Estructura y fisiología de la comunidad planctónica a partir de métodos de digitalización y análisis de imagen

Abstract

De acuerdo con estimas recientes, el fitoplancton es responsable del 50 % de la producción primaria global y es, por tanto, un elemento central en la comprensión de los ciclos biogeoquímicos globales. Los atributos estructurales de la comunidad planctónica, como son la abundancia, la estructura de tamaños o la diversidad taxonómica, surgen como rasgos emergentes de procesos que ocurren a nivel celular. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de técnicas de caracterización de la comunidad planctónica, tanto estructural como fisiológicamente, a partir del análisis de células individuales y que pueda ser aplicado de un modo rutinario al estudio de los ecosistemas. El Flow Cytometer and Microscope (FlowCAM) es un dispositivo de muestreo automático que adquiere imágenes de las células y usa técnicas de reconocimiento de imagen para identificarlas. Adquiere, por tanto, información sobre células individuales, lo que no sólo permite a la descripción de la estructura de tamaños de la comunidad, sino también la exploración de procesos subyacentes, un aspecto que no ha sido convenientemente explorado. La estructura de tamaños de comunidad planctónica debe ser considerada en el diseño de métodos de muestreo cuyo objetivo es la enumeración de células planctónicas. Aunque el FlowCAM haya sido usado durante la pasada década para estimar varios atributos estructurales de la comunidad de plancton, no existe una metodología estándar que asegure la fiabilidad de los datos obtenidos. En el Capítulo I de la tesis doctoral, determinamos el balance entre el número de células contadas, el rango de tamaños analizado y el tiempo de análisis requerido, y usamos los resultados obtenidos para definir protocolos de muestreo apropiados. Siguiendo esas directrices, el FlowCAM es capaz de contar eficazmente no solo suspensiones monoespecíficas de células sino también de estimar la estructura de tamaños de muestras naturales. Los dispositivos de muestreo automatizados permiten incrementar la resolución de muestreo y por ello, el número de imágenes que pueden ser procesadas. La clasificación automática de imágenes aparece, entonces, como un instrumento fundamental para poder abordar la identificación de ese gran numero de imágenes adquiridas. Sin embargo, una característica común de los instrumentos de muestreo basados en la adquisición de imágenes es que no tienen en cuenta la forma tridimensional de las partículas, lo que puede llevar a estimas erróneas del volumen celular. En el Capítulo II, presentamos un método para mejorar las estimas de volumen celular a partir de dispositivos de muestreo basados en la adquisición de imágenes acoplado a un método estándar para la clasificación automatizada de las mismas. El método de clasificación puede ser adaptado para proporcionar información, no sólo taxonómica, sino también información morfológica de las células, lo que permite la obtención de una estima fiable de volumen celular según la forma predicha. Una vez obtenidas con el FlowCAM abundancia, tamaño y taxonomía celular, uno puede preguntarse cómo esos datos se comparan con los métodos tradicionales para la enumeración de plancton. En el Capítulo III, comparamos FlowCAM y microscopía como métodos para la determinación rutinaria de la composición y la estructura de tamaño de la comunidad planctónica. Los efectos de la fijación de las muestras y las inexactitudes en la clasificación automática son las principales causas de discrepancia en la determinación de estructura de tamaño entre ambos métodos. Sin embargo, la visión sinóptica de la variación estacional en abundancia, biomasa y diversidad obtenida es similar, lo que sugiere que el método automático es adecuado para explorar estas variaciones. La caracterización estructural de la comunidad de fitoplancton con técnicas de citometría de flujo y FlowCAM puede abordarse a varias escalas, del largo al corto plazo. En el Capítulo IV, analizamos la dinámica de la comunidad de fitoplancton durante un año entero y durante dos escenarios contrastados en verano y otoño en el mar Cantábrico. La descripción del escenario hidrográfico mostró que la temperatura, la luz y la concentración de nutrientes fueron los determinantes principales de la estructura de tamaños y la fisiología de la comunidad. La estructura de tamaños y la biomasa obtenida con técnicas de citometría de flujo y FlowCAM fueron acopladas con medidas de clorofila fraccionada, lo que permite una aproximación combinada a la dinámica de comunidad de fitoplancton. Los espectros de tamaño de biomasa y de clorofila siguieron tendencias diferentes que se tradujeron en cambios en el contenido de clorofila por unidad de biomasa celular, para la comunidad entera, pero también entre fracciones de tamaño. La dependencia alométrica del contenido en clorofila por unidad de biomasa varía con los niveles de irradiancia. La estructura de la comunidad es el resultado de procesos fisiológicos que ocurren a nivel individual. De modo que la descripción de la fisiología de la comunidad de fitoplancton basada en medidas fraccionadas iría más lejos si dispusiésemos de una estimación de contenido en pigmento en células individuales. En el capitulo V, exploramos la relación entre la emisión de fluorescencia medida por el FlowCAM en células individuales de fitoplancton y su contenido en clorofila. La dependencia alométrica del contenido en clorofila varía con la irradiancia experimentada por las células tanto a nivel inter - como intra-específico. Con un muestreo rutinario de muestras naturales es posible estimar cuantitativamente el exponente alométrico del contenido de clorofila, que se relaciona con la tasa fotosintética y, como consecuencia, permite una descripción más detallada de la dinámica de la comunidad autótrofa