Acquisition and inheritance of tolerance to metals in anurans

Abstract

Os anfíbios encontram-se em declínio a nível global, sendo a contaminação química um dos principais fatores associados a este declínio. De facto, a exposição de populações de anfíbios a este tipo de perturbações ambientais pode provocar a perda de diversidade genética, devido à diminuição de: 1) aptidão, 2) plasticidade ambiental e 3) eficácia dos mecanismos de tolerância. A contaminação por metais é uma das causas de poluição mais comum no mundo, estando presente em larga escala na Península Ibérica, nomeadamente na Faixa Piritosa Ibérica. Deste modo o estudo dos mecanismos de tolerância a metais, em anfíbios, é relevante, assim como a investigação sobre os mecanismos de hereditariedade desta tolerância. Um dos objetivos do presente trabalho centrou-se no estudo da hereditariedade de tolerância a metais em ovos de Pelophylax perezi. Os resultados obtidos sugerem uma dominância genética incompleta como sendo o mecanismo mais provável de hereditariedade de tolerância a contaminação por metais, em ovos de P. perezi. Estes resultados suportam a hipótese de hereditariedade de tolerância recessiva (ou dominância incompleta). Neste contexto, uma perda de diversidade genética em populações de anfíbios, expostas a contaminação por metais pode ocorrer, mesmo que a fixação de alelos na população seja excluída. De modo a estudar a possibilidade de girinos adquirirem maior tolerância a contaminação por metais, devido à sua exposição histórica a este tipo de contaminação, foram recolhidos girinos de P. perezi em locais contaminados por metais e em locais de referência. Posteriormente, os girinos foram expostos, em laboratório, a um pulso de contaminação intensa por metais. Os girinos oriundos de locais contaminados não mostraram maior tolerância à toxicidade letal de metais comparativamente aos girinos recolhidos em locais de referência. Mais ainda, não revelaram estar sujeitos a um maior stress oxidativo. No entanto, a quantidade de metais no corpo provou a contaminação por metais nos locais historicamente impactados e mostrou que os iões de mercúrio e chumbo são prontamente biodisponíveis para os girinos de P. perezi. Os girinos de locais contaminados apresentaram níveis constitutivos de metalotioneínas, superiores aos medidos nos girinos recolhido os nos locais de referência, o que pode indicar adaptação a contaminação por metais. Por fim, o último objetivo consistiu em avaliar a influência de contaminação química na composição e diversidade do microbioma da pele de populações de P. perezi bem como, identificar a sua sensibilidade a contaminação por efluentes de drenagem ácida. O microbioma da pele dos anfíbios apresenta um papel fundamental na proteção destes organismos a agentes perturbadores ambientais. Os resultados obtidos revelaram que os metais podem influenciar a composição da comunidade microbiana de anfíbios que habitam locais contaminados. Mais ainda, uma concentração elevada de efluente de drenagem mineira inibiu o crescimento da maioria dos isolados de bactérias da pele dos anfíbios. Esta inibição pode sugerir que os anfíbios perdem uma fração importante do seu microbioma e consequentemente, afetar a proteção da sua pele, quando expostos a contaminação por metais, o que pode determinar um aumento da sensibilidade a este tipo de contaminação.

Amphibians are declining globally, chemical contamination being one of the major factors driving this process. As a consequence of exposure to such environmental perturbation, natural population of amphibians may lose their genetic diversity, which may occur due to a decrease in: 1) fitness, 2) environmental plasticity capabilities and 3) tolerance mechanisms efficiency. Metal contamination is one of the most worldwide distributed contamination source, having a great impact in the Iberian Peninsula habitats, especially in the Iberian pyrite belt region. Therefore, is important to explore how tolerance mechanism, toward metal contamination, work in amphibians and how genetically determined tolerance mechanisms are inherited. In this work, these topics were addressed by assessing the inheritance to lethal tolerance to acid mine drainage and copper contamination in eggs of the Perez's frog Pelophylax perezi. Incomplete dominance was found to be the most likely inheritance mechanism of tolerance toward these two chemical stressors in the eggs of P. perezi. The results support the recessive (or incompletely dominant) tolerance inheritance (working-) hypothesis. Thus, the amphibians’ populations impacted by metal contamination can considerably lower their genetic diversity, even if allele fixation was excluded. The possibility of tadpoles, historically exposed to metal contamination, being able to acquire an increased tolerance to metal contamination, comparatively to tadpoles inhabiting reference sites, was also studied. Pelophylax perezi tadpoles, sampled at historically metal impacted mining sites, did not show higher oxidative stress or lethal tolerance comparatively to tadpoles inhabiting reference sites. However, the metal body burden proved metal contamination at the historically metal impacted sites and showed that mercury and lead ions are readily bioavailable for P. perezi tadpoles. Furthermore, tadpoles from metal contaminated sites seem to show higher constitutive levels of metallothioneins, which may suggest adaptation to metal contamination The last objective of this work, was to evaluate the influence, of metal contamination, on the composition and diversity of the P. perezi skin microbiome, and to explore its tolerance to acid mine drainage contamination. Amphibians’ skin microbial community has been shown to help its hosts tolerating infections. Because the increasing research on the important protective role of amphibians’ skin microbiome, its diversity and capacity to tolerate metal contamination was as well investigated. Obtained results showed that metal contamination influences the skin microbial community composition in frogs living at metal impacted sites; furthermore, an intense acid mine drainage concentration can inhibit the growth of almost all the isolated strains. This inhibition suggests that amphibians may lose an important part of their skin microbiome, affecting the protection of their skin, when exposed to metal contamination; which, in turn may lead to an increased sensitivity to metal contamination.