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Osmotolerance and studies of underlying mechanisms in Theodoxus fluviatilis

  • Unstable environments and habitats changing due to climate change force individuals to either respond by genetic adaptation, phenotypic plasticity or by dispersal to suitable environments. Theodoxus fluviatilis (Linneaus, 1758) is a good study organisms when researching phenotypic plasticity and genetic adaptation as it naturally appears in freshwater (FW) as well as brackish water (BW) and thus inhabits a wide range of environmental salinities (0-18‰). It is a euryhaline snail that can be found in shallow waters with stony ground or on Fucus spp. and has formed regional subgroups. The brackish water and the freshwater subgroups are spatially separated and the species cannot be found in areas inbetween, e.g. estuaries. The species shows great variability in shell patterning and shell size and there is still debate whether the subgroups are distinguishable by these traits or not. The mitochdrial RNA marker cytochrome c subunit I did not show differences between the subgroups indicating that they must be closely related, but salinity tolerance has been observed to be higher in BW snails. This might be caused by the different protein expression patterns and osmolyte accumulation (measured as ninhydrin-positive substances) observed in this species in previous studies. The exact mechanisms regulating protein expression and osmolyte accumulation, however, are not fully understood yet. Data collected for this thesis shows differences in shell size and suggests a less strict grouping of FW and BW individuals as shell sizes of one FW site are more similar to BW individuals than the other FW ones. A better salinity tolerance towards high salinities and a higher physiological salinity limit of BW snails was confirmed and extended by demonstrating an expanded tolerance range through slow acclimation to challenging salinities in snails from both subgroups. This was achieved by a shift in the slope of their reaction norms that was much more pronounced in BW snails than FW ones. S3 individuals showed a shift similar to that of BW individuals. The data for the salinity tolerance indicates that the underlying mechanism for these tolerances are a combination of phenotypic plasticity and genetic adaptation. Despite an acclimation and shift in the slope of the reaction norms and therefore an increased tolerance towards high salinities (plasticity) FW individuals from two collection sites were not able to cope with salinities as high as BW individuals (local adaptation). The general ability to mobilise free amino acids (FAA) as organic osmolytes was not the reason for this tolerance difference. Individuals from BW and FW sites were capable of accumulating quantities of FAAs equally well. Proline, alanine and urea were the most important components of the accumulated cocktail of organic osmolytes. Even though the total amount of FAAs accumulated under hyperosmotic conditions was the same in both subgroups, there were differences in the metabolic pathways involved in osmolyte accumulation in the foot muscle. The data indicates that the hydrolysis of storage proteins and the synthesis of proline and alanine are the main processes to avoid detrimental body volume shrinkage in T. fluviatilis. While FW individuals seemed to rely on the degradation of proteins and synthesis of alanine, BW individuals depended on newly synthesising proline and alanine and accumulating urea as a side product of transamination. The accumulation of urea is a new finding in aquatic living snails and has not been reported as a mechanism to avoid cell volume shrinkage in these animals. Differing protein expression patterns were observed under control conditions across all collection sites. 9 spots showed volume changes in BW snails opposite to those of FW snails from collection sites S1 and S2. For 6 of those spots, S3 individuals showed patterns similar to those of BW individuals and for the remaining 3 they showed patterns similar to those of FW animals. The patterns observed when exposing snails to hypo- or hyperosmotic stress were not conclusive in relation to pinpointing individual spots that show the same pattern in all collection sites, but revealed the heterogeneity of protein expression in snails from the different collection sites and in the process of osmoregulation. It also showed the general tendency of protein reduction when snails where under osmotic stress of either kind (hypo- or hyperosmotic), which supports the hypothesis of storage protein degradation. The investigation of an ANP-receptor showed two variations of the encoding sequence expressed in T. fluviatilis. S3 individuals as well as BW individuals were found to express one type, while FW individuals, with the exception of one sample expressed the other type. This showed that the FW subgroup of T. fluviatilis seems to be more heterogeneous than the BW subgroup, but also raises the question of the dispersal history of this species. The collected data indicates that T. fluviatilis individuals are firstly capable of surviving the acidity of a duck's gizzard and secondly can tolerate acute salinity changes to 16‰ when introduced into a new environment. Hence, if snails from the FW were to be transported to waters with a salinity of up to 16‰ by man, bird, drifting plants or some other means of transport, they would most likely survive and possibly be able to thrive and spread.
  • Habitate mit schwankenden Umweltbedingungen und u. A. durch Klimawandel verursachte Veränderungen, führen dazu, dass Individuen darauf entweder mit genetischer Adaptation, phänotypischer Plastizität oder der Besiedelung neuer geeigneter Lebensräume reagieren müssen. Da Theodoxus fluviatilis (Linneaus, 1758) natürlicherweise im Süßwasser (FW) als auch im Brackwasser (BW) vorkommt und daher eine breite Spanne von Salzkonzentrationen (0 18‰) besiedelt, eignet sich dieser Organismus besonders zur Erforschung phänotypischer Plastizität und genetischer Adaptation. Diese Schnecke ist euryhaline und kann in flachen Uferbereichen mit steinigem Untergrund oder auf Fucus spp. aufgefunden werden und es haben sich lokale Subgruppen gebildet. Diese Brack- und Süßwassergruppen sind räumlich getrennt und es wurden bisher keine Individuen in dazwischenliegenden Bereichen gefunden, z. B. in Mündungsbereichen. Die Art weist eine große Variabilität sowohl der Schalenmusterung als auch der Schalengröße auf und es ist noch nicht geklärt, ob diese Merkmale zur Unterscheidung der beiden Subgruppen ausreichen oder nicht. Der mitochondriale RNA Marker Cytochrom c Untereinheit I zeigte keine Unterschiede zwischen den Subgruppen, was darauf hindeutet, dass sie nah miteinander verwandt sein müssen, jedoch wurde beobachtet, dass Unterschiede in Ihrer Salztoleranz bestehen und diese in BW Schnecken höher ist. Der Grund dafür könnte in unterschiedlichen Proteinexpressionsmustern und Osmolytakkumulation (gemessen in ninhydrinpositiver Substanzen) liegen, die in vorhergehenden Studien bei dieser Art beobachtet wurden. Die Mechanismen zur Regulation der Proteinexpression, sowie Osmolytakkumulation sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Die Daten dieser Dissertation zeigen, dass sich die Schalengrößen von Schnecken verschiedener Standorte unterscheiden und weisen auf eine weniger strenge Teilung der FW und BW Individuen hin, da die Schalengrößen der Schnecken von einem der Süßwasserstandorte denen der BW Tiere ähnlicher war, als denen der anderen Süßwasserstandorte. Eine bessere Salztoleranz gegenüber hohen Salinitäten, sowie eine höhere physiologische Salinitätsgrenze der BW Schnecken wurde nicht nur bestätigt sondern durch eine Erweiterung des Toleranzbereiches von Schnecken beider Subgruppen mit Hilfe von Akklimation an stressvolle Salinitäten, auch noch expandiert. Dies wurde durch eine Verschiebung der Steigung ihrer Reaktionsnormen erreicht und war in den BW Schnecken wesentlich ausgeprägter, als in den Süßwassertieren. Die S3 Individuen zeigten allerdings eine ähnlich Verschiebung wie die BW Individuen. Die Daten der Salinitätstoleranz deuten darauf hin, dass der zu Grunde liegende Mechanismus für diese Toleranz eine Kombination aus phänotypischer Plastizität und genetischer Adaptation ist. Trotz einer Akklimatisierung und Verschiebung der Steigung der Reaktionsnormen und damit einer erhöhten Toleranz gegenüber hohen Salinitäten (Plastizität), konnten FW Individuen zweier Sammelstellen nicht mit so hohen Salinitäten umgehen, wie BW Individuen (lokale Adaptation). Die generelle Fähigkeit freie Aminosäuren (FAA) als organische Osmolyte zu mobilisieren, war nicht der Grund für diesen Toleranzunterschied. Individuen von BW- und FW Standorten waren gleichermaßen in der Lage, FAA zu akkumulieren, wobei Prolin, Alanin und Harnstoff die wichtigsten Komponenten des akkumulierten Cocktails organischer Osmolyte waren. Obwohl die Gesamtmenge der unter hyperosmotischen Bedingungen akkumulierten FAAs in beiden Untergruppen gleich war, gab es Unterschiede in den Stoffwechselwegen, die zur Akkumulation von Osmolyten im Fußmuskelgewebe führten. Die Daten deuten darauf hin, dass die Hydrolyse von Speicherproteinen und die Synthese von Prolin sowie Alanin die Hauptprozesse zur Vermeidung einer schädlichen Schrumpfung des Körpervolumens in T. fluviatilis sind. Während bei FW Individuen eher Proteinabbau und Alaninsynthese stattfanden, wurden bei BW Individuen Prolin und Alanin neu synthetisiert und Harnstoff, als Nebenprodukt der Transaminierung, angesammelt. Diese Akkumulierung von Harnstoff ist bei Wasserschnecken eine neue Entdeckung und wurde bei diesen Tieren bisher nicht als Mechanismus zur Vermeidung des Zellvolumenschrumpfens beschrieben. Unter der Betrachtung aller Sammelstellen unter Kontrollbedingungen, wurden unterschiedliche Proteinexpressionsmuster beobachtet. Dabei zeigten 9 Spots in BW Schnecken Änderungen der Spotvolumina entgegengesetzt der, der FW Schnecken von Sammelstelle S1 und S2. Von diesen 9 Spots, ähnelten die Expressionsmuster von 6 der Spots der S3 Individuen, denen der BW Tiere und die übrigen 3 ähnelten dem Expressionsmuster der FW Tiere. Da die beobachteten Expressionsmuster es nicht erlaubten einzelne Spots herauszukristallisieren, die über alle Sammelstellen und Konditionen (hypo- und hyperosmotischer Stress) hinweg das gleiche Veränderungsmuster zeigten, wurde deutlich, dass die Proteinexpression sowie die osmoregulatorischen Prozesse in den Schnecken der verschiedenen Standorte heterogen sind. Es wurde ebenfalls die generelle Tendenz der Proteinreduktion unter jeglichem osmotischem Stress (hypo- oder hyperosmotisch) deutlich, was die Hypothese des Speicherproteinabbaus unterstützt. Die Untersuchung eines ANP-Rezeptors zeigte, dass zwei Varianten der codierenden Sequenz in T. fluviatilis exprimiert wurden. S3 sowie BW Individuen exprimierten einen Genotyp, während FW Schnecken, mit Ausnahme einer einzelnen Probe, den anderen Genotyp exprimierten. Es wird also deutlich, dass die FW Gruppe von T. fluviatilis eine höhere Heterogenität aufweist als die BW Gruppe und wirft gleichzeitig die Frage der Besiedlungs- und Ausbreitungsgeschichte dieser Art auf. Die gesammelten Ergebnisse lassen erkennen, dass T. fluviatilis Individuen erstens in der Lage sind die Säure des Magen-Darm-Traktes einer Ente zu überleben und zweitens, akute Salinitätssprünge auf 16 ‰ tolerieren zu können, wenn sie in ein neues Habitat gebracht werden. Sollten Schnecken also demzufolge vom Menschen, von Vögeln, auf treibenden Pflanzen oder einer anderen Transportart aus dem FW in Gewässer mit einer Salinität von bis zu 16 ‰ verschleppt werden, würden sie es höchstwahrscheinlich überleben und könnten dort möglicherweise auch gedeihen und sich von dort weiter ausbreiten.

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Metadaten
Author: Amanda Alice Wiesenthal
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-22629
Title Additional (German):Osmotoleranz und Untersuchungen der zu Grunde liegenden Mechanismen in Theodoxus fluviatilis
Referee:Prof. Dr. Jan-Peter Hildebrandt, Prof. Dr. Michael Weber
Advisor:Prof. Dr. Jan-Peter Hildebrandt, Dr. Christian Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Date of first Publication:2018/07/25
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2018/06/25
Release Date:2018/07/25
Tag:Theodoxus fluviatilis, free amino acids, genetic adaptation, osmoregulation, osmotolerance, phenotypic plasticity, physiological responses, proteins, salinity, snail
GND Keyword:Adaptation, Osmoregulation, Plastizität, Salztoleranz, Schnecke, Tierphysiologie
Pagenumber:138
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Zoologisches Institut und Museum
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 590 Tiere (Zoologie)