QTL para estrés de alta temperatura y evolución experimental de hormesis en el modelo Drosophila

Gómez, Federico Hernán

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Disciplina:	biologia
Título:	QTL para estrés de alta temperatura y evolución experimental de hormesis en el modelo Drosophila
Título alternativo:	High temperature QTL and experimental evolution of hormesis in the Drosophila model
Autor:	Gómez, Federico Hernán
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Publicación en la Web:	2011-09-06
Fecha de defensa:	2010
Fecha en portada:	2010
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Biológicas
Departamento Docente:	Departamento de Ecología, Genética y Evolución
Director:	Norry, Fabián M.
Consejero:	Iusem, Norberto D.
Jurado:	Rossi, María Susana; Schilman, Pablo; Confalonieri, Viviana
Idioma:	Español
Palabras clave:	ESTRES AMBIENTAL; TERMO-TOLERANCIA; HORMESIS; QTL; INANICION; RESISTENCIA A LA RADIACION UV; TAMAÑO DEL ALA; ASIMETRIA FLUCTUANTEENVIRONMENTAL STRESS; THERMOTOLERANCE; HORMESIS; QTL; STARVATION; UV RADIATION RESISTANCE; WING SIZE; FLUCTUATING ASYMMETRY
Tema:	biología/genética biología/ecología
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n4867_Gomez
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n4867_Gomez.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n4867_Gomez
Ubicación:	BIO 004867
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Gómez, Federico Hernán. (2010). QTL para estrés de alta temperatura y evolución experimental de hormesis en el modelo Drosophila. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n4867_Gomez

Resumen:

Drosophila melanogaster se encuentra distribuida en amplias zonas geográficas, desde regiones tropicales a templadas en la mayoría de los continentes. Diversos fenotipos adaptativos han evolucionado en este organismo modelo cosmopolita, dependiendo los individuos y las poblaciones de conjuntos de mecanismos de resistencia al estrés ambiental, tanto basales como inducibles para la adaptación a las condiciones climáticas variantes. La resistencia al estrés por calor, hambre y radiación representan fenotipos ecológicamente relevantes de adaptación a los ambientes en la etapa adulta del ciclo de vida de Drosophila. Se ha hallado que los tratamientos de estrés térmico con frecuencia inducen hormesis en la longevidad en varios organismos. Hormesis es un concepto fundamental en la biología evolutiva de la respuesta al estrés, siendo utilizado ampliamente para definir un fenómeno de respuesta de dosis sobre diversos caracteres, incluyendo la longevidad. El efecto de hormesis sobre la longevidad ocurre cuando la exposición a un factor de estrés moderado (ej., estrés por calor) extiende la longevidad de un organismo o bien reduce su tasa de senescencia o envejecimiento. La radiación ultravioleta (UV) es otra forma de estrés ambiental que, como ocurre con la temperatura, puede afectar la distribución, abundancia y evolución de los organismos. Los niveles de radiación UV incrementan a mayores latitudes y altitudes. El presente escenario de calentamiento global está caracterizado por un gradual deterioro de la capa de ozono y mayores niveles de radiación ultravioleta que alcanzan la superficie del planeta. Debido a que los caracteres de historia de vida han evolucionado en un ambiente donde la radiación está presente, es de interés investigar la base genética de la resistencia a la radiación ultravioleta. Otro carácter de importancia adaptativa en insectos es la resistencia a la inanición. Este carácter es importante para la supervivencia cuando los recursos alimenticios son escasos. En los insectos es común que las poblaciones tengan que soportar inanición en forma periódica, y la evolución de caracteres de historia de vida puede haber ocurrido bajo condiciones ambientales que incluyan la falta de alimento. El tamaño corporal puede estar relacionado a la tolerancia a la inanición además de ser otro carácter de gran importancia adaptativa para la dispersión y la capacidad para encontrar recursos de alimento y cría en D. melanogaster. Este carácter se encuentra muy influenciado por la temperatura durante el desarrollo embrionario. Utilizando el mapeo de QTL (Quantitative Trait Loci) como herramienta y Drosophila melanogaster como organismo modelo, se investigó e identificó la ubicación de loci que son importantes para la variación en la resistencia a las altas temperaturas, al hambre y a la radiación UV. En este trabajo de tesis también se realizó un mapeo de QTL para el tamaño del ala (un índice del tamaño corporal) y la asimetría fluctuante como un indicador de la inestabilidad del desarrollo, tanto en benigna como en alta temperatura experimentada durante el desarrollo embrionario. En las regiones de QTL descubiertas se encuentran genes que desempeñan un rol importante en la evolución adaptativa de estos caracteres. Por otro lado, se investigaron e identificaron patrones adaptativos de hormesis en la longevidad en líneas de Drosophila buzzatii seleccionadas artificialmente para alta y baja resistencia a diferentes formas de estrés térmico. La tolerancia al estrés por inanición fue consistentemente más alta en las hembras que en los machos. El mapeo del intervalo compuesto identificó un QTL entre las bandas 64D-66E2 del cromosoma 3 en los machos y ningún QTL en las hembras. Se identificaron muchos genes candidatos dentro de dicha región de QTL. Los QTL para el tamaño del ala tampoco co-localizaron con el QTL para la tolerancia a la inanición. Los resultados se discuten con respecto a los múltiples genes candidatos y la falta de co-localización con QTL de termotolerancia previamente detectados en estudios recientes en Drosophila melanogaster. En el análisis de hormesis se utilizaron líneas de selección bi-direccional para mayor (K+) y menor (K-) resistencia al estrés por calor, así como también se utilizaron líneas seleccionadas para mayor (CCR+) o menor (CCR-) resistencia al estrés por frío. La hormesis inducida por estrés de calor fue sustancial en las hembras K- y CCR-, mientras que no se detectó ningún efecto de hormesis en las líneas K+, CCR+ y de control. Las diferencias en la longevidad entre las diversas líneas desaparecieron luego de un tratamiento por estrés de calor. Los efectos de hormesis sobre la tasa de senescencia demográfica fueron específicos de sexo y consistentemente más altos en las líneas menos longevas que en las líneas más longevas. Los resultados indicaron que la hormesis es una respuesta adaptativa, dado que su magnitud puede aumentar evolutivamente con la sensitividad térmica. Respecto de los QTL de termotolerancia se detectó un QTL de gran efecto sobre la resistencia al coma por calor en la región central (pericentromérica) del cromosoma 2 de Drosophila melanogaster. Los efectos de este QTL fueron mucho mayores en moscas no aclimatadas (resistencia basal) que en moscas aclimatadas (termotolerancia inducida). Este QTL explicó un 18% de la variación en fenotipos de resistencia al coma por calor, y no co-localizó con QTL de tolerancia a la inanición. Este QTL de termotolerancia colocalizó con un QTL del tamaño del ala y con un QTL de la resistencia a la radiación UV en el presente estudio. Se detectaron otros QTL para el tamaño del ala en los tres cromosomas mayores de la especie, que fueron específicos de la temperatura de desarrollo y del sexo. Respecto de los QTL para la asimetría fluctuante (AF), el resultado más interesante fue que ningún QTL para AF fue significativo en temperatura benigna y todos los QTL para AF fueron significativos en condiciones de estrés y parecieron ser específicos de cada sexo. El alelo del QTL que aumenta la tolerancia al calor fue el mismo que el que aumenta la tolerancia a la radiación UV-C, Este resultado es interesante porque indica que la tolerancia al calor y la resistencia a la radiación UV pueden tener QTLs en común. En la naturaleza, ambos caracteres podrían responder a la selección natural a través del mismo QTL, en ambientes con alta temperatura y elevada radiación UV. Por lo tanto, el QTL identificado será de gran interés para futuros análisis sobre termo-tolerancia y radiación ultravioleta, y el estudio presente discute posibles genes candidatos implicados en este QTL.

Abstract:

Drosophila melanogaster is distributed over wide geographic areas, ranging from tropical to temperate regions in most continents. A great number of adaptive stress resistance mechanisms have evolved in this cosmopolitan model organism, and individuals as well as populations depend on sets of basal and inducible traits to adapt to the changing climatic conditions. Resistance to heat stress, starvation and radiation represent ecologically relevant phenotypes of adaptation to environments in the adult stage of the Drosophila life cycle. Thermal stress is known to induce hormesis on longevity in several organisms. Hormesis is a fundamental concept in the evolutionary biology of stress resistance and is widely used to define a dose-response phenomenon on several traits, including longevity. Hormesis on longevity takes place when exposure to a mild stress factor, a mild heat stress for example, either extends the lifespan of an organism, or reduces its senescence or ageing rate. Another form of environmental stress that can affect the distribution, abundance and evolution of organisms is UV radiation. UV radiation levels increase at higher altitudes and latitudes. The present global warming scenario is characterized by a gradual ozone layer deterioration and higher levels of ultraviolet radiation reaching the planet surface. Because life history traits have evolved in an environment where radiation is present, it is of interest to further investigate the genetic architecture of ultraviolet radiation resistance. Another trait of adaptive importance is starvation resistance. This trait is crucial to survival when food resources are scarce. In insect populations periodic starvation is fairly common, and evolution of life history traits may have occurred under environmental conditions that included food shortage. Body size may be related to starvation resistance and is another adaptive trait under the influence of several environmental factors, including temperature, and of great importance for dispersion and resource finding. This trait is greatly influenced by temperature during the embryonary stage of development in D. melanogaster. Using QTL (Quantitative Trait Loci) mapping as a tool and Drosophila melanogaster as model organism, I investigated and identified the arrangement of loci relevant to variation in resistance to high temperature, starvation and UV radiation. Also, in this thesis we used QTL mapping to search for loci relevant for wing size (an index of body size) and fluctuating asymmetry, an indicator of developmental instability, at both benign and high developmental temperatures. Discovered QTL regions contain genes that play a significant role in the adaptive evolution of these traits. In addition, we investigated and identified adaptive patterns for hormesis in longevity in Drosophila buzzatii lines artificially selected for high and low resistance to different forms of thermal stress. Starvation stress tolerance was consistently higher in females than in males. Composite interval mapping revealed a QTL between bands 64D- 66E2 in chromosome 3 in males and none in females. Several candidate genes were identified within said QTL region. QTL for wing size did not co- localize with starvation resistance QTL. Results are discussed regarding the multiple candidate genes and lack of co-localization with QTL previously identified for thermotolerance in recent studies in D. melanogaster. For hormesis analysis, bidirectional selection lines for high (K+) and low (K-) resistance to heat stress were utilized, as were lines selected for high (CCR+) and low (CCR-) resistance to cold stress. Heat stress induced hormesis was significant in K- and CCR- females, whereas no hormetic effect was detected in control, K+ and CCR+ lines. Differences in longevity among the several lines disappeared following a heat stress treatment. The effects of hormesis on the demographic senescence rate were sex-specific and consistently higher in shorter-lived lines than in longer-lived lines. Results indicate that hormesis is an adaptive response, as its magnitude may evolutionarily increase with thermal sensitivity. Regarding thermotolerance, a QTL of great effect for heat-shock resistance was detected in the pericentromeric region of chromosome 2 in Drosophila melanogaster. The effects of this QTL were much higher in non- hardened flies (basal resistance) than in hardened flies (induced thermotolerance). This QTL explained 18% of the variation in heat-shock resistance phenotypes, and did not colocalize with starvation resistance QTL. Additionally, this QTL did colocalize with a QTL for wing size and a QTL for UV radiation resistance in the present study. Other QTL were detected for wing size in the three major chromosomes of the species, these QTL were sex specific and also development-temperature specific. In regards to fluctuating asymmetry (FA), the most interesting result was that all FA QTL were significant under stressful temperature development and seemed to be sex-specific, whereas no significant benign temperature QTL were detected for AF. The QTL allele increasing heat tolerance was the same as the one increasing UV-C radiation tolerance. This is an interesting result because it hints that heat tolerance and UV radiation resistance could have QTL in common. In nature, both traits may respond to natural selection through the same QTL in high-temperature and high-UV radiation level environments. Therefore, the identified QTL is of great interest for future analyses on thermotolerance and ultraviolet radiation, and the present study discusses possible candidate genes implicated in this QTL.

Citación:

---------- APA ----------

Gómez, Federico Hernán. (2010). QTL para estrés de alta temperatura y evolución experimental de hormesis en el modelo Drosophila. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n4867_Gomez

---------- CHICAGO ----------

Gómez, Federico Hernán. "QTL para estrés de alta temperatura y evolución experimental de hormesis en el modelo Drosophila". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2010.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n4867_Gomez

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