Elena Maggi

1 Departamentul de biologie, Universitatea din Pisa, Pisa, Italia

2 CoNISMa, Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Scienze del Mare, Roma, Italia

Mario Cappiello

1 Departamentul de biologie, Universitatea din Pisa, Pisa, Italia

Antonella Del Corso

1 Departamentul de biologie, Universitatea din Pisa, Pisa, Italia

Francesca Lenzarini

1 Departamentul de biologie, Universitatea din Pisa, Pisa, Italia

Eleonora Peroni

1 Departamentul de biologie, Universitatea din Pisa, Pisa, Italia

Lisandro Benedetti-Cecchi

1 Departamentul de biologie, Universitatea din Pisa, Pisa, Italia

2 CoNISMa, Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Scienze del Mare, Roma, Italia

Date asociate

Următoarele informații au fost furnizate cu privire la disponibilitatea datelor:

Datele brute au fost furnizate ca Date S1.

Abstract

fundal

Organismele se confruntă cu niveluri în creștere de stres ecologic sub schimbările climatice, care pot afecta grav funcționarea sistemelor biologice la diferite niveluri de organizare. Dovezi în creștere sugerează că reducerea dimensiunii corpului este un răspuns universal al organismelor la încălzirea globală. Cu toate acestea, o înțelegere clară a faptului dacă evenimentele climatice extreme vor impune selectarea directă a răspunsurilor plastice fenotipice și modul în care aceste răspunsuri afectează interacțiunile ecologice a rămas evazivă.

Metode

Am investigat experimental efectele evenimentelor de desicare extremă asupra mecanismelor de apărare antioxidante ale unui gastropod intertidal stâncos (Patella ulyssiponensis) și am evaluat modul în care aceste efecte au crescut la nivelurile populației și ale ansamblului.

Rezultate

Odată cu creșterea nivelului de stres de desicare, lăptiile au prezentat niveluri semnificativ mai scăzute de glutation total, au avut tendința de a crește mai puțin și au redus puterea de interacțiune pe cap de locuitor a resurselor lor.

Discuţie

Rezultatele au sugerat că plasticitatea fenotipică (de exemplu, reducerea dimensiunii corpului adulților) a permis tamponarea răspunsurilor biochimice la stres la scară la nivel de asamblare. Dezvăluirea legăturilor între diferite niveluri de organizare biologică este esențială pentru dezvoltarea unor indicatori care pot anticipa impactul ecologic pe scară largă al schimbărilor climatice.

Introducere

Există o îngrijorare tot mai mare în rândul oamenilor de știință, factorilor de decizie politică și publicului larg cu privire la consecințele societale și de mediu ale schimbărilor climatice. Evenimentele climatice pot afecta societatea direct provocând catastrofe și amenințând sănătatea umană și indirect prin reducerea calității mediului (Easterling și colab., 2000). Modele recente sunt de acord că frecvența, intensitatea și durata evenimentelor extreme, cum ar fi valurile de căldură, seceta și furtunile, sunt în creștere odată cu schimbările climatice (Grupul interguvernamental privind schimbările climatice, 2013). Având în vedere că evenimentele climatice extreme devin mai probabile, organismele vii se confruntă cu niveluri în creștere de stres ecologic care pot afecta grav funcționarea sistemelor biologice la diferite niveluri de organizare (Easterling și colab., 2000). Reducerea dimensiunii corpului a fost propusă ca un al treilea răspuns universal al organismelor la încălzirea globală (Daufresne, Langfellner & Sommer, 2009), în plus față de schimbările în intervalele distributive ale speciilor și modificările fenologice (Visser & Both, 2005; Durant și colab. ., 2007). Recenzii recente au concluzionat că dovezile adaptării genetice sunt rare, iar modelele observate sunt în mare parte rezultatul plasticității fenotipice (Merilä & Hendry, 2014; Reusch, 2014). O întrebare importantă și încă nerezolvată este dacă creșterile legate de climă ale extremelor și fluctuațiilor de mediu vor impune selectarea directă asupra plasticității (Pigliucci, 2005; Chevin, Collins și Lefevre, 2013).

Material și metode

Sistemul de studiu

Studiul a fost realizat de-a lungul coastei stâncoase la sud de Livorno (Italia, Marea Mediterană de Vest; 43 ° 28 ′ 02N, 10 ° 22 ′ 19E) din martie până în mai 2009.

Habitatele intertidale stâncoase mediteraneene sunt medii extrem de variabile datorită amplitudinii limitate a mareelor. Presiunea barometrică este forța primară care determină poziția nivelului mării, dictând în mare măsură momentul și durata expunerii aeriene a organismelor de-a lungul gradientului intertidal. Modificările presiunii barometrice pot, prin urmare, să inducă fluctuații bruște ale condițiilor termice, în special în habitatul de pe țărm, unde temperaturile din primăvară pot varia peste 15 ° C și pot atinge valori de până la 30 ° C (Benedetti-Cecchi și colab., 2006).

Diferențele dintre ansamblurile de alge la diferite înălțimi de pe mal se datorează în principal schimbărilor abundenței relative a speciilor. Ansamblurile de pe malul malului sunt dominate de alge încrustate, filamentoase și ramificate grosier. În schimb, balanele (în principal Chthamalus stellatus (Poli), dar și C. montagui (spre sud)) și cianobacteriile (Rivularia spp.) Domină țărmul înalt (Benedetti-Cecchi, 2000; Benedetti-Cecchi, 2001). Dintre cele mai comune pășunători, Patella ulyssiponensis (Gmelin) se caracterizează printr-o gamă relativ largă de distribuție verticală (de la habitate medii/înalte până la țărmuri joase). Este un erbivor generalist (Della Santina și colab., 1993), hrănindu-se fie cu macroalge de dimensiuni mici, cum ar fi cele filamentoase, fie cu componentele microscopice ale biofilmului care colonizează roca goală aparentă la toate înălțimile (cianobacterii, diatomee sau spori macroalgi) . Un studiu recent a indicat faptul că există deja lamele mediteraneene pe marginile ferestrelor de toleranță termică. În special, P. ulyssiponensis, deși caracterizat printr-un metabolism scăzut, este foarte sensibil la expunerea la temperaturi ridicate (Prusina și colab., 2014), ca și cei experimentați în mod natural la locul studiului (Benedetti-Cecchi și colab., 2006).

Proiectare experimentală și eșantionare pe teren

La sfârșitul experimentului, lamele marcate au fost colectate, măsurate și menținute la -80 ° C pentru analiza ulterioară. Acoperirea procentuală a algelor filamentoase (principala lor resursă macroscopică) în parcele a fost estimată vizual cu un cadru din plastic de 15 × 15 cm, împărțit în 16 subcadrate. Un scor de la 0 (absență) la 4 (acoperire completă) a fost dat în fiecare subcadrat și o estimare finală a fost obținută prin însumarea scorurilor individuale în cele 16 subcadrate (Dethier și colab., 1993), pentru un scor maxim de 64. Valorile au fost apoi exprimate ca procente.

Analize biochimice

Lamele înghețate au fost decojite, cântărite, tăiate în bucăți mici și omogenizate cu un omogenizator manual din sticlă Potter Elveheim în 5 volți de 50 mM Tris HCI (pH 7,4). Omogenatul a fost centrifugat într-o centrifugă Millifuge (Millipore) timp de 30 de secunde pentru a îndepărta resturile. Supernatantul (extract brut) a fost împărțit în două alicote. O alicotă a fost utilizată fără tratament suplimentar pentru analiza catalazei și glutation reductazei; cealaltă alicotă a fost imediat acidificată la pH 2 prin adăugarea de HCI 4 N pentru a păstra glutationul în extract, centrifugat din nou și utilizat pentru măsurarea concentrației de glutation.

Activitatea catalazei a fost măsurată la 25 ° C în conformitate cu Luck (1965), urmând scăderea absorbanței la 240 nm (Δε = 0,0436 mM -1 cm -1). Amestecul de reacție conține, în tampon fosfat de sodiu 50 mM (pH 7,4), 12,5 mM peroxid de hidrogen.

Activitatea glutation reductazei a fost determinată la 30 ° C în conformitate cu Racker (1955), urmând scăderea absorbanței la 340 nm (Δε = 6,22 mM -1 cm -1). Amestecul de reacție conținea, în tampon fosfat de potasiu 160 mM (pH 7,4), glutation oxidat 0,5 mM, NADPH 0,11 mM și EDTA 1 mM. Activitățile catalazei și glutation reductazei au fost normalizate pentru concentrația de proteine.

Concentrația de proteine ​​a fost estimată prin testul de legare Coomassie Blue (Bradford, 1976), cu ser albumină bovină ca standard. Concentrația totală de glutation a fost normalizată pentru greutatea umedă a fiecărui scobitor analizat.

Analize de date

tabelul 1

Limpele de la garduri au fost comparate cu lamele marcate și perturbate (PC, control procedural) în parcele deschise. Un total de trei garduri sau parcele deschise au fost desfășurate în fiecare dintre cele trei zone aleatorii.

Glutation total Glutation reductaza Rata de creștere
Efecte fixeCoeficient (SE)
Interceptaγ000,773 (0,111) *** 33.849 (6.769) *** 0,007 (0,001) *** 17,86 (0,552) ***
Garduri vs. PCγ01−0,142 (0,159)−3.675 (9.975)0,001 (0,001)−0,283 (0,810)
Efecte aleatoriiVariante (SD)
Zonă σ A r e a 2 0,000 (0,000)8.141 (2.853)0,000 (0,000)0,000 (0,000)
Teren (zonă) σ P l o t 2 0,082 (0,287)282.609 (16.811)0,000 (0,001)0,000 (0,000)
Rezidual σ e 2 0,065 (0,256)377.246 (19.423)0,000 (0,002)4.922 (2.218)

Note.

Note.

Glutation total Glutation reductaza Rata de creștere
Efecte fixeCoeficient (SE)
Interceptaγ000,384 (0,244)14.957 (17.447)0,009 (0,002) *** 0,006 (0,053)
Înălţimeγ01−0,008 (0,004) * −0,059 (0,293)−0,000 (0,000)−0,002 (0,001)
Permanenţăγ020,005 (0,004)0,242 (0,278)−0,000 (0,000)0,001 (0,001)
Efecte aleatoriiVariante (SD)
Zonă σ A r e a 2 0,000 (0,000)88,36 (9,40)0,000 (0,000)0,000 (0,000)
Teren (zonă) σ P l o t 2 0,055 (0,235)0,000 (0,000)0,000 (0,000)0,003 (0,053)
Rezidual σ e 2 0,047 (0,218)502,69 (22,42)0,000 (0,003)0,006 (0,079)
Test LogLikχ 2 1.182 e cel mai frecvent0,6070,7391.138 e cel mai frecvent

Note.

Cu cât este mai mică forța de interacțiune, cu atât impactul unui șmecher individual în incinte este mai mare în comparație cu suprafața de rocă deschisă din jur. Estimările medii și intervalele de încredere de 95% ale efectelor pe cap de locuitor au fost estimate prin bootstrapping datele originale de 10.000 de ori separat pentru fiecare înălțime a mareei. Analiza a fost executată folosind pachetul „boot” (R v2.15.3, R Development Core Team, 2013).

Rezultate

Glutationul total a scăzut semnificativ în lăptii care se confruntă cu un stres de deshidratare din ce în ce mai mare [Înălțime, coeficient (se) = -0,008 (0,004), p Fig. 1A). În schimb, catalaza și glutation reductaza nu s-au modificat semnificativ odată cu creșterea înălțimii pe mal (Tabelul 2). Unele animale au suferit o creștere negativă (în scădere) și acest lucru a generat unele variații în datele de creștere. Cu toate acestea, analiza a arătat o tendință de scădere a ratelor de creștere a lăptiilor cu înălțime în creștere pe mal [Înălțime, coeficient (se) = −0,015 (0,026), 0,05 Tabelul 3 și Fig. 1B). Într-adevăr, scăderea a fost observată la 40% dintre indivizii din habitatul de pe țărmurile medii și înalte, dar numai pe 10% dintre indivizii din habitatul de pe malul scăzut. Efectele per capita ale păpușilor de pășunat asupra algelor filamentoase au scăzut odată cu creșterea stresului de desicare. În special, valorile medii ale indexului s-au modificat de la negativ în habitatul de pe malul scăzut la zero sub stres de desicare ridicat în habitatul de pe malul înalt (Fig. 1C).

mediu

(A) Concentrația totală de glutation, (B) rata de creștere și (C) forța de interacțiune per capita pentru lamele expuse la niveluri crescute de stres de desicare (cu cât este mai mică forța de interacțiune, cu atât este mai mare impactul lamelelor în incinte comparativ cu roca deschisă din jur suprafaţă). În (A) datele sunt erori standard ale mijloacelor și eșantionului (dimensiunea eșantionului a fost de 28 de persoane pentru țărmul scăzut și a variat între 11 și 14 pentru țărmul mediu și cel înalt). În (B) și (C) datele sunt bootstrapped media ± 95% CI, precum și valorile medii din datele observate (+).

Discuţie

Capacitatea populațiilor de a face față schimbărilor climatice prin intermediul variațiilor între individ în răspunsurile plastice este de mare interes pentru ecologiștii evoluționisti. În ultimul deceniu, acest interes a stimulat utilizarea cadrelor analitice bazate, de exemplu, pe conceptul normei de reacție, pentru a examina cauzele și consecințele variației plasticității istoriei vieții în natură (Nussey, Wilson & Brommer, 2007; Reusch, 2014; Taff & Vitousek, 2016). Aplicarea acestor instrumente promițătoare ar putea adăuga informații importante despre mecanismele implicate și posibilele consecințe ale extinderii răspunsurilor biochimice la nivelul ecosistemului, într-o lume dinamică.

Din câte știm, prezentul studiu este prima încercare de a investiga mecanismele implicate în extinderea răspunsurilor biochimice la procesele la nivel de ansamblu. Dezvăluirea legăturilor între diferite niveluri ale organizării biologice ar putea fi cheia dezvoltării unor indicatori de schimbare rentabili care să poată anticipa în mod fiabil consecințele biologice la scară largă ale extremelor climatice.