Universität zu Köln

Molecular mechanisms of adaptive life-history changes in Daphnia magna induced by predator kairomones

Effertz, Christoph (2014) Molecular mechanisms of adaptive life-history changes in Daphnia magna induced by predator kairomones. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Planktonic crustaceans of the genus Daphnia play an important role as keystone species in almost all standing freshwater ecosystems. As unselective filter feeders, Daphnia are typically the major herbivorous grazers of phytoplankton and are major prey for predators at higher trophic levels. Daphnia magna has become a textbook example for inducible defences in response to chemical signals released by predators. Daphnia as important prey organism for both invertebrate predators and vertebrate predators like planktivorous fish, show a multitude of defences against these predators including changes in life-history (LHC), morphology and diel vertical migration (DVM), which have been shown to be induced or enhanced by chemical cues released by predators, so-called kairomones. Inducible anti-fish defences like LHC and DVM are associated with substantial costs. There is evidence for a coadaptation of both defences (LHC and DVM) in Daphnia that hints to a plastic coupling of LHC and DVM and due to the substantial costs it has been argued that it would be maladaptive to exhibit all available defences at the same time, as selecting one or the most efficient defences against a predator. Daphnia appear to be plastic with respect to the degree of response with either defence and it is still an open question, which additional factor besides the fish kairomones might control a possible coupling of anti-predator defences in Daphnia. Furthermore, although the Daphnia genome and the molecular tools are available, there is not much known about the molecular mechanisms that may underlie the anti-predator defences induced by fish kairomones in Daphnia. The present study covers presents novel and deep insights into the mechanisms underlying a well-known inducible anti-predator response in Daphnia on a broad range: besides classical ecological approaches I conducted qPCR analyses, LC-MS analyses and a holistic LC-MS/MS based proteomics approach. I showed for the first time that the presence of light is crucial for the induction of LHC in Daphnia exposed to fish kairomones and the same effect was observed for the fish kairomonemediated expression of candidate genes. These observations point at a plastic coupling of anti-predator defences modulated by the environmental factor light in Daphnia. Under natural conditions animals are subjected to alternating periods of light and dark and different light intensities. I further explored the role of the ambient light intensity for the induction of LHC in Daphnia and the animals were exposed to a gradient of light intensities that represents naturally occurring light intensities in the water column of a lake. The results revealed that LHC in Daphnia are inversely coupled to the ambient light intensity and that a certain thresholds for the induction of LHC exists. A similar light intensity dependence was found for the fish kairomonemediated expression of a candidate gene in Daphnia. I argue that the DVM amplitude alters the ambient light intensity an individual is exposed to and thus inversely determines the degree of LHC. My findings provide strong evidence for a light intensity-mediated plastic coupling of migration behaviour (DVM) and life-history changes (LHC) in Daphnia, which allows for plastic adjustment to fluctuating environments and simultaneously minimizes the associated costs of multiple deployable defences. Such a proposed inverse coupling of DVM and LHC would be especially adaptive in habitats that allow for DVM only during parts in the season, i.e. spring; later in the season, when a deep-water refuge is no longer available owing to hypolimnetic anoxia, alternative defences like LHC (as is frequently observed in eutrophic shallow systems) may be required. The last part of my thesis describes for the first time a LC-MS/MS based proteomics approach with the aim to identify functional proteins involved in the phenotypic changes on the protein level for the fish kairomone-induced LHC in Daphnia. In line with my findings described above, the experimental animals exposed to fish kairomones showed the expected LHC in the presence of light and this LHC response was not observed in the absence of light. In addition, due to a long series of experiments to purify the fish kairomone extract (e.g. fractionation via LC-MS) I was able to confine the biological activity to one highly specific fraction, which was then used in the life-history experiments for the proteomics approach. Only daphnids that showed the expected LHC response were used for the high throughput proteomics. The state-of-the-art proteomics approach leads to the identification of functional proteins in Daphnia that are affected by fish kairomones and light intensity. My results revealed for the first time a metabolic pathway that yields a mechanistic understanding of the observed phenotypic changes.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Daphnien sind in nahezu jedem stehenden limnischen Ökosystem abundant und besitzen als häufig dominierende herbivore Zooplankter eine Schlüsselrolle im Nahrungsnetz eines Gewässers. Daphnien dienen als Modellorganismen für Verteidigungsmechanismen, die durch räuberbürtige chemische Signalstoffe, sogenannte Kairomone, induzierbar sind. Als Hauptnahrungsquelle für invertebrate und vertebrate Räuber wie planktivore Fische haben Daphnien eine Vielzahl von induzierbaren Verteidigungsmechanismen evolviert, um die räuberbedingte Mortalität zu senken. Zu diesen Verteidigungsmechanismen gehören Veränderungen des Lebenszyklus (Veränderungen der Life-History: LHC), morphologische Strukturen und Anpassungen des Verhaltens (Tagesperiodische Vertikalwanderung: DVM). Induzierbare Verteidigungen wie LHC und DVM gegen planktivore Fische sind mit erheblichen Kosten für Daphnien verbunden und es gibt Hinweise auf eine mögliche Koadaptation dieser beiden Verteidigungsmechanismen in Daphnien, die auf eine plastische Kopplung von LHC und DVM hindeuten. Basierend auf den substanziellen energetischen und demographischen Kosten dieser induzierbaren Verteidigungen wurde außerdem die Hypothese aufgestellt, dass es für Daphnien nicht adaptiv wäre, alle dem Individuum möglichen Verteidigungen zur selben Zeit auszuprägen, sofern eine oder die effizienteste Verteidigung gegen den Räuber ausreichen würde. Sollte also eine plastische Kopplung dieser beiden durch fischbürtige Kairomone induzierbaren Verteidigungsmechanismen (LHC und DVM) in Daphnien vorliegen, so muss es einen zusätzlichen Faktor neben den Kairomonen geben, der diese Kopplung kontrolliert. Des Weiteren ist die molekulare Ebene dieser Verteidigungsmechanismen wenig untersucht, obwohl das Daphnien Genom entschlüsselt worden ist und die dazu notwendigen Methoden der Molekularbiologie verfügbar sind. Die vorliegende Arbeit zeigt neuartige und umfassende Einblicke in die Mechanismen einer bekannten induzierbaren Verteidigung von Daphnien gegen planktivore Fische: Neben klassischen ökologischen Experimenten wurden qPCR Analysen, LC-MS Analysen und eine umfassende Proteomanalyse (basierend auf LC-MS/MS) durchgeführt. Ich konnte zum ersten Mal zeigen, dass die Anwesenheit von Licht ausschlaggebend für die Induktion von LHC in Daphnien in Anwesenheit von fischbürtigen Kairomonen ist. Den gleichen Effekt konnte ich für die relative Expression von Zielgenen für fischbürtige Kairomone nachweisen. Diese Ergebnisse deuteten auf eine Kopplung der Verteidigungsmechanismen (LHC und DVM) hin, die über den abiotischen Faktor Licht reguliert wird. Unter natürlichen Bedingungen sind Daphnien allerdings einer Lichtperiode und unterschiedlichen Lichtintensitäten ausgesetzt. Demzufolge habe ich die Rolle von unterschiedlichen Lichtintensitäten bei der Induktion von LHC in Daphnien weiter untersucht. Die Daphnien wurden einem Lichtintensitätsgradienten ausgesetzt, welcher auf Lichtintensitäten basiert, die in der Wassersäule eines natürlichen Sees vorkommen. Ich konnte zeigen, dass die LHC in Daphnien gegensätzlich an die umgebende Lichtintensität gekoppelt sind und dass ein Schwellenwert für eine Lichtintensität zur Induktion von LHC existiert. Eine gleiche Abhängigkeit von der Lichtintensität konnte ich für die Expression eines Zielgens für fischbürtige Kairomone in Daphnien nachweisen. Basierend auf diesen Beobachtungen lautet meine Hypothese, dass die Amplitude der tagesperiodischen Vertikalwanderung (DVM) Einfluss auf die Lichtintensität nimmt die ein Individuum umgibt und somit, den Grad der Ausprägung der Veränderungen in der Life-History bestimmt (LHC). Meine Ergebnisse deuten auf eine plastische Kopplung von LHC und DVM in Daphnien hin, die über die Lichtintensität der Umgebung reguliert wird. Solch eine Kopplung würde eine variable Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen ermöglichen und gleichzeitig die assoziierten Kosten senken, die mit dem gleichzeitigen Einsetzen von beiden Verteidigungsmechanismen verbunden sind. Diese plastische Kopplung wäre vor allem in solchen Habitaten für Daphnien adaptiv, die eine Vertikalwanderung nur zu bestimmten Zeiten in der Saison (z.B. dem Frühling) ermöglichen. Wenn im späteren Jahresverlauf das Hypolimnion eines Sees für Daphnien bedingt durch Anoxia nicht mehr verfügbar ist, würden eine alternative Verteidigung wie die LHC notwendig werden. Dieser Sachverhalt, dass LHC als alternative Verteidigungsmechanismen zu DVM in Daphnien auftreten können, konnte in Studien schon beobachtet werden. Der letzte Abschnitt meiner Dissertation beschreibt erstmalig eine Proteomanalyse (basierend LC-MS/MS) mit dem Ziel funktionelle Proteine zu identifizieren, die in den von fischbürtigen Kairomonen induzierten LHC von Daphnien involviert sind, um die phänotypischen Veränderungen auf Proteinebene zu erklären. In Übereinstimmung mit den oben beschrieben Ergebnissen konnte ich wiederum zeigen, dass die Daphnien nur in Anwesenheit von Licht mit LHC auf die Anwesenheit von fischbürtigen Kairomonen reagieren. Zusätzlich konnte ich den Extrakt, der die fischbürtigen Kairomone enthält und für die Experimente in Kapitel 1 und 2 dieser Arbeit benutzt wurde, in einer langen Serie von Experimenten (z.B. Fraktionierung mittels LC-MS) weiter aufreinigen und anreichern. Die biologische Aktivität konnte einer spezischen und hochaufgereinigten Fraktion zugeordnet werden, welche für Life-History Experimente der Proteomanalyse benutzt wurde. Es wurden ausschließlich Daphnien für die Proteomanalysen verwendet, die die erwarteten LHC aufzeigten. Die Proteomanalysen führten zu der Identifizierung von funktionellen Proteinen, die von fischbürtigen Kairomonen und Lichtintensität beeinflusst werden. Die Analyse dieser Daten führte zu einem Stoffwechselweg, der erstmalig eine mechanistische Erklärung für die beobachteten phänotypischen Veranderungen von Daphnien in Anwesenheit von fischbürtigen Kairomonen liefert.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Effertz, Christophceffertz@web.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-58123
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Daphnia, Fish kairomone, Life-history, DVM, Target genes, ProteomicsUNSPECIFIED
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Zoologisches Institut
    Language: English
    Date: August 2014
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 15 October 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 27 Nov 2014 08:33:55
    Referee
    NameAcademic Title
    Elert, Eric vonProf. Dr.
    Borcherding, JostPD Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5812

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