Spectral Tuning and Adaptation to Different Light Environments of Mysid Visual Pigments

In the present thesis, questions of spectral tuning, the relation of spectral and thermal properties of visual pigments, and evolutionary adaptation to different light environments were addressed using a group of small crustaceans of the genus Mysis as a model. The study was based on microspectrophotometric measurements of visual pigment absorbance spectra, electrophysiological measurements of spectral sensitivities of dark-adapted eyes, and sequencing of the opsin gene retrieved through PCR. The spectral properties were related to the spectral transmission of the respective light environments, as well as to the phylogentic histories of the species. The photoactivation energy (Ea) was estimated from temperature effects on spectral sensitivity in the long-wavelength range, and calculations were made for optimal quantum catch and optimal signal-to-noise ratio in the different light environments. The opsin amino acid sequences of spectrally characterized individuals were compared to find candidate residues for spectral tuning. The general purpose was to clarify to what extent and on what time scale adaptive evolution has driven the functional properties of (mysid) visual pigments towards optimal performance in different light environments. An ultimate goal was to find the molecular mechanisms underlying the spectral tuning and to understand the balance between evolutionary adaptation and molecular constraints. The totally consistent segregation of absorption maxima (λmax) into (shorter-wavelength) marine and (longer-wavelength) freshwater populations suggests that truly adaptive evolution is involved in tuning the visual pigment for optimal performance, driven by selection for high absolute visual sensitivity. On the other hand, the similarity in λmax and opsin sequence between several populations of freshwater M. relicta in spectrally different lakes highlights the limits to adaptation set by evolutionary history and time. A strong inverse correlation between Ea and λmax was found among all visual pigments studied in these respects, including those of M. relicta and 10 species of vertebrate pigments, and this was used to infer thermal noise. The conceptual signal-to-noise ratios thus calculated for pigments with different λmax in the Baltic Sea and Lake Pääjärvi light environments supported the notion that spectral adaptation works towards maximizing the signal-to-noise ratio rather than quantum catch as such. Judged by the shape of absorbance spectra, the visual pigments of all populations of M. relicta and M. salemaai used exclusively the A2 chromophore (3, 4-dehydroretinal). A comparison of amino acid substitutions between M. relicta and M. salemaai indicated that mysid shrimps have a small number of readily available tuning sites to shift between a shorter - and a longer -wavelength opsin. However, phylogenetic history seems to have prevented marine M. relicta from converting back to the (presumably) ancestral opsin form, and thus the more recent reinvention of marine spectral sensitivity has been accomplished by some other novel mechanism, yet to be found

Kaikki näköaistin käytettävissä oleva informaatio on peräisin fotoreseptorisoluista, joiden tehtävänä on aistia valoa. Fotoreseptorin näköpigmenttimolekyyli, rodopsiini, koostuu transmembraanireseptoriosasta (opsiini), sekä siihen sitoutuneesta valoherkästä A-vitamiinialdehydistä (kromofori). Eläimen näkö on suoraan riippuvainen näköpigmenttimolekyylien absorptiospektristä, eli siitä, mitä valon eri aallonpituuksia ne pystyvät absorboimaan. Jokaisella pigmentillä on tietty absorptiomaksimi, missä fotonin absorptiotodennäköisyys on korkein. Näköpigmenttimolekyylin pitäisikin pystyä absorboimaan mahdollisimman hyvin juuri sitä valon aallonpituusaluetta, jota eläimen ympäristössä on tarjolla. Samalla sen tulisi olla mahdollisimman stabiili, jotta kohinaa, eli (termistä) sisäistä satunnaisaktivoitumista, muodostuisi vähän ja signaali/kohina-suhde olisi mahdollisimman korkea. Väitöskirjassa tarkasteltiin näköpigmentin spektraaliherkkyyttä ja termisiä ominaisuuksia, niiden riippuvuutta toisistaan, sekä näköpigmentin sopeutumista eri valoympäristöihin. Tutkimuksessa mallina oli Mysis halkoisjalkais-äyriäisiä sekä murto- että sisävesistöistä, joissa nämä eläimet ovat sopeutuneet eri valoympäristöihin. Mysis-äyriäisiin kuuluu useita geneettisesti määriteltyjä lajeja, joiden syntyhistoria tunnetaan melko hyvin (mm jääkauden erottamat lajit). Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää millä aikavälillä evolutiivinen sopeutuminen on optimoinut näköaistin toimintaa ja mitkä ovat ne selektiiviset paineet, jotka muokkaavat näköaistia. Väitöskirjatyössä selvitettiin myös molekyylitason mekanismeja, jotka säätelevät näköpigmentin toiminnallisia ominaisuuksia. Meri- ja makeavesi populaatioiden absorptiospektrit erosivat toisistaan kaikissa tutkituissa lajeissa. Tulokset osoittavat, että noin 9000 vuodessa evolutiivinen adaptaatio on muokannut valoaistin toimintaa valoympäristöön sopivaksi, jossa selektiivinen paine on ollut valoherkkyyden optimoinnissa. Laskennalliset arviot termisten ja spektraalisten ominaisuuksien riippuvuudesta toisistaan osoittivat, että Mysis näköpigmentin sopeutumisessa eri valoympäristöihin signaali/kohina suhdetta parannetaan minimoimalla sisäistä satunnaisaktiviteettiä, eikä niinkään fotonisaaliin, eli absorptiomaksimin maksimoinilla. Tietyissä makeanveden populaatioissa havaittiin kuitenkin yhtäläinen absorptiomaksimi eri valoympäristöissä, joten myös fylogeneettinen historia ja aika olivat asettaneet rajoituksia näköpigmentin sopeutumiseen. Makean- ja murtoveden Mysis-populaatioiden näköpigmenttien opsiinisekvenssien vertailu osoitti, että Mysis-lajeilla on vain tietty rajallinen määrä mahdollisuuksia muuttaa aminohapposekvenssiään suuntaan, joka tuottaisi kullekin populaatiolle sen valoympäristöön sopivimman näköpigmentin.