Cross-generational priming by sex-specific gametophyte treatment with Sargassum horneri extract enhances thermal tolerance in Undaria pinnatifida sporophytes

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Undaria pinnatifida is a major cultivated kelp in South Korea, yet recent winter warming has increasingly threatened seedling survival and production stability. This study demonstrates that gametophyte priming using a seaweed-derived biostimulant, Sargassum horneri extract (SHE), can enhance thermal tolerance in the subsequent sporophyte generation. Male and female gametophytes were pretreated with SHE (0, 0.5, 5 mg L⁻¹) for 10 days at 15 °C, crossed into five combinations, and the resulting sporophytes were cultured under 15 °C and 25 °C. Specific growth rate (SGR), total protein and pigment contents, oxidative stress indicators (ROS, H₂O₂, LPO), and antioxidant enzyme activities (SOD, APX, CAT, GR) were assessed. High temperature induced a classical oxidative stress response in control sporophytes, characterized by pronounced increases in ROS, H₂O₂, and LPO, together with marked declines in growth, protein content, and photosynthetic pigments. In contrast, sporophytes derived from SHE-treated gametophytes maintained significantly higher growth rates and greater stability of protein and pigment contents under heat stress. Among treatment groups, sporophytes originating from high-dose female gametophyte priming (F5×M0) exhibited the lowest levels of oxidative stress markers and the most stable physiological performance. Notably, SHE-derived sporophytes showed reduced induction of antioxidant enzymes (SOD, APX, and CAT) at 25 °C relative to the control, despite maintaining lower oxidative stress levels. This response pattern suggests that SHE priming altered the regulation of oxidative stress responses, potentially by improving intrinsic redox stability or suppressing ROS generation rather than relying on enhanced post-stress enzymatic detoxification. The persistence of these effects across fertilization and sporophyte development indicates a form of cross-generational priming, whereby physiological states established during the gametophyte stage influence stress responsiveness in the sporophyte. The pronounced effectiveness of female-derived priming further suggests sex-specific differences in the capacity of gametophytes to perceive, integrate, and transmit priming signals. Although epigenetic modifications were not directly examined, the sustained expression of SHE-induced phenotypes across life-cycle stages is consistent with emerging epigenetic priming frameworks proposed for marine macrophytes. Overall, this study provides experimental evidence that SHE-based gametophyte priming can enhance thermal tolerance in U. pinnatifida sporophytes and highlights the gametophyte stage as a critical regulatory phase for developing climate-resilient and sustainable kelp aquaculture strategies.

국문 초록 (Abstract)

미역(Undaria pinnatifida)은 우리나라에서 가장 중요한 양식 다시마류 중 하나이나, 최근 겨울철 해수 온난화로 인해 종묘 생존율 저하와 생산 안정성 약화 문제가 점차 심화되고 있다. 본 연구에서는 해조 유래 생물촉진물질인 괭생이모자반 추출물(Sargassum horneri extract, SHE)을 배우체 단계에서 처리하는 프라이밍이 이후 세대인 포자체의 고온 내성에 미치는 영향을 평가하였다. 암·수 배우체를 15 °C에서 10일간 SHE(0, 0.5, 5 mg L⁻¹)로 처리한 후 다섯 가지 교배 조합을 형성하였으며, 생성된 포자체를 15 °C와 25 °C 조건에서 배양하였다. 포자체의 특정생장률(SGR), 총 단백질 및 색소 함량, 산화 스트레스 지표(ROS, H₂O₂, 지질과산화), 그리고 항산화 효소 활성(SOD, APX, CAT, GR)을 분석하였다. 고온 조건에서 대조군 포자체는 ROS, H₂O₂, 지질과산화의 급격한 증가와 함께 생장률, 단백질 및 광합성 색소 함량이 현저히 감소하는 전형적인 산화 스트레스 반응을 나타냈다. 반면, SHE 처리 배우체로부터 유래한 포자체는 고온 조건에서도 유의하게 높은 생장률과 단백질 및 색소 함량의 안정성을 유지하였다. 특히 고농도 암배우체 처리군(F5×M0)에서 유래한 포자체는 산화 스트레스 지표가 가장 낮고 전반적인 생리적 성능이 가장 안정적으로 유지되었다. 주목할 점은, SHE 처리군 포자체가 25 °C 조건에서 대조군에 비해 항산화 효소(SOD, APX, CAT)의 유도가 상대적으로 낮았음에도 불구하고 산화 스트레스 수준이 억제되었다는 것이다. 이러한 반응 양상은 SHE 프라이밍이 스트레스 이후의 효소적 해독 반응을 증폭시키기보다는, 산화 스트레스 조절 방식 자체를 변화시켜 ROS 생성 억제 또는 산화환원 항상성의 안정화를 유도했을 가능성을 시사한다. 이러한 효과가 수정 이후 및 포자체 발달 과정 전반에 걸쳐 지속되었다는 점은, 배우체 단계에서 형성된 생리적 상태가 포자체의 스트레스 반응성에 영향을 미치는 세대 간 프라이밍(cross-generational priming)의 한 형태로 해석될 수 있다. 또한 암배우체 유래 프라이밍 효과가 특히 강하게 나타난 결과는, 배우체 성별 간에 생리적 신호 인지 및 스트레스 프로그램 형성 능력에서 차이가 존재할 가능성을 시사한다. 비록 본 연구에서는 후성유전적 변화를 직접 분석하지는 않았으나, SHE 처리에 의해 유도된 표현형이 생활사 단계 전환 이후에도 안정적으로 유지되었다는 점은 해양 대형 식물에서 제안된 후성유전학적 프라이밍 개념과 정합적이다. 종합적으로 본 연구는 SHE 기반 배우체 프라이밍이 미역 포자체의 고온 내성을 향상시킬 수 있음을 실험적으로 제시하며, 배우체 단계 개입이 기후 변화 환경에서 다시마 양식의 지속가능성과 내환경성을 향상시키기 위한 유망한 전략이 될 수 있음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstact i
• Table of Contents ⅲ
• List of Tables ⅵ
• List of Figures ⅶ
• Chapter 1. Introducion 1
• 1.1. Kelp aquaculture and environmental challenges 1
• 1.2. The kelp life cycle and gametophytes as priming targets 4
• 1.3. Oxidative stress, antioxidant regulation, and priming frameworks in brown algae 6
• 1.4. Sex-specific responses and remaining knowledge gaps 9
• Chapter 2. Cross-generational priming by sex-specific gametophyte treatment with Sargassum horneri extract enhances thermal tolerance in Undaria pinnatifida sporophytes 13
• 2.1. Introduction 13
• 2.2. Materials and methods 16
• 2.2.1. Sample collection and acclimation 16
• 2.2.2. Preparation of Sargassum horneri extract (SHE) 16
• 2.2.3. Preliminary screening for SHE concentration selection 19
• 2.2.4. Gametophyte SHE treatment and cross-fertilization 21
• 2.2.5. Temperature treatment and heat-stress experiment 25
• 2.2.6. Biochemical and antioxidant analyses 27
• 2.2.7. Statistical analysis 29
• 2.3. Results 30
• 2.3.1. Preliminary screening of SHE concentrations in gametophytes 30
• 2.3.2. Screening of sex-specific gametophyte SHE treatments and sporophyte survival 32
• 2.3.3. Specific growth rate (SGR) and total protein 34
• 2.3.3.1. Specific growth rate (SGR) 34
• 2.3.3.2. Total protein 35
• 2.3.4. Pigments 37
• 2.3.4.1. Chlorophyll a 37
• 2.3.4.2. Carotenoid 38
• 2.3.5. Oxidative stress indicators 40
• 2.3.5.1. Reactive oxygen species (ROS) 40
• 2.3.5.2. Lipid peroxidation (LPO) 41
• 2.3.5.3. Hydrogen peroxide (H2O2) 43
• 2.3.6. Antioxidant enzyme activites 45
• 2.3.6.1. Superoxide dismutase (SOD) 45
• 2.3.6.2. Ascorbate peroxidase (APX) 46
• 2.3.6.3. Catalase (CAT) 48
• 2.3.6.4. Glutathione reductase (GR) 48
• 2.4. Discussion 51
• 2.4.1. Cross-generational influence of gametophyte priming 51
• 2.4.2. Heat-stress responses in control sporophytes and consistency with previous studies 54
• 2.4.3. Mitigation of oxidative stress by SHE priming 57
• 2.4.4. Regulation of antioxidant responses and potential mechanisms of SHE priming 59
• 2.4.5. Sex-specific differences in gametophyte priming 63
• 2.4.6. Epigenetic considerations and future perspectives 67
• 2.5. Conclusion 69
• Reference 73
• 국문초록 79
• Acknowledgements 82