Επίδραση της θερμοκρασίας ανάπτυξης στη φαινοτυπική πλαστικότητα του zebrafish, danio rerio: (Hamilton, 1822)

Abstract

Zebrafish is a small colorful tropical fish that inhabits small ponds and slow mov-ing streams in Southeast Asia. For the past few decades, it has been a very important model-organism in research fields such as Neurobiology, Developmental Biology and Genetics. Despite that, existing data on its biology and ecology remain scarce and as a result there is an important lack of knowledge concerning its preferences towards the en-vironmental conditions, especially temperature which is considered as the most crucial. The object of the current study therefore is to examine the effect of different developmen-tal temperatures on the morphology and function of this small organism. In order to do so, eggs from a wild type broodstock kept in the Aquaculture lab (Biology Department, University of Crete) were used. After spawning, the eggs were in-troduced in four tanks of different water temperatures (22, 25, 28 and 31 °C). All other environmental conditions were kept stable and the same between the four tanks. The eggs hatched and the larvae developed in the tanks until about metamorphosis where the sam-plings took place. Duplicate experiments were conducted, whereas the whole procedure was repeated 2 more times in order to cover the demand for samples. The characters that were chosen to be studied were the deformities, the body shape, the meristics, the sex, the swimming ability and the muscle lactate metabolism. For the deformities study, the vertebral column and the dorsal, anal and caudal fin were studied on specimens of 13,78 ± 2,9 mm TL (Total Length). Specimens (50 per du-plicate per temperature condition) were subjected to double staining of Alizarin and Al-cian Blue and were studied under a stereoscope. Their study revealed that there is not a clear effect of temperature since in almost all groups studied, the percentage of deformed specimens was the same and total (100%, with the exception of 25 οC where the percent-age of the deformed was 99%). On the other hand, multivariate analysis showed that the type of the deformity present in each specimen was affected by the developmental tem-perature and that all different types were categorized into 2 different groups: the vertebral deformities and the fin deformities (Cluster Analysis). For the body shape analysis, 17 landmarks were placed on the digital photographs of 50 specimens from each temperature condition sized 13,5± 1,9 mm TL. Those land-marks produced 28 distances (morphometric characters) on which the multivariate analy- 180 ABSTRACT sis of the body shape was conducted. The analysis showed that developmental tempera-ture significantly affects body shape and that the characters that mostly contribute to the groups’ differentiation are located at the posterior part of the fish body. Meristic elements were studied on the same specimens as the body shape analysis. Those specimens were subjected to double staining of Alizarin and Alcian Blue and then the vertebral column, the dorsal, anal, caudal, pectoral and pelvic fins were studied under a stereoscope. As it was shown, ontogenetic temperature has an important effect on the meristic numbers since in most cases, fish developed at the extreme temperatures (22 and/or 31 οC) were clearly differentiated from the others. Specifically, meristic counts of the vertebral column and of the dorsal fin rays were significantly higher at the 22 οC populations, whereas meristic counts of the pectoral and the pelvic fins were significantly lower at the 31 οC populations. Anal fin rays presented differentiation between the low temperature (22 and 25 οC) and the high temperature groups (28 και 31 οC), while the caudal fin rays (lepidotrichia and dermatotrichia) did not present any particular trend.

Το zebrafish είναι ένα μικρό, πολύχρωμο, τροπικό ψάρι που αποικίζει μικρές λίμνες και ρυάκια της Νοτιοανατολικής Ασίας. Τις τελευταίες δεκαετίες αποτελεί έναν πολύ σημαντικό οργανισμό-μοντέλο σε διάφορα πεδία έρευνας όπως η Νευροβιολογία, η Αναπτυξιακή Βιολογία και η Γενετική. Παρόλα αυτά, τα υπάρχοντα δεδομένα βιολογίας και οικολογίας του είδους είναι εξαιρετικά ελλιπή, με συνέπεια να υπάρχει ένα αρκετά μεγάλο κενό γνώσης όσον αφορά στις προτιμήσεις του απέναντι στις περιβαλλοντικές συνθήκες και ιδίως ως προς τη θερμοκρασία που αποτελεί την πιο καθοριστική. Το αντικείμενο λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι να μελετηθεί η επίδραση διαφορετικών θερμοκρασιών ανάπτυξης στη μορφολογία και τη λειτουργία του μικρού αυτού οργανισμού. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιήθηκαν αυγά από γεννήτορες άγριου τύπου του εργαστηρίου Υδατοκαλλιεργειών (Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Κρήτης), τα οποία τοποθετήθηκαν μετά την ωοτοκία σε τέσσερα διαφορετικά ενυδρεία με θερμοκρασίες 22, 25, 28 και 31 οC. Όλες οι συνθήκες -πέραν της θερμοκρασίας- παρέμειναν οι ίδιες και σταθερές μεταξύ των τεσσάρων ενυδρείων. Τα αυγά εκκολάφθηκαν και οι νύμφες μεγάλωσαν στα ενυδρεία αυτά μέχρι περίπου και τη μεταμόρφωση οπότε και έγιναν οι δειγματοληψίες για τη διενέργεια των μελετών. Οι εκτροφές έγιναν σε 2 επαναλήψεις ενώ όλη η διαδικασία πραγματοποιήθηκε 3 φορές για την κάλυψη των αναγκών σε δείγματα. Οι χαρακτήρες που επιλέχθηκαν να μελετηθούν ήταν οι παραμορφώσεις, το σχήμα του σώματος, τα μεριστικά στοιχεία, το φύλο, η ικανότητα κολύμβησης και ο μεταβολισμός του γαλακτικού οξέος στους μύες του ψαριού. Για τη μελέτη των παραμορφώσεων εξετάσθηκαν η σπονδυλική στήλη και το ραχιαίο, εδρικό και ουραίο πτερύγιο σε άτομα μήκους 13,78 ± 2,9 mm TL. Τα άτομα που επιλέχθηκαν (50 ανά επανάληψη ανά θερμοκρασιακή συνθήκη) υποβλήθηκαν σε διπλή χρώση αλιζαρίνης-κυανού της αλσατίας και εξετάσθηκαν σε στερεοσκόπιο. Η μελέτη τους έδειξε ότι δεν υπήρξε σαφής επίδραση της θερμοκρασίας καθώς σε όλες τις θερμοκρασιακές συνθήκες που εξετάστηκαν, παρουσιάστηκαν υψηλά ποσοστά παραμορφώσεων στο σύνολο σχεδόν των εξετασθέντων ατόμων (100% εμφάνιση παραμορφωμένων ατόμων σε όλες τις θερμοκρασίες πλην των 25 οC όπου τα παραμορφωμένα αποτέλεσαν το 99% του πληθυσμού). Από την άλλη πλευρά, η πολυπαραγοντική ανάλυση έδειξε ότι το είδος των παραμορφώσεων που εμφανίζεται σε κάθε άτομο επηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία ανάπτυξης και ότι τα διαφορετικά αυτά είδη κατηγοριοποιήθηκαν σε δύο μεγάλες ομάδες: τις παραμορφώσεις της σπονδυλικής στήλης και τις παραμορφώσεις των πτερυγίων. Για τη μελέτη του σχήματος του σώματος τοποθετήθηκαν 17 γεωμετρικά ορόσημα (landmarks) σε ψηφιακές φωτογραφίες 50 ατόμων ανά θερμοκρασιακή συνθήκη μήκους 13,5± 1,9 mm TL. . Από τα σημεία αυτά οριοθετήθηκαν 28 αποστάσεις (μορφομετρικοί χαρακτήρες) στο σώμα των ατόμων οι οποίες απετέλεσαν τη βάση της πολυπαραγοντικής ανάλυσης του σχήματος του σώματος. Η ανάλυση αυτή έδειξε ότι η θερμοκρασία ανάπτυξης επιδρά σημαντικά στο σχήμα του σώματος των zebrafish και ότι οι χαρακτήρες που συνεισφέρουν περισσότερο στη διαφοροποίηση των ομάδων εντοπίζονται στο οπίσθιο μέρος του σώματος.