Rodzaj Paramacrobiotus(Tardigrada): taksonomia integratywna, biogeografia i oraz wpływ czynników stresowych na wybrane gatunki
Loading...
Date
2023
Authors
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
The genus Paramacrobiotus (Tardigrada): integrative taxonomy, biogeography and effects of stress factors on the selected species
Abstract
Paramacrobiotus stanowi jeden z rodzajów należących do typu Tardigrada (grupy zwierząt potocznie nazywanej niesporczakami lub misiami wodnymi). Rodzaj ten został utworzony ponad dekadę temu. Poprzednio, przedstawiciele tego rodzaju byli zaliczani do kompleksu richtersi-areolatus wewnątrz rodzaju Macrobiotus, by w końcu, przy pomocy technik analizy molekularnej i filogenetycznej zostać wyodrębnionymi jako nowy rodzaj. Jak sugeruje tytuł, celem niniejszej rozprawy były badania rodzaju Paramacrobiotus, z uwzględnieniem zastosowania taksonomii integratywnej w opisie nowych dla wiedzy gatunków, ustalenie potencjalnych zasięgów występowania gatunków partenogenetycznych oraz sprawdzenie zasadności hipotezy „wszystko jest wszędzie” względem badanych gatunków, zbadanie wpływu czynników stresowych na gatunek Pam. experimentalis, badania nad rozmieszczeniem poszczególnych gatunków, badania mikrobiomu, a także przyjrzenie się historiom życiowym poszczególnych gatunków z uwzględnieniem zdolności do anhydrobiozy. Ponadto sporządzony został nowy klucz diagnostyczny dla rodzaju Paramacrobiotus wykorzystujący cechy morfologiczne i morfometryczne osobników dorosłych i jaj. Wykorzystując techniki taksonomii integratywnej (klasyczna morfologia i morfometria oraz badania genetyczne), nowy gatunek, Pam. gadabouti, został opisany na podstawie materiału pochodzącego z Ribeiro Frio na Maderze. Ponadto, eksperymentalnie zbadano sposób rozmnażania się tego gatunku, co potwierdziło wzajemne powiązania między szerokim rozprzestrzenieniem a partenogenezą. W kolejnej pracy przeanalizowano rozmieszczenie oraz zróżnicowanie genetyczne dwóch partenogenetycznych gatunków z rodzaju Paramacrobiotus, tj. Pam. gadabouti oraz Pam. fairbanksi potwierdzając prawdziwość hipotezy „wszystko jest wszędzie” przynajmniej dla niektórych gatunków niesporczaków. Modelowanie niszy środowiskowych wykonane przy użyciu narzędzia MaxEnt, potwierdza szeroki zasięg obydwu partenogenetycznych gatunków. W kolejnej publikacji zbadano przeżywalność niesporczaków z gatunku Pam. experimentalis, wystawianych na działanie różnych stężeń (0,25%; 0,50% oraz 1,00%) nadchloranu magnezu (uwzględniając stężenia zaobserwowane w marsjańskim regolicie) w dwóch różnych przedziałach czasowych (24h i 72h). W próbach, w których osobniki zostały poddane 24-godzinnej ekspozycji, kolejno 33,3%; 16,7% oraz 0% osobników pozostało aktywnych w stężeniach 0,25%; 0,50% oraz 1,00%. Jednakże, ponad 75% z nich powróciło do stanu aktywnego po przeniesieniu ich do medium hodowlanego (93,3%; 76,7% oraz 86,7% osobników w stężeniach 0,25%; 0,50% oraz 1,00%). W próbach, w których osobniki zostały poddane 72-godzinnej ekspozycji, kolejno 30,0%; 26,7% oraz 0% osobników pozostało aktywnych w stężeniach 0,25%; 0,50% oraz 1,00%. Po przeniesieniu ich do medium hodowlanego kolejno 83,3%; 86,7% oraz 10,0% osobników w stężeniach 0,25%; 0,50% oraz 1,00% powróciło do stanu aktywnego. W następnej pracy zbadano zmiany w ultrastrukturze komórek spichrzowych zarówno u aktywnych osobników, jak i u osobników w anhydrobiozie. Zbadano też poziom syntezy białek szoku cieplnego (Hsp27, Hsp60 oraz Hsp70) u aktywnych osobników Pam. experimentalis wystawionych na podwyższoną temperaturę (35 °C, 37 °C, 40 °C i 42 °C) przez pięć godzin, w porównaniu do optymalnej temperatury hodowlanej (20 °C). Pojedyncze komórki spichrzowe z grupy kontrolnej, znajdowały się w jamie ciała, pośród narządów wewnętrznych, przyjmując kuliste i ameboidalne kształty. Niewielkie, choć zauważalne zmiany w mitochondriach zostały zaobserwowane u osobników aktywnych wystawionych na temperaturę 35 °C. Znaczące zmiany w ultrastrukturze komórek spichrzowych zaobserwowane zostały u osobników poddanych temperaturze 37 °C. Zaobserwowano u nich liczne, uszkodzone mitochondria z zauważalnym zanikiem grzebieni oraz pojawieniem się struktur autofagicznych. Jeszcze więcej zmian zaobserwowano w temperaturze 40 °C, objawiających się nieregularnym kształtem komórek spichrzowych, uszkodzeniami organelli komórkowych oraz zwiększoną obecnością ciał autofagicznych i autolizosomów w mitochondriach. Jednakże najbardziej drastyczne zmiany zaobserwowano w 42 °C, gdzie nastąpiła pełna degradacja komórek i organelli, wskazująca na wystąpienie martwicy, do poziomu utrudniającego rozpoznanie komórek. Jednocześnie, osobniki w anhydrobiozie, poddane działaniu podwyższonej temperatury, nie wykazywały jakichkolwiek negatywnych zmian w komórkach spichrzowych na poziomie ultrastrukturalnym. Spośród pięciu zastosowanych w badaniu temperatur, trzy uznane za najważniejsze zostały wybrane (20 °C – optymalna temperatura do hodowli, 35 °C – najwyższa temperatura, po której nastąpił powrót osobników do aktywności oraz 42 °C – gdzie zaobserwowana została pełna martwica) i wykorzystane do określenia poziomów białek szoku cieplnego (Hsp27, Hsp60 oraz Hsp70) w aktywnych osobnikach. Wszystkie próbki wskazywały na wyraźny wzrost poziomu ekspresji białek wraz ze wzrostem temperatury. W ostatniej pracy składającej się na rozprawę doktorską zebrano całkowitą dostępną wiedzę na temat rodzaju Paramacrobiotus. Podsumowując więc, do rodzaju Paramacrobiotus należy obecnie 45 gatunków (wliczając w to Pam. gadabouti dodany w ramach niniejszej pracy), które można znaleźć na całym świecie, popierając tezę, że rodzaj ten jest kosmopolityczny. W rodzaju występują zarówno partenogenetyczne, jak i obupłciowe gatunki, wykazujące zarówno krótką jak i długą długość życia. Gatunki w tym rodzaju mogą być wszystkożerne (jednak z przewagą drapieżników), a odżywiają się między innymi, cyjanobakteriami, algami, grzybami, wrotkami, nicieniami oraz niesporczakami. Gatunki z tego rodzaju charakteryzują się dość dobrą zdolnością do kryptobiozy, dzięki czemu często stanowią obiekt badań w pracach nad anhydrobiozą.
Paramacrobiotus is one of the genera of the phylum Tardigrada (commonly referred as water bears). This genus was erected more than a decade ago. Previously all representatives of this genus were included in the richtersi-areolatus complex within the genus Macrobiotus, but with the help of molecular and phylogenetic analysis, this new genus was identified and established. As the title of thesis suggests, the goal of this dissertation was the overall study of the genus Paramacrobiotus, including: incorporating integrative taxonomy in new species descriptions, working out the distribution patterns of parthenogenetic Pramacrobiotus species, testing if the ‘everything is everywhere’ hypothesis is true for them, testing the influence of different types of stressors on the species Pam. experimentalis, assessing biogeography, distribution, microbiome, reproduction, feeding behaviour, life history, Wolbachia endosymbiont identification and cryptobiotic abilities of the species from the genus Pramacrobiotus and providing a new diagnostic key for the genus using morphological and morphometric characters of adults and eggs. Using an integrative taxonomy approach (classical morphology and morphometry, as well as, genotypic using DNA barcodes and phylogenetic tree), a new species: Pam. gadabouti was described from a moss sample collected in Ribeiro Frio, Madeira. Furthermore, the mode of reproduction of this species was studied experimentally, which corroborates the interrelatedness between wide distribution and parthenogenesis. In the subsequent paper constituting the doctoral dissertation, two parthenogenetic species of the Paramacrobiotus, i.e., Pam. gadabouti and Pam. fairbanksi were analysed to study the distribution, as well as genetic variability which showed that the ‘everything is everywhere’ hypothesis is true for, at least, some tardigrade species. Environmental niche modelling performed using MaxEnt supports the wide distribution of these two parthenogenetic species. In the next publication, survivability of the Pam. experimentalis was tested at various concentrations (0.25%, 0.50% and 1.00%) of magnesium perchlorates (in range with the concentration present in Martian regolith) for two different time points (24h and 72h). In experiments where specimens were exposed to 24h time period, 33.3%, 16.7% and 0% were active in 0.25%, 0.50% and 1.00% solutions, respectively. However, more than 75% returned to activity after transferring them to the culture medium (93.3%, 76.7% and 86.7% of specimens exposed to 0.25%, 0.50% and 1.00% solutions, respectively). In experiments where specimens were exposed to 72h time period, 30.0%, 26.7% and 0% were active in 0.25%, 0.50% and 1.00% solutions, respectively and after transferring them to the culture medium, 83.3%, 86.7% and 10.0% of specimens exposed to 0.25%, 0.50% and 1.00% solutions, respectively, returned to activity. In the following paper constituting the doctoral dissertation, changes in ultrastructure for both active animals and desiccated tuns, as well as levels of heat shock proteins (Hsp27, Hsp60 and Hsp70) in active animals of Pam. experimentalis were studied when exposed at higher temperatures (35 °C, 37 °C, 40 °C, and 42 °C) for 5 hours, compared to optimal temperature (20 °C). Isolated storage cells from the control group persisted in the body cavity among internal organs in an amoeboid or spherical shape. Small, but visible changes were observed in specimens exposed to 35°C in the form of alterations in the mitochondria. Significant ultrastructural changes were observed in storage cells of specimens exposed to 37 °C. There were multiple deteriorating mitochondria with the loss of its cristae and there was a presence of autophagic structures. The level of changes increased at 40°C, with the irregular and shrunken shape of storage cells, deteriorated cell organelles and mitochondria with a higher number of autophagosomes and autolysosomes. Most drastic changes were observed at 42 °C, with full degeneration of cells and organelles showing signs of necrosis, making even cell identification difficult. However, when exposed to higher temperatures, tuns exhibited absolutely no differences from the control group. Out of five temperatures tested, the three deemed most important were selected (20 °C – optimum temperature, 35 °C – the highest temperature from which the return to activity was observed and 42 °C – where full necrosis was observed) and used for quantification of heat shock proteins (Hsp27, Hsp60 and Hsp70) in active specimens. All of them showed significant upregulation with the increase of the temperature. In the last paper, all available information on the genus Paramacrobiotus were summarized. Thus, in summary, the genus Paramacrobiotus currently includes 45 species (including Pam. gadabouti added as a part of the present thesis). The species of this genus can be found everywhere throughout the globe, supporting the statement that the genus is cosmopolitan. Both dioecious and unisexual species are present in the genus, with both long and short lifespan. The species in this genus are generally carnivorous with their food preference, including certain rotifers, nematodes and juvenile tardigrades. However, it was reported that they could also feed on cyanobacteria, algae, and fungi. The species generally have a good affinity for cryptobiosis, which is why multiple studies involving anhydrobiosis have been performed to date using specimens of various species of the Paramacrobiotus.
Description
Wydział Biologii
Sponsor
Keywords
tardigrada, taksonomia integratywna, hipotezy „wszystko jest wszędzie”, kosmopolityczny, misie wodne, integrative taxonomy, Everything is Everywhere hypothesis, cosmopolitan, water bear