APOPTOSIS AND CELL LYSIS RATES DURING A DIATOM BLOOM IN THE NORTH ADRIATIC SEA

Casotti R.

1*

, Brunet C.

1

, Bastianini M.

2

, D’Ortenzio F.

1

, Mazza S.

1

, Ianora A.

1

, Miralto A.

1

1

Stazione Zoologica “A. Dohrn” di Napoli, Italy - * raffa@szn.it

2

Istituto di Scienze Marine, CNR, Venezia, Italy 

Abstract

During the late winter diatom bloom in the Northern Adriatic Sea in 2002, the proportion of apoptotic cells were estimated using the

TUNEL assay, and cell lysis rates using the FDA method. Apoptotic cells were more abundant (up to 85%) at the peak phase of the bloom,

when also cell lysis rates increased (up to 0.8 d

-1

), indicating that phytoplankton was experiencing physiological stress conditions. The

occurrence of apoptotic cells may indicate an endogenous control of diatom abundances when nutrients are close to depletion, possibly

triggered by chemical signaling within the population.

Keywords: diatoms, bloom, apoptosis, fronts, Adriatic 

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

329

In February-March 2002, six stations were sampled on a weekly

basis to estimate phytoplankton cell concentrations along a coast-to-

offshore transect in correspondence to the Po river delta.

Phytoplankton concentrations were estimated using ?ow cytometry,

microscopy, HPLC-pigment analysis, and remote sensing (SeaWifs).

Percentages of apoptotic cells were estimated using the TUNEL assay,

while cell lysis rates were estimated using the FDA method.

Pigment indicators (Dt/Dt+Dd) suggested a light-induced stress on

phytoplankton trapped within the front separating Po river freshwater

from offshore marine waters. 

The evolution of total phytoplankton concentrations was evident

only at the three most offshore stations, situated on the external side

of an haline front, caused by the freshwater river out?ow. Cell

concentrations ranged from 500 cell ml

-1

before the bloom to 10

5

cell

ml

-1

at its peak (20 March). The phytoplankton bloomwas mainly

composed of diatoms (up to 90% of total counts), with Skeletonema

costatumdominating the diatoms at the peak phase of the bloom.

At the frontal area (station 4) high percentages of Diatoxanthin and

Diadinoxanthin were observed, indicating the occurrence of light-

induced stress within the phytoplankton population trapped within the

haline front. 

Within the S. costatumpopulation, apoptotic cells ranged from 30

to 85% of total cells at all stations, and at station 4 their evolution

strongly correlated with S. costatumcell numbers (Fig. 1). The peak

in apoptotic cells corresponded to a peak in cell lysis rates (from 0.1

to 0.8 d

-1

). 

Fig. 1. S. costatumcell concentrations (cell ml-

1

, closed symbols) and

percentages of TUNEL-positive cells (open symbols) in the northern

Adriatic Sea in February-March 2002.

The high percentage of apoptotic cells may indicate an

endogenously-controlled process of initiation of lysis of

phytoplankton cells. 

Apoptosis is the phenotype of Programmed Cell Death, an active

mechanism of cell disruption activated by cells as a response to stress

or changes in environmental factors. 

The presence of apoptosis in unicellular organisms may represent

an evolutionary relic, but also support the hypothesis that it is a

widespread and crucial feature of the eukaryote world, best suited for

adaptation to different environments, and, as in our case, as a reaction

to unfavorable conditions.

The late winter diatom bloom is a recurrent feature in the North

Adriatic Sea, starting in February and persisting in a large area for

more than two months. With respect to other coastal areas, this bloom

is characterized by the dominance of Skeletonema costatum, which is

later on replaced by Chaetoceros species, during the following spring

bloom. No detailed information is available on the dynamics of this

bloom, which is peculiar for its duration and almost monospecificity.

Miralto et al.(1) have shown that the North Adriatic late winter

diatom bloom has a strong effect on copepod reproduction and

therefore recruitment, strongly impacting the whole food web. This

effect has been attributed to the production of unsaturated aldehydes

by diatom species. These molecules appear to be involved in a defence

mechanism activated after cell membrane disruption, as during

grazing (2). It is reasonable to expect that aldehydes are also released

in the seawater following cell lysis, a common process at sea,

controlled by exogenous (bacteria, viral attack, nutrient limitation), or

endogenous (senescence, automortality) factors (3; 4). Algal

aldehydes have been shown to be toxic to other phytoplankton and to

induce apoptosis in Copepods and sea urchin embryos (5). Possibly,

the realease of such compounds via natural lysis of cells during the

bloom may have determined apoptosis of cells during the late winter

bloom of 2002. Apoptosis may therefore be regarded as a general

mechanism acting at sea to control population growth, in order to

optimize resources utilization at the end of the bloom.

References

1-Miralto A., Barone G., Romano G., Poulet S.A., Ianora A., Russo G.L.,

Buttino I., Mazzarella G., Laabir M., Cabrini M., Giacobbe M.G., 1999.

The insidious effect of diatoms on copepod reproduction. Nature, 402:

173-176.

2-Pohnert G., 2000. Wound-activated chemical defense in unicellular

planktonic algae. Angew. Chem. Int. Ed Engl.,39: 4352-4354.

3-Agustí S., Satta M.P., Mura M.P., Benavent E., 1998. Dissolved

esterase activity as a tracer of phytoplankton lysis: Evidence of high

phytoplankton lysis rates in the northwestern Mediterranean. Limnol.

Oceanogr.,43(8): 1836-1849.

4-Veldhuis M.J.W., Kraay G.W., Timmermans K.R., 2001. Cell death in

phytoplankton: correlation between changes in membrane permeability,

photosynthetic activity, pigmentation and growth. Eur. J. Phycol.,36: 167-

177.

5-Romano G., Russo G.L., Buttino I., Ianora A., Miralto A., 2003. A

marine diatom-derived aldehyde induces apoptosis in copepod and sea

urchin embryos. J. Exp. Biol.,206: 3487-3494.