photorespiration et métabolisme du phosphore (phosphoglycolate phosphatase), métabolisme énergétique (ATP - synthase), signal cellulaire (calmoduline), activité chaperonne (HSP 70, HSP 90) et bioluminescence d'A. catenella (luciférine - binding protéine). La sur - expression de la phosphoglycolate phosphatase (PGP) et celle de l'ATP - synthase, observées en réponse à la contamination par le plomb, pourraient participer à une stratégie de défense mise en place par A. catenella afin (i) de se protéger du stress oxydatif lié à la contamination métallique, la PGP étant impliquée dans la dissipation de l'excès d'énergie (ii) de produire davantage de réserves énergétiques (ATP) et ainsi de répondre à des besoins accrus en raison du stress métallique, dans le but de s'y adapter.

Thesis (Ph. D.)--Joint Program in Oceanography/Applied Ocean Science and Engineering (Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Biology; and the Woods Hole Oceanographic Institution), 2007. / Includes bibliographical references. / Paralytic shellfish poisoning (PSP) is a human intoxication associated with the consumption of shellfish contaminated with a family of neurotoxins called saxitoxins. Many species in the dinoflagellate genus Alexandrium have been shown to produce these toxins. Here I report the first case of a culture of Alexandrium that has completely lost the ability to produce saxitoxins. The loss of toxicity was accompanied by a reduction in growth capability. A subculture of this isolate maintains the ability to produce toxins and to grow at rates and to cell abundances that were characteristic of the original Alexandrium culture. The growth and toxicity differences in the two isolates were demonstrated to be a property of the dinoflagellate itself and were not dependent on the different bacterial symbionts associated with each culture. The pair of subcultures is a novel experimental system to study gene expression related to toxin production and growth in dinoflagellates. The products of gene expression were analyzed in the two subcultures of Alexandrium grown under the same conditions, but where toxicity and growth differ. At the metabolome level, compounds were identified that were unique to the non-toxic isolate; their emergence may be correlated to a disruption of the biosynthetic pathway for PSP toxins. / (cont.) These compounds share some characteristics and potential structural similarities with saxitoxins, though they are not any of the known toxin derivatives. Difference gel electrophoresis (DIGE) identified proteins differentially expressed between the two subcultures. Identification of some of these proteins was possible by searching the expressed sequence tag (EST) database for dinoflagellates. Proteins shown to be down-regulated in the non-toxic, slower growing subculture are all enzymes from the Calvin cycle, which may explain the limited growth of the non-toxic isolate. Other unknown, differentially expressed proteins may relate to the loss of toxicity, but their identity and function remain unresolved. / by Claudia A. Martins. / Ph.D.

Cette étude à pour objectif de maîtriser les conditions de culture et de production toxinique chez Karenia selliformis et Alexandrium ostenfeldii dans le but de réaliser des contaminations expérimentales indépendamment du caractère aléatoire des proliférations toxiques en zones côtières. Ce travail vise également à étudier l'impact de l'alimentation sur la détoxification artificielle de la palourde Ruditapes decussatus contaminée par des gymnodimines et de l'huître Crassostrea gigas contaminées par des spirolides et enfin d'étudier l'impact physiologique de ces micro-algues toxiques au niveau des organes accumulateurs des coquillages. Dans un premier temps, il a été mis en évidence que les performances de croissance de K. selliformis (taux de croissance et concentration maximale) sont obtenues à une température de 22°C pour une salinité de 36 psu en utilisant le milieu f/2 alors que celles d'A. ostenfeldii sont obtenues à une température de 16°C pour une salinité de 35 psu en utilisant le milieu L1. Le contenu en gymnodimine dans les cellules de K. selliformis augmente en fonction de l'âge de la culture alors que le contenu en spirolide diminue au cours de la croissance cellulaire d'A. ostenfeldii plus particulièrement lors de la culture en photobioréacteur de 100 l. Dans un deuxième temps, des études expérimentales portant sur l'interaction des micro-algues toxiques avec les mollusques ont permis d'apporter des connaissances nouvelles sur le devenir des imines cycliques après contamination et lors de la détoxification. Il a ainsi été mis en évidence i) une accumulation majoritaire des GYMs et des SPXs au niveau des glandes digestives des palourdes et des huîtres ii) une accélération des cinétiques de détoxification lors de l'ajout de l'alimentation. Dans un troisième temps, les essais portant sur la contamination de C. gigas par A. ostenfeldii ont permis de déterminer i) une altération des diverticules digestifs consistant en une réduction de l'épaisseur de la paroi épithéliale et en une augmentation de la surface de la lumière des diverticules digestifs ii) une réaction inflammatoire dans la glande digestive de certains individus contaminés se caractérisant par une agglutination massive d'hémocytes autour de différents organes de la glande digestive: l'estomac, l'intestin ainsi que les conduits et tubules digestifs. Dans le cas des contaminations naturelles et expérimentales des palourdes les analyses histologiques réalisées n'ont pas permis de mettre en évidence des signes d'altération de la glande digestive comme dans le cas des les huîtres contaminées par A. ostenfeldii.

Alexandrium tamarense is a harmful algal species that can produce saxitoxins, a suite of powerful neurotoxins that bioaccumulate up the food chain and can have severe economic and health impacts. With harmful algal blooms increasing temporally and spatially, it is important for us to understand the relationship between harmful algal blooms and nutrients, particularly nitrogen from anthropogenic sources. To this end, the stable nitrogen isotopic composition (δ¹⁵N) of medium nitrate, algal cells and toxin in both nitrogen-replete and nitrogen-limited batch cultures of A. tamarense were measured in order to assess the potential for using the δ¹⁵N of the toxin as a tracer of the nitrogen source used for growth. A. tamarense cells grown under nitrate-replete conditions were depleted by 1.5‰ relative to the growth medium, and saxitoxin was depleted by 1.5‰ relative to the whole cells. Under nitrate-limiting conditions, the isotopic difference between cells and saxitoxin changed as nitrate in the growth medium was depleted, indicating uncoupling of toxin synthesis and cell growth rates under changing external nutrient conditions. Determination of the absolute magnitude of the isotopic differences between the medium nitrate and either the cells or the saxitoxin was confounded by 1) using two different nitrate sources – one nitrate source was used to grow the inoculum and a different nitrate source was used for the experimental medium - with different ‰ values and 2) the presence of an unidentified, isotopically-light, nitrogen blank in the low-nitrate medium samples. I conclude that STX nitrogen isotope values have the potential to be used as nitrogen source indicators. However, overall fractionation between whole cells and STX is unknown due to the uncoupling between cell growth and STX synthesis observed during my nitrogen-limited experiment. Based on previous research on cell growth and toxin production dynamics under different nutrient regimes, it is also reasonable to assume that the observed results here may differ if a different nitrogen source was utilized by the cells for STX production. Further research could include isotope analysis of cultures grown on different nitrogen sources, such as ammonium and urea; isotopic analysis of additional compounds, such as amino acids; or use of additional stable isotopes, such as C or O. / text

Alexandrium minutum est un dinoflagellé qui est à l'origine des efflorescences toxiques observées de façon récurrente le long des côtes Bretonnes. Cette microalgue produit des toxines paralysantes qui sont parmi les plus puissantes au monde. Originaire de Méditerranée, cette espèce a progressivement envahi les côtes européennes atlantiques. Cette algue invasive a été observée en Bretagne dans les années 80, puis a atteint successivement l'Angleterre, l'Irlande et le Danemark. Aujourd'hui, elle semble durablement installée dans de nombreux estuaires bretons, produisant de façon récurrente des efflorescences toxiques, bien que dans certains sites les proliférations semblent être limitées par la présence de parasite. Dans cette étude nous nous sommes interrogés sur les processus pouvant influencer la diversité génétique des populations d'A. minutum et les répercussions de ces capacités d'adaptation vis à vis des facteurs biotiques et abiotiques. Nous avons en particulier, réalisé des expériences de croisement en laboratoire afin de mieux comprendre sa reproduction et de déterminer son système de reproduction. Puis nous avons utilisé des outils moléculaires afin de déterminer quelle était l'importance de la reproduction sexuée dans les populations naturelles en Bretagne (reproduction sexuée versus asexuée). Enfin, nous avons étudié la variabilité génétique des efflorescences annuelles pendant deux années consécutives dans les estuaires de la Rance et de la Penzé. Les expériences de croisement in vitro ont permis de mettre en évidence que la reconnaissance gamétique était un processus complexe où les fusions ne sont pas régit par un système bipolaire comme c'est généralement le cas chez de nombreux organismes. D'autre part nos résultats suggèrent que les kystes temporaires auraient une capacité de survie de plusieurs mois au froid et à l'obscurité dans les conditions de laboratoire. Grâce à l'utilisation des marqueurs microsatellites, nous avons montré que les efflorescences d'A. minutum présentaient une diversité génétique et génotypique très élevée et que les génotypes étaient tous différents les uns des autres au sein de ces efflorescences. Ces résultats suggèrent que la reproduction clonale n'est pas dominante au cours des évènements d'efflorescence. L'analyse génétique spatio-temporelle (entre Penzé et Rance, entre années et entre période d'efflorescence) montre des différenciations significatives aux différentes échelles. La différence spatiale indique un flux de gènes restreint entre les deux sites et cela principalement au cours des blooms. En effet, les efflorescences qui se développent généralement pendant les marées de morte-eau restent relativement isolées. Ces résultats ont été confirmés par l'étude de la structure génétique des populations A. minutum le long des côtes Bretonnes qui révèle des flux de gènes limités entre populations. Ces résultats suggèrent que la migration est relativement restreinte entre estuaires. De plus, la différenciation génétique entre estuaires pourrait également étroitement être liée aux traits d'histoire de vie de cette espèce. En effet, le développement rapide des efflorescences dans un nouveau site colonisé, suivi par la formation d'un grand nombre de kystes de résistance qui s'accumulent au sein des estuaires pourrait constituer un système particulier présentant une forte inertie au changement (tampon génétique) et limitant, par compétition, l'arrivée de nouveaux migrants (hypothèse de monopolisation des sites (De Meester et al. 2002). Enfin, nos résultats suggèrent que les efflorescences toxiques observées en Rance, en Baie de Morlaix et en Rade de Brest correspondraient à des évènements d'introduction différents.