Kompromisy ewolucyjne w kontekście specjalizacji i dyspersji u roślinożernych roztoczy
Loading...
Date
2022
Authors
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Specialization trade-offs and ecology of dispersal in phytophagous mites
Abstract
Dyspersja jest fundamentalnym procesem ekologicznym, wpływającym na strukturę genetyczną i dynamikę populacji oraz kształtującym geograficzne zasięgi gatunków. Aby była skuteczna, osobniki przemieszczające się muszą ostatecznie znaleźć się w środowisku sprzyjającym ich dalszemu rozwojowi i umożliwiającemu reprodukcję. W przypadku organizmów roślinożernych takim środowiskiem są odpowiednie gatunki roślin żywicielskich. Zatem od stopnia specjalizacji żywicielskiej zależy dostępność siedlisk nadających się do kolonizacji. Generaliści są przystosowani do eksploatacji wielu gatunków roślin żywicielskich, przez co mają dużą szansę na znalezienie odpowiedniego środowiska. Skuteczność dyspersji specjalistów jest zależna od występowania na danym terenie konkretnego gatunku rośliny żywicielskiej. Z drugiej strony, specjaliści na odpowiednim dla nich żywicielu osiągają wyższe dostosowanie w porównaniu z generalistami zasiedlających tę samą roślinę. Takie ograniczenia (kompromisy ewolucyjne) są wszechobecne w przyrodzie, a ich zrozumienie jest niezbędne do wyjaśniania ewolucji cech historii życiowych. W ramach mojej pracy doktorskiej skupiłam się na wyjaśnieniu kompromisów ewolucyjnych w procesie specjalizacji żywicielskiej i dyspersji roślinożernego roztocza Aceria tosichella (wheat curl mite, WCM). Wykazałam, że proces dyspersji WCM jest zależy od interakcji kształtu ciała oraz wykazywania specyficznych zachowań (tworzenia zgrupowań z kilku osobników) w odpowiedniej prędkości wiatru. Wyniki stanowią istotny krok do zrozumienia procesów kształtujących proces dyspersji biernej, który wpływa na rozprzestrzenianie się tego organizmu na dalekie odległości i jego wysoki potencjał inwazyjny. Co więcej, wykonałam badania, które pozwoliły mi na wyjaśnienie mechanizmów procesu dyspersji utrzymujących odpowiedni poziom heterozygotyczności w populacjach roztoczy ulegających dyspersji biernej z wiatrem, u których występuje haplodiploidalny sposób determinacji płci. Badania wykazały, że dyspersji z wiatrem ulegają głównie zapłodnione samice, a proporcja płci potomstwa zmienia się na korzyść samic wraz ze wzrostem heterozygotyczności populacji. Dodatkowo, stosunek płci potomstwa jest zależny od liczby zniesionych przez samicę jaj, im jest ich więcej, tym częściej pojawiają się samce. Mechanizm taki może być odpowiedzialny za wysoką inwazyjność roztocza i jego zdolność do szybkiej kolonizacji nowych siedlisk. Wykazałam także jak ważne są siedliska suboptymalne dla przetrwania populacji w optymalnym środowisku, szczególnie w przypadku organizmów zasiedlających zmienne czasowo środowiska, takie jak agrocenozy. Zrozumienie mechanizmów kolonizacji siedlisk, jest kluczowe dla wyjaśniania zmian zasięgów gatunków oraz, co istotne, może prowadzić do lepszego zarządzania uprawami i stosowania nowych sposobów walki biologicznej w przypadku pasożytów roślin ekonomicznie istotnych.
Dispersal is a fundamental ecological process that affects population dynamics, genetic structure and geographic ranges of species. To be effective, dispersers must find a proper environment for settlement and further colonisation. In the case of herbivorous organisms, such an environment is an appropriate host plant species, therefore the level of host specialization depends on the availability of habitats suitable for colonization. Generalists are adapted to the exploitation of a broad spectrum of host plants, which increases their chances of finding suitable environments. In contrast, the effectiveness of specialists' dispersal depends on the presence of a specific host plant species in a given area. However, specialists’ fitness measured on their host plant is higher, as compared to generalists on the same plant. Such limitations (evolutionary trade-offs) are ubiquitous in nature, and understanding them is essential to explain the evolution of life-history traits. As part of my doctoral dissertation, I focused on explaining the evolutionary trade-offs in the process of host specialization and dispersal of the herbivorous mite Aceria tosichella (wheat curl mite, WCM). Results of my dissertation show that WCM dispersal depends on the interaction of body shape and exhibition of specific behaviours (grouping of several individuals) when wind speed is appropriate. The results represent an important step in understanding the processes shaping the passive dispersal that influences the long-range spread of this organism and its high invasive potential. Moreover, my experiments explain the mechanisms of the dispersal and colonisation processes maintaining an appropriate level of heterozygosity in the populations of passively dispersed mites with the haplodiploid sex determination system. The study shows that fertilized females are main dispersers and the sex ratio of the offspring changes in favour of females with the increase in population heterozygosity. Additionally, the offspring sex ratio depends on the number of eggs laid by the female: the more eggs are produced, the more often males develop from them. Such a mechanism may be responsible for the high invasiveness of the mite and its ability to colonize new habitats quickly. My findings also reveal how important suboptimal habitats are for survival of the population in the optimal environment (source-sink dynamics), especially in the case of organisms inhabiting seasonally varying environments, such as agrocenoses. Understanding the mechanisms of habitat colonization is key to explaining changes in species ranges and, importantly, can lead to better crop management and the application of new biological pest control methods to economically important plant pests.
Dispersal is a fundamental ecological process that affects population dynamics, genetic structure and geographic ranges of species. To be effective, dispersers must find a proper environment for settlement and further colonisation. In the case of herbivorous organisms, such an environment is an appropriate host plant species, therefore the level of host specialization depends on the availability of habitats suitable for colonization. Generalists are adapted to the exploitation of a broad spectrum of host plants, which increases their chances of finding suitable environments. In contrast, the effectiveness of specialists' dispersal depends on the presence of a specific host plant species in a given area. However, specialists’ fitness measured on their host plant is higher, as compared to generalists on the same plant. Such limitations (evolutionary trade-offs) are ubiquitous in nature, and understanding them is essential to explain the evolution of life-history traits. As part of my doctoral dissertation, I focused on explaining the evolutionary trade-offs in the process of host specialization and dispersal of the herbivorous mite Aceria tosichella (wheat curl mite, WCM). Results of my dissertation show that WCM dispersal depends on the interaction of body shape and exhibition of specific behaviours (grouping of several individuals) when wind speed is appropriate. The results represent an important step in understanding the processes shaping the passive dispersal that influences the long-range spread of this organism and its high invasive potential. Moreover, my experiments explain the mechanisms of the dispersal and colonisation processes maintaining an appropriate level of heterozygosity in the populations of passively dispersed mites with the haplodiploid sex determination system. The study shows that fertilized females are main dispersers and the sex ratio of the offspring changes in favour of females with the increase in population heterozygosity. Additionally, the offspring sex ratio depends on the number of eggs laid by the female: the more eggs are produced, the more often males develop from them. Such a mechanism may be responsible for the high invasiveness of the mite and its ability to colonize new habitats quickly. My findings also reveal how important suboptimal habitats are for survival of the population in the optimal environment (source-sink dynamics), especially in the case of organisms inhabiting seasonally varying environments, such as agrocenoses. Understanding the mechanisms of habitat colonization is key to explaining changes in species ranges and, importantly, can lead to better crop management and the application of new biological pest control methods to economically important plant pests.
Description
Wydział Biologii
Sponsor
Pierwszy oraz częściowo trzeci rozdział powstał w wyniku realizacji zadań badawczych projektu pt. „Ewolucja specjalizacji i dyspersji w dwukierunkowym eksperymencie selekcyjnym na przykładzie inwazyjnego roztocza Aceria tosichella”, przyznanego dr hab. Annie Skorackiej, prof. UAM w ramach konkursu OPUS 11, finansowanego z Narodowego Centrum Nauki.
Drugi oraz częściowo trzeci rozdział niniejszej rozprawy doktorskiej powstał w wyniku realizacji projektu badawczego nr 2017/27/N/NZ8/00305 pt. „Kompromisy ewolucyjne w procesie specjalizacji żywicielskiej na przykładzie inwazyjnego roztocza Aceria tosichella”, którego Autorka jest kierownikiem. Projekt był finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki (Preludium 14).
Drugi rozdział rozprawy został częściowo sfinansowany w ramach projektu finansowanego przez Dziekana Wydziału Biologii UAM (GDWB-07/2018), przyznanego Autorce rozprawy.
Autorka uzyskała środki finansowe na przygotowanie niniejszej rozprawy doktorskiej w ramach stypendium doktorskiego Etiuda nr 2019/32/T/NZ8 00151, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.
Autorka uzyskała również Stypendium Fundacji UAM dla doktorantów w roku 2019/2020 oraz stypendia w ramach projektu „Paszport do przyszłości - Interdyscyplinarne studia doktoranckie na Wydziale Biologii UAM”, POWR.03.02.00-00-I006/17, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.
Keywords
adaptacja, adaptation, specjalizacja żywicielska, host specialization, kompromisy ewolucyjne, trade-offs, dyspersja, dispersal, kolonizacja, colonisation