Mitochondrial Genomics: structure, inheritance and phylogenetic utility of the Mitochondrial genome in Bivalvia and Insecta

This PhD Thesis is the result of my research activity in the last three years. My main research interest was centered on the evolution of mitochondrial genome (mtDNA), and on its usefulness as a phylogeographic and phylogenetic marker at different taxonomic levels in different taxa of Metazoa. From a methodological standpoint, my main effort was dedicated to the sequencing of complete mitochondrial genomes, and the approach to whole-genome sequencing was based on the application of Long-PCR and shotgun sequences. Moreover, this research project is a part of a bigger sequencing project of mtDNAs in many different Metazoans’ taxa, and I mostly dedicated myself to sequence and analyze mtDNAs in selected taxa of bivalves and hexapods (Insecta). Sequences of bivalve mtDNAs are particularly limited, and my study contributed to extend the sampling. Moreover, I used the bivalve Musculista senhousia as model taxon to investigate the molecular mechanisms and the evolutionary significance of their aberrant mode of mitochondrial inheritance (Doubly Uniparental Inheritance, see below). In Insects, I focused my attention on the Genus Bacillus (Insecta Phasmida). A detailed phylogenetic analysis was performed in order to assess phylogenetic relationships within the genus, and to investigate the placement of Phasmida in the phylogenetic tree of Insecta. The main goal of this part of my study was to add to the taxonomic coverage of sequenced mtDNAs in basal insects, which were only partially analyzed.

Phylogeny and population dynamics in European Reticulitermes and Kalotermes genera (Insecta, Isoptera)

The aim of this thesis is to detect the phylogeny and the population dynamics of the European termites of the genera Reticulitermes and Kalotermes, by the use of different mitochondrial (16S, COI/tRNA/COII, CR) and nuclear (microsatellites and Inter-SINE) molecular markers. In the phylogenetic analyses, the obtained results have well defined the cladogenetic events that generated the nowadays species biodiversity of the genus Reticulitermes, while the analysis of the Kalotermes flavicollis taxon showed the presence of at least four genetic clades, defined on the basis of the geographical distance. The second part of the thesis is centred on the population dynamics of two species: Reticulitermes urbis and Kalotermes flavicollis. The first species, native of the Balkans, is known to be present in some cities of Italy and France. I’ve analyzed the colony genetic structure of the introduced population of Bagnacavallo (RA, Italy), using nine microsatellite loci. The obtained results are in accordance with those obtained from another population in France: this species in fact confirms its invasive and infestation capacities. The analysis of the natural population of K. flavicollis, performed with a combination of mitochondrial (control region) and nuclear (microsatellites and I-SINE) markers, clearly evidenced the presence of two genetic lineages that coexist in the same area. Moreover, results clearly indicate that the cross-breeding is allowed. Finally, the whole results are discussed in a comparative view to better understand the differences in ecology, evolutionary dynamics and colony social structure between these two genera.

Innervazione articolare della spalla e del ginocchio nel cane e modificazioni in corso di osteoartrite

L’osteoartrite (OA) rappresenta un gruppo di patologie a carico delle articolazioni che si stima colpisca più del 20% dei cani con età superiore a un anno. Si tratta di una condizione dove entrano in gioco fattori biomeccanici e biochimici, che si esprime clinicamente con zoppia e dolore. Le ricerche effettuate negli ultimi decenni hanno dimostrato il coinvolgimento dell’innervazione nocicettiva e simpatica nell’insorgenza e nel mantenimento del dolore e dell’infiammazione che caratterizzano l’OA. In questa, infatti, svolgono un ruolo cruciale i neuropeptidi, quali la sostanza P (SP) ed il peptide correlato al gene della calcitonina (CGRP), ed i neuromediatori simpatici liberati alla periferia rispettivamente dalle fibre nocicettive e dalle fibre simpatiche postgangliari. Col presente lavoro ci si è posti l’obiettivo di definire il tipo ed il numero di fibre nervose che innervano l’articolazione della spalla e del ginocchio di cane in soggetti esenti da patologia articolare ed affetti da osteoartrite. Campioni di legamenti e capsula articolare della spalla e della parte craniolaterale della capsula articolare del ginocchio sono stati sottoposto a reazione di doppia immunofluorescenza indiretta volta alla identificazione del numero complessivo di fibre nervose presenti e della percentuale di fibre SP, CGRP e simpatiche positive. I risultati testimoniano come in corso di OA nel cane venga ad alterarsi l’equilibrio tra innervazione sensitiva e simpatica. Infatti, lo studio quantitativo ha evidenziato che nei soggetti affetti da OA si assiste ad un incremento della percentuale di fibre SP positive e ad un decremento di quelle simpatiche. Si ritiene che l’integrità di questi due tipi d’innervazione sia necessaria per l’omeostasi tissutale e che un aumento delle fibre nocicettive e una riduzione di quelle simpatiche abbia un effetto proinfiammatorio e iperalgesico. È stata inoltre riscontrata una differente densità di fibre nervose a seconda del tipo di patologia considerata.

Studio anatomico dei muscoli della spalla e del braccio in Pernis apivorus, Accipiter gentilis ed Accipiter nisus

Recentemente, vari ricercatori si sono concentrati sulle proprietà funzionali dei muscoli, sulla meccanica e sulla cinematica legata al volo, ma senza la possibilità di consultare un’adeguata letteratura poiché assente o incompleta. Si è quindi ritenuto utile studiare la miologia della regione della spalla e del braccio di specie non in precedenza esaminate e che mostrassero differenti stili di volo, al fine di creare una base di informazioni per futuri studi funzionali. Tutte le specie prese in esame sono membri della famiglia degli Accipitridae e nello specifico si sono selezionati: il Falco pecchiaiolo (Pernis apivorus Linnaeus, 1758), l’Astore comune (Accipiter gentilis Linnaeus, 1758) e lo Sparviero eurasiatico (Accipiter nisus Linnaeus, 1758). Questi animali attuano stili di volo differenti e sono stati pertanto scelti per capire se diverse performance di volo potessero indurre una differenziazione dell’apparato muscolare. La comparazione dei dati raccolti durante questo studio con quelli presenti in letteratura in altre specie aviarie ha evidenziato che, mentre alcuni muscoli non sembrano andare incontro a grandi modificazioni nei rapaci, altri invece presentano una grande eterogeneità. In particolare, grazie alle caratteristiche dei diversi muscoli, si è potuto raggruppare questi ultimi in base a possibili funzioni comuni: a) muscoli che concorrono a stabilizzare l’ala rispetto al tronco e che assorbono le forze generate durante il volo; b) muscoli con possibile ruolo nel controllo della rotazione dell’omero; c) muscoli con possibile funzione propriocettiva. Il presente studio ha inoltre evidenziato, nei muscoli esaminati, alcune similitudini e molteplici peculiarità anatomiche non precedentemente segnalate in letteratura. Si ritiene che questo studio macroscopico possa rappresentare un punto di partenza per futuri studi microscopici o elettrofisiologici, a dimostrazione dell’importanza della dissezione quale primo strumento di indagine.