Temperature tolerance and potential impacts of climate change on marine and estuarine organisms

Tese de mestrado. Biologia (Ecologia Marinha)Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Este projecto tem como principais objectivos determinar as tolerâncias térmicas superiores e os padrões de expressão das proteínas de choque térmico de várias espécies de estuário e da costa Portuguesa com interesse comercial, com a finalidade de entender os impactos da temperatura e das alterações climáticas sobre a fauna marinha. Este é um aspecto particularmente importante pois sabe-se que a temperatura influencia processos bioquímicos, fisiológicos, comportamentais e ecológicos, determinando assim parâmetros populacionais, distribuição e abundância de espécies, estabilidade da teia trófica e potencialmente a futura capacidade de exploração dos stocks de pesca. A variação espacio-temporal da temperatura medeia os efeitos de todos os factores bióticos e abióticos e determina a diversidade de adaptações dos organismos. As principais questões relativas a alterações climáticas, e que têm sido alvo de grande controvérsia, passam por entender como é que cada espécie reage às elevadas temperaturas, como é que os aspectos ambientais e genéticos influenciam as respostas dos organismos e quais os cenários faunísticos expectáveis tendo em conta a vulnerabilidade/resistência de cada espécie. Como tal, o estudo da tolerância térmica é o primeiro passo para compreender esta vulnerabilidade/resistência das espécies às alterações climáticas. O método escolhido para estudar esta questão foi o Critical Thermal Maximum (CTM), em que os organismos são expostos a um gradiente de temperatura com aumento de 1°C/h até atingirem o seu limite térmico máximo. Este método permitiu ordenar as espécies em termos de vulnerabilidade a temperaturas elevadas. Os resultados mostraram que espécies de diferentes taxa que vivem em habitats semelhantes têm CTMs similares, uma vez que evoluíram em condições abióticas semelhantes e potencialmente desenvolveram adaptações celulares e fisiológicas semelhantes. O CTM é mais elevado para espécies típicas de ambientes quentes, instáveis e muito variáveis e.g. intertidal/supratidal e para espécies migradoras, que têm de conseguir atravessar inúmeras condições de temperatura ao longo dos seus movimentos para garantir o sucesso reprodutivo. Relativamente às espécies de águas mais frias e com distribuição mais a norte, o CTM foi mais baixo. Interespecificamente, o CTM foi mais variável em peixes do que em caranguejos e camarões, possivelmente devido à grande capacidade locomotora dos primeiros, que lhes permite colonizar inúmeros tipos de habitats. Os resultados permitiram ainda concluir que a variabilidade intraespecífica é baixa e que, para espécies com uma larga distribuição, não houve aclimatação ou adaptação local do limite térmico, o que pode indicar pouca plasticidade nas respostas e pouca capacidade de adaptação a novas condições térmicas. De todas as espécies avaliadas, identificaram-se duas potencialmente vulneráveis às alterações climáticas (Diplodus bellottii e D. vulgaris). Um outro objectivo foi avaliar que espécies de peixes, temperadas/subtropicais ou tropicais, é que vivem mais próximas do limite térmico, de forma a compreender quais serão as mais vulneráveis ao aquecimento global. Concluiu-se que não existiam diferenças entre espécies demersais mas que as espécies intertidais temperadas/subtropicais vivem mais próximas do limite térmico uma vez que as temperaturas máximas do habitat podem ultrapassar o seu CTM, enquanto que o CTM das espécies intertidais tropicais é 2-5°C mais elevado do que a temperatura máxima do habitat. Em resumo, nesta primeira parte do trabalho determinaram-se os CTMs de 16 espécies com distribuição temperada/subtropical duma variedade de taxa (peixes, caranguejos e camarões) e avaliaram-se diferenças inter e intraespecíficas. Foi a primeira vez que se fez uma abordagem deste género para espécies marinhas com esta distribuição, visto que a maior parte dos estudos tem sido focado em espécies tropicais. Assim, o presente trabalho fornece resultados facilmente comparáveis com outros estudos, possibilitando uma avaliação da vulnerabilidade das espécies de diferentes latitudes. Na segunda parte do trabalho, a investigação foi direccionada para os mecanismos celulares de defesa contra o stress térmico, com especial foco nas proteínas de choque térmico (HSPs). Tendo em conta que a temperatura afecta os processos bioquímicos e provoca stress proteotóxico através da desnaturação proteica e formação de agregados citotóxicos, estas proteínas (chaperonas) são a componente de defesa que assegura a estabilização de polipéptidos desnaturados e proteínas nascentes. Como tal, o objectivo foi determinar os padrões de expressão da HSP de peso molecular 70 kDa, em várias espécies marinhas de diferentes taxa, ao longo de um gradiente de temperatura e no limite térmico máximo (CTM). Os métodos de análise proteica utilizados foram o ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent Assay), Western Blot e 1D SDS-PAGE (one-dimension sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis). Foram identificadas quatro tendências nos perfis de resposta dos organismos: aumento na produção de HSP70 à medida que a temperatura aumenta, seguido de um decréscimo próximo dos limites térmicos (Liza ramada, Diplodus sargus, Pachygrapsus marmoratus, Liocarcinus marmoreus); manutenção dos níveis de HSP70 ao longo de todo o gradiente de temperatura (Diplodus vulgaris, Dicentrarchus labrax, Palaemon longirostris, Palaemon elegans, Carcinus maenas); aumentos e decréscimos na produção de HSP70 ao longo do gradiente de temperatura ( Gobius niger); aumento na produção de HSP70 ao longo de todo o gradiente de temperatura (Crangon crangon). No geral, os padrões identificados são independentes do taxon, CTM e tipo de habitat. No entanto, os resultados apontam para uma relação entre a magnitude da expressão, as condições térmicas do habitat, o CTM e os limiares de indução, uma vez que na maioria dos casos os organismos que habitam locais muito quentes apresentaram maior quantidade de HSP70, limiares de indução mais elevados e maior CTM. Relativamente a espécies de água mais fria, verificou-se que ou a expressão de HSP70 tem uma estreita amplitude no gradiente de temperatura ou que não existe sequer uma produção induzida destas proteínas, indicando que são espécies potencialmente vulneráveis ao aquecimento dos oceanos. Ainda assim, a magnitude da expressão e o tipo de padrão apresentado estão muito relacionados com características específicas. Espécies congenéricas foram comparadas de forma a testar as influências genéticas/filogenéticas e ambientais na produção de HSPs. Os resultados mostraram que no género Diplodus parece existir uma influência ambiental enquanto que no género Palaemon tudo aponta para uma influência genética. Isto indica que poderá haver espécies com respostas mais plásticas e outras com respostas geneticamente determinadas pelo que nestas questões é muito importante considerar não só as condições ambientais mas também os múltiplos factores inerentes à espécie, de forma a compreender as estratégias usadas para lidar com o stress. Verificou-se que existe não só uma variabilidade interespecífica no tipo de resposta mas também uma elevada variabilidade intraespecífica na quantidade de HSP70 produzida. Concluindo, este projecto mostra que as espécies mais vulneráveis às temperaturas elevadas e ao aquecimento glocal são espécies de águas frias e ambientes estáveis, espécies sobre exploradas e espécies intertidais, que vivem próximo dos seus limites térmicos. Há que ter também em conta outros factores nesta vulnerabilidade, tais como a idade da primeira maturação, estratégia de reprodução (semelparidade ou iteroparidade) e capacidade de adaptação dos organismos, que podem determinar se a população tem a capacidade de se manter ou não. O estudo dos mecanismos de resistência à temperatura integra conhecimentos de diversas áreas, pelo foi necessária uma abordagem multidisciplinar para desvendar processos bioquímicos e celulares e avaliar os padrões dentro de um gradiente ecologicamente relevante. Assim, este estudo contribui com informação importante para o conhecimento de processos ecofisiológicos e pode ser relevante para a gestão dos recursos marinhos, o que é um ponto essencial, especialmente para países com uma economia ligada ao mar, como é o caso de Portugal.This project aimed to determine the thermal tolerances and uncover the Heat Shock Protein 70 patterns of expression in several marine and estuarine species of commercial interest. Once temperature affects biochemical, physiological, behavioral and ecological processes, the purpose of this study was to understand the impacts of temperature and climate changes on marine communities. Firstly, through the method of Critical Thermal Maximum (CTM), the species were ranked in terms of their vulnerability. Results showed that species from different taxa inhabiting in similar thermal conditions have CTM values alike. CTMs are higher for warm/unstable environment and migratory species. Local adaptation was not verified for wide distributed species. Two potentially vulnerable species were identified (Diplodus bellottii and Diplodus vulgaris). Also, results showed that intertidal temperate/subtropical fish are more vulnerable than tropical intertidal fish because they live closer to their CTM. Also, maximum habitat temperatures can surpass their thermal limits. On the other hand this was not observed for tropical intertidal fish. For demersal species no differences were found. Secondly, cellular mechanisms of defense against stress were analyzed, in particular HSP70 production along a temperature gradient and at CTM. Protein analysis was performed through ELISA, Western Blot and SDS-PAGE. Four trends, indepently of taxa, CTM and habitat type, were identified in the response profiles. Results also point towards a correlation between HSP70 amounts, thermal conditions, CTM and thresholds of induction. Cold water species either lack inducible HSP70 or have a narrow range for its induction, potentially making them vulnerable to sea warming. Some congeneric species showed an HSP production influenced by environment while others showed a response influenced by genetic features. Concluding, this work shows that cold/stable water species, over-exploited and intertidal species might be more vulnerable to climate warming. Some species present more plastic responses while others are more genetically determined so environmental and phylogenetic influences may account for the type of response. To address questions on this research area one must focus on a multidisciplinary approach in order to link biochemical mechanisms to ecological patterns within relevant gradients. This investigation contributes to the knowledge of marine ecophysiological processes which is important to countries with a sea-based economy, like Portugal