Resilienz und Kippunkte arktischer Phytoplankton Populationen gegenüber klimawandel-induzierter Hitzewellen

• Antragstellerin: Dr. Klara Wolf
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Pflanzen und Ökosysteme ; Physik, Chemie und Biologie des Meeres
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442160768

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Extremereignisse wie marine Hitzewellen sind ein Aspekt des Klimawandels, der erst in jüngster Zeit verstärkt in den Blickpunkt der Wissenschaft gerückt ist, insbesondere für die unteren trophischen Ebenen und für polare Regionen. Ziel dieses Projekts war es, zum ersten Mal die Reaktion des arktischen Phytoplanktons auf marine Hitzewellen durch eine Reihe von Experimenten an unterschiedlich komplexen Phytoplankton-Gemeinschaften, sowie deren Anpassungsfähigkeit und -mechanismen an solche schwankenden Temperaturen zu erforschen. Dies wurde mit umfangreichen Beobachtungen natürlicher arktischer Frühjahrsblüten und der Entwicklung von Methoden zur populationsgenetischen Analyse in natürlichem Kontext kombiniert, um mehr über intraspezifische Selektionsprozesse zu erfahren, die die Grundlage für evolutionäre Anpassung bilden. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass physiologische und adaptive Reaktionen auf marine Hitzewellen nicht einfach eine zeitlich begrenzte Version der Reaktionen auf erhöhte Temperaturen sind und daher auch nicht einfach auf der Grundlage unseres Wissens über stabile Temperaturreaktionen vorhersehbar sind. Auf allen Komplexitätsebenen, vom Einzelstamm bis zur natürlichen Gemeinschaft, habe ich beobachtet, dass nicht nur die warmen Phasen, sondern auch die Kältephasen nach einer Hitzewelle einflussreiche Momente für die Produktivität und die Zusammensetzung der Primärproduzenten waren und oft nachteiliger erschienen als die Warmphase selbst. Diese Bedeutung der Kältephasen war überraschend und erschwert das mechanistische Verständnis der Reaktionen auf Hitzewellen, ist aber besonders wichtig, da sich bisher nur wenige Studien mit diesem Aspekt der Temperaturschwankungen befasst haben. Ich hoffe daher, dass die Veröffentlichungen aus diesem Projekt als Anregung für zukünftige Forschungen auf diesem Gebiet dienen werden. Durch die Fortführung einer Zeitreihe über die Populationsdynamik arktischer Diatomeen habe ich auch einen einzigartigen Datensatz über intraspezifischen Blüteeigenschaften erstellt, die wir bald veröffentlichen werden. Sie zeigt vor allem, dass sich Populationen derselben Kieselalgenart von Jahr zu Jahr in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, aber durch die bentho-pelagische Kopplung mit Ruhestadien aus dem Sediment zwischen den Jahren bemerkenswert gut verbunden sind. Um die intraspezifische Auflösung solcher Studien zu verbessern, bin ich noch dabei, die derzeit verwendete Mikrosatelliten-Methode zu einem detaillierteren Ansatz auf der Grundlage von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) zu erweitern, der im Laufe des Jahres fertiggestellt werden soll und die Aussagekraft solcher Datensätze erheblich steigern könnte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Annual congress of the German Limnological Society (DGL),September 2022, Konstanz, Germany, Oral presentation: Resilience and adaptive mechanisms of Arctic phytoplankton populations under marine heatwaves
  Wolf, K.K.E., Hoppe; C.J.M., Leese, F., Rost, B., John, U. & Schaum E.
  
• Invited talk at the annual meeting of the Research Training Group at the University of Konstanz, Germany (18.10.22) Adaptive mechanisms of phytoplankton in a changing Arctic: plasticity, intraspecific dynamics and community resilience
  Klara Wolf
  
• nternational Conference on Polar and Alpine Microbiology, October 2022, Potsdam, Germany, Poster: Adaptive mechanisms of phytoplankton in a changing Arctic: Acclimation, microevolution and ecological shifts under heatwaves
  Wolf, K.K.E., Hoppe; C.J.M., Schaum, E., John, U. & Rost, B.
  
• ALPOLE Seminar, EPFL Valais, Switzerland (26.6.23) Arctic phytoplankton blooms and adaptive mechanisms in a changing world
  Klara Wolf
  
• ASLO Aquatic Sciences Meeting, June 2023, Mallorca, Spain, Poster: Resilience and adaptive mechanisms of Arctic phytoplankton under heatwaves: Acclimation, microevolution and community resilience
  Wolf, K.K.E., Hoppe; C.J.M., Rost, B., John, U. & Schaum, E.
  
• European Phycological Congress 8 in Brest, France (22.8.23): The hidden flows within species: Phytoplankton population dynamics in Arctic assemblages
  Klara Wolf
  
• Seasonal plankton dynamics in Kongsfjorden during two years of contrasting environmental conditions. Progress in Oceanography, 213, 102996.
  Assmy, Philipp; Cecilie, Kvernvik Ane; Hop, Haakon; Hoppe, Clara J.M.; Chierici, Melissa; David, T. Divya; Duarte, Pedro; Fransson, Agneta; García, Laura M.; Patuła, Weronika; Kwaśniewski, Sławomir; Maturilli, Marion; Pavlova, Olga; Tatarek, Agnieszka; Wiktor, Jozef M.; Wold, Anette; Wolf, Klara K.E. & Bailey, Allison
  
• Winners and Losers of Atlantification: The Degree of Ocean Warming Affects the Structure of Arctic Microbial Communities. Genes, 14(3), 623.
  Ahme, Antonia; Von Jackowski, Anabel; McPherson, Rebecca A.; Wolf, Klara K. E.; Hoppmann, Mario; Neuhaus, Stefan & John, Uwe
  
• Heatwave responses of Arctic phytoplankton communities are driven by combined impacts of warming and cooling. Science Advances, 10(20).
  Wolf, Klara K. E.; Hoppe, Clara J. M.; Rehder, Linda; Schaum, Elisa; John, Uwe & Rost, Björn
  
• Multiannual patterns of genetic structure and mating type ratios highlight the complex bloom dynamics of a marine planktonic diatom. Scientific Reports, 14(1).
  Ruggiero, Maria Valeria; Buffoli, Marina; Wolf, Klara K. E.; D.’Alelio, Domenico; Di Tuccio, Viviana; Lombardi, Ernestina; Manfellotto, Francesco; Vitale, Laura; Margiotta, Francesca; Sarno, Diana; John, Uwe; Ferrante, Maria Immacolata & Montresor, Marina