Stoichiometric and metabolomic shifts of organisms under environmental changes

Abstract

L’estequiometria ecològica pretén explicar l’estil de vida dels organismes i l’estructura i funció dels ecosistemes en relació a les proporcions de C:N:P dels organismes i ecosistemes. Un dels paradigmes centrals de l’estequiometria ecològica és la “growth rate hypothesis” (GRH) que proposa que els organismes en fase de creixement han d’incrementar l’aportació de P al RNA per suplir l’elevada demanda de síntesi proteica necessària pel creixement. Baixes proporcions ambientals de N:P i en condicions no limitants, afavoreix les espècies amb creixements més ràpids, això podria llavors induir canvis a les comunitats. Recentment, les evidències d’aquestes relacions entre el medi abiòtic i les proporcions de C:N:P als organismes confereix a l’estequiometria ecològica un rol central a la recerca ecològica. La majora d’elements, especialment el C, N i P, els més estudiats en l’estequiometria ecològica, no actuen per ells mateixos sinó que formen part de compostos moleculars. L’acoblament de la metabolòmica a l’estequiometria ajuda a entendre la resposta dels organismes sota estressos biòtics i abiòtics així com també els processos ontogènics i fisiològics, i permet entendre l’assignació dels diferents nutrients a les diferents funcions fisiològiques. La metabolòmica permet l’anàlisi del metaboloma, el conjunt de metabòlits d’un organisme en un moment específic, i ha demostrat una alta sensibilitat en detectar els mecanismes fenotípics i les molècules clau que intervenen en les respostes dels organismes davant de canvis ambientals. Aquest mètode permet una bona exploració i examinació de la bioquímica de les mostres. En aquesta tesis hem realitzat una revisió de l’estat de l’art de l’estequiometria ecològica i la metabolòmica aplicada al camp de l’ecologia i fisiologia. Després, vam optimitzar un protocol de metabolòmica utilitzant RMN per posteriorment analitzar la metabolòmica i estequiometria en diferents espècies vegetals sota condicions experimentals de canvi climàtic i també de cianobacteris creixent sota condicions limitants de nutrients. Els nostres experiments han demostrat que les diferents condicions ambientals de les diferents estacions de l’any del clima mediterrani fan canviar el metaboloma de les plantes. Aquests canvis van també estar acompanyats per canvis estequiomètrics demostrant així la relació entre els canvis foliars de les proporcions de C:N:P:K amb els canvis metabolòmics. Per exemple, el bruc d’hivern va presentar concentracions majors de metabòlits relacionats amb el creixement com els sucres o els aminoacids durant la primavera, l’estació de creixement. Aquests increments en les concentracions d’aquests compostos van ser també acompanyats per proporcions foliars de N:P més baixes, tal i com tracta d’explicar la GRH. De totes maneres, la GRH no sembla complir-se del tot en grans arbres que presenten estructures de fusta que actuen de reservori de nutrients com en el cas de l’alzina. Les plantes Mediterrànies sota condicions de sequera, ja sigui experimental com condicions naturals a l’estiu, presenten alts nivells de compostos fenòlics amb acció antioxidant o osmorreguladors com els sucres o la colina. Aquests canvis, un cop més, van estar acompanyats per concentracions foliars de K més elevades per així evitar pèrdues d’aigua. També, la sequera sembla estimular l’activitat d’herbivorisme mitjançant el canvi metabolòmic de les plantes incrementant les concentracions de sucres i antioxidants. Això podria llavors tenir un impacte indirecte a les xarxes tròfiques. Els cianobacteris canvien el metabolisme sota condicions limitants de P i ferro (Fe). Les cèl·lules van canviar el metabolisme augmentant les vies anaeròbiques incrementant així les concentracions d’àcid làctic, entre altres canvis metabolòmics. El metabolisme anaeròbic produeix menys energia i redueix el creixement, això pot produir llavors canvis a la composició de les especies dels ecosistemes aquàtics i actuar en el control de la fixació del CO2 atmosfèric. Aquesta tesi ha ajudat a fer els primers passos de l’aplicació de la metabolòmica i l’estequiometria per a una major comprensió de les respostes dels organismes i els ecosistemes davant dels canvis ambientals. Els resultats el estudis realitzats mereixen i obren noves propostes per estudis futurs en la recerca ecometabolòmica.

Ecological stoichiometry aims to explain the organism life style and the ecosystem structure and function in relation to the environment and organism C:N:P ratios. One of the central paradigms of ecological stoichiometry is the growth rate hypothesis (GRH) proposing that growing organisms must increase their allocation of P to RNA to meet the elevated demands for the synthesis of proteins required for growth. Low ratios of environmental N:P under not limiting conditions favor species with very high rates of growth, which may induce shifts in species communities. Recently, the evidences of those relationships between the non-biotic media and organismic C:N:P ratios conferred to ecological stoichiometry a central role in ecological research. Most elements, especially C, N and P, the most studied elements in ecological stoichiometry, do not actuate as themselves but as molecular compounds. The coupling of metabolomics to stoichiometry studies help to understand the response of organisms under biotic and non-biotic stresses, and the ontogenetic and physiological processes, and to disentangle the allocation of different nutrients to the different physiological functions. Metabolomics aims to analyze the metabolome, the total set of metabolites of an organism in a specific moment and has demonstrated a great sensitivity in detecting the phenotypic mechanisms and key molecules underlying organism responses to environmental changes. This “holistic” method enables unbiased exploration and examination of sample molecular biochemistry. In this thesis we reviewed the state of the art of ecological stoichiometry and metabolomics applied to the field of ecology and physiology. After that, we optimized a NMR-based method for metabolomic analyses and conducted metabolomics and stoichiometric analyses in different wild plant species living in field plots under different climatic conditions and cyanobacteria growing under different nutrient deprivation. Our experiments showed that the different environmental conditions of the different seasons of the year in Mediterranean climate make plants to shift their metabolomes. These metabolomic shifts were also accompanied by stoichiometric changes demonstrating the relationship between the shifts of foliar C:N:P:K and the shifts of metabolomes. For example, Erica multiflora shrub presented higher foliar concentrations of metabolites related to growth such as sugars and amino acids in spring, the growing season. These increments in the concentrations of these compounds were accompanied by lower foliar N:P ratios as expected in the frame of the GRH. However the GRH does not seem to be totally fulfilled in big trees that present large wood structures that act as a reservoir of nutrients as in the case of Quercus ilex. Mediterranean plants under drought conditions (experimental or the natural drought conditions in summer) presented high levels of phenolic compounds with antioxidant function and osmoregulants such as sugars or choline. These shifts were also accompanied by higher levels of foliar K to prevent water losses. Drought seems also to stimulate the folivory activity by shifting the foliar metabolomes of plants by increasing foliar sugars and antioxidant concentrations. It could have thus a further indirect impact on trophic webs. Cyanobacetria changed their metabolism under P and iron (Fe) deprivation. Cells shifted from aerobic to anaerobic metabolism by increasing the cellular lactic acid concentrations among other metabolomic changes. The anaerobic metabolism produces less energy and reduces cell growth. This growth reduction may produce a further shift in species composition and biodiversity of communities in aquatic ecosystems and of controls of ecosystem production and CO2 sequestration. This thesis has thus helped to make the first steps in application of metabolomics and stocichiometry to better understand the responses of organisms and ecosystems to environmental changes. The results of the conducted studies warrant and open challenging prospects to further research in ecometabolomics.