El dinoflagelado utiliza estructuras similares a arpones para atrapar presas, incluido el plancton tóxico que forma floraciones
Científicos del Instituto Scripps de Oceanografía de la UC San Diego han descubierto nuevos datos sobre la bioluminiscencia de una especie única de plancton marino que se alimenta de otro plancton, incluidas las algas nocivas responsables de las mareas rojas y las floraciones de algas.
Las mareas rojas se producen cuando ciertos tipos de plancton microscópico, llamados dinoflagelados, se multiplican rápidamente en el océano, formando densas "floraciones" que pueden decolorar el agua.
La especie que con mayor frecuencia provoca estas floraciones en el sur de California es Lingulaulax polyedra (antes conocida como Lingulodinium polyedra), que puede producir espectaculares exhibiciones bioluminiscentes por la noche durante grandes floraciones. Si bien esta especie predomina en ciertos episodios de marea roja, no está exenta de depredadores.
En un nuevo estudio investigadores de Scripps Oceanography investigaron a uno de estos depredadores de mareas rojas: Polykrikos kofoidii.
Este dinoflagelado, poco conocido pero de distribución global, es estrictamente heterótrofo —es decir, es una especie depredadora— y utiliza estructuras similares a arpones para atrapar a sus presas, incluyendo plancton tóxico y formador de floraciones. A diferencia de muchos de los organismos que consume, P. kofoidii no forma floraciones, pero es capaz de producir luz.
Vídeo: Este fragmento de un estudio anterior muestra cómo P. kofoidii atrapa una célula presa de L. polyedra, atravesándola con una estructura similar a un arpón y luego atrayéndola para engullirla por completo. Crédito: Gregory Gavelis et al, Science Advances (2017). DOI: 10.1126/sciadv.1602552
Michael Latz, biólogo marino emérito de Scripps Oceanography y coautor principal del estudio, describió a P. kofoidii como "un despiadado depredador", y señaló que la especie ha sido difícil de estudiar en el laboratorio debido a las dificultades para mantenerla viva en cultivo.
Él y el equipo de investigación establecieron un cultivo de laboratorio del organismo, que fue aislado del agua de mar recogida en el muelle de Scripps, y examinaron su comportamiento de producción de luz y su estructura celular utilizando espectroscopia, microscopía avanzada y análisis genético.
Los dinoflagelados son organismos unicelulares conocidos por producir destellos de luz azul verdosa, que se aprecian mejor por la noche cuando son agitados por el oleaje u otros movimientos durante los episodios de marea roja.
En la mayoría de las especies, esta luz se origina en estructuras especializadas dentro de las células llamadas centelleones, que albergan las moléculas responsables de la reacción química que produce la luz. El equipo de investigación se sorprendió al descubrir que esta configuración convencional era diferente en P. kofoidii.
"Hemos realizado nuevos descubrimientos sobre cómo Polykrikos kofoidii y otros microorganismos emiten luz, lo que podría conducir a una mejor comprensión de los ecosistemas marinos, así como de la evolución, la química y las posibles funciones de la bioluminiscencia", dijo la coautora principal Brittany Sprecher, quien realizó la investigación como becaria postdoctoral en Scripps Oceanography y ahora es investigadora postdoctoral en la Institución Oceanográfica Woods Hole.
Sprecher también señaló que, además de su inusual bioluminiscencia, P. kofoidii destaca por su "fascinante comportamiento de caza", que es único entre los dinoflagelados.
Otros depredadores dinoflagelados, como el Protoperidinium, también descrito en el estudio, atrapan a sus presas y luego las envuelven con un velo de alimentación llamado palio, digiriéndolas externamente antes de desechar los restos. El dinoflagelado heterótrofo de mayor distribución es Noctiluca scintillans, o "brillo marino", reconocido mundialmente por su bioluminiscencia y su capacidad para consumir muchas especies de plancton, incluyendo fitoplancton y zooplancton.
"Estas estrategias de alimentación son sofisticadas formas de depredación para organismos unicelulares que existen desde hace varios cientos de millones de años, y sin embargo, todavía tenemos mucho que aprender sobre estas criaturas", dijo Latz, quien ha estudiado la bioluminiscencia de los dinoflagelados durante más de 45 años.
Imagen derecha: Imagen de microscopio confocal de una célula viva de Polykrikos kofoidii. Se aprecian los núcleos ("Nu"), los nematocistos utilizados para la caza (flechas negras) y las células presa ingeridas (asteriscos). Crédito: Brittany Sprecher y Michael Latz
Diferencias entre dinoflagelados
Mediante fotometría de alta resolución, el equipo descubrió que los destellos de luz producidos por P. kofoidii son más lentos y tenues que los de otros dinoflagelados bioluminiscentes. Los destellos individuales duraban más y alcanzaban su brillo máximo de forma más gradual, produciendo una distintiva "firma luminosa" que podría ayudar a los científicos a identificar las especies en las mediciones de bioluminiscencia natural en el océano.
A pesar de estas diferencias en el comportamiento del destello, el color de la luz emitida —azul verdoso con un pico alrededor de los 474 nanómetros— era similar al de otros dinoflagelados luminiscentes. Esto indica que la química subyacente de la reacción productora de luz es común a todas las especies.
A nivel celular, los investigadores también identificaron una diferencia clave en la forma en que P. kofoidii organiza su sistema de producción de luz. En la mayoría de los dinoflagelados, la molécula responsable de la producción de luz (luciferina) se limita a los centelleos, pero en P. kofoidii se encuentra distribuida por toda la célula.
"Nos sorprendió ver que esta fluorescencia se distribuía por toda la célula, en lugar de concentrarse en orgánulos específicos", dijo Latz. "Esto sugiere que Polykrikos kofoidii podría almacenar o regular sus moléculas productoras de luz de una manera fundamentalmente diferente a la de otras especies".
El análisis genético arrojó más luz sobre la biología única de la especie, lo que indica que la evolución de la bioluminiscencia en los dinoflagelados puede ser más diversa de lo que se pensaba anteriormente.
"Seguimos investigando por qué y cómo este organismo utiliza una configuración tan inusual y si esta característica se encuentra en otros dinoflagelados poco estudiados", dijo Sprecher. "También identificamos características interesantes en las proteínas implicadas en su bioluminiscencia".
Imagen derecha: Los autores recolectan agua de mar del muelle Scripps para encontrar muestras de P. kofoidii. Crédito: Brittany Sprecher
Desafíos y próximos pasos
Según los autores del estudio, es necesario evaluar con mayor profundidad el impacto depredador de P. kofoidii sobre las poblaciones de marea roja para determinar su papel en la regulación de las floraciones de algas nocivas.
La investigación también pone de relieve un posible desafío para la monitorización de los océanos. Debido a que P. kofoidii ingiere células enteras de presas fotosintéticas que pueden permanecer fluorescentes dentro de sus cuerpos, los instrumentos que miden la fluorescencia de la clorofila podrían contabilizar erróneamente a estos depredadores como algas fotosintéticas, lo que podría llevar a sobreestimaciones de la producción primaria en el océano.
El biólogo marino Dimitri Deheyn, del Instituto Scripps de Oceanografía y coautor del estudio, afirmó que los hallazgos abren "muchas puertas nuevas" para la investigación, incluyendo cuestiones que los científicos no se habían planteado anteriormente. "En cuanto a sus aplicaciones, ¿Podría utilizarse P. kofoidii para ayudar a controlar las proliferaciones de algas tóxicas que devastan las economías costeras? Es posible que el cultivo a gran escala pueda ofrecer futuras soluciones", afirmó Deheyn.
Sprecher añadió que el estudio pone de manifiesto lo mucho que aún se desconoce sobre la bioluminiscencia en diferentes especies. "Todavía queda mucho por descubrir en lo que respecta a estos organismos, e incluso los procesos biológicos bien estudiados pueden deparar inesperadas sorpresas", afirmó.
El estudio se ha publicado en la revista Journal of Phycology: Bioluminescence of the heterotrophic dinoflagellate Polykrikos kofoidii Chatton 1914 (Dinophyceae)
