Maternal effects and settlement performance of the green crab Carcinus maenas

Abstract

The majority of benthic marine invertebrates display complex life cycles characterized by life stages with contrasting features. These organisms commonly exhibit a dispersive pelagic larval form(s) that experiences a dramatic event that shifts its morphology and behaviour – the metamorphosis. This event gives origin to a benthic juvenile stage that may also experience additional changes in its morphology, behaviour and physiology until reaching the adult stage and becoming sexually mature. The path between hatching and settlement is a challenging one that only a minute fraction of individuals overcomes. Unravelling the processes that condition the life history strategies and settlement success of benthic marine invertebrates is essential to understand the shaping of adult populations, as well as ecological and evolutionary pathways. In this regard, the present thesis analyses important stages in the life history of a model benthic marine invertebrate with a complex life cycle: the embryonic development, larval settlement and early benthic performance of the green crab Carcinus maenas. The first part of this thesis analyses maternal effects as a source of variability in offspring quality, using biochemical tools. It explores the hypothetical existence of embryonic variability as a consequence of their positioning within the brooding chamber at oviposition and during embryogenesis. Fatty acid profiles of embryos in early (stage 1) and late (stage 3) stages are used as proxies to analyse maternal provisioning and larval quality at hatching, respectively. Through a lipidomic approach, the embryogenesis of C. maenas and Necora puber, two closely related brachyuran crabs that occur in sympatry in the study site, is compared. Polar lipid dynamics is unravelled for the first time in these ecologically and economically important species. Finally, two different time scales, annual and seasonal, are employed to investigate the existence of temporal variability in offspring quality, with the role that maternal size may play as another source of variability also being investigated. The second part of this thesis focus in the early benthic life of juvenile C. maenas. Wild megalopae collected in Ria de Aveiro are used to understand how the pelagic life experienced by developing larvae before becoming competent (receptive to settlement cues) can condition their early benthic life. Competent larvae are exposed to extreme abiotic and trophic conditions to comprehend how their phenotypic plasticity and potential carry-over effects influence consecutive life stages. The part of the study addressing maternal effects revealed that C. maenas did not present any significant within brood variability in newly extruded (stage 1) and ready to hatch (stage 3) embryos. Therefore, maternal provisioning and the incubation environment within the brooding chamber were homogeneous across the whole brood. Nevertheless, a highresolution lipidomic analysis showed that embryogenesis is a dynamic process, suggesting a specialization of lipid functions along the embryonic development. Moreover, maternal provisioning and incubation environment were not influenced by maternal size. Nonetheless, the lipid composition of the yolk was conditioned by the period in which the ovarian maturation occurred. While the environmental conditions prevailing during the incubation altered the fatty acid profile of the ready to hatch embryos. After experiencing a planktonic life, competent larvae displayed different post-settlement performance, clearly reflecting the pelagic conditions that they have experienced during their larval life. Optimal grow-out conditions did not delete these larval fingerprints, with their consequences being carried-over to early benthic life and conditioning the phenotype of juvenile crabs. Larval life plays such an important role in the life history of benthic marine invertebrates that even exposure during a few days to extreme abiotic and trophic conditions can influence their post-settlement performance. Overall, metamorphosis is definitely not a new beginning for C. maenas. In fact, the early postmetamorphosis performance of this brachyuran crab can be strongly conditioned by trait mediated effects that are carried over from its embryonic and/or pelagic larval life to its benthic juvenile and/or adult stages.

A maioria dos invertebrados bentónicos marinhos apresentam ciclos de vida complexos, com características contrastantes entre os diferentes estádios. Estes organismos normalmente exibem uma forma larval pelágica (ou várias), a qual sofre um evento dramático que muda a sua morfologia e comportamento – a metamorfose. Este evento dá origem ao estádio juvenil, o qual também experimenta mudanças na sua morfologia, comportamento e fisiologia, até atingir o estádio adulto e ser sexualmente maduro. O percurso entre a eclosão e o assentamento é um desafio que só uma pequena fracção de indivíduos consegue superar. Revelar os processos que condicionam as estratégias do ciclo de vida e o êxito no assentamento dos invertebrados bentónicos marinhos é essencial para compreender a dinâmica das populações adultas, assim como a sua trajetória a nível ecológico e evolutivo. Neste sentido, esta tese analisa importantes estádios no ciclo de vida de uma espécie modelo de invertebrados bentónicos marinhos: o desenvolvimento embrionário, o assentamento larval e o desempenho dos primeiros estádios da vida bentónica do caranguejo Carcinus maenas. A primeira parte desta tese analisa os efeitos maternais, como fonte de variabilidade na qualidade da descendência, usando ferramentas bioquímicas. Explora a existência hipotética da variabilidade embrionária, como consequência da posição dos embriões dentro da câmara de incubação no momento da extrusão e durante a embriogênese. O perfil dos ácidos gordos dos embriões, na fase inicial (estádio 1) e fase tardia (estádio 3) da embriogênese, foram usados como estimativa para analisar o investimento maternal e a qualidade das larvas no momento da eclosão, respectivamente. Através de uma abordagem lipidómica, é comparada a embriogênese de C. maenas e Necora puber, dois caranguejos braquiúros estreitamente relacionados que ocorrem em simpatria na área de estudo. A dinâmica dos lípidos polares é revelada pela primeira vez nestas espécies de interesse ecológico e comercial. Para finalizar, duas escalas temporais diferentes, anual e sazonal, são utilizadas para investigar a existência de variabilidade temporal na qualidade da descendência, incluindo o papel do tamanho maternal como outra fonte de variabilidade. A segunda parte da tese foca-se no início da vida bentónica dos juvenis de C. maenas. Megalopas selvagens recolhidas na Ria de Aveiro, são usadas para entender como as experiências da vida pelágica antes de se tornar competentes (recetivas aos sinais de assentamento) podem condicionar a sua vida bentónica. As larvas competentes são submetidas a condições tróficas e abióticas extremas para compreender como a sua plasticidade fenotípica e os potenciais efeitos latentes influenciam as fases subsequentes do ciclo de vida. O estudo dos efeitos maternais revelou que C. maenas não apresenta variabilidade dentro da massa de embriões recém extrudidos (estádio 1), nem nos que estão para eclodir (estádio 3). Portanto, o investimento maternal e as condições durante a incubação foram homogéneas em toda a massa de embriões. No entanto, uma análise de alta resolução mostrou que a embriogênese é um processo dinâmico, sugerindo uma especialização das funções dos lípidos durante o desenvolvimento embrionário. Por outro lado, o investimento maternal e as condições de incubação não foram influenciadas pelo tamanho maternal. Contudo, a composição lipídica dos ovos foi condicionada pelo período no qual a maturação do ovário ocorreu, enquanto as condições ambientais existentes durante a incubação modificaram o perfil de ácidos gordos dos embriões prontos para eclodir. Após a fase planctônica, as larvas competentes exibiram diferentes níveis de rendimento pósassentamento, reflectindo claramente as condições pelágicas experimentadas durante a vida larval. Condições ótimas de crescimento não apagam a pegada da vida larval, sendo transferidas as consequências para o início da vida bentónica e condicionando o fenotipo dos caranguejos juvenis. A vida larval desempenha um papel tão importante na história de vida dos invertebrados bentónicos marinhos que, inclusivamente, a exposição a condições tróficas e abióticas adversas durante poucos dias influenciam o desempenho após o assentamento. Globalmente, a metamorfose não é, definitivamente, um novo começo para C. maenas. Na verdade, o desempenho pós-metamorfose no início da vida bentónica deste caranguejo braquiúra pode ser fortemente condicionada pelos efeitos latentes que são transferidos desde a vida larval pelágica até os estádios bentónicos, juvenil e/ou adulto.