Tolerance of baltic sea rocky littoral communities to climate change
Pysyvä osoite
Verkkojulkaisu
DOI
Tiivistelmä
Climate change is challenging marine ecosystems worldwide, severely straining
the tolerance of marine species and likely leading to distributional shifts. In the
brackish-water Baltic Sea, there is a strong salinity gradient and pronounced
seasonality, which together are responsible for its low biodiversity. These
communities are dominated by very few species which fulfil the key ecosystem
functions. Therefore, to predict how Baltic Sea communities might change in the
future, it is first necessary to understand the effects of future changes on these
key species, particularly with regard to their potential for adaptation.
I studied the consequences of future climate change, specifically in terms of
simultaneous hyposalinity and warming, on three of the most important species
in Baltic rocky littoral communities: Fucus vesiculosus, Fucus radicans, and
Idotea balthica. Using indoor experiments, I exposed several populations of F.
vesiculosus and I. balthica (from entrance, central, and marginal regions of the
Baltic) and one population of F. radicans (marginal region) to both current
ambient conditions and simulations of future climate (salinity and temperature).
For both Fucus species, I replicated individuals in order to study variation within
populations and within clonal lineages in tolerance to the future conditions.
Furthermore, I analysed how short-term hyposalinity exposure affects gene
expression in two populations of F. vesiculosus, to reveal the mechanisms
behind acclimation to low salinity in this species.
The results of my thesis suggest that the effects of future conditions on F.
vesiculosus and I. balthica will vary among and within Baltic regions. I found that
hyposalinity and warming had the strongest effects on populations from the
northern margin, as indicated by reductions in the survival and growth rate of F.
vesiculosus and in the survival of I. balthica. These results may suggest that
future conditions are likely to drive southward the distributional limits of F.
vesiculosus and I. balthica in the Baltic Sea. Future conditions likewise hampered
the survival of F. radicans, but actually enhanced the growth rate of the
survivors. I show that the most tolerant individuals of F. radicans may benefit
from the future conditions, and thus the species is likely to maintain its
distributional range and possibly even increase in abundance in the marginal
region.
Furthermore, I found both among-population (F. vesiculosus and I. balthica) and
within-population (both Fucus species) variation in tolerance to climate change,
indicating the existence of genetic variation in plasticity with respect to future
conditions. Marginal populations of F. vesiculosus also varied in gene expression
when exposed to hyposalinity, although in general, the stress response to
hyposaline conditions included an acute oxidative-stress response, inhibition of
photosynthetic activity, and higher metabolic rate. Finally, I found that members
of the same clonal lineage of F. radicans varied in their responses to the climate
conditions. This result indicates that there may be variation in phenotypic
plasticity within haplotype lineages in traits responsible for tolerance to
environmental shifts, despite the putative lack of genetic variation. Standing
genetic variation in phenotypic plasticity is an important component of
adaptation, because it provides the variation upon which natural selection can
act to pass on the successful traits to the next generation. Thus, this potential
for adaptation may enable the future persistence of these key species, especially
in the northern Baltic Sea.
Ilmaston lämpenemisen aiheuttamat muutokset meriekosysteemeissä
koettelevat lajien sietokykyä ja muuttavat lajien levinneisyysalueita eri puolilla
maailmaa. Itämeren murtovesiolosuhteissa eliöyhteisöjen monimuotoisuus on
nykytilanteessa alhainen, sillä harvat lajit ovat sopeutuneet voimakkaaseen
suolapitoisuusgradienttiin ja vuodenaikaisvaihteluun. Muutamat lajit ovat valtaasemassa,
ja ne ovat ekosysteemin toiminnan kannalta ratkaisevassa roolissa.
Jotta voidaan ennustaa ilmastonmuutoksen aiheuttamia vaikutuksia Itämeren
eliöyhteisöissä, ensisijaisen tärkeää on selvittää, miten nämä avainlajit pystyvät
sopeutumaan muuttuviin olosuhteisiin.
Väitöskirjassani tutkin kokeellisesti ilmastonmuutokseen liittyvän veden
suolapitoisuuden alenemisen ja lämpötilan kohoamisen yhteisvaikutuksia
Itämeren kalliorantojen valtalajeihin. Mallilajeinani olivat ruskolevät rakkolevä
Fucus vesiculosus ja pikkuhauru Fucus radicans sekä äyriäinen leväsiira Idotea
balthica. Kasvatin Itämeren etelä-, keski- ja pohjoisosien rakkolevä- ja
leväsiirapopulaatioiden yksilöitä, sekä Itämeren pohjoisosien pikkuhauru
yksilöitä vallitsevissa sekä tulevaisuudelle ennustetuissa veden suolapitoisuus- ja
lämpötilaolosuhteissa. Tutkin populaatioiden välisen vaihtelun, ja yksilöiden
välisen muuntelun määrää ruskolevien toleranssissa muuttuviin olosuhteisiin.
Lisäksi tutkin geenien ilmentymisen muutoksia veden suolapitoisuuden
muuttuessa kahdessa rakkoleväpopulaatiossa.
Havaitsin, että veden suolapitoisuuden alenemisen ja lämpötilan kohoamisen
yhteisvaikutus tutkimuslajeihini vaihteli Itämeren eri osien välillä. Vaikutus oli
suurin Itämeren pohjoisosan marginaalisissa populaatioissa, joissa rakkolevän ja
leväsiiran eloonjääminen, ja rakkolevän kasvu oli heikompaa tulevaisuudelle
ennustetuissa kuin vallitsevissa olosuhteissa. Tulokseni viittaavat siihen, että
rakkolevän ja leväsiiran levinneisyysalueet siirtyvät Itämeren pohjoisosista
etelämmäksi ilmastonmuutoksen edetessä. Tulevaisuudelle ennustetut suola- ja
lämpötilaolosuhteet vähensivät pikkuhaurun eloonjäämistä, mutta paransivat
hengissä selvinneiden yksiöiden kasvua. Sietokyvyltään parhaimmat yksilöt
voivat näin ollen hyötyä ilmaston lämpenemisen aiheuttamista muutoksista,
mikä voi mahdollistaa pikkuhaurun levinneisyysalueen säilymisen ennallaan.
Tutkimuksessani havaitsin myös populaatioiden välistä vaihtelua rakkolevän ja
leväsiiran toleranssissa sekä populaatioiden sisäistä, yksilöiden välistä muuntelua
ruskolevien toleranssissa tulevaisuuden olosuhteille. Veden suolapitoisuuden
pienentyminen aiheutti rakkolevällä oksidatiivista stressiä, fotosynteesiin
hidastumista ja aineenvaihdunnan kiihtymistä, mutta geenien ilmentyminen
vaihteli yksilöiden välillä. Pikkuhaurulla vaste suolapitoisuuden muutokseen
poikkesi samaa geneettistä alkuperää olevien ramettien välillä osoittaen, että
toleranssin plastisuudessa on muuntelusta riippumatonta vaihtelua. Väitöskirjani
osoittaa, että geneettinen muuntelu ruskolevien sietokyvyssä tulevaisuuden
olosuhteille voi mahdollistaa näiden lajien sopeutumisen ilmastonmuutoksen
aiheuttamiin muutoksiin etenkin pohjoisen Itämeren populaatioissa.
Sarja
Turun yliopiston julkaisuja. Sarja AII, Biologica, Geographica, Geologica|343
Saavutettavuusominaisuudet
Ei tietoa saavutettavuudesta