Περιβαλλοντικά ελεγχόμενος προγραμματισμός του φαινότυπου στο zebrafish, Danio rerio (Hamilton, 1822)

• Κύριος συγγραφέας: Γεώργα, Ιωάννα
• Άλλοι συγγραφείς: Κουμουνδούρος, Γεώργιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2008
• Θέματα: Φαινοτυπική πλαστικότητα; Φυλοκαθορισμός στα ψάρια; Θερμοκρασία; Phenotypic plasticity; Temperature; Zebrafish; 597.482

Ο όρος φαινοτυπική πλαστικότητα χαρακτηρίζει την ιδιότητα ενός γονότυπου να παράγει ποικίλους φαινότυπους, ως απόκριση στις περιβαλλοντικές συνθήκες στις οποίες υπόκειται (Pigliucci et al. 2006). Αυτή η απόκριση μπορεί να εκφράζεται σε μορφολογικό, βιοχημικό, φυσιολογικό ή αναπτυξιακό επίπεδο (οντογενετική πλαστικότητα), καθώς και στα πρότυπα συμπεριφοράς. Δεδομένης της σημασίας της φαινοτυπικής πλαστικότητας για τις λειτουργικές αποκρίσεις των ατόμων και των πληθυσμών (π.χ. αναλογία φύλου και πληθυσμιακή δομή), η μελέτη του φαινομένου στην ομάδα των ψαριών θεωρείται σημαντική τόσο για τους φυσικούς πληθυσμούς, σε οικολογικό ή εξελικτικό χρόνο, όσο και για τους εκτρεφόμενους. Η ολοκληρωμένη μελέτη της φαινοτυπικής πλαστικότητας, με έμφαση στους υποκείμενους μοριακούς και αναπτυξιακούς μηχανισμούς, μπορεί να δώσει πιο τεκμηριωμένες απαντήσεις στα ερωτήματα που σχετίζονται με τον τρόπο δράσης του φαινομένου στην οικολογία και στην εξέλιξη των ειδών, αλλά και σε πιο πρακτικά ζητήματα, όπως αυτά που αφορούν την εκτροφή ψαριών. Ο κύριος περιβαλλοντικός παράγοντας, υπεύθυνος για την εμφάνιση φαινοτυπικής πλαστικότητας στα ψάρια, φαίνεται ότι είναι η θερμοκρασία ανάπτυξης, η οποία έχει βρεθεί ότι επιδρά στο μεταβολισμό, την ανάπτυξη (Johston 1996, Stickland et al. 1998, Guderley 2004) και τη δομή των μυών (Guderley and Johston 1996, Ochi and Westerfield 2007), τους μεριστικούς χαρακτήρες (Lindsey 1998, Georgakopoulou et al. 2007), το σχήμα του σώματος (Loy et al. 1996, Georgakopoulou et al. 2007), την κολυμβητική ικανότητα (Fuiman and Batty 1997) και την αναλογία φύλου (Pavlidis et al. 2000, Koumoundouros et al. 2002a). Η θερμοκρασία ανάπτυξης, φαίνεται ότι επηρεάζει σημαντικά το ρυθμό αύξησης και διαφοροποίησης των ψαριών, τροποποιώντας το σωματικό μέγεθος όπου επιτελούνται τα διάφορα αναπτυξιακά γεγονότα, φαινόμενο γνωστό ως οντογενετική πλαστικότητα (Koumoundouros et al. 2001, Sfakianakis et al. 2004). Στην παρούσα εργασία εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας πρώιμης ανάπτυξης, στη φαινοτυπική πλαστικότητα του είδους Danio rerio. Εξετάστηκε η αναλογία του φύλου και το σχήμα του σώματος των ψαριών, καθώς και ο ρυθμός ανάπτυξης των νυμφών και των ιχθυδίων κατά τη διάρκεια της εφαρμογής των διαφορετικών θερμοκρασιακών συνθηκών. Παράλληλα έγινε μια προσπάθεια προσδιορισμού του ευαίσθητου στην επίδραση της θερμοκρασίας, οντογενετικού σταδίου. Σύμφωνα με τον πειραματικό σχεδιασμό που ακολουθήθηκε, εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια δύο διαφορετικών πρώιμων οντογενετικών περιόδων, διάρκειας 280οd η κάθε 100 μία (28-308οd και 280-560οd). Στην πρώτη οντογενετική περίοδο, τα έμβρυα αφέθηκαν για είκοσι τέσσερις ώρες στους 28οC και στη συνέχεια διαχωρίστηκαν σε τρεις πληθυσμούς ψαριών οι οποίοι υποβλήθηκαν σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασιακές συνθήκες (22, 28, 32οC) για μια περίοδο 280οd (28-308od, πρώτη υπό εξέταση οντογενετική περίοδος, ΟΠ1). Στη δεύτερη οντογενετική περίοδο, τα έμβρυα και οι νύμφες διατηρήθηκαν σε κοινές συνθήκες (28οC) μέχρι την 10η ημέρα μετά τη γονιμοποίηση. Στη συνέχεια διαχωρίστηκαν σε τρεις πληθυσμούς ψαριών, οι οποίοι υποβλήθηκαν σε διαφορετικές θερμοκρασιακές συνθήκες (22, 28 και 32οC) μέχρι την 560οd (280-560od, δεύτερη υπό εξέταση οντογενετική περίοδος, ΟΠ2). Και στις δύο περιπτώσεις, μετά το πέρας της περιόδου των 280οd με διαφορετική θερμοκρασιακή επίδραση, η ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε σε κοινές συνθήκες (28οC). Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν εις διπλούν. Όλοι οι πειραματικοί πληθυσμοί, προήλθαν από κοινό απόθεμα αυγών. Η διατήρηση και η εκτροφή των νυμφών και των ενήλικων ψαριών πραγματοποιήθηκε βάσει μεθοδολογίας που περιγράφεται στο «The Zebrafish Book» (Westerfield 1995). Το φύλο των ενήλικων ατόμων προσδιορίστηκε μακροσκοπικά, έχοντας ως βάση τους χαρακτήρες της διογκωμένης κοιλιάς των θηλυκών ατόμων και του κίτρινου χρώματος των αρσενικών (Νεοφύτου 2003). Προκειμένου να επιβεβαιωθεί ο μακροσκοπικός προσδιορισμός του φύλου, ακολούθησε ο εγκλεισμός τριάντα συντηρημένων δειγμάτων (Εγκλεισμός σε Τechnovit 7100, τμήση 1-3 μm, χρώση με Polychrome I και II κια μικροσκοπική παρατήρηση των τομών). Για τη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας ανάπτυξης στην εξωτερική μορφολογία του σώματος των ενήλικων zebrafish, επιλέχθηκαν τυχαία 30 άτομα ανά φύλο και πειραματικό πληθυσμό, τα οποία υποβλήθηκαν σε ανάλυση γεωμετρικής μορφομετρίας. Με την ίδια μέθοδο αναλύθηκε και το σχήμα του σώματος των νυμφών της πρώτης και της δεύτερης υπό εξέταση οντογενετικής περιόδου, κατά το τέλος της εφαρμογής των διαφορετικών θερμοκρασιακών συνθηκών, στις 308od και στις 560od, αντίστοιχα. Στις νύμφες της πρώτης οντογενετικής περιόδου, ελήφθησαν επιπλέον δείγματα δέκα ημέρες μετά από το τέλος της εφαρμογής των θερμοκρασιακών συνθηκών. Για τη μελέτη του ρυθμού διαφοροποίησης, ελήφθησαν δείγματα νυμφών από κάθε πειραματικό πληθυσμό, μετά από τη λήξη της εφαρμογής των διαφορετικών θερμοκρασιακών συνθηκών. Συγκεκριμένα, από τους πληθυσμούς της ΟΠ1 δείγματα ελήφθησαν στις 588°d, ενώ από τους πληθυσμούς ΟΠ2, στις 560°d. Επίσης, εξετάστηκαν οι μεριστικοί χαρακτήρες των νυμφών της πρώτης και της δεύτερης οντογενετικής περιόδου, αφού προηγήθηκε διπλή χρώση των δειγμάτων με 101 Αλιζαρίνη (Alizarin Red S) και Κυανό της Αλσατίας (Alcian Blue) (Park and Kim 1984). Τα δείγματα φωτογραφήθηκαν ατομικά και μετρήθηκε το μεσουραίο μήκος (FL) του κάθε ατόμου. Στη συνέχεια, μετρήθηκε (1) ο αριθμός των κοιλιακών πλευρών, (2) ο αριθμός των πτερυγιοφόρων και των λεπιδοτριχίων του ραχιαίου και εδρικού πτερυγίου, και (3) ο αριθμός των δερματοτριχίων και των λεπιδοτριχίων του ουραίου πτερυγίου. Ο έλεγχος των διαφορών της αναλογίας φύλου μεταξύ των διαφορετικών πληθυσμών, έγινε με G-test (Sokal and Rohlf 1981). Για τη σύγκριση του σχήματος μεταξύ των δύο φύλων και των διαφορετικών πειραματικών πληθυσμών, εφαρμόστηκε ανάλυση κανονικών συνιστωσών (Canonical Variate Analysis, λογισμικό Statistica, έκδοση 6.0). Τέλος, ο έλεγχος των διαφορών του μέσου μήκους του σώματος μεταξύ των διαφορετικών πληθυσμών, πραγματοποιήθηκε με Mann-Whitney test (μη παραμετρικός έλεγχος), αφού προηγήθηκε ο έλεγχος ομοιοσκεδαστικότητας και κανονικής κατανομής. Η επίδραση της θερμοκρασίας στην αναλογία φύλου αποδείχθηκε στατιστικά σημαντική μόνο κατά την πρώτη οντογενετική περίοδο (p < 0.05, G-test), και όχι κατά τη δεύτερη (p > 0.05, G-test). Ο κατά ζεύγη έλεγχος των διαφορών στην αναλογία φύλου μεταξύ των διαφορετικών θερμοκρασιακών συνθηκών, έδειξε στατιστικά σημαντική επίδραση στην αναλογία φύλου μόνο μεταξύ των 22 και 28οC της ΟΠ1 (28-308οd), όπου η μέση συχνότητα των θηλυκών ατόμων ευνοείται στους 22°C (52,3% έναντι του 37,0% των 28°C, p < 0.05, G-test). Η ίδια συχνότητα εμφανίστηκε αυξημένη και στους 32°C (44,9% έναντι του 37,0% των 28°C), χωρίς ωστόσο να επιβεβαιώνεται και στατιστικά (p > 0.05, Gtest). Σε ότι αφορά τη δεύτερη οντογενετική περίοδο (280-560°d), η μέση συχνότητα των θηλυκών ατόμων στους 22°C (51,9%) και στους 32°C (46,1%), εμφανίζεται αυξημένη σε σχέση με αυτή των 28°C (44,5%), χωρίς ωστόσο οι διαφορές αυτές να είναι στατιστικά σημαντικές (p > 0.05, G-test). Η ύπαρξη μη στατιστικά σημαντικής διαφοράς της αναλογίας φύλου μεταξύ των 28 και 32°C και στατιστικά σημαντικής διαφοράς μεταξύ των 22 και 28°C, υποδεικνύει ότι το πρότυπο απόκρισης της αναλογίας φύλου στην θερμοκρασία πρώιμης ανάπτυξης εμφανίζει ανεξαρτησία στο εύρος 28-32°C και θηλυκοποίηση στους 22°C. Σε όλα τα οντογενετικά παράθυρα που εξετάστηκαν και σε όλες τις πειραματικές επαναλήψεις, τα αποτελέσματα της ανάλυσης των κανονικών συνιστωσών, έδειξαν ότι το φύλο και η θερμοκρασία πρώιμης ανάπτυξης επέδρασαν σημαντικά στο σχήμα του σώματος των ενήλικων ατόμων zebrafish. Η κατά φύλο γεωμετρική ανάλυση του σχήματος, έδειξε ότι η θερμοκρασία ανάπτυξης κατά την ΟΠ1 (28-308od) και ΟΠ2 (280-560od) επιδρά σημαντικά στο σχήμα 102 του σώματος και των δύο φύλων, με τους τρεις πληθυσμούς κάθε οντογενετικής περιόδου και επανάληψης να διαχωρίζονται πλήρως μεταξύ τους κατά μήκος των δύο κανονικών μεταβλητών. Η εξέταση του σχήματος του σώματος των νυμφών της ΟΠ1 (28-308οd), στις 308οd και στις 588 οd, και της ΟΠ2 (280-560οd), στις 560οd, έδειξε ότι η θερμοκρασία ανάπτυξης επηρέασε το σχήμα του σώματός τους. Σε όλες τις, οι διαφορές στο σχήμα οφείλονται τόσο στις ομοιόμορφες συνιστώσες του σχήματος, όσο και στις μη ομοιόμορφες, με τις πρώτες να συμβάλλουν στη νωτοκοιλιακή διεύρυνση ή συμπίεση του σώματος των νυμφών, ανάλογα με την περίπτωση. Ενώ όμως η επίδραση της θερμοκρασίας στο σχήμα του σώματος είναι σημαντική, δε φαίνεται να υπάρχει κάποιο καθορισμένο – σταθερό πρότυπο επίδρασης των κανονικών συνιστωσών. Αυτό πιθανότατα οφείλεται στο ότι δεν είχαν φτάσει όλες οι νύμφες στο ίδιο στάδιο ανάπτυξης κατά τις ημέρες των δειγματοληψιών. Τα δείγματα των νυμφών που λήφθηκαν μετά την έκθεση των πληθυσμών στις τρεις διαφορετικές θερμοκρασιακές συνθήκες, κατά την πρώτη (28-308οd) ή τη δεύτερη (280- 560οd) οντογενετική περίοδο, διαφοροποιήθηκαν σημαντικά ως προς το μέσο μεσουραίο μήκος (FL) των ατόμων. Συγκεκριμένα, η έκθεση στους 22οC οδήγησε σε σημαντική μείωση του FL των ατόμων (p<0.05, Mann Whitney U-test), παρά το ότι τα δείγματα λήφθηκαν στο ίδιο θερμικό άθροισμα. Τα αποτελέσματα έδειξαν, ότι η ανάπτυξη των ψαριών που αφέθηκαν στους 22οC, κατά τη δεύτερη υπό εξέταση οντογενετική περίοδο (280-560οd), καθυστέρησε σε σχέση με τους πληθυσμούς των 28 και 32οC. Αυτό φαίνεται από τα διαγράμματα που αφορούν τον αριθμό των πτερυγιοφόρων και των ακτινών του ραχιαίου πτερυγίου, τον αριθμό των πτερυγιοφόρων και των ακτινών του εδρικού πτερυγίου, καθώς και τον αριθμό των κοιλιακών πλευρών. Συγκεκριμένα, η ολοκλήρωση της ανάπτυξης των πτερυγιοφόρων του ραχιαίου πτερυγίου, των ακτινών του εδρικού και των κοιλιακών πλευρών, καθυστερεί στους 28οC, σε σχέση με τους 32 οC. Η εμφάνιση των ακτινών του ραχιαίου πτερυγίου, καθυστερεί στους 28 οC, σε σχέση με τους 32 οC. Τέλος, η εμφάνιση των πτερυγιοφόρων του εδρικού πτερυγίου, καθυστερεί στους 22 οC, σε σχέση με τους 28 οC. Σε ότι αφορά τα άτομα της πρώτης οντογενετικής περιόδου, οι χαρακτήρες που μελετήθηκαν είτε είχαν εμφανιστεί νωρίτερα από τη λήψη των δειγμάτων, είτε είχε ολοκληρωθεί αργότερα η ανάπτυξή τους.