ZOSTERAMARINAIN VENICE LAGOON: A GENETIC STUDY

Micheli C.

1 *

, Paganin P. 

1

, Maffucci M. 

1

, Nascetti G.

2

, Rismondo A. 

3

, Curiel D. 

3

ENEA CR Casaccia C.P., Roma A.D., Italy -* micheli@casaccia.enea.it

2

Universitŕ di Viterbo “La Tuscia”, Viterbo, Italy

3 

SELC Scarl, Venezia, Italy

Abstract

With the aim of investigating the genetic variability of Zostera marinain Venice lagoon, two populations in Malamocco basin (San Pietro

in Volta and Alberoni) were studied by the PCR (Polymerase Chain Reaction) technique. The results were correlated with environmental

parameters and phenological and physiological features of the plants (leaves biometry, biomass and primary production) taken into

consideration. Genomic fingerprintings obtained by RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA) and confirmed by statistical analyses

(NT-SYS), showed high genetic variability within and between two populations only 5 Km apart, confirming the role of Z. marinaas a

cosmopolitan species and its phenotypic plasticity.

Key-words: Zostera marina, RAPD, Venice lagoon

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

536

Since environmental stress represents an important factor which

can induce changes in the physiology of the species (1), the genetic

variability of Zostera marinafrom two different zones of the Venice

lagoon was analysed, so that by comparing the results of molecular

and environmental tests, a clearer assessment of the state of health of

the two meadows could be made.

Samples of Z. marinawere taken from two sites in the Malamocco

basin (San Pietro in Volta and Alberoni) corresponding to an area of

162 km

2

. At the San Pietro in Volta site, Z. marinameadows are very

estensive, mostly mixed with Cymodocea nodosa, whilst in proximi-

ty to Alberoni the populations are pure and less extensive.

The growth cycle ofZ. marinafavours the period April-June with

regard to leaf production, even thougt it is a macrophyte devoid of

conspicuous seasons (in contrast to C. nodosa) and therefore active all

through the year.

Both sites present fairly good transparency values, which permit

observation of the seabed (about 1,5 m) in nearly all conditions. The

San Pietro in Volta site is characterized by more lasting transparency

and sediment of a coarser consistency (2,3).

After collection, individual plants were washed in distillated water

and stored in liquid nitrogen (-180 °C). The DNA of Z. marinawas

obtained using previous methodology (4). For the plants of Z. marina

sampled in Alberoni only, DNA of the ?owers, also, was recorded.

PCR was applied (6) and the amplification products, obtained by a

thermal cycler (Perkin Elmer/Cetus), were separated by gel elec-

trophoresis (agarose 1.4%) and photographed (Polaroid 667) under

U.V. light illumination after Ethidium bromide staining.

In these experiments four primers were used: BY 11 (5’-ATC-

CACTGCA-3’); BY 13 (5’-CCTTGACGCA-3’); BY 15 (5’-CTCAC-

CGTCC-3’) BY 12 (5’-GGTCGCAGGC-3’).

Cluster analysis (UPGMA) of the similarity indices was carried out

using NT-SYS software (5) in order to determine similarities between

samples. Fragment sizes of RAPD were estimated from the gel by

comparison with a 1Kb ladder marker. The bands were recorded as

present (1) or absent (0) and assembled in a data matrix table.

Genomic fingerprinting, revealed by PCR technique, gave several

molecular fragments of varying sizes ranging from 0.25 to 2.5 Kb.

Cluster analyses revealed the pattern of genetic distance in relation to

physical distance (e.g. geographical position) between the two popu-

lations of Z. marina.

From a comparison of samples from San Pietro in Volta (A), an

average similarity of 72% appears, while the average value of similar-

ity for Alberoni (B) is 74%. Similarity drops to 43% when samples of

group A and group B are compared.

The genetic variability we encountered may be correlated to the

phenological and physiological variation of Z. marinain bloom at the

Alberoni site. The morphological differences observed among plants

of diverse provenance (length of leaves, presence of one or more leafy

shoots, strength of stem) are a direct response to the environment,

which at Alberoni presents greater environmental stress in general

(sedimentary, torbidity, etc.) than at San Pietro in Volta.

The eelgrass Z. marinacan reproduce both sexually and vegetative-

ly. For species with two reproductive modes, molecular-genetic tech-

niques are useful in assessing the relative importance of the two

modes in determining population distribution and structure. Such

information is relevant to many basic and applied questions in marine

ecology because colonizers resulting from vegetative reproduction all

have identical genetic composition, whereas sexual reproduction

results in genetically diverse individuals. Genetic variation within and

between populations of the same species may, for example, indicate

the sensitivity of a given population and its recovery from disturbance

(7). Because of the vigorous rhizomatic growth of Z. marinaand its

wide distribution and ecological success, vegetative reproduction was

expected to prevail. A high degree of genetic similarity within and

even between not-too-distantly separated populations is expected.

However, RAPD, used to quantify the genetic similarity of two geo-

graphically and morphologically distinct populations of Z. marina

from Venice lagoon, showed just the opposite. Z. marinarevealed a

high genetic variability within and between the two populations locat-

ed only 5 km apart, in Malamocco basin, confirming the role of this

plant as a cosmopolitan species for its phenotypic plasticity. It appears

from our analysis of Z. marinathat sexual reproduction contributed to

the expansion and maintenance of these populations. The RAPD

analyses demonstrated significant genetic distinctions among disjunt

eelgrass populations and may offer insight into the widespread distri-

bution and ecological success of Z. marinain a diversity of temperate

coastal habitats. The capacity for a high level of genetic variation in

this cosmopolitan species probably also accounts for diversity in leaf

and shoot morphologies in different habitats and argues that these fea-

tures may not be as useful as taxonomic characters at the species level

as previously thought.

References

1-Amzallag G.N, 1999. Plant evolution toward an adaptative theory. Pp.

171-245. In: Lerner H.R. (ed.), Plant responses to environmental stresses.

From phytohormones to genome reorganization.

2-Rismondo A., Curiel D., Marzocchi M., Scattolin M., 1995. Sesonal

pattern of Cymodocea nodosabiomass and production in the lagoon of

Venice. Aquatic Botany, 58: 55-64.

3-CurielD., Rismondo.A., Scarton F., Marzocchi M., 1997. Flowering of

Zostera marinain the Lagoon of Venice (North Adriatic, Italy). Botanica

Marina, 40: 101-105.

4-Dellaporta S.L., Wood J. and Mc Coy T.J., 1983. A plant DNA mini-

preparation: version II. P.M.B.R. 14: 19-21.

5-Rohlf F.J, 1993. NTSYSpc Numerical Taxonomy and Multivariate

Analysis system .

6-Franconi R., Barcaccia G., Paglialonga A., Micheli C., 1995.

Investigation of genomic polymorphism in Posidonia oceanica collected

in different areas of Mediterranean sea using RAPD markers. Rapp,

Comm. int. Mer Médit.,34: 29.

7-Grassle J.F. and Grassle J.P., 1978. Life histories and genetic variation

in marine invertebrates. Pp. 347-364. In: B. Battaglia and J. Beardmore

(eds.), Marine Organisms. Plenum, New York.