Salinity optima for vegetative growth and sexual reproduction of the diatom Toxarium undulatum

Main Article Content

N. A. Davidovich

leading researcher, D. Sc.

http://orcid.org/0000-0002-3510-0453

https://elibrary.ru/author_items.asp?id=753282

O. I. Davidovich

senior researcher, PhD

http://orcid.org/0000-0003-3024-0104

https://elibrary.ru/author_items.asp?id=906768

Abstract

Distribution of diatom algae is limited by their tolerance to environmental factors. Although a genus Toxarium has been evolving for more than 100 million years, it is represented by only two species. Toxarium undulatum is widely spread in tropical and subtropical seas, and it can be also found in the Black Sea, the salinity of which is twice lower than the oceanic one. Ecological and psychological characteristics research of this species is of great interest in terms of its relationship to salinity. T. undulatum clonal cultures were sampled in the Donuzlav Lake connected to the Black Sea (southwest of the Crimean Peninsula) and on Gran Canaria coast (Canary Islands archipelago). Experiments on the salinity tolerance limits showed, that the Black Sea clones were viable in a range of at least 30 ‰ (12 to 42 ‰). The same wide range of salinity tolerance with slightly higher values was observed among oceanic clones of this species. Optima of vegetative growth and sexual reproduction were determined. Optima of the Black Sea clones appeared to be 27.8 and 27.2 ‰, respectively, which was significantly higher than salinity observed in population habitat. Similar higher optima of vegetative growth and sexual reproduction, compared with those salinity values, at which natural population developed, were observed for a number of other Black Sea diatoms, which proved their oceanic (Mediterranean) origin. It was concluded that T. undulatum, along with other species, began to populate the Black Sea basin about seven thousand years ago after Mediterranean Sea water started to flow into the freshened Novoevksinsky Sea-Lake through the Bosporus Strait. However, the evolution rate did not allow bringing physiological and ecological characteristics of the species studied into full agreement with environmental conditions. Oceanic origin is evidently seen in its physiological reactions to salinity. Possibility of speciation due to settlement of the Black Sea with oceanic species is discussed.

Article Details

Davidovich N. A., Davidovich O. I. Salinity optima for vegetative growth and sexual reproduction of the diatom Toxarium undulatum. Marine Biological Journal, 2020, vol. 5, no. 1, pp. 20-28. doi: 10.21072/mbj.2020.05.1.03
Keywords:
diatom, Toxarium undulatum, evolution, salinity, tolerance limits
Section
Scientific communications

References

Давидович Н. А., Давидович О. И., Подунай Ю. А. Коллекция культур диатомовых водорослей Карадагской научной станции (Крым) // Морской биологический журнал. 2017. Т. 2, № 1. С. 18–28. [Davidovich N. A., Davidovich O. I., Podunai Yu. A. Diatom culture collection of the Karadag scientific station (Crimea). Morskoj biologicheskij zhurnal, 2017, vol. 2, no. 1, pp. 18–28. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/mbj.2017.02.1.03

Давидович О. И. Влияние солености на вегетативный рост и половое воспроизведение диатомовой водоросли Tabularia tabulata (C. A. Agardh) Snoeijs // Актуальные проблемы биоразнообразия и природопользования : материалы Всероссийской научно-практической конференции, Керчь, 26 сентября – 1 октября 2017 г. Симферополь : ИТ «АРИАЛ», 2017. С. 38–43. [Davidovich O. I. Vliyanie solenosti na vegetativnyi rost i polovoe vosproizvedenie diatomovoi vodorosli Tabularia tabulata (C. A. Agardh) Snoeijs. In: Aktual’nye problemy bioraznoobraziya i prirodopol’zovaniya : materialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsi, Kerch, 26 Sept. – 1 Oct., 2017. Simferopol : IT “ARIAL”, 2017, pp. 38–43. (in Russ.)]

Давидович О. И., Давидович Н. А. Влияние солености среды на вегетативный рост и половое воспроизведение двух водорослей из рода Climaconeis (Bacillariophyta) // Морские биологические исследования: достижения и перспективы : в 3-х т. : сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, приуроченной к 145-летию Севастопольской биологической станции, Севастополь, 19–24 сентября 2016 г. / под общ. ред. А. В. Гаевской. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2016. Т. 1. С. 166–169. [Davidovich O. I., Davidovich N. A. Vliyanie solenosti sredy na vegetativnyi rost i polovoe vosproizvedenie dvukh vodoroslei iz roda Climaconeis (Bacillariophyta). In: Morskie biologicheskie issledovaniya: dostizheniya i perspektivy : v 3-kh t. : sbornik materialov Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem, priurochennoi k 145-letiyu Sevastopol’skoi biologicheskoi stantsii, Sevastopol, 19–24 Sept., 2016 / A. V. Gaevskaya (Ed.). Sevastopol : EKOSI-Gidrofizika, 2016, vol. 1, pp. 166–169. (in Russ.)]

Джафарова С. К. Рост клоновых культур полигалобных диатомовых водорослей при изменении ионного состава среды // Альгология. 1992. Т. 2, № 2. С. 20–24. [Dzhafarova S. K. Growth of polygalobe diatoms clone cultures in case of ionic medium composition variation. Al’gologiya, 1992. vol. 2, no. 2, pp. 20–24. (in Russ.)]

Димитров П. С., Димитров Д. П., Солаков Д. П., Пейчев В. Д. Новейшая геологическая история Черного моря и проблема потопа // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2005. Т. 1. С. 102–111. [Dimitrov P. S., Dimitrov D. P., Solakov D. P., Peichev V. D. Noveishaya geologicheskaya istoriya Chernogo morya i problema potopa. Geologiya i poleznye iskopaemye Mirovogo okeana, 2005, vol. 1, pp. 102–111. (in Russ.)]

Зайцев Г. Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. Москва : Наука, 1984. 424 с. [Zaitsev G. N. Matematicheskaya statistika v eksperimental’noi botanike. Moscow : Nauka, 1984, 424 p. (in Russ.)]

Зайцев Ю. П. Это удивительное море. Одесса : Изд-во «Маяк», 1978. 159 с. [Zaitsev Yu. P. Eto udivitel’noe more. Odessa : Izd-vo “Mayak”, 1978, 159 p. (in Russ.)]

Караева Н. И., Джафарова С. К. Экспериментальные исследования полигалобных Bacillariophyta в связи с солёностью среды // Альгология. 1993. Т. 3, № 2. С. 97–105. [Karaeva N. I., Dzhafarova S. K. Experimental investigations of polygalobic Bacillariophyta in connection with medium salinity. Al’gologiya, 1993, vol. 3, no. 2, pp. 97–105. (in Russ.)]

Полякова С. Л., Давидович О. И., Подунай Ю. А., Давидович Н. А. Модификация среды ESAW, используемой для культивирования морских диатомовых водорослей // Морской биологический журнал. 2018. Т. 3, № 2. С. 73–78. [Polyakova S. L., Davidovich O. I., Podunai Yu. A., Davidovich N. A. Modification of the ESAW culture medium used for cultivation of marine diatoms. Morskoj biologicheskij zhurnal, 2018, vol. 3, no. 2, pp. 73–78. (in Russ.)]. https://doi.org/10.21072/mbj.2018.03.2.06

Финенко З. З., Ланская Л. А. Рост и скорость деления водорослей в лимитированных объемах воды // Экологическая физиология морских планктонных водорослей (в условиях культур) / под общ. ред. К. М. Хайлова. Киев : Наукова думка, 1971. С. 22–50. [Finenko Z. Z., Lanskaya L. A. Rost i skorost’ deleniya vodoroslei v limitirovannykh ob"emakh vody. In: Ekologicheskaya fiziologiya morskikh planktonnykh vodoroslei (v usloviyakh kul’tur) / K. M. Khailov (Ed.). Kiev : Naukova dumka, 1971, pp. 22–50. (in Russ.)]

Chepurnov V. A., Mann D. G., Sabbe K., Vyverman W. Experimental studies on sexual reproduction in diatoms. International Review of Cytology, 2004, vol. 237, pp. 91–154. https://doi.org/10.1016/S0074-7696(04)37003-8

Davidovich N. A. Species-specific sizes and size range of sexual reproduction in diatoms. In: Proceedings of the 16th International Diatom Symposium, Athens & Aegean Islands, 25 Aug. – 1 Sept., 2000 / A. Economou-Amilli (Ed.), 601 p. Athens : University of Athens, Faculty of Biology, 2001, pp. 191–196.

Davidovich N. A., Davidovich O. I., Podunay Y. A., Gastineau R., Kaczmarska I., Poulíčková A., Witkowski A. Ardissonea crystallina has a type of sexual reproduction that is unusual for centric diatoms. Scientific Reports, 2017, vol. 7, no. 1467, pp. 1–16. https://doi.org/10.1038/s41598-017-15301-z

Davidovich N. A., Gastineau R., Gaudin P., Davidovich O. I., Mouget J.-L. Sexual reproduction in the newly-described blue diatom, Haslea karadagensis. Fottea, 2012, vol. 12, iss. 2, pp. 219–229. https://doi.org/10.5507/fot.2012.016

Davidovich O. I., Davidovich N. A., Podunay Yu. A., Shorenko K. I., Witkowski A. Effect of salinity on vegetative growth and sexual reproduction of algae from the genus Ardissonea de Notaris (Bacillariophyta). Russian Journal of Plant Physiology, 2016, vol. 63, no. 6, pp. 776–782. https://doi.org/10.1134/S1021443716060030

Gastineau R., Davidovich N. A., Bardeau J.-F., Caruso A., Leignel V., Hardivillier Y., Jacquette B., Davidovich O. I., Rincé Y., Gaudin P., Cox E. J., Mouget J.-L. Haslea karadagensis (Bacillariophyta): A second blue diatom, recorded from the Black Sea and producing a novel blue pigment. European Journal of Phycology, 2012, vol. 47, iss. 4, pp. 469–479. https://doi.org/10.1080/09670262.2012.741713

Gastineau R., Davidovich N., Hansen G., Rines J., Wulff A., Kaczmarska I., Ehrman J., Hermann D., Maumus F., Hardivillier Y., Leignel V., Jacquette B., Meleder V., Hallegraeff G., Yallop M., Perkins R., Cadoret J.-P., Saint-Jean B., Carrier G., Mouget J.-L. Haslea ostrearia-like diatoms: Biodiversity out of the blue. In: Advances in Botanical Research: Sea Plants / N. Bourgougnon (Ed.). United Kingdom : Academic Press, 2014, vol. 71, pp. 441–465. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-408062-1.00015-9

Gastineau R., Prasetiya F. S., Falaise C., Cognie B., Decottignies P., Morançais M., Méléder V., Davidovich N., Turcotte F., Tremblay R., Pasetto P., Dittmer J., Bardeau J.-F., Pouvreau J.-B., Mouget J.-L. Marennine-like pigments: Blue diatom or green oyster cult? In: Blue Biotechnology: Production and Use of Marine Molecules. Vol. 1 / S. La Barre, S. S. Bates (Eds). Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2018, chap. 16, pp. 529–551. https://doi.org/10.1002/9783527801718.ch16

Kooistra W. H. C. F., De Stefano M., Mann D. G., Salma N., Medlin L. K. Phylogenetic position of Toxarium, a pennate-like lineage within centric diatoms (Bacillariophyceae). Journal of Phycology, 2003, vol. 39, iss. 1, pp. 185–197. https://doi.org/10.1046/J.1529-8817.2003.02083.X

Medlin L. K., Sato S., Mann D. G., Kooistra W. H. C. F. Molecular evidence confirms sister relationship of Ardissonea, Climacosphenia, and Toxarium within the bipolar centric diatoms (Bacillariophyta, Mediophyceae), and cladistic analyses confirm that extremely elongated shape has arisen twice in the diatoms. Journal of Phycology, 2008, vol. 44, iss. 5, pp. 1340–1348. https://doi.org/10.1111/J.1529-8817.2008.00560.X

Nakov T., Beaulieu J. M., Alverson A. J. Accelerated diversification is related to life history and locomotion in a hyperdiverse lineage of microbial eukaryotes. New Phytologist, 2018, vol. 219, iss. 1, pp. 462–473. https://doi.org/10.1111/NPH.15137

Round F. E., Crawford R. M., Mann D. G. The Diatoms. Biology and Morphology of the Genera. Cambridge : Cambridge University Press, 1990, 747 p.

Shorenko K. I., Davidovich O. I., Davidovich N. A. On the taxonomy, reproduction, and distribution of the diatom Nitzschia longissima (Brèb.) Grunow (Bacillariophyta). International Journal on Algae, 2014, vol. 16, no. 1, pp. 5–28. https://doi.org/10.1615/INTERJALGAE.V16.I1.10

Theriot E. C., Ashworth M., Ruck E., Nakov T., Jansen R. K. A preliminary multigene phylogeny of the diatoms (Bacillariophyta): Challenges for future research. Plant Ecology and Evolution, 2010, vol. 143, no. 3, pp. 278–296. https://doi.org/10.5091/plecevo.2010.418