LUK

Fænotypisk plasticitet og underliggende molekylære mekanismer i forbindelse med varmestress hos den grønlandske frøtæge

Navn:

Jannik Mørk Skovgaard Lauritzen og Mathias Hamann Sørensen, Aalborg Universitet

Beskrivelse:

Sammen med planter og mikrober udfører insekter og andre terrestriske hvirvelløse dyr grundlæggende funktioner i økosystemer (Yang & Gratton, 2014). Disse funktioner er altafgørende for hele økosystemets tilstand, og dermed også for de højere trofiske niveauer i fødekæden (Danks, 1992; Yang & Gratton, 2014). Enkelte arters respons på klimaændringer kan derfor have vidtrækkende konsekvenser for lokale samfundsstrukturer og interaktioner mellem arterne heri. Dette er især gældende for arktiske økosystemer som ofte domineres af et lavere antal arter (Böcher et al., 2015; Eloranta et al., 2015). Endvidere kan ændringer i den arktiske fauna have indflydelse på organismer fra sydligere egne. Blandt andet udgør arktiske arthropoder en betydelig fødekilde for fugle der migrerer til arktis i sommerperioden (Danks, 1992).

Terrestriske hvirvelløse dyr påvirkes direkte af den omgivende temperatur. På grund af deres relativt lille kropsstørrelse har disse organismer næsten samme temperatur som det omgivende miljø, hvilket stiller store krav til, hvordan de overlever temperaturpåvirkninger. Tilpasninger hos arktiske insekter og andre hvirvelløse dyr, har gjort det muligt for dem at overleve ekstreme kuldegrader og derved kolonisere nogle af de mest ugæstfrie egne på Jorden, hvor temperaturen ofte kommer ned under -20 °C (Sørensen & Bahrndorff, 2008). Vi ved dog meget lidt om arktiske arters tilpasninger til varmestress, hvilket er problematisk fordi netop arktiske egne forventes at blive mest påvirket af klimaforandringer, og klimamodeller forudsiger stigninger i gennemsnitstemperaturer på op mod 4 °C i løbet af de næste 100 år (IPCC, 2013). I arktiske egne er der i de seneste årtier observeret store ændringer i den gennemsnitlige temperatur - det er blevet varmere, og det terrestriske areal der er dækket af sne og som er permanent tilfrosset er reduceret i størrelse (Solomon et al., 2007). Terrestriske økosystemer og hvirvelløse dyr i særdeleshed forventes derfor i høj grad at blive påvirket af klimaforandringer.

En øget forståelse for hvordan arter og økosystemer vil respondere på ændringer i temperaturen i disse egne er derfor vigtig i forhold til at forstå og bevare den unikke biodiversitet vi ser i arktiske egne. Ligeledes er en høj biodiversitet vigtig for f.eks. primærproduktionen, kulstoflagring, næringskredsløbet, samt nedbrydningshastigheden af organisk materiale (Hector

et al 1999; Mulder et al 2001; Hätenschwiler et al 2005; Ellers et al 2011) og spiller derfor en vigtig rolle for udnyttelsen af arktiske terrestriske områder.

Vores formål

For at undersøge disse problemstillinger har vi tilrettelagt to specialeprojekter som udarbejdes i 2017-2018. Formålet med projekterne er at undersøge arktiske hvirvelløse dyrs evne til at tilpasse sig pludselige temperaturstigninger via fænotypisk plasticitet. Evnen til at respondere på daglige og sæsonmæssige temperaturændringer hos arktiske arter vil yderligere blive sammenlignet med resultater fra undersøgelser på tempererede og evt. tropiske arter med henblik på at kunne vurdere forskellen i arternes tilpasningsevne mellem klimazoner. Undersøgelsen af dette kan give indblik i, hvor godt rustet de arktiske arter er i forhold til klimaændringer, sammenlignet med arter som er tilpasset et varmere og eventuelt mindre variabelt klima.

En gennemgående undersøgelse af de arktiske arters tilpasningsevne kan skabe et indblik i hvilke arter der er mest sårbare og resultaterne kan danne grundlag for en bedre forståelse af effekten af klimaforandringer på arktiske økosystemer.

Vi vil undersøge ca. 20-30 arktiske insektarters varmetolerance på baggrund af en række undersøgelser af deres varmestresstolerance, herunder CTmax (Critical Thermal maximum). Vi vil fange dyrene i naturen på forskellige tidspunkter af dagen og på tværs af sæsoner og udsætte dem for en gradvis temperaturstigning på 0,2 °C/min, indtil et komastadie opnås. Andre mål for ydeevne ved høje temperaturer vil ligeledes blive testet. Udover at undersøge hvilke muligheder arter har for at tilpasse deres fysiologi og dermed varmestresstolerance til daglige og sæsonmæssige udsving i temperatur, vil vi også udsætte dem for akklimeringsbehandlinger, som yderligere belyser deres plastiske potentiale.

For at få et indblik i de molekylære mekanismer, der ligger bag plastiske responser i de undersøgte arter, vil vi yderligere foretage molekylære analyser. Blandt andet kan mængden af forskellige varme-shockproteiner (HSP-familien) give vigtige informationer om hvordan dyrene håndterer varmestress. Varme-shockproteinerne produceres når cellerne udsættes for stress, og er med til at stabilisere cellen og afværge yderligere skade på vigtige proteiner (Sørensen et al., 2003). Vi vil benytte qPCR til at undersøge ekspression af kandidat-gener, herunder varme- shockproteiner. Derudover vil vi benytte barcoding til at adskille kryptiske arter, som ikke kan bestemmes ved hjælp at morfologiske karakterer.

En del af undersøgelserne af arktiske arter er udført fra d. 31/7 – 23/8 2017 i Narsarsuaq (Sydgrønland). Vi har bestemt CTmax for en række arktiske arter og ligeledes udsat disse arter for akklimering i 1 time ved tre temperaturer, efterfulgt af to timers hvile inden CTmax. Umiddelbart viser resultaterne at det er vanskeligt at inducere en plastisk respons hos de fleste arter. Disse undersøgelser vil blive suppleret at en 2018 indsamling. Undersøgelserne af tempererede arter er igangværende og vil hovedsageligt blive udført i Aalborg. Undersøgelser af tropiske arter vil

blive udført i starten af 2018 med insekter indkøbt fra tropiske egne heriblandt Australien. For at supplere det nuværende data, er der planlagt yderligere indsamling af grønlandske arthropoder i foråret 2018 i Narsarsuaq, umiddelbart før aflevering af projekterne.

Referencer:

Böcher J. I. et al. 2015 The Greenland entomofauna: an identification manual of insects, spiders and their allies. Fauna entomologica Scandinavica 44, 10-12 (ISBN 978-90-04-26105 (e-book)). Danks H. V. 1992 Arctic Insects as Indicators of Environmental Change. Arctic 45, No. 2, 159- 166.


Ellers J. et al. 2011 Genotypic richness and phenotypic dissimilarity enhance population performance. Ecology 92, 1605–1615.


Elotanta A. P. et al. 2015 Community structure influences species’ abundance along environmental gradients. Journal of Animal Ecology 85, 273-282.

Hector A. et al. 1999 Plant diversity and productivity experiments in European grasslands. Science. 286, 1123–1127.
Hättenschwiler S. et al. 2005 Biodiversity and litter decomposition in terrestrial ecosystems. Annu.Rev.Ecol.Evol.Syst. 36, 191–218.


IPCC (Ed.), 2013: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

Mulder C. P. et al. 2001 Physical stress and diversity-productivity relationships: the role of positive interactions. Proc.Natl.Acad.Sci. U.S.A. 98, 6704–6708.

Solomon S. et al. 2007 Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

Sørensen J.G. & Bahrndorff S. 2008 Kolde Kræ. Aktuel Naturvidenskab. 4, 13-16.

Sørensen, J. G. et al. 2001 The evolutionary and ecological role of heat shock proteins. Ecology Letters 6, 1025–1037

Yang L. H. & Gratton C. 2014 Insects as drivers of ecosystem processes. Current opinion in Insect Science 2, 26-32.