La biosphère océanique module la concentration de CO2 atmosphérique via la pompe biologique (transfert vertical de carbone organique particulaire - POC - de l'océan de surface vers le fond) et la contre-pompe des carbonates (émission de CO2 lors de la précipitation du carbone inorganique particulaire - PIC). Cette thèse a pour but (1) d'identifier la contribution de différents groupes planctoniques à l'export de POC et PIC à échelle annuelle dans des zones de production contrastée de l'océan Austral et (2) de comprendre comment cette diversité influence la stœchiométrie et la labilité du matériel exporté.Des déploiements de pièges à particules à proximité les iles Kerguelen et de la Géorgie du Sud montrent que la fertilisation naturelle en fer augmente l'intensité mais pas l'efficacité de l'export de POC. Les spores de résistance de diatomées pilotent une fraction importante (40-60 %) de l'export annuel de POC dans chacun des sites productifs. L'analyse taxonomique des diatomées mène à l'identification de groupes consistants qui impactent la séquestration préférentielle du C ou du Si. Lors d'une campagne estivale, nous associons l'abondance relative de diatomées et dinoflagellés à la stœchiométrie N:P de la matière organique et soulignons l'importance des couches de transition pour le découplage des cycles du C et Si. L'étude de la composition en lipides du matériel exporté nous permet d'identifier les spores de diatomées comme des vecteurs de matière organique contenant des acides gras riches en énergie. A Kerguelen, la faible contre-pompe des carbonates est due à dominance des coccolithophoridés dans l'export de PIC au Sud du Front Polaire. / Marine biosphere impacts the atmospheric CO2 concentration by two main processes: the biological pump (vertical transfer of particulate organic carbon - POC - from the surface to the deep ocean) and the carbonate counter pump (CO2 emission during particulate inorganic - PIC - precipitation). The objectives of this PhD are (1) to identify the relative contribution of different plankton groups to POC and PIC export at annual scale in regions of contrasted productivity in the Southern Ocean and (2) to understand how this diversity impacts the elemental stoichiometry and lability of the exported material.Annual sediment trap deployments in the vicinity of the Kerguelen and South Georgia island plateaus have demonstrated that natural iron fertilisation increases the intensity but not the efficiency of export. Diatom resting spore formation drives an important fraction (40-60 %) of the annual carbon export in the productive sites. The taxonomic analyses of exported diatoms lead to the identification of consistent groups that impact the preferential export of C or Si. During a summer cruise, we associate the relative abundance of diatoms and dinoflagellates to the N:P stoichiometry of particulate organic matter and highlight the importance of transition layers for C and Si uncoupling. The study of the lipid composition of export leads to the identification of diatom resting spore as preferential vectors for the export energy-rich fatty acids. At Kerguelen, the low carbonate counter-pump is due to the dominance of coccolithophores contribution to PIC export south of the Polar Front.

Diatoms are photosynthetic protists that reside in aquatic environments. A unique feature of diatoms is their cell wall structure made of silica. Silicon is a limiting nutrient for diatoms. The bioavailable form of silicon in aquatic environments is silicic acid. Since the intracellular concentration of silicon is many times greater than the extracellular concentration in aquatic habitats, silicon transporters (SIT) are required that actively transports silicic acid into the cell. In the diatom Chaetoceros affinis two such transporters have been reported, SIT1 (CaSIT1) and SIT2 (CaSIT2). Gene expression of CaSIT1 is increased at low extracellular concentration of silicic acid (<30 µM), while at higher concentrations the transportation is dominated by diffusion. On the contrary, CaSIT2 does not seem to be affected by variations in environmental silicic acid concentrations, and its role in the transportation of silicic acid remains unclear. The aim of this study was to evaluate the relative gene expression of CaSIT1 and CaSIT2 in C. affinis, using realtime-PCR. The diatom was cultivated in two media: one with full nutrients (control) and one without added silicon (-Si). In addition, C. affinis was also cultivated with a second diatom, Cylindrotheca fusiformis, in respective media (mixed cultivation). Due to extensive primer-dimers, CaSIT2 was excluded from the proceeding analysis of the samples. Analysis showed that the relative gene expression of CaSIT1 was increased by silica limitation (ANOVA: p < 0,05), in accordance with previous studies. The effect of competition however resulted in a decrease of gene expression (ANOVA: p < 0,05). The combined effect, the interaction of competition and silica limitation, did not result in a significant change of the gene expression (ANOVA: p = 0,38). However, there was an increased variation among the mixed cultures, which could be a result of RNA degradation considering the poor RNA quality of the samples. The results from this study show that realtime-PCR is an effective method to measure gene expression of silica transporters, provided that the primers have been correctly evaluated. / Diatomer är vattenlevande, fotosyntetiska protister som kännetecknas av att dess cellväggsstruktur är uppbyggd av kiseldioxid. Kisel är ett begränsande näringsämne för diatomer. Den biotillgängliga formen av kisel i akvatisk miljö är kiselsyra. Eftersom den intracellulära koncentration av kisel är mångfaldigt högre än den extracellulära i de flesta akvatiska habitat, krävs kiseltransportörer (SIT) som aktivt pumpar in kiselsyran. Hos diatomen Chaetoceros affinis har två kiseltransportörer rapporterats, SIT1 (CaSIT1) och SIT2 (CaSIT2). Genuttrycket av CaSIT1 ökar vid låg koncentration av extracellulär kiselsyra (<30 µM), medan vid högre koncentrationer domineras transporten av diffusion. I motsats tycks CaSIT2 inte påverkas av variationer i tillgänglig kiselsyra, och dess roll vid transport av kiselsyra är oklar. Syftet med föreliggande arbete var att med realtids-PCR undersöka det relativa genuttrycket av CaSIT1 och CaSIT2 hos C. affinis. Diatomen odlades i två medium: en med komplett näringsinnehåll (kontroll) och en med samma näringsinnehåll förutom kisel (-Si). Därutöver odlades även C. affinis tillsammans med Cylindrotheca fusiformis, i respektive medium (mixad kultur). På grund av omfattande primer-dimers uteslöts CaSIT2 primers från analys av proverna. Det relativa genuttrycket av CaSIT1 ökade vid kiselbegränsning (ANOVA: p < 0,05), i enlighet med tidigare studier. Effekten av konkurrens resulterade däremot i en minskning av genuttryck (ANOVA: p < 0,05). Den kombinerade effekten (konkurrens och kiselbegränsning) resulterade inte i en signifikant förändring av genuttrycket (ANOVA: p = 0,38). Det var en ökad variation bland de mixade kulturerna, vilket eventuellt förklaras av degraderat RNA då RNA-kvalitén över lag var väldigt låg för de flesta prover. Resultaten i denna studie visar att realtids-PCR är en effektiv metod för att undersöka genuttryck av kiseltransportörgener, under förutsättning av primers utvärderats korrekt.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24455号 / 理博第4954号 / 新制||理||1707(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻 / (主査)教授 中野 伸一, 教授 木庭 啓介, 教授 中務 真人 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

No description available.

Pliocene-Pleistocene sediments in the southeastern Acambay graben, central Mexico have yielded mammal fossils, including Equus simplicidens, cf. Rhynchotherium, ?Camelops, Mammuthus sp., Bison sp., and Antilocapra sp. The fossiliferous sediments include a period of lacustrine sedimentation in the late Pliocene-early Pleistocene that interrupted fluvial and alluvial sedimentation during the early Pliocene and Pleistocene. The sediments deposited in this late Pliocene paleolake record a history of lake level fluctuations, shown by lithologic variations in lacustrine sediments and abundance of vertebrate burrows. Volcanic and tectonic events in the Acambay graben were the major controls on sedimentation during Pliocene-Pleistocene time. Various local volcanic structures produced source rocks for Pliocene-Pleistocene sediments, and intra-arc extensional tectonics caused basin subsidence. Blockage of stream drainages by lava flows or perhaps increased basin subsidence contributed to the appearance of and fluctuations in the lacustrine system during the late Pliocene. Diatom assemblages from lacustrine sediments indicate slightly higher precipitation and humidity than present-day conditions in the Acambay graben. Therefore, climatic forcing may have also contributed to the development of the late Pliocene paleolake in the Acambay graben. Pliocene-Pleistocene volcanic rocks in this part of the Acambay graben range from basaltic andesite to rhyolite. The calc-alkaline composition of these volcanic rocks is similar to others in the modern Mexican Volcanic Belt; they have a continental arc affinity, which is consistent with a tectonic setting within the Mexican Volcanic Belt. The major eruptive episode in the Acambay graben occurred during the early Pliocene, although volcanism, represented by small volcanic structures, continued until the late Pleistocene. This observed decline in volcanism in the Acambay graben correlates with a early Pliocene through Quaternary trenchward migration of volcanism in the Mexican Volcanic Belt.

Marine primary productivity in large parts of the oceans is supported by nitrogen fixers (diazotrophs). Richelia, a genus of multiple closely related species of heterocystous filamentous cyanobacterial diazotrophs, are often found in symbioses with a few genera of diatoms. Several Richelia species: R. euintracellularis, R. intracellularis and R. rhizosoleniae, form stable host specific partnerships and these populations are important for the nitrogen (N) cycle, especially in the oligotrophic open oceans. In general, the gene nifH, which encodes the enzyme nitrogenase for N2 fixation, is used as a molecular marker for presence (DNA level) and activity (RNA level) of diazotrophs. However, evidence of cross-reactivity of the nifH assays between two of the Richelia species shows the risk of incorrect estimations of abundance and activity. Moreover, transcript abundance is rarely normalized to a housekeeping gene.  The aims of this work were to develop and assess new assays for the detection of three symbiotic Richelia species: R. euintracellularis, R. intracellularis and R. rhizosoleniae. These new assays targeted molecular markers that were indicative nutrient acquisition. For example, one assay targets a gene encoding the high affinity phosphate transporter (pstS), a second targets a gene involved in iron (Fe) transport (exbB) (indicator of P transport, Fe transport, respectively), and a third assays a housekeeping gene encoding Ribonuclease P protein (rnpA). All assays were used to estimate abundance and expression in lab and field based samples. The new assays have high species specificity as revealed by BlastN analyses and lab-based cross-hybridization assays. We applied the assays to samples from a lab-based experiment of the facultative symbiont R. rhizosoleniae RrhiSC01 in order to investigate the temporal dynamics of expression. This revealed periodic expression of nifH and pstS related to the photoperiod with higher expression in the early and late photoperiod, respectively. The peak of pstS expression in the late photoperiod is likely to support the high P requirement of both photosynthesis and N2 fixation. Given the temporal regulation of pstS (and nifH) expression shown here, one must consider these results when sampling and/or interpreting field studies. Moreover, a comparison of the Richelia draft genomes and environmental metagenomic assembled genomes (MAGs) show that gene copy number per genome of exbB and pstS varies between strains. Given that Richelia tend to live in low nutrient environments, including N, P, and often Fe, the increased copy number per genome for pstS and exbB could be suggestive/evidence of adaptation to constant nutrient limitation. In addition, the assays were applied to natural samples containing populations of R. intracellularis and R. euintracellularis collected in the North and South Atlantic Ocean from multiple depths (5-90 meters). The DNA based gene copy abundances showed higher estimates when nifH is used compared to rnpA, which is likely due to a higher degree of cross-reactivity in the nifH assays. Gene expression was present but low for all targets. However, expression of exbB and pstS was higher in surface water – where nutrients are expected to be depleted. Lastly, bulk fixation rates of N2 and carbon (C) showed that the activity was low and fixation rates did not increase with the addition of dissolved organic phosphate (DOP) (a 1:4 mixture of 2-aminoethylphosphonic acid and beta-glycerophosphate disodium salt hydrate). This could be due to patchiness and low abundance of diazotrophs and discrepancies between samples, seasonal variation or that the populations were not P limited. In summary, the new assays constitute a better option to interspecific detection of Richelia. However, more work is required to assess how the expression relates to limitation of nutrients and other external factors to better understand the activity of these biogeochemically important populations. / I stora delar av haven stöds marin primärproduktion av kvävefixerare (diazotrofer). Richelia är ett släkte med ett flertal närbesläktade arter av heterocysta, filamentösa och kvävefixerande cyanobakterier som lever i symbios med ett fåtal kiselalger. Dessa är viktiga för kvävecykeln, särskilt i de oligotrofa (kvävefattiga) öppna haven. Genen nifH som kodar för det kvävefixerande enzymet nitrogenas, brukar användas som en molekylär markör för att detektera diazotrofa populationer och dess genuttryck används som en indikator för kvävefixering. Det finns emellertid tecken på att nifH ger felaktiga uppskattningar av dessa populationers abundans och aktivitet. Dessutom, när nifH-uttryck används som ett mått på aktivitet är det endast kvävefixering man observerar. Andra faktorer som begränsar förekomsten av dessa organismer, t.ex. brist på järn eller fosfor, kan inte avläsas. Dessutom har uttrycket av nifH sällan normaliserats till en stabilt uttryckt gen vilket gör jämförelser svåra. Syftet med detta arbete var att utveckla och utvärdera nya kvantitativ realtidspolymeraskedjereaktion (qPCR)-analyser för specifik detektion av identitet, abundans och aktivitet av tre symbiotiska Richelia-arter: R. euintracellularis, R. intracellularis och R. rhizosoleniae. De nya analyserna är inriktade på generna som kodar för högaffinitetsfosfattransportören pstS och biopolymertransportproteinet exbB (indikator för P-transport respektive Fe-transport). Genen som kodar för ribonukleas P-protein, rnpA, en gen med stabilt uttryck, användes för att uppskatta abundans och för att normalisera uttrycket av de andra målgenerna.  BlastN-analyser och labb-baserade korshybridiseringsanalyser visar att de nya analyserna har hög artspecificitet. Vi tillämpade analyserna på en kultur av den fakultativa symbionten R. rhizosoleniae RrhiSC01 för att undersöka det periodiska uttrycksmönster av målgenerna kopplat till tid på dygnet. Resultatet visade på ett periodiskt uttryck av nifH och pstS relaterat till fotoperioden med högre uttryck i den tidiga, respektive sena fotoperioden.  Det ökade uttrycket av pstS i den sena fotoperioden stödjer sannolikt det höga P-kravet för både fotosyntes och N2-fixering. Den tidsmässiga regleringen av pstS-uttryck som visas här, behöver man ta hänsyn till vid provtagning och tolkning av fältstudier. ​​ Dessutom visar en jämförelse av Richelia-genom att genkopiantalet för exbB och pstS varierar mellan stammar av Richelia. Med tanke på att Richelia tenderar att leva i miljöer med låga nivåer av näringsämnen, inklusive kväve, fosfor och ofta järn, kan det ökade antalet kopior per genom av pstS och exbB ett tecken på anpassning till konstant näringsbegränsning. Analyserna tillämpades även på naturliga populationer av R. intracellularis och R. euintracellularis i norra och södra Atlanten. DNA-baserad estimering av abundans (genkopior) visar på en högre uppskattning när nifH används som markör jämfört med rnpA - troligtvis på grund av en högre grad av korsreaktivitet i nifH-analyserna. Genuttryck var närvarande men lågt för alla målgener i norra och södra Atlanten. Uttrycket av exbB och pstS var dock högre i ytvatten – där halter av näringsämnen förväntas vara låga. Slutligen var kväve- och kolfixering i planktonsamhället låg och ökade inte vid tillsats av fosfor, vilket kan bero på ojämn fördelning av celler, låg förekomst av diazotrofer och diskrepanser mellan prover, säsongsvariationer eller att populationerna inte var primärt begränsade av fosfor. Sammanfattningsvis utgör de nya analyserna ett bättre alternativ för specifik detektion av Richelia. Det krävs dock mer arbete för att bedöma hur uttrycket påverkas av  näringsbrist och yttre faktorer och för att bättre förstå aktiviteten hos dessa ovärderliga populationer.

The silica-based cell walls of diatoms are prime examples of genetically controlled, species-specific mineral architectures. The physical principles underlying morphogenesis of their hierarchically structured silica patterns are not understood, yet such insight could reveal novel routes towards synthesizing functional inorganic materials. Recent advances in imaging nascent diatom silica allow rationalizing possible mechanisms of their pattern formation. Here, we combine theory and experiments on the model diatom Thalassiosira pseudonana to put forward a minimal model for morphogenesis of branched rib patterns – a widespread feature of diatom cell walls. To this end, we developed an automated image analysis algorithm that enabled quantitative assessment of the morphological discrepancy between the experiments and model predictions. The model proposed here quantitatively recapitulates the time-course of rib pattern formation by accounting for silica biochemistry with autocatalytic formation of diffusible silica precursors followed by conversion into solid silica. We propose that silica deposition releases an inhibitor that slows down up-stream precursor conversion, thereby implementing a self-replicating reaction-diffusion system, recapitulated by a non-classical Turing mechanism. The proposed mechanism highlights the role of geometrical cues for guided self-organization, rationalizing the instructive role for the single initial pattern seed known as primary silicification site present in diatoms. The model features a wide spectrum of possible pattern morphologies depending on the model parameters, suggesting that this model may be applicable in other diatom species. Moreover, due to the generic nature of the proposed model for branching morphogenesis, the mechanism identified here may be relevant also in other biological systems known to exhibit.

No description available.

No description available.

Diatoms are microscopic, photosynthetic, single-celled organisms that are useful in studies of water qualities (eg pH, nutrients, salinity). By analyzing changes in the species composition of diatoms back in time, gives an opportunity to interpret the marine environment affected by various factors (Andren et al, 1999). The aim of the study was to study changes in diatom abundance and composition in Hallsfjärden, a bay in the Baltic Sea located north of Himmerfjärden in Södertälje. The site was chosen because it is a bay that is assumed to have a large environmental impact due to external factors such as increased population growth, water treatment plants, industrial areas, dredging and a link to Lake Mälaren. The purpose of the study therefore to investigate whether there was an environmental impact in Hallsfjärden, in order to draw conclusions about what happened in the area and what has affected the water the last 100 years.      The survey is conducted by sampling sediment cores, studied by biostratigraphy of fossil diatoms to reconstruct past environmental conditions. The results of the analysis showed that oxygen deficiency was a particular problem, which is related to the eutrophication that are threatening some diatoms and thereby changes the species composition of ecosystems in Hallsfjärden. A plausible interpretation of the analyze results is that Hallsfjärden was adversely affected by the Södertalje area's population growth and Himmerfjärdsverkets startup by high emissions of nutrients. It has on the other hand appeared a positive impact for Himmerfjärdsverkets gradually improved purification with clearer water conditions. Hallsfjärden have proved to be a particularly sensitive ecosystem in this study, with low salinity and strong thermocline, which means that it is more affected by eutrophication and pollution in its drainage area. This causes a problem of eutrophication in Hallsfjärden due to the bay showing the influence of the surrounding areas and its emissions, which later exports further to the Baltic Sea via Himmerfjärden with the southbound flow. / Kiselalger är mikroskopiska, fotosyntetiserande, encelliga organismer som är användbara vid studier om vattenkvalitéer (till exempel pH, näringsämnen, salthalt). Genom att analysera förändringar i artsammansättningen av kiselalger bakåt i tiden kan tolkningar göras om hur havsmiljön påverkats av olika faktorer (Andrén m.fl., 1999). Målet med studien var att studera förändringar i kiselalgernas förekomst i Hallsfjärden, en havsvik i Östersjön belägen norr om Himmerfjärden i Södertälje. Platsen valdes för att det är en havsvik som antas ha stor miljöpåverkan på grund av yttre faktorer såsom en ökad befolkningstillväxt, reningsverk, industriområden, muddring och en kontakt med sjön Mälaren. Syftet med studien var därmed att undersöka om en miljöpåverkan fanns i fjärden, detta för att kunna dra slutsatser om vad som hänt samt vad som påverkat vattenområdet de senaste 100 åren.      Undersökningen är utförd genom provtagning av sedimentkärnor som undersökts avseende biostratigrafin av fossila kiselalger för att rekonstruera tidigare miljöförhållanden. Analysresultatet visade att syrebrist var ett utmärkande problem, vilket i samband med eutrofiering hotar vissa kiselalgsarter och förändrar därmed artsammansättningen i ekosystemen i Hallsfjärden. En sannolik tolkning av analysresultatet är att Hallsfjärden påverkats negativt av Södertäljeområdets befolkningstillväxt och Himmerfjärdsverkets uppstart genom höga utsläpp av näringsämnen. Det har å andra sidan synts en positiv inverkan efter Himmerfjärdsverkets successivt förbättrade rening med klarare vattenförhållanden. Hallsfjärden har i studien visat sig vara ett särskilt känsligt ekosystem med låg salthalt och starka språngskikt, vilket gör att det påverkas mer av eutrofiering och föroreningarna i området. Detta medför en övergödningsproblematik i Hallsfjärden, då fjärden visar en påverkan av omkringliggande områden och dess utsläpp av föroreningar, vilka även sedan exporteras ut i Östersjön via Himmerfjärden med den sydgående strömmen.