QTL para termotolerancia en el ambiente térmico natural, y resistencia al estrés térmico en el modelo Drosophila

Abstract

La temperatura ambiental afecta significativamente la distribución, abundancia y evolución de los organismos. En condiciones de estrés por alta temperatura, la supervivencia en cada estadio del ciclo de vida es importante para la adaptación de poblaciones en un escenario de calentamiento global. En este estudio se utilizó Drosophila melanogaster como un organismo modelo para investigar la base genética de la tolerancia al calor en estadios del ciclo de vida que en la literatura fueron poco estudiados con respecto a la termotolerancia. Se realizaron mapeos del intervalo compuesto para identificar loci de un carácter cuantitativo (QTL) que determinan la variabilidad en la supervivencia al estrés por calor en huevos y en larvas. Para ello se utilizaron líneas endogámicas recombinantes (RIL) que segregan variación extrema en la resistencia al coma por calor. Los QTLs identificados en este estudio se compararon con QTLs de termotolerancia previamente identificados en moscas adultas en condiciones estandarizadas de laboratorio. El mapeo de QTLs en larvas se realizó en un ambiente térmico natural en verano, con el objeto de evaluar la magnitud del efecto de cada QTL y su co-localización con QTLs previamente identificados en el laboratorio. La razón para ello es que el ambiente natural puede diferir ampliamente del correspondiente a estudios de laboratorio. Se realizó una prueba de complementación cuantitativa con líneas que portan deficiencias para el QTL que mostró el mayor efecto en el experimento a campo.Asimismo, se investigó una asociación clinal entre la resistencia al coma por calor en moscas adultas y la altitud de la población de origen en la especie cactófila Drosophila buzzatii, en el Noroeste de Argentina, Todos los QTLs identificados para la supervivencia de larvas a adultos en el ambiente térmico natural, solaparon con los QTL de termotolerancia ya conocidos en moscas adultas en condiciones de laboratorio. El QTL de mayor efecto fue detectado en el cromosoma X, y colocaliza con un QTL de termotolerancia ya identificado en la banda 10X en moscas adultas en el laboratorio. El análisis supervivencia al estrés por calor en huevos reveló que los individuos en este estadio inmóvil del ciclo de vida son mucho más tolerantes que en los estadios móviles del ciclo de vida (larvas y moscas adultas). Por otra parte, la base genética de la tolerancia al calor en huevos fue diferente a la conocida en moscas adultas y larvas, ya que los QTL de termotolerancia al calor en huevos no coincidieron en posición con los conocidos en larvas y adultos. Además, las líneas RIL de alta termotolerancia al calor en adultos (RIL-SH2) tuvieron, en huevos, menor termotolerancia que el panel de línea RIL de baja resistencia al calor en adultos (RIL-D48). Respecto de la clina altitudinal estudiada para la resistencia al coma por calor en moscas adultas, los resultados indican que las moscas de más altas elevaciones son menos resistentes al coma por calor, pero muestran igual o incluso mayor supervivencia al estrés por elevada temperatura que las poblaciones de bajas elevaciones o de altitud cercana al nivel del mar. Los resultados de este estudio demuestran que la base genética de la tolerancia al calor en el estadio de huevo difiere ampliamente con respecto a larvas y adultos. En cuanto al estadio larvario, se observó una alta co-localización de QTLs con respecto al estadio adulto, previamente estudiado. Estos resultados no resultan sorprendentes si se considera que el estadio de ?huevo? está controlado por un programa de desarrollo muy diferente al de larvas en insectos Dípteros. Estos resultados son muy importantes porque demuestran por vez primera que la base genética de la resistencia al calor difiere ampliamente en el estadio de huevos respecto al resto de los estadios del ciclo de vida de un insecto. Asimismo, el estudio presente demuestra que la termotolerancia en huevos y larvas también es genéticamente variable. El mapeo de QTL en un ambiente térmico natural desarrollado en larvas, llena un vacío existente en nuestro conocimiento sobre la base genética de termotolerancia en el laboratorio y su correlato en la naturaleza. Finalmente, el análisis clinal de termotolerancia en moscas adultas de D. buzzatii muestra que diferentes caracteres de termotolerancia pueden diferir ampliamente en cuanto a la selección térmica experimentada en la naturaleza. En particular, la resistencia al coma por calor disminuye con la altitud de origen de la población mientras que la supervivencia al estrés por calor muestra un patrón un diferente de variación altitudinal.

Environmental temperature significantly affects the distribution, abundance an evolution of organisms contemporaneous terrestrial environments. Under heat-stress conditions, survival of in each stage of the life cycle is important for adaptation and survival of populations under a global warming scenario. In this study Drosophila melanogaster was used as model organism to investigate the genetic basis of tolerance to heat in life cycle stages that were rather poorly studied with regard to thermotolerance in the past. Composite interval mapping was implemented to identify quantitative trait loci (QTL) influencing heat-stress survival in both larvae and adults. In QTL-mapping, a set of recombinant inbred lines (RIL) segregating extreme variation in heat knockdown were used. Identified QTLs in eggs and larvae were compared to previously identified QTLs of thermotolerance in adult flies in the lab. In the case of QTL-mapping in larvae, it was performed in a natural thermal environment, in addition to laboratory controls, with the aim to estimate the magnitude of each QTL and its co-localization with QTLs identified in the lab in previous studies. The rationally for it, was that laboratory studies can not always represent the effects of thermal variation in natural environments. A test of quantitative complementation was performed using deficiencies lines on the QTL showing the larger effect in the field. Additionally, a clinal association was assessed between heat knockdown in adult flies and the altitude of origin of population in the cactophilic species Drosophila buzzatii, in the Argentina North-western. 6 All identified QTLs for heat-stress survival from larvae to adults in the natural thermal environment overlapped with thermotolerance-QTLs identified in previous studies under lab conditions. The large effect QTL was detected on the X chromosome, and this QTL co-localized with a thermotolerance-QTL previously identified in band 10 of this sex chromosome in the lab. Survival analysis in eggs under heat stress revealed that individuals in the immobile stage of the life cycle (egg) are largely more tolerant to heat stress than in mobile stages of the life cycle (larvae and adults). On the other hand, the genetic basis of heat tolerance in eggs was different to the previously studied in larvae and adults, as thermotolerance QTLs in eggs did not overlapped in either position or effect with larvae and adult thermotolerance QTLs. In addition, RIL lines with high levels of heat-stress thermotolerance in adults (RIL-SH2) were, in eggs, associated to lower levels of heat resistance that in the RIL panel of low heat resistance in adults (RIL-D48). Regarding the altitudinal cline studied for heat knockdown in adult flies, the results revealed that flies from high elevations are less resistant to heat knockdown but show similar or even higher heat-stress survival than flies from low altitude populations. The above summarized results in this study show that the genetic basis of heat-stress resistance in the egg stage dramatically differ from larvae and adults. Regarding to the larvae stage, also studies in this thesis, it showed high co-localization of QTLs with regard to the previously studied adult stage. The lack of QTL-co-localization between eggs and larvae (and adults) does not result difficult to understand if we consider that eggs and larvae are controlled by very different development programs. These results are very important because demonstrate for the first time that the genetic basis of the resistance to heat stress widely differs in the egg stage with regard to the rest of stages of the life cycle of an insect. Likewise, the present study demonstrates that thermotolerance is genetically variable both in larvae and adults. The QTL-mapping in a natural 7 thermal environment in larvae fills a gap in our knowledge about the genetic basis of thermotolerance in the lab and its correlate in the wild. Finally, the clinal analysis of thermotolerance in adult flies of D. buzzatii shows as different traits of thermotolerance can dramatically differ with regard to the thermal selection experienced in nature. Specifically, knockdown resistance to heat stress decreases with altitude of origin of population whereas heat-stress survival can show an opposite pattern of altitudinal variation.