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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 |
Appears in Collections: | DBio - Teses de doutoramento UA - Teses de doutoramento |
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