Ecological, morphological and biochemical response indices of the genus Daphnia to stress factors

Abstract

The genus Daphnia occupies a pivotal role in the aquatic food web, both as a primary consumer of phytoplankton and as a key food source for secondary consumers. The aim of the dissertation was to investigate the ecological, morphological and biochemical responses of the genus Daphnia of natural and cultivated populations to gain a holistic understanding of these complex adaptations’ mechanisms to pressures. The ecological role of Daphnia was firstly investigated in the food web of two Mediterranean inland aquatic ecosystems; a shallow and highly eutrophicated waterbody (Lake Koronia) and a less productive deep stratified lake (Lake Vegoritis). In Lake Koronia, a mass episode of fauna kill was reported during the sampling period. Before the mass fauna kill, Daphnia was absent from the zooplankton community affected by the dominance of mixed blooms of known potentially harmful phytoplankton species and/or high pH values. These blooms collapsed under high nutrient concentrations and inhibitory ammonia levels, with low phytoplankton biomass leading to a dramatic drop in photosynthetic oxygenation. Along with the phytoplankton collapse, extremely high densities of red large-bodied D. magna individuals were recorded, indicating low oxygen conditions as well as a decrease and/or absence of fish predation. These findings provide clear evidence that the mass kill resulted through shifts of key abiotic conditions and severe changes in phytoplankton and zooplankton dynamics, while Daphnia further exhibited mechanisms reflecting the steps leading to the mass kill. Regarding Lake Vegoritis, different phytoplankton and zooplankton distribution patterns were recorded following the changes of mixing and stratification regimes. During the stratification period when Daphnia reached high numbers grazing pressure increased through the complementary grazing control on phytoplankton by D. galeata and N. alluaudi, pointing out the importance of Daphnia in the food web of Lake Vegoritis. To understand the biochemical defense mechanisms against stress of the natural Daphnia populations in the above-mentioned waterbodies, the expression of heat shock proteins (HSPs) and the activation of mitogen-activated protein kinases (MAPKs) was assessed. Throughout the study period, fluctuations of the expression of HSPs and MAPKs were observed in both lakes, suggesting that their expression are related to the changing conditions which act as potential stressors. Additionally, shifts in proteins’ expression (lower protein levels) was related to the energy allocation on life history traits, production of hemoglobin and vertical migration. The expression of the same proteins was also investigated in a cultivated Daphnia magna population as an acute response to different abiotic and biotic stressors under experimental conditions, while the chronic effect of the above-mentioned stressors on life-history characteristics was also studied. Under the experimental exposure to the examined stressors, Daphnia showed various expression patterns regarding HSPs and MAPKs providing useful information on the mechanisms recruited under different stress conditions in order to protect Daphnia. Additionally, the involvement of HSPs and MAPKs in crucial processes (survival, growth, reproduction) was revealed.

Το γένος Daphnia κατέχει σημαντική θέση στο τροφικό πλέγμα των εσωτερικών υδάτινων οικοσυστημάτων, καθώς αποτελεί καταναλωτή του φυτοπλαγκτού και τροφή για τα ανώτερα τροφικά επίπεδα. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση της οικολογικής, μορφολογικής και βιοχημικής απόκρισης φυσικών και εκτρεφόμενων πληθυσμών του γένους Daphnia ώστε να επιτευχθεί η ολιστική κατανόηση των πολύπλοκων μηχανισμών απόκρισης στην καταπόνηση. Για το σκοπό αυτό, αρχικά διερευνήθηκε ο οικολογικός ρόλος του γένους Daphnia στο τροφικό πλέγμα σε ένα ρηχό και εξαιρετικά εύτροφο οικοσύστημα (Λίμνη Κορώνεια) και σε μια βαθιά, λιγότερο παραγωγική, θερμή μονομικτική λίμνη (Λίμνη Βεγορίτιδα). Στη Λίμνη Κορώνεια, ένα μαζικό επεισόδιο θανής πανίδας καταγράφηκε κατά διάρκεια των δειγματοληψιών. Πριν από τη μαζική θανή, το Daphnia απουσίαζε από ζωοπλαγκτική κοινωνία επηρεαζόμενο από τις ανθίσεις γνωστών δυνητικά επιβλαβών φυτοπλαγκτικών ειδών ή/και από τις υψηλές τιμές pH. Οι αυτές οι ανθίσεις κατέρρευσαν λόγω της αύξησης των επιπέδων αμμωνίας, με την κατάρρευση αυτή να οδηγεί σε μείωση του φωτοσυνθετικού οξυγόνου. Παράλληλα, καταγράφηκαν εξαιρετικά υψηλοί αριθμοί κόκκινων μεγαλόσωμων ατόμων D. magna, υποδηλώνοντας συνθήκες χαμηλού οξυγόνου, καθώς και μείωση ή απουσία της θήρευσης από τα ψάρια. Τα αποτελέσματα αυτά αποτελούν σαφείς ενδείξεις ότι η μαζική θανή πανίδας προέκυψε από σημαντικές αλλαγές στη δυναμική του φυτοπλαγκτού και του ζωοπλαγκτού, καθώς και βασικών αβιοτικών συνθηκών, ενώ το D. magna αποκάλυψε περαιτέρω σημαντικούς μηχανισμούς αντικατοπτρίζοντας τα βήματα που οδήγησαν στη μαζική θανή. Όσον αφορά τη Λίμνη Βεγορίτιδα, καταγράφηκαν διαφορετικά πρότυπα κατανομής του φυτοπλαγκτού και του ζωοπλαγκτού ακολουθώντας τις αλλαγές στο καθεστώς ανάμειξης και στρωμάτωσης. Κατά την περίοδο της της στρωμάτωσης, όταν το D. galeata έφτασε σε υψηλούς αριθμούς αυξήθηκε η πίεση βόσκησης μέσω του συμπληρωματικού ελέγχου βόσκησης στη φυτοπλαγκτική βιομάζα από τα είδη D. galeata και N. alluaudi, τονίζοντας τη σημασία του Daphnia στο τροφικό πλέγμα της Λίμνης Βεγορίτιδας. Για την κατανόηση των μηχανισμών βιοχημικής άμυνας των φυσικών πληθυσμών Daphnia στα υδάτινα οικοσυστήματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως, διερευνήθηκε η έκφραση των πρωτεϊνών θερμικού πλήγματος (HSPs) και των ενεργοποιούμενων από μιτογόνα πρωτεϊνικών κινασών (MAPKs). Κατά τη διάρκεια της έρευνας, παρατηρήθηκαν διακυμάνσεις των HSPs και MAPKs και στις δύο λίμνες, υποδηλώνοντας ότι η έκφρασή τους μπορεί να σχετίζεται με τις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες που λειτουργούν ως παράγοντες καταπόνησης. Επιπλέον, οι αλλαγές στα επίπεδα έκφρασης των HSPs και MAPKs (μείωση πρωτεϊνικών επιπέδων) φαίνεται πως σχετίζονται με την κατανομή της ενέργειας στα χαρακτηριστικά ιστορίας ζωής, την παραγωγή αιμοσφαιρίνης και την κατακόρυφη μετανάστευση. Η έκφραση των ίδιων πρωτεϊνών διερευνήθηκε σε έναν εκτρεφόμενο πληθυσμό Daphnia magna ως οξεία απόκριση σε διαφορετικούς αβιοτικούς και βιοτικούς παράγοντες κάτω από πειραματικές συνθήκες. Παράλληλα, η χρόνια επίδραση των ίδιων παραγόντων καταπόνησης διερευνήθηκε στα χαρακτηριστικά ιστορίας. Το γένος Daphnia, κάτω από την έκθεση στους παράγοντες καταπόνησης, εμφάνισε διαφορετικά πρότυπα έκφρασης των HSPs και MAPKs παρέχοντας χρήσιμες πληροφορίες για τους μηχανισμούς που επιστρατεύονται κάτω από διαφορετικές συνθήκες καταπόνησης για την προστασία του Daphnia. Επιπρόσθετα, αποκαλύφθηκε πιθανή εμπλοκή των HSPs και MAPKs σε κρίσιμες διαδικασίες (επιβίωση, ανάπτυξη, αναπαραγωγή).