Fluktuacje termiczne środowiska oraz zmienność geograficzna

Fluktuacje termiczne środowiska oraz zmienność
Fluktuacje termiczne środowiska oraz zmienność geograficzna pasożyta (nicień owadobójczy, Steinernema feltiae) jako czynniki wpływające na jego infekcyjność względem gospodarza (trojszyk gryzący, Tribolium castaneum)
Tribolium castaneum)
Paulina Kramarz, Paulina
Kramarz
Marcin Czarnołęski, Dorota Lachowska‐Cierlik, Anna M. Łabęcka
Doradcy: Jan Kozłowski, Łukasz Michalczyk, Ralf Udo‐Ehlers Parę teoretycznych podstaw projektu
Interakcje obserwowane w układach międzygatunkowych:
‐ GxE: genotyp x środowisko
‐ GpxGg: genotyo x genotyp
G G
t
t
‐ GpxGgxE: genotyp x genotyp x środowisko
Warunki środowiskowe mają wpływ na fenotyp organizmów, ponieważ mogą one w różnym stopniu działać na genotypy poszczególnych gatunków → GxE.
Na ekspresję cech danego genotypu działa genotyp drugiego gatunku oraz środowisko. p ję
g g
yp
g
yp
g g g
GpxGgxE → przeżywają osobniki wykazujące wyższe dostosowanie w danych warunkach abiotycznych, niż by to wynikało z prostej relacji GpxGg. Interakcje GhxGpxE ma zasadnicze znaczenie dla utrzymywania się zmienności genetycznej
Interakcje GhxGpxE ma zasadnicze znaczenie dla utrzymywania się zmienności genetycznej w populacjach gatunków w naturalnym środowisku. Stałe a fluktuujące warunki termiczne w układzie pasożyt gospodarz: Krótkotrwała zmiana temperatury o 1 2 stopnie → wzrost odporności na infekcję nawet u
Krótkotrwała zmiana temperatury o 1‐2 stopnie → wzrost odporności na infekcję, nawet u osobników wrażliwych na dany gatunek pasożyta, np „gorączka behawioralna” .
Wyższa przeżywalność zainfekowanych osobników w wyższej, suboptymalnej dla pasożytów temperaturze
pasożytów temperaturze.
Parę teoretycznych podstaw projektu
Temperature size rule (TSR) – zależność wielkości ciała od temperatury otoczenia:
Reguła Bergmana dotycząca głównie zwierząt endotermicznych: im dalej na północ lub południe od równika, tym zwierzęta są większe.
lub południe od równika, tym zwierzęta są większe.
TSR – podobne, choć nie zawsze, obserwacje dla zwierząt ektotermicznych.
Czy wielkość ciała zależy od liczby czy od wielkości komórek?
I
Im większy organizm, tym tempo metabolizmu w przeliczeniu na jednostkę masy i k
i
t t
t b li
li
i
j d tk
jest niższe → im większe komórki, tym tempo metabolizmu danego organizmu powinno być niższe
Zależność osiągów (performance) od temperatury: Krzywe osiągów
temperatury: Krzywe osiągów
pasożyt
gospodarz
Gospodarz ‐ Tribolium castaneum
Trojszyk gryzący, chrząszcz; organizm modelowy o poznanej biologii i genomie.
‐ bardzo prosta hodowla
bardzo prosta hodowla
‐ przeobrażenie zupełne
‐ łatwo rozpoznawalne stadia oraz płeć (szczególnie w stadium poczwarki)
‐ krótki cykl życiowy (około miesiąca, zależy do temperatury)
k ó ki kl ż i
( k ł
i i
l ż d
)
‐ dla dorosłych nicienie nie są letalne
‐ optymalna temperatura: 30⁰C, zakres w którym się rozmnaża: 22‐35 ⁰C, krytyczne 25 ⁰C i 40 ⁰C
Pasożyt Steinernema feltiae
Pasożyt ‐
Steinernema feltiae
SSteinernema
i
f l i (Nematoda, Rhabditida)
feltiae
(
d
h bdi id ) – nicień owadobójczy i i ń
d bój
(entomopatogeniczny, EPN), symbioza z bakteriami Xenorhabdus bovienii
(Proteobacteria), cały cykl życiowy wewnątrz gospodarza; jedyne stadium wolnożyjące t j d
to jednocześnie stadium infekcyjne ‐
ś i t di
i f k j
l
larwa dauer (DJ). Gatunek rozdzielnopłciowy, płeć d
(DJ) G t
k di l
ł i
ł ć
łatwo rozpoznawalna. Gatunek używany w biologicznej ochronie upraw; opracowano:
‐ metodykę hodowli, na skalę przemysłową, poza ciałem gospodarza
‐ przechowywanie w ciekłym azocie stadiów DJ, dostępna kolekcja szczepów
p
y
y
,
ęp
j
p
‐ dane na temat filogenezy, również dla bakterii
‐ badana odporności na wysychanie, niskie i wysokie temperatury, w tym również eksperymenty selekcyjne
eksperymenty selekcyjne
‐ wybitnie kosmopolityczny
‐ temperatura optymalna: w zależności od miejsca pochodzenia, zakres: 17‐27 ⁰C
Steinernema feltiae – cykl życiowy
‐
‐
‐
‐
‐
dwa do trzech pokoleń, larwy dauer właściwie produkowane cały czas
d
d t
h k l ń l
d
ł ś i i
d k
ł
endotokia matricida
czas od infekcji do „zniknięcia” gospodarza – około 10 dni
bakterie przechowywane w uchyłku jelita uwalniane po wniknięciu do gospodarza
bakterie przechowywane w uchyłku jelita, uwalniane po wniknięciu do gospodarza
zarówno produkty, jak i same bakterie (powodujące swego rodzaju stan zapalny) stanowią pokarm dla nicieni
‐ dany gatunek nicieni posiada tylko jeden gatunek bakterii, ale te mogą żyć w dany gatunek nicieni posiada tylko jeden gatunek bakterii ale te mogą żyć w
symbiozie z różnymi gatunkami EPN
Ogólny plan badań
Ogólny plan badań
Nicienie:
30 szczepów z różnych regionów geograficznych
10 wyselekcjonowanych szczepów do dalszych badań
Wyprowadzenie 100 linii (po 10 z każdego szczepu do dalszych badań). Chrząszcze:
ą
Szczep laboratoryjny: z niego wyprowadzone 10 linii.
Każda z linii będzie powtórzeniem na którym będą badane cechy fenotypowe
1. Zróżnicowanie genetyczne i fenotypowe szczepów S. feltiae w gradiencie warunków termicznych na różnych szerokościach geograficznych
Cel 1: Określenie pokrewieństwa genetycznego pomiędzy populacjami nicieni. ‐ 30 szczepów z różnych regionów geograficznych
30 szczepów z różnych regionów geograficznych
‐ badania filogenetyczne w oparciu o analizy molekularne
‐ wykreślone drzewa filogenetyczne posłużą do wyeliminowania wpływu związanego z filogenetycznym pokrewieństwem
filogenetycznym pokrewieństwem Metodyka: Ekstrakcja DNA z pięciu osobników danego szczepu, sekwencjonowanie trzech genów: Mirochondrialne: 12S rDNA, oksydaza cytochromowa podjednostka 1
Jądrowy: 28S rDNA
Jądrowy: 28S rDNA
Analizy: wykreślenie drzew pokrewieństw filogenetycznych dla badanych szczepów. Otrzymana zmienność genetyczna będzie następnie korelowana ze zmiennością fenotypową badaną w kolejnych eksperymentach
fenotypową badaną w kolejnych eksperymentach.
1. Zróżnicowanie genetyczne i fenotypowe szczepów S. feltiae w gradiencie warunków termicznych na różnych szerokościach geograficznych
Cel 2: Określenie geograficznych klinów rozmiarów ciała i komórek nicieni, a także powiązanie ich z dystansami genetycznymi populacji i warunkami termicznymi na różnych szerokościach geograficznych.
‐ badanie wielkości ciała oraz komórek w powiązaniu z warunkami termicznymi środowiska, z którego pochodziły nicienie
Badane będą zarówno szczepy wyjściowe, jak i wyodrębnione po wstępnych badaniach.
ada e będą a ó o s c epy yjśc o e, ja
yod ęb o e po stęp yc bada ac
Metodyka:
P i dł
Pomiar długości ciała u larw dauer oraz rozmiarów komórek epitelium epidermy
ś i i ł l
d
i ó k ó k it li
id
2. Krzywe osiągów gospodarza i pasożyta
Cel 1: Wyznaczenie parametrów krzywych osiągów dla T. castaneum pochodzącego z hodowli podstawowej ‐ 10 linii; badana cecha (krzywe osiągów): liczba jaj w różnych temperaturach
10 linii; badana cecha (krzywe osiągów): liczba jaj w różnych temperaturach
Cel 2: Wyznaczenie parametrów krzywych osiągów dla szczepów S. feltiae z różnych rejonów klimatycznych (zbadanie geograficznego zróżnicowania krzywych osiągów j ó kli t
h( b d i
fi
óż i
i k
h i ó
pasożyta)
100 linii (po 10 z każdego szczepu); badana cecha (krzywe osiągów) : produkcja jaj
Cel 3: Analiza związku pomiędzy genetycznie uwarunkowanymi różnicami w krzywych osiągów, rozmiarach ciała oraz komórek S. fletiae w powiązaniu z danymi filogenetycznymi i warunkami termicznymi na różnych szerokościach geograficznych
3. Wpływ warunków termicznych na interakcję pasożyt gospodarz
pasożyt‐gospodarz
Cel: Zbadanie czy negatywny efekt pasożytów na gospodarza zależy od stopnia pokrywania się krzywych osiągów pasożyta i gospodarza oraz od stopnia zmienności warunków termicznych (temperatury stałe w porównaniu z fluktuującymi w czasie).
Wybrane zostaną trzy linie genetyczne nicieni.
Trzy linie genetyczne nicieni
Dwie linie: podobne wartości T0 (T01), ale inne B80 (wąski zakres ‐ B801, szeroki – B802), Trzecia linia: szeroki zakres B802 oraz T0 (T02) zbliżonym do T0 dla gospodarza (T0h) 3. Wpływ warunków termicznych na interakcję pasożyt‐gospodarz
ż t
d
Zabiegi
Zabiegi:
Średnia temperatura
Poziom fluktuacji temperatury (w oparciu o B80)
brak
wąski (B80h)
średni (B801)
szeroki (B802)
niska (T01)
x
x
x
x
ś d (
średnia (T02)
)
x
x
x
x
wysoka (T0h)
x
x
x
x
Parametry: infekcyjność/odporność wyrażone jako śmiertelność oraz płodność gospodarza
oraz płodność gospodarza