Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/17941
Title: Microevolutionary dynamics and genetic erosion in pollution-affected Chironomus populations
Other Titles: Dinâmica microevolutiva e erosão genética em populações de Chironomus de locais contaminados
Author: Pedrosa, João André da Mota
Advisor: Soares, Amadeu
Pestana, João Luís Teixeira
Nowak, Carsten Felix
Keywords: Adaptação (Biologia)
Ecotoxicologia e biologia ambiental
Genética evolutiva
Ecossistemas aquáticos
Defense Date: 2017
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: As populações que vivem em ecossistemas de água doce extremamente contaminados por metais podem estar sujeitas a forte seleção e deriva genética. Este processo de erosão genética poderá ameaçar a sua sobrevivência a longo prazo, uma vez que a capacidade de adaptação das populações a alterações das condições ambientais está diretamente relacionada com os níveis de diversidade genética. Neste sentido, a procura por novos bioindicadores, que aumentem a relevância ecológica da avaliação de risco ambiental, tem levado a um crescente interesse pela toxicologia evolutiva e por medidas de diversidade genética. O trabalho aqui apresentado tem como objetivo último compreender de que forma os níveis de diversidade genética da espécie modelo em ecotoxicologia Chironomus riparius (Meigen) podem ser usados como indicadores de qualidade ecológica de sistemas de água doce. Para tal, avaliaram-se respostas microevolutivas à contaminação histórica por metais em populações de C. riparius, incluindo determinação dos níveis de diversidade genética, adaptação genética a metais e potenciais custos de fitness. A diversidade genética foi estimada com base na variação de sete marcadores de microssatélites enquanto que a adaptação genética a metais e potenciais custos de fitness foi avaliada através da tolerância aguda e crónica a diferentes stressores ambientais, medidas de balanço energético e mecanismos de defesa após manter as diferentes populações durante várias gerações em condições laboratoriais controlo. Por fim, as respostas microevolutivas de C. riparius à contaminação por metais foram comparadas com a diversidade e composição das comunidades de macroinvertebrados. Para determinar a relação de causa-efeito entre respostas microevolutivas e contaminação, os efeitos da poluição por metais foram investigados em diferentes locais historicamente contaminados por metais e comparados com várias referências. Os resultados demonstraram elevados níveis de diversidade genética e uma considerável homogeneidade genética entre as populações monitorizadas em condições naturais. No entanto, observaram-se evidências de adaptação genética a metais nas populações de locais contaminados, incluindo maior tolerância à exposição aguda por metais e elevados níveis basais de glutationas e metalotioninas que possivelmente aumentam a capacidade de resposta das populações à exposição a metais. Além do mais, observaram-se maiores custos energéticos em populações de locais contaminados quando expostas a metais, enquanto que uma das populações de locais contaminados apresentou também custos de fitness em condições controlo. Finalmente, verificou-se que a diversidade e composição das comunidades de macroinvertebrados dos locais contaminados foi fortemente afetada e muitos grupos taxonómicos sensíveis à contaminação foram eliminados e substituídos por outros mais oportunistas, tais como C. riparius. De um modo geral, as medidas de diversidade genética de populações naturais de C. riparius não mostraram ser ferramentas de biomonitorização particularmente vantajosas per se uma vez que não refletiram as respostas microevolutivas das diferentes populações à poluição histórica por metais. Tal facto poderá estar relacionado com a elevada densidade populacional e dinamismo da espécie em condições naturais, uma vez que se observou uma considerável perda de diversidade genética quando as populações foram mantidas em laboratório durante períodos de tempo relativamente longos. Não obstante, algumas linhas de evidência do presente trabalho sugerem o uso de medidas de diversidade genética de C. riparius em diversas situações experimentais como sejam: deteção de hibridização interespecífica; estabelecimento de níveis mínimos de diversidade genética em laboratório; e, finalmente, uso integrativo de medidas de diversidade genética em programas de biomonitorização com um foco mais direcionado para os efeitos ao nível da comunidade de macroinvertebrados. Os resultados apresentados pretendem estimular a discussão acerca da adequabilidade de C. riparius como espécie modelo em toxicologia evolutiva bem como a sensibilidade e robustez das medidas de diversidade genética como indicadores de qualidade ambiental em avaliação de risco ecológico.
Natural populations inhabiting heavily metal impacted freshwater ecosystems may face intense selection and genetic drift that conduct populations to severe reductions of genetic diversity, the so-called process of genetic erosion. Because the ability of populations to adapt to environmental change is directly related to the levels of genetic diversity, contaminant-driven genetic erosion may threaten the long-term survival of populations. The search for more robust and context-driven bio-indicators that add ecological relevance to the environmental risk assessments has increased interest in evolutionary toxicology and measures of genetic diversity. The research described in the present thesis was performed with the ultimate goal of understanding whether the levels of genetic diversity of the model ecotoxicological species Chironomus riparius (Meigen) may be used as ecological indicators of the health of freshwater systems. For that, an integrative study was undertaken investigating microevolutionary responses of C. riparius towards historical metal pollution. This included assessments of levels of genetic diversity as well as determination of genetic adaptation to metals and associated fitness costs. Genetic diversity was estimated based on the variation of seven microsatellite markers. Genetic adaptation and associated fitness costs were investigated through acute and chronic exposures to different environmental stressors, measurements of energy budget and biochemical mechanisms of tolerance to metals, after maintaining populations for several generations under standard laboratory conditions. Microevolutionary responses of C. riparius to metal pollution were, afterwards, compared with macroinvertebrate diversity and composition metrics. To draw general conclusions of causal-relationship between microevolutionary responses and pollution history, effects were investigated across multiple metal polluted and reference site. Globally, the levels of genetic diversity were globally high and there was a remarkable genetic homogeneity among all C. riparius populations in the field. However, C. riparius populations from metal polluted sites showed signs of genetic adaptation to metals as suggested by the increased tolerance to acute concentrations of metal and high basal levels of glutathiones and metallothioneins that likely enhance the fitness of populations to cope with metal toxicity. Furthermore, populations from metals contaminated sites had higher energetic costs when exposed to metals and one of the populations from contaminated sites showed also a poorer performance under control clean conditions. Finally, diversity and composition of macroinvertebrate communities from metal polluted sites was strongly affected and many sensitive taxonomic groups were eliminated and replaced by more opportunistic ones such as C. riparius. Overall, measures of genetic diversity of C. riparius natural populations do not seem to be particularly advantageous biomonitoring tools per se once they did not reflect the underlying microevolutionary responses of natural populations to historical metal pollution. This is likely because of the large population densities together with the highly dynamic nature of C. riparius in the field as we observed genetic erosion in population reared under laboratory conditions over relatively long periods of time. However, several lines of evidence indicate that measures of genetic diversity may accrue valuable information in several experimental situations: detection of interspecific hybridization; establishment of minimum levels of genetic diversity in laboratory-reared C. riparius populations; finally, integrative use of measures of genetic diversity in biomonitoring programs with more community-level focus. The results presented in this thesis aim to stimulate discussion on the suitability of C. riparius as a model species in evolutionary ecotoxicology studies as well as the sensitivity and robustness of genetic diversity measures as indicators of environmental quality in ecological risk assessment.
Description: Doutoramento em Biologia
URI: http://hdl.handle.net/10773/17941
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DBio - Teses de doutoramento

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