Effect of environmental factors in Daphnia magna longevity parameters

Abstract

Longevidade é a capacidade de um organismo sobreviver para além da idade média de morte para a espécie a que pertence. Pode ser modulada por vários parâmetros ambientais que influenciam o metabolismo celular, a oxidação, ou a integridade do ADN. Até ao presente já foram realizados alguns estudos com o objetivo de compreender a influência de vários fatores ambientais na longevidade dos organismos. No entanto, a maior parte destes estudos são limitados a um número reduzido de espécies modelo. Deste modo, é pertinente gerar mais conhecimento sobre a estrutura do genoma e respostas funcionais de genes às condições ambientais em espécies com ecologias bem conhecidas, de modo a promover uma melhor compreensão das interações gene-ambiente num contexto evolutivo. A metodologia mais direta para abordar esta questão é identificar genes ou intervenções que funcionam de forma semelhante de modo a se poder proceder à modulação do tempo de vida nos organismos. Componentes de insulina ou o fator de crescimento 1 da família da insulina (IGF- 1), a cínase da rapamicina (TOR) e as sirtuínas (SIR) da família das desacetilases, reguladas pelo gene PNC1 (pirazinamidase e nicotinamidase), são alguns exemplos que apresentam essa característica. Levando isso em consideração, o principal objetivo deste trabalho foi avaliar a influência de diversos parâmetros abióticos na longevidade de duas linhagens clonais da espécie Daphnia magna Straus (K6 e BEAK), da sub ordem Cladocera. Para atingir este objectivo foram avaliados os efeitos da temperatura, da restrição alimentar e de diferentes níveis de cobre na reprodução (número total de neonatos produzidos) e no tempo de vida de D. magna. No caso de restrição calórica e cobre, foram ainda avaliados os efeitos na expressão génica e integridade (ocorrência de mutações) do gene PNC1, respetivamente. Daphnia magna foi selecionada como organismo para este estudo, por apresentar uma ecologia bem documentada, ser de fácil manutenção em laboratório e por se reproduzir por partenogénese, o que permite o estabelecimento de linhagens clonais, sendo desta forma uma ferramenta para discriminar diferenças genéticas (entre clones) do background experimental. Além disso, o genoma da espécie Daphnia pulex foi já sequenciado, permitindo a avaliação da relação entre a estrutura, expressão génica e respostas a nível populacional às alterações ambientais. De um modo geral, os resultados obtidos revelaram uma dependência entre linhagens clonais e a influência dos parâmetros ambientais na longevidade. O aumento da concentração de cobre e da temperatura provocou uma redução na produção de descendência e também na longevidade de D. magna. A restrição alimentar também induziu um decréscimo na produção de descendência nas duas linhagens clonais. A análise das sequências de ADN apenas revelou polimorfismos semelhantes em todas as amostras, o que sugere que não foram induzidas quaisquer mutações devido a exposição aos fatores ambientais em estudo. Também não foram identificados efeitos significativos de restrição calórica na expressão relativa do gene PNC1.

Longevity is the ability to survive beyond the average age of death for the species. It can be modulated by several environmental parameters that influence cellular metabolism, oxidation, or DNA integrity. A set of works has already been carried out in order to understand the influence of environmental factors in longevity. However, most of these studies are restricted to a narrow number of model species. It is then pertinent to generate more knowledge on the genome structure and on the functional responses of genes to environmental conditions within species with tractable ecologies, aiming to improve the understanding of gene-environment interactions in an evolutionary context. The most direct way to address this problem is to identify genes or interventions that function similarly to modulate life span in different organisms. Components of the insulin or insulin-like growth factor 1 (IGF-1) signaling pathway, the nutrient-responsive target of rapamycin (TOR) kinase and the sirtuin (SIR) family of protein deacetylases, regulated by PNC1 gene (pyrazinamidase and nicotinamidase), among others, have been found to have this property. Taking this into consideration, the main goal of this work was to assess the influence of several environmental parameters in the longevity of two clonal lineages of the cladoceran species Daphnia magna Straus (K6 and BEAK). To attain this purpose, the effects of temperature, food restriction and different copper levels were evaluated in the reproduction (total number of neonates produced) and life span of D. magna. The effects in the gene expression and genomic integrity of the PNC1 gene (occurrence of mutations) were assessed in the food restriction and copper assays, respectively. The model organism Daphnia magna was selected to address the purposed objective as its ecology is well understood, it is of easy maintenance and reproduces by parthenogenesis, which allows the creation of clonal lineages, thus providing a tool to discriminate genetically based differences (among clones) from the experimental background. In addition, the genome of the closely related Daphnia pulex has been sequenced, allowing the assessment of the relationship between structure, gene expression and population-level responses to environmental changes. In general, the obtained results revealed a clonal lineage dependency on the influence of the environmental parameters in longevity. An increased temperature and copper concentration provoked a reduction in the reproductive output and as well as in the longevity of daphnids. Food restriction also induced a decrease in the reproductive output of both clonal lineages of D. magna. After DNA sequencing, only similar SNPs were found in all samples and therefore, no mutational alterations were caused by exposure to the studied environmental factors. No significant effects occurred in the relative gene expression of PNC1 due to caloric restriction.