Evolution of haemocyanin and its influence on thermal sensitivity in cold adapted Cephalopods – does form follow function?

Temperature, pH and oxygen concentration are the three most important parameters that influence oxygen-binding capacities of cephalopod blood and for survival at nearly -2°C, a cephalopod requires a highly specialised blood-gas exchange. By using extracellular haemocyanin, cephalopods possess a less effective respiratory protein than fish (which have intracellular haemoglobin). In order to successfully compete with fish, cephalopods have developed a high level of haemocyanin adaptability. Despite their prominent position in Antarctic food webs and being highly abundant, very little is known about Antarctic octopod physiology in general and specifically of the role of haemocyanin as a mediator between the organism and an extreme environment.

By means of an integrative physiological and molecular genetic approach, this study aims to shed light on the physiological adaptation as well as the phylogeny of octopodid haemocyanin during the adaptive radiation of these animals into Antarctic waters and to assist in explaining the recent biogeography of Antarctic octopods.



Evolution der Hämocyaningene und ihr Einfluss auf die Anpassungsfähigkeit kaltadaptierter Cephalopoden – form follows function?

Die drei wichtigsten Parameter, die das Sauerstoffbindungsvermögen von Cephalopodenblut bestimmen, sind Temperatur, pH und die Sauerstoffkonzentration im umgebenden Medium. Um bei Temperaturen um -2°C herum überleben zu können, müssen antarktische Cephalopoden einen hochspezialisierten Blut/Gas-Austausch besitzen. Cephalopoden benutzen das extrazelluläre Hämocyanin zum Sauerstofftransport im Blut, ein weniger effizientes respiratorisches Protein als zum Beispiel das der Fische, die Hämoglobin intrazellulär in ihren roten Blutkörperchen tragen. Um dennoch erfolgreich mit Fischen konkurrieren zu können, haben Cephalopoden ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit ihres Blutfarbstoffes entwickelt. Trotz ihrer weiten Verbreitung und wichtigen Stellung im antarktischen Nahrungsnetz ist recht wenig bekannt über die allgemeine Physiologie antarktischer Oktopoden und vor allem über die Rolle ihres Hämocyanins als Mittler zwischen Individuum und der extremen antarktischen Umwelt.

Die vorlegende Studie wird daher mit einem integrativen physiologischen und molekularbiologischen Ansatz versuchen, sowohl die physiologische Anpassung als auch die Phylogenie des Oktopoden-Hämocyanins während der Einwanderung dieser Gruppe in die antarktischen Gewässer näher zu beleuchten und damit zur Erklärung der Biogeographie antarktischer Oktopoden beitragen.

Scientists

Dr. Felix J. Mark
Alfred Wegener Institute, Bremerhaven

Dr. Bernhard Lieb
Johannes Gutenberg University, Mainz

Research areas

Antarctic circumpolar current, North Atlantic, Mediterranean Sea

Publications

Melzner F, Mark FC, Poertner HO, 2007. Role of blood-oxygen transport in thermal tolerance of the cuttlefish, Sepia officinalis. Integrative and Comparative Biology 47, 645-655.

Mark FC, Lieb B, 2009. Antarctic octopod haemocyanin – does form follow function? ESCPBnew Congress, 2009, Innsbruck, Austria Comp Biochem Physiol, 154A, 1/Suppl., S. 33 (ISSN: 1095-6433). (TALK)

Mark FC, Melzner F, Bock C, Poertner HO, Ellington C, Claireaux G, 2008. Thermal effects on cephalopod energy metabolism – a case study for Sepia officinalis. Comparative Biochemistry and Physiology, 150A (3), S171 doi: 10.1016/j.cpba.2008.04.452 Abstracts of the Annual Main Meeting of the Society for Experimental Biology, 6th-10th July 2008, Marseille, France. (TALK)

Mark FC, 2008. Cephalopod haemocyanins - does form follow function? Biological Seminar, Università di Padova, Italy (TALK)

Mark FC, 2008. Thermal adaptation of oxygen transport proteins in cephalopods’. The polar and alpine environments: molecular and evolutionary adaptations in prokaryotic and eukaryotic organisms. International SCAR Workshop, Institute for Protein Biochemistry, CNR, Naples (I), 29-30 May 2008 (TALK)

Strobel A, Lieb B, Lucassen M, Melzner F, Pörtner HO, Mark FC, 2009. Effects of temperature and CO2 on relative haemocyanin expression of the common cuttlefish Sepia officinalis? Comp Biochem Physiol, 154A, 1/Suppl., S12 (ISSN: 1095-6433) DOI: 10.1016/j.cbpa.2009.05.046. (POSTER)

Strobel A, Marian, Hu Y, Lieb B, Lucassen M, Melzner F, Pörtner HO, Mark FC, (in prep.) Does temperature or CO2 change the relative expression of different haemocyanin isoforms in the common cuttlefish Sepia officinalis?

Mark FC, Lieb B, van Holde K, Miller KI, van Olden EK, de Geest N, Préaux G, Gielens C, (in prep) O2 transport by haemocyanin in the cephalopods S. officinalis and E. dofleini.

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Research funding organisation

German Research Foundation

Project number: MA 4271-1
Planned funding period: May 2008 – April 2009