| Περίληψη |
Η θερμοκρασία αποτελεί ένα πολύ σημαντικό περιβαλλοντικό παράγοντα που συμβάλλει στην αφθονία των ειδών και στη γεωγραφική τους κατανομή. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, η προσαρμογή των εξώθερμων οργανισμών στο φαινόμενο της υπερθέρμανσης του πλανήτη έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας προκειμένου να γίνουν κατανοητοί οι μηχανισμοί με τους οποίους οι οργανισμοί ανταποκρίνονται στις αυξημένες θερμοκρασίες. Καθώς τα ψάρια αποτελούν μια μεγάλη ομάδα εξώθερμων, η ευαισθησία των πρώιμων οντογενετικών τους σταδίων μπορεί να μεταβάλει σε μόνιμη ή προσωρινή βάση την ανάπτυξη και την επιβίωση τους μέσω της φαινοτυπικής πλαστικότητας. Με τον όρο φαινοτυπική πλαστικότητα χαρακτηρίζεται το φαινόμενο κατά το οποίο ένας γονότυπος μπορεί να εμφανίσει περισσότερους του ενός φαινοτύπους, όταν εκτίθεται σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες κατά την ανάπτυξη.
Εντός του θερμοκρασιακού εύρους του κάθε είδους, η θερμοκρασία επηρεάζει την απόδοση των ψαριών σε πολλά επίπεδα της βιολογικής οργάνωσης. Σε κάποια είδη ψαριών, η θερμοκρασία ανάπτυξης έχει αναγνωριστεί ως βασικός παράγοντας καθορισμού του φύλου, της ανατομίας των μυών, του σχήματος σώματος, των μεριστικών χαρακτήρων, του χρονισμού των οντογενετικών γεγονότων, της δυνατότητας για εγκλιματισμό και της κολυμβητικής ικανότητας. Παρά τη μέχρι τώρα καλά μελετημένη επίδραση της θερμοκρασίας στην καρδιά των αναπτυσσόμενων ψαριών, από όσο γνωρίζουμε, αυτή είναι η πρώτη εργασία που παρουσιάζει το προγραμματισμό του σχήματος της καρδιάς από την θερμοκρασία του πρώιμου περιβάλλοντος.
Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας ανάπτυξης στην ανατομία της καρδιάς, και στην κολυμβητική ικανότητα του zebrafish, μετά από κάποιους μήνες μετά το τέλος της επίδρασης των διαφορετικών συνθηκών. Σε δευτερεύον επίπεδο, στόχος ήταν η μελέτη της γονιδιακής έκφρασης πέντε γονιδίων-δεικτών αναδιαμόρφωσης της καρδιάς καθώς και η επίδραση της θερμοκρασίας ανάπτυξης στο σχήμα σώματος και στη γονιμότητα του zebrafish. Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήσαμε το zebrafish ως κατάλληλο οργανισμό μοντέλο καθώς είναι ένα είδος με έντονη φαινοτυπική πλαστικότητα έναντι της θερμοκρασίας ανάπτυξης ενώ ταυτόχρονα εμφανίζει ίδιο πρότυπο οντογένεσης με την πλειοψηφία των τελεόστεων.
Αβγά zebrafish από κοινό απόθεμα γεννητόρων διαμοιράστηκαν σε τρεις θερμοκρασίες ανάπτυξης (24, 28 και 32 °C) μέχρι τη μεταμόρφωση, και μετά παρέμειναν σε κοινές συνθήκες (28 °C) μέχρι την ενηλικίωση. Η μελέτη της ανατομίας της καρδιάς πραγματοποιήθηκε μέσω micro-ct απεικόνισης στο τέλος της επίδρασης των διαφορετικών συνθηκών και στο ενήλικο στάδιο. Η κρίσιμη ταχύτητα κολύμβησης (Ucrit) χρησιμοποιήθηκε ως αξιόπιστος δείκτης μέτρησης της αερόβιας κολυμβητικής ικανότητας για το στάδιο του ιχθυδίου και το ενήλικο στάδιο μετά από 20 και 100 μέρες εγκλιματισμού στις κοινές συνθήκες (28 °C) αντίστοιχα. Οι μετρήσεις του σχήματος σώματος έλαβαν μέρος μετά από τον υπολογισμό της κρίσιμης ταχύτητας κολύμβησης για το κάθε ψάρι. Η γονιδιακή έκφραση μελετήθηκε στο τέλος της εφαρμογής των κοινών συνθηκών και μετά από 20 μέρες εγκλιματισμού στις κοινές συνθήκες. Τα πειράματα μελέτης της επίδρασης της θερμοκρασίας
ανάπτυξης στη γονιμότητα του zebrafish πραγματοποιήθηκαν στο ενήλικο στάδιο, 180 και 300 μέρες μετά το τέλος της εφαρμογής των διαφορετικών συνθηκών.
Ως προς το σχήμα της καρδιάς, αύξηση της θερμοκρασίας ανάπτυξης συνδέθηκε με πιο κυκλικό σχήμα κοιλίας στα αρσενικά (μείωση κατά 22% του VL/VD), αλλά όχι στα θηλυκά zebrafish. Ως προς τους υπόλοιπους προς εξέταση μορφολογικούς χαρακτήρες της καρδιάς των ενηλίκων, η θερμοκρασία ανάπτυξης προκάλεσε έντονες φυλο-εξαρτώμενες διαφορές. Στους 32 °C τα θηλυκά άτομα εμφάνισαν σημαντικά πιο μακρόστενη κοιλία από τα αρσενικά της ίδιας θερμοκρασιακής συνθήκης (αύξηση κατά 22% του VL/VD). Το μήκος του αρτηριακού βολβού των αρσενικών που μεγάλωσαν στους 28 °C βρέθηκε υψηλότερο από των θηλυκών της αντίστοιχης θερμοκρασιακής συνθήκης (αύξηση κατά 7% του BaL/SL). Ο σχετικός όγκος της κοιλίας των αρσενικών στους 24 και 28 °C ήταν σημαντικά μεγαλύτερος από των θηλυκών των αντίστοιχων θερμοκρασιών (αύξηση κατά 26% του VeV/SL στους 24 °C και στους 28 °C των αρσενικών έναντι των θηλυκών). Ο σχετικός όγκος του αρτηριακού βολβού βρέθηκε και αυτός σημαντικά υψηλότερος στα αρσενικά των 28 και 32 °C σε σχέση με τα θηλυκά των αντίστοιχων θερμοκρασιών (αυξημένος BuLV/SL στα αρσενικά κατά 22% στους 28 °C και κατά 19% στους 32 °C).
Στα ιχθύδια, ως προς το σχήμα της καρδιάς, παρατηρήθηκε σημαντική επίδραση της θερμοκρασίας ανάπτυξης (μείωση κατά 10% του VL/VD με την αύξηση της θερμοκρασίας). Ως προς τους υπόλοιπους υπό εξέταση μορφολογικούς χαρακτήρες της καρδιάς, παρατηρήθηκαν αποκρίσεις εγκλιματισμού έναντι της θερμοκρασίας ανάπτυξης. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, μειώθηκε το μήκος του αρτηριακού βολβού (μείωση κατά 12% του BaL/SL) καθώς και ο σχετικός όγκος της κοιλίας και του αρτηριακού βολβού (μείωση κατά 45% του VeV/SL και του BuLV/SL).
Η θερμοκρασία ανάπτυξης επέδρασε σημαντικά στην κρίσιμη ταχύτητα κολύμβησης των ενήλικων zebrafish. Στα αρσενικά, αύξηση της θερμοκρασίας ανάπτυξης από τους 24 στους 32 °C οδήγησε σε μείωση της κρίσιμης ταχύτητας κολύμβησης κατά 16%. Στα θηλυκά, τα άτομα που μεγάλωσαν στους 32 °C είχαν σημαντικά πιο χαμηλή κρίσιμη ταχύτητα κολύμβησης από τα άτομα των 24 και των 28 °C (μείωση κατά 25% και κατά 30% αντίστοιχα). Η επίδραση του φύλου αποδείχτηκε σημαντική σε όλες τις υπό εξέταση θερμοκρασίες με τα αρσενικά να επιτυγχάνουν υψηλότερες τιμές κρίσιμης ταχύτητας κολύμβησης έναντι των θηλυκών (αυξημένη RUcrit κατά 16% στους 24 °C, κατά 7% στους 28 °C και κατά 26% στους 32 °C στα αρσενικά). Στα ιχθύδια, η επίδραση της θερμοκρασίας ανάπτυξης δεν αποδείχτηκε σημαντική αν και η ύπαρξη μιας ανάλογης τάσης δεν μπορεί να παραβληθεί.
Η μελέτη της γονιδιακής έκφρασης στο τέλος της επίδρασης των διαφορετικών θερμοκρασιών αποκάλυψε σημαντική υπερέκφραση στη χαμηλότερη θερμοκρασία ανάπτυξης (24 °C) του nppa (κατά 16 φορές περισσότερη από τους 28 °C), του myh7 (κατά 74 φορές μεγαλύτερη από τους 28 °C), του mybpc3 (κατά 9 φορές μεγαλύτερη από τους 28 °C ) και του actinb2 (κατά 4 φορές μεγαλύτερη σε σχέση με τους 32 °C). Μετά από 20 μέρες εγκλιματισμού σε κοινές συνθήκες (28 °C), οι διαφορές στα περισσότερα γονίδια εξομαλύνθηκαν, ενώ παρατηρήθηκε μείωση της έκφρασης των γονιδίων nfatc1 και mybpc3 στους 24 °C ως προς την τιμή αναφοράς των 28 °C (κατά 3 και 2 φορές μικρότερη, αντίστοιχα).
Ως προς το σχήμα σώματος των ενηλίκων, η θερμοκρασία ανάπτυξης επέδρασε σημαντικά στο σχήμα σώματος των αρσενικών, διαφοροποιώντας την ομάδα των 24 °C από τις ομάδες των 28 και 32 °C. Τα αρσενικά που αναπτύχθηκαν στους 24 °C εμφάνισαν πιο υδροδυναμικό σχήμα σε σχέση με τις υπόλοιπες ομάδες. Αντίστοιχα στα θηλυκά, η θερμοκρασία ανάπτυξης επέδρασε σημαντικά, διαφοροποιώντας τα άτομα που μεγάλωσαν στους 32 °C από τα άτομα που μεγάλωσαν στους 24 και 28 °C. Τα θηλυκά άτομα των 32 °C εμφάνισαν αισθητά πιο διογκωμένη κοιλία από τις υπόλοιπες ομάδες. Στα ιχθύδια, η θερμοκρασία ανάπτυξης διαφοροποίησε σημαντικά το σχήμα σώματος των ατόμων που μεγάλωσαν στους 32 °C σε σχέση με αυτά που μεγάλωσαν στους 24 °C και στους 28 °C. Τα άτομα των 32 °C είχαν λιγότερο βαθειά κοιλία σε σχέση με τις υπόλοιπες ομάδες.
Ως προς την πλαστικότητα της γονιμότητας των θηλυκών zebrafish έναντι της θερμοκρασίας ανάπτυξης, τα αποτελέσματα έδειξαν πως η σχετική γονιμότητα των θηλυκών ατόμων αυξάνει στις χαμηλές (24 °C) έναντι των υψηλών (32 °C) θερμοκρασιών ανάπτυξης (αύξηση κατά 40% του EggsT/W). Στη δεύτερη πειραματική επανάληψη τα αποτελέσματα δεν επιβεβαιώθηκαν στατιστικά.
Τα ευρήματα της παρούσας εργασίας αποδεικνύουν πως η θερμοκρασία των πρώιμων οντογενετικών σταδίων προκαλεί μόνιμες αλλαγές στη καρδιά και την κολύμβηση των ενηλίκων. Δεδομένης της μεγάλης οικολογικής σημασίας που έχει η κρίσιμη ταχύτητα κολύμβησης για τους φυσικούς πληθυσμούς (μετανάστευση, αποφυγή θήρευσης, θρέψη), τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας υποδεικνύουν τις πιθανές αποκρίσεις της υπερθέρμανσης του πλανήτη και των εποχιακών διακυμάνσεων στους πληθυσμούς των ψαριών. Εκτός από τα ψάρια, τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ θα μπορούσαν να αφορούν και τις πιθανές πλαστικές αποκρίσεις της καρδιάς των υπόλοιπων εξώθερμων οργανισμών (αμφίβια, ερπετά).
|
Μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας ανάπτυξης στην καρδιά, στην κολυμβητική ικανότητα και στη γονιμότητα του zebrafish Danio rerio (Hamilton 1822)
