Acclimatazione delle microalghe Chlorella vulgaris, Dixoniella grisea, Nannochloropsis gaditana e Chromera velia a spettri simulati di stella rossa nana.

By modifying the relative amounts of photosynthetic pigments and the protein structure of photosystems, some species of microalgae can adapt to changes in light, up to using far-red light (FR, 700 – 750 nm) for photosynthesis, a longer wavelength than visible (400 – 700 nm). In nature, habitats characterized by photon-enriched spectra in the FR are found, on Earth, in ecological niches where stratifications of vegetation, water or rock do not allow visible radiation to penetrate, but could also be present beyond the Solar System, on the surface of exoplanets orbiting red dwarf stars (M-dwarfs), the most common ones in our galaxy and one of the current targets of interest in the astrobiological research. In the last twenty years, numerous rocky exoplanets have been discovered around stars of this spectral class, potentially allowing the development of life. However, due to the high distances that separate us from M-dwarf stars and the small size of the exoplanets that orbit around them, only an indirect approach, such as the capture of biosignatures, will allow to investigate the existence of life forms in these star systems, remotely detecting traces of biological processes. Molecular oxygen, if detected in the atmosphere of an exoplanet, represents an important biosignature, as it testifies to the possible presence of photoautotrophic organisms, which produce it as a waste product of the photosynthetic process. However, to date it is not known if and oxygenic photosynthetic organisms such as microalgae could survive and acclimatize by exploiting the spectrum of an M-dwarf light to carry out photosynthesis. In this context the present thesis project is inserted, in which four phylogenetically distinct species have been studied: the green alga Chlorella vulgaris and the red one Dixoniella grisea, deriving from a primary endosymbiosis, and the eustigmatophyte Nannochloropsis gaditana and the chromeride Chromera velia, deriving instead from a secondary endosymbiosis. All organisms were exposed to a simulated M-dwarf light spectrum for 10 days, and acclimation responses were compared with those of two control conditions, a sunlight spectrum and a of FR light. For N. gaditana, long-term acclimation responses (28 days) to FR light were also studied, comparing them with responses to the solar control condition. The growth capacity was evaluated by measuring the optical density of the cultures and performing a cell count, the structure of the photosynthetic apparatus was also studied as the light spectrum varied both at the spectrophotometer (in vivo absorption and quantification of the extracted pigments) and at HPLC (possible synthesis of new pigments). The results were also completed by a morphological analysis by optical and electronic microscopy. The analyses showed that all the studied species are able to grow when exposed to an M-dwarf light spectrum. In particular, N. gaditana and C. velia showed comparable growth in M-dwarf and solar light and, unlike C. vulgaris and D. grisea, showed growth even when exposed to control FR light, albeit very slowly in the case of N. gaditana. These results lead to the conclusion that all the species studied could exploit an M-dwarf light spectrum to carry out oxygen photosynthesis and could therefore justify the detection of oxygenic biosignatures on exoplanets orbiting this type of stars, admitting that other conditions for the detectability of such biosignatures are permissive.

Modificando le quantità relative dei pigmenti fotosintetici e l’assetto proteico dei fotosistemi, alcune specie di microalghe possono adattarsi ai cambiamenti di luce, fino a sfruttare la luce far-red (FR, 700 – 750 nm) per la fotosintesi, a lunghezze d’onda superiori rispetto al visibile (400 – 700 nm). In natura, habitat caratterizzati da spettri arricchiti di fotoni nel FR possono trovarsi sulla Terra, in nicchie ecologiche in cui stratificazioni di vegetazione, di acqua o di roccia non lasciano penetrare la radiazione visibile, ma potrebbero esistere anche al di là del Sistema Solare, sulla superficie di esopianeti che orbitano intorno a stelle rosse nane (M-dwarfs), le più comuni nella nostra galassia e uno degli attuali obiettivi di interesse della ricerca astrobiologica. Negli ultimi vent’anni, intorno a stelle di questa classe spettrale sono stati scoperti numerosi esopianeti rocciosi, che potenzialmente potrebbero permettere lo sviluppo della vita. Tuttavia, a causa delle elevate distanze che ci separano dalle stelle M-dwarf e dagli esopianeti che vi orbitano intorno, solo un approccio indiretto, quale la captazione di biofirme, potrà permettere di indagare l’esistenza di forme di vita in questi sistemi stellari, rilevando da remoto tracce di processi biologici. L’ossigeno molecolare, se rilevato nell’atmosfera di un esopianeta, rappresenta un’importante biofirma, poiché testimonia la possibile presenza di organismi fotoautotrofi, che lo producono come prodotto di scarto del processo fotosintetico. Tuttavia, ad oggi non è noto se organismi a fotosintesi ossigenica come le microalghe possano sopravvivere e acclimatarsi sfruttando lo spettro di una luce M-dwarf per effettuare la fotosintesi. In questo contesto si inserisce il presente progetto di tesi, nel quale sono state studiate quattro specie filogeneticamente distinte: l’alga verde Chlorella vulgaris e quella rossa Dixoniella grisea, derivanti da un’endosimbiosi primaria, e l’eustigmatofita Nannochloropsis gaditana e la chromeride Chromera velia, derivanti invece da endosimbiosi secondaria. Tutti gli organismi sono stati esposti a uno spettro di luce simulato M-dwarf per dieci giorni, e le risposte di acclimatazione sono state confrontate con quelle di due condizioni di controllo, uno spettro di luce solare e uno di luce FR. Per N. gaditana, si è proceduto inoltre a studiare le risposte di acclimatazione alla luce FR a lungo termine (28 giorni), confrontandole con le risposte alla condizione di controllo solare. È stata valutata la capacità di crescita misurando la densità ottica delle colture ed effettuando una conta cellulare, è stato inoltre studiato l’assetto dell’apparato fotosintetico al variare dello spettro luminoso sia allo spettrofotometro (assorbimento in vivo e quantificazione dei pigmenti estratti) che all’HPLC (possibile sintesi di nuovi pigmenti). I risultati sono stati completati, inoltre, da un’analisi morfologica tramite microscopia ottica ed elettronica. Le analisi hanno dimostrato che tutte le specie studiate sono in grado di crescere quando esposte ad uno spettro di luce M-dwarf. In particolare, N. gaditana e C. velia hanno mostrato una crescita paragonabile in luce M-dwarf e solare e, al contrario di C. vulgaris e D. grisea, hanno mostrato di crescere anche quando esposte alla luce FR di controllo, seppur molto lentamente nel caso di N. gaditana. Questi risultati portano a concludere che tutte le specie studiate potrebbero sfruttare uno spettro di luce M-dwarf per svolgere la fotosintesi ossigenica e potrebbero quindi giustificare il rilevamento di biofirme ossigeniche su esopianeti che orbitano questo tipo di stelle, ammettendo che altre condizioni per la rilevabilità di tali biofirme siano permissive.