Phenotypic plasticity in salmonid embryos : characterizing pathogen-induced stress effects on heritable variation in traits and reaction norms

Les pressions écologiques peuvent varier tant en nature qu'en intensité dans le temps et l'espace. C'est pourquoi, un phénotype unique ne peut pas forcément conférer la meilleure valeur sélective. La plasticité phénotypique peut être un moyen de s'accommoder de cette situation, en augmentant globalement la tolérance aux changements environnementaux. Comme pour tout trait de caractère, une variation génétique doit persister pour qu'évoluent les traits plastiques dans une population donnée. Cependant, les pressions extérieures peuvent affecter l'héritabilité, et la direction de ces changements peut dépendre du caractère en question, de l'espèce mais aussi du type de stress. Dans la présente thèse, nous avons cherché à élucider les effets des pressions pathogéniques sur les phénotypes et la génétique quantitative de plusieurs traits plastiques chez les embryons de deux salmonidés, la palée (Coregonus palaea), et la truite de rivière (Salmo trutta). Les salmonidés se prêtent à de telles études du fait de leur extraordinaire variabilité morphologique, comportementale et des traits d'histoire de vie. Par ailleurs, avec le déclin des salmonidés dans le monde, il est important de savoir combien la variabilité génétique persiste dans les normes de réaction afin d'aider à prédire leur capacité à répondre aux changements de leur milieu. Nous avons observé qu'une augmentation de la croissance des communautés microbiennes symbiotiques entraînait une mortalité accrue et une éclosion précoce chez la palée, et dévoilait la variance génétique additive pour ces deux caractères (Chapitres 1-2). Bien qu'aucune variation génétique n'ait été trouvée pour les normes de réaction, nous avons observé une variabilité de la plasticité d'éclosion. Néanmoins, on a trouvé que les temps d'éclosion étaient corrélés entre les environnements, ce qui pourrait limiter l'évolution de la norme de réaction. Le temps d'éclosion des embryons est lié à la taille des géniteurs mâles, ce qui indique des effets pléiotropiques. Dans le Chapitre 3, nous avons montré qu'une interaction triple entre la souche bactérienne {Pseudomonas fluorescens}, l'état de dévelopement de l'hôte ainsi que ses gènes ont une influence sur la mortalité, le temps d'éclosion et la taille des alevins de la palée. Nous avons démontré qu'une variation génétique subsistait généralement dans les normes de réaction des temps d'éclosion, mais rarement pour la taille des alevins, et jamais pour la mortalité. Dans le même temps, nous avons exhibé que des corrélations entre environnements dépendaient des caractères phénotypiques, mais contrairement au Chapitre 2, nous n'avons pas trouvé de preuve de corrélations transgénérationnelles. Le Chapitre 4 complète le chapitre précédent, en se plaçant du point de vue moléculaire, et décrit comment le traitement d'embryons avec P. fluorescens s'est traduit par une régulation négative d'expression du CMH-I indépendemment de la souche bactérienne. Nous avons non seulement trouvé une variation génétique des caractères phénotypiques moyens, mais aussi de la plasticité. Les deux derniers chapitres traitent de l'investigation, chez la truite de rivière, des différences spécifiques entre populations pour des normes de réaction induites par les pathogènes. Dans le Chapitre 5, nous avons illustré que le métissage entre des populations génétiquement distinctes n'affectait en rien la hauteur ou la forme des normes de réaction d'un trait précoce d'histoire de vie suite au traitement pathogénique. De surcroît, en dépit de l'éclosion tardive et de la réduction de la taille des alevins, le traitement n'a pas modifié la variation héritable des traits de caractère. D'autre part, dans le Chapitre 6, nous avons démontré que le traitement d'embryons avec des stimuli contenus dans l'eau de conspécifiques infectés a entraîné des réponses propre à chaque population en terme de temps d'éclosion ; néanmoins, nous avons observé peu de variabilité génétique des normes de réaction pour ce temps d'éclosion au sein des populations. - Ecological stressors can vary in type and intensity over space and time, and as such, a single phenotype may not confer the highest fitness. Phenotypic plasticity can act as a means to accommodate this situation, increasing overall tolerance to environmental change. As with any trait, for plastic traits to evolve in a population, genetic variation must persist. However, environmental stress can alter trait heritability, and the direction of this shift can be trait, species, and stressor-dependent. In this thesis, we sought to understand the effects of pathogen stressors on the phenotypes and genetic architecture of several plastic traits in the embryos of two salmonids, the whitefish (Coregonus palaea), and the brown trout (Salmo trutta). Salmonids lend themselves to such studies because their extraordinary variability in morphological, behavioral, and life-history traits. Also, with declines in salmonids worldwide, knowing how much genetic variability persists in reaction norms may help predict their ability to respond to environmental change. We found that increasing growth of symbiotic microbial communities increased mortality and induced hatching in whitefish, and released additive genetic variance for both traits (Chapters 1-2). While no genetic variation was found for survival reaction norms, we did find variability in hatching plasticity. Nevertheless, hatching time was correlated across environments, which could constrain evolution of the reaction norm. Hatching time in the induced environment was also correlated to sire size, indicating pleiotropic effects. In Chapter 3 we report that a three-way interaction between bacterial strain (Pseudomonas fluorescens), host developmental stage, and host genetics impacted mortality, hatching time, and hatchling size in whitefish. We also showed that genetic variation generally persisted in hatching age reaction norms, but rarely for hatchling length, and never for mortality. At the same time, we demonstrated that cross-environmental correlations were trait-dependent, and unlike Chapter 2, we found no evidence of cross-generational correlations. Chapter 4 expands on the previous chapter, moving to the molecular level, and describes how treatment of embryos with P. fluorescens resulted in strain-independent downregulation of MHC class I. Genetic variation was evident not only in trait means, but also in plasticity. In the last two chapters, we investigated population level differences in pathogen- induced reaction norms in brown trout. In Chapter 5, we found that interbreeding between genetically distinct populations did not affect the elevation or shapes of the reaction norms of early life-history traits after pathogen challenge. Moreover, despite delaying hatching and reducing larval length, treatment produced no discernable shifts in heritable variation in traits. On the other hand, in Chapter 6, we found that treatment of embryos with water-borne cues from infected conspecifics elicited population-specific responses in terms of hatching time; however, we found little evidence of genetic variability in hatching reaction norms within populations. We have made considerable progress in understanding how pathogen stressors affect various early life-history traits in salmonid embryos. We have demonstrated that the effect of a particular stressor on heritable variation in these traits can vary according to the trait and species under consideration, in addition to the developmental stage of the host. Moreover, we found evidence of genetic variability in some, but not all reaction norms in whitefish and brown trout.

Adaptação de Thyrinteina arnobia em novo hospedeiro e defesa induzida por herbívoros em eucalipto

O sistema de defesa induzido de plantas é ativado quando herbívoros se alimentam das mesmas. Alternativamente, herbívoros podem se adaptar a espécies de plantas filogeneticamente próximas ao seu hospedeiro de origem. O objetivo deste trabalho foi comparar o desenvolvimento de Thyrinteina arnobia em plantas de goiaba (hospedeiro de origem) e de eucalipto (hospedeiro novo) em campo. Adicionalmente, estudou-se a biologia deste inseto em laboratório fornecendo folhas de eucalipto previamente danificadas por lagartas de T. arnobia e folhas sem danos. A sobrevivência larval em eucalipto, 78,00%, foi superior à de goiaba, 29,33%. O ciclo larval foi de 27,90 dias em goiaba e de 30,30 dias em eucalipto. Em testes de laboratório, o ciclo larval em eucalipto limpo, 36,39 dias, foi maior do que em eucalipto danificado, 32,89 dias. A mortalidade larval em eucalipto danificado foi de 30,00% e de 10,00% em eucalipto limpo. Os resultados indicam que a goiaba não é um bom hospedeiro para T. arnobia possivelmente por apresentar um sistema mais efetivo de defesa. Embora o eucalipto possa ser um hospedeiro mais favorável ao desenvolvimento e estabelecimento do inseto, pode também reduzir populações do herbívoro ativando o seu sistema de defesa induzido.

Efeito da alimentação de Schizaphis graminum com genótipos de sorgo no desenvolvimento do predador Cycloneda sanguinea

O pulgão Schizaphis graminum (Rondani) (Hemiptera: Aphididae) é uma das principais pragas do sorgo. O objetivo deste trabalho foi determinar o efeito da alimentação deste inseto com genótipos de sorgo resistentes e suscetíveis no desenvolvimento do predador Cycloneda sanguinea (Linnaeus) (Coleoptera: Coccinellidae). O pulgão foi criado em folhas dos genótipos de sorgo GR 11111 e TX 430 x GR 111, resistentes, GB 3B, de resistência moderada e BR 007B, suscetível ao hemíptero. As larvas de C. sanguinea foram alimentadas diariamente, ad libitum, com ninfas e adultos de S. graminum. A duração das fases de desenvolvimento e a sobrevivência de C. sanguinea não foram influenciadas pelo genótipo. Apenas a duração do quarto ínstar, da fase larval e do período de larva a adulto foram afetadas. O peso de larvas de segundo ínstar de C. sanguinea não foi afetado pelo genótipo. Nos demais ínstares e fase adulta, esse parâmetro foi diferenciado conforme o genótipo de sorgo utilizado como hospedeiro ao pulgão. Os genótipos resistentes GR 11111 e TX 430 x GR 111 não afetam adversamente o desenvolvimento e a fecundidade de C. sanguinea, durante uma geração. Estes genótipos demonstram compatibilidade com o predador e viabilizam o manejo de S. graminum na cultura do sorgo.

Divergência genética e subcoleção representativa de populações da traça-do-tomateiro

O objetivo deste trabalho foi estudar a divergência genética e propor uma subcoleção representativa da traça-do-tomateiro, Tuta absoluta (TDT). O experimento foi conduzido com quatro populações do inseto procedentes de Uberlândia, MG, Viçosa, MG, Camocim de São Félix, PE, e Santa Teresa, ES, e cinco acessos de tomateiro, 'Santa Clara', 'Moneymaker', TOM-601, PI 126445 (Lycopersicon hirsutum f. typicum) e PI 134417 (L. hirsutum f. glabratum). Foi realizada análise de agrupamento (método de Tocher, usando a distância de Mahalanobis como medida de dissimilaridade) e verificada a importância relativa dos caracteres da TDT para a divergência genética entre populações por meio do método de Singh. As populações de cada grupo obtido pela análise de agrupamento foram combinadas e, para cada caráter, foi realizado o teste t de Student para uma média. Existe variabilidade genética entre populações da TDT provenientes de diferentes localidades do Brasil, quando estão infestando Lycopersicon spp. A mortalidade larval teve maior contribuição para a divergência genética entre as populações, com exceção de PI 134417, cujo caráter de maior contribuição foi o número de pupas fêmeas. Propõe-se uma subcoleção da TDT tomando-se por base a combinação das populações de Santa Teresa e Uberlândia.

Desenvolvimento das fases imaturas de Chrysoperla externa alimentadas com ninfas de Bemisia tabaci criadas em três hospedeiros

Insetos da família Chrysopidae têm sido encontrados em ovos e ninfas de moscas-brancas em diferentes agroecossistemas. O objetivo deste estudo foi avaliar a duração e a viabilidade das fases imaturas de Chrysoperla externa alimentada com ninfas de Bemisia tabaci, biótipo B, criadas em folhas de pepino (Cucumis sativus), couve (Brassica oleracea) e na erva adventícia leiteiro (Euphorbia heterophylla). Discos foliares dos hospedeiros contendo ninfas da mosca-branca foram acondicionados em placas de Petri contendo ágar-água a 1% e mantidos a 25±1ºC, 70±10% UR e fotófase de 12 horas. Em cada placa foi colocada uma larva de C. externa recém-eclodida, num total de dez repetições. Avaliaram-se a duração e a viabilidade de cada ínstar, de toda fase de larva, das fases de pré-pupa e pupa e peso após 24 horas de idade em cada estádio e fase do desenvolvimento. A espécie de planta hospedeira da mosca-branca afetou a duração do primeiro e terceiro ínstares de C. externa, registrando-se redução no período larval, quando alimentadas com presas oriundas de folhas de pepino. A fase de pré-pupa foi prolongada quando utilizadas folhas de leiteiro. Os pesos foram afetados pelo tipo de hospedeiro do aleirodídeo, porém esse efeito não influencia a viabilidade das fases imaturas.

Desenvolvimento de larvas de Steindachneridion sp. em diferentes condições de refúgio e luminosidade

Avaliou-se a influência da luminosidade e do uso de refúgios no desenvolvimento inicial de larvas de surubim do Iguaçu (Steindachneridion sp. Garavello) (Siluriforme: Pimelodidae). Utilizaram-se 1.000 larvas com peso e comprimento inicial de 62,2 mg e 18,02 mm, respectivamente, distribuídas em 20 aquários de 35 L, durante 22 dias. Os tratamentos consistiram dos ambientes: escuro sem refúgio, claro com refúgio artificial, escuro com refúgio artificial, claro com refúgio natural e claro sem refúgio, com quatro repetições cada, distribuídos em delineamento inteiramente casualizado. As larvas receberam a mesma alimentação em todos os tratamentos. As melhores taxas de sobrevivência foram verificadas nos ambientes: escuro sem refúgio, claro com refúgio natural e claro sem refúgio, com 84, 76 e 70%, respectivamente. O melhor desenvolvimento das larvas ocorreu em ambiente escuro e sem refúgio. O tratamento escuro com refúgio artificial apresentou diferenças significativas em relação à sobrevivência e ao peso final dos outros tratamentos, com grande heterogeneidade quanto ao peso. Ambientes escuros e sem refúgios são os mais adequados para o desenvolvimento inicial de larvas de surubim do Iguaçu.

Detrimental effect of rutin on Anticarsia gemmatalis

Behavioral and nutritional effect of rutin (quercetin 3-O-rutinosídeo) on Anticarsia gemmatalis Hübner (Lep.: Noctuidae), a major soybean defoliator in Brazil, was evaluated from the third instar to pupation. Rutin is one of the flavonol glycosides identified in the leaves of the wild soybean PI 227687. Larval weight and amount of ingested food decreased as rutin concentration in the diet increase. An interactive effect between feeding time and diet (treatment) was observed on insect growth; when larvae fed on pure-diet, feeding time elongation resulted in heavier pupae. Differently, the weight of larvae fed on rutin-diet remained almost stable, in spite of eating for longer. A. gemmatalis growth was negatively influenced by rutin-diet not only by feeding deterrence but also by post-ingestive effect on insect growth, since after adjustment of pupal weight by the amount of ingested food (covariate), the effect of diet remained significant. Rutin negatively influenced A. gemmatalis growth as result of pre-ingestive effect, indicated by reduction in food consumption, and post-ingestive effect, indicated by lower conversion of ingested food into body mass and food assimilation.

Classificação de cultivares de brássicas com relação à resistência à traça-das-crucíferas e à presença de glucosinolatos

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de cultivares de repolho e de couve na biologia da traça-das-crucíferas; analisar a composição química das plantas, em relação aos glucosinolatos e aplicar a análise multivariada na classificação das cultivares. Foram utilizadas as cultivares: de repolho verde Chato-de-quintal e o híbrido Midori; de repolho roxo Roxo precoce e o híbrido Roxo TPC00682; e de couve-manteiga Geórgia (padrão de suscetibilidade) e Geórgia híbrido HS20. Foram avaliadas as características biológicas da praga: viabilidade e duração das fases larval e pupal, razão sexual, fecundidade das fêmeas, longevidade dos adultos e duração e viabilidade da fase de ovo, tendo-se calculado o potencial reprodutivo corrigido (PRC). Obtiveram-se as correlações entre os parâmetros pelo método de Pearson, e realizaram-se análises multivariadas de agrupamento e de componentes principais. Em cromatógrafo líquido, avaliaram-se a presença de sinigrina e de outros glucosinolatos nas plantas. A cultivar Geórgia e os híbridos HS20 e Roxo foram classificados como altamente suscetíveis; 'Roxo precoce' e 'Midori' como suscetíveis e, 'Chato-de-quintal' como moderadamente resistente à Plutella xylostella. As análises multivariadas proporcionam melhor classificação das cultivares, em razão do grau de resistência apresentado. Os materiais genéticos avaliados não apresentam a substância secundária sinigrina.

Toxicidade letal e subletal do nim sobre o pulgão-verde e seu predador Eriopis connexa

O objetivo deste trabalho foi avaliar, em laboratório, os efeitos do extrato de semente de nim sobre uma praga da pimenteira, o pulgão-verde Myzus persicae (Sulzer), e seu predador Eriopis connexa (Germar). Folhas de pimenteira foram imersas em solução aquosa de extrato de semente de nim (1% de azadiractina) a 0,5%, 1%, em acefato (0,75 g L-1) e em água. Fêmeas do pulgão foram transferidas para essas folhas e, após seis dias, avaliou-se a população final. Larvas de quarto ínstar do predador foram colocadas em plantas de pimenteira infestadas com pulgões e pulverizadas com solução aquosa de nim a 0,25 e, 0,5%, em acefato (0,75 g L-1) e em água. Após 48 horas, as larvas foram transferidas para tubos de plástico e alimentadas com pulgões. A mortalidade larval, a viabilidade pupal e a emergência de adultos foram avaliadas. A população de pulgões foi significativamente menor em folhas tratadas com nim e com acefato do que nas tratadas com água. A mortalidade de larvas do predador foi maior em plantas tratadas com acefato do que com nim. No entanto, somente 9,1 e 10% das larvas em plantas tratadas com nim a 0,25% e a 0,5%, respectivamente, formaram pupas e não houve emergência de adultos. Apesar do potencial do nim em reduzir a população de M. persicae, o produto apresenta efeitos nocivos a E. connexa.

Flight energetics in relation to sexual differences in the mating behaviour of a mayfly, Siphlonurus aestivalis

Mayflies (Ephemeroptera) are known to have short adult life-spans. Adults are unable to feed, and they utilize reserves stored during their aquatic larval stage. Energy reserves (fat, glycogen, and free sugars) of mature larvae, subimagoes and imagoes of both sexes of Siphlonurus aestivalis Eaton were compared. All the stages of both sexes had low glycogen and free sugar contents, and the only significant change occurred during the transformation of the mature larva to subimago when almost all the reserves of free sugars were used up. Glycogen and free sugars may serve as energy sources permitting individuals to swim and fly out of the water during emergence. Fat made up most of the energy reserves of mature larvae and was the main source of energy used during the final development of both sexes. Young adult males had high fat reserves which they used as a source of energy for their swarming flights. In contrast, females did not seem to use a significant amount of fat for flight. This difference is probably related to the different mating strategies of the sexes in this species. Males perform long flights waiting for females, whereas females perform only brief flights to mate and reproduce.

Esterase profile in the postembryonic development of Rhipicephalusmicroplus

The objective of this work was to analyze the pattern of esterase activity in the development stages of Rhipicephalus microplus by nondenaturing polyacrylamide gel electrophoresis using specific staining for esterase. The electrophoretical results revealed the presence of nine regions displaying esterase activity, stained with both alpha-naphthyl acetate and beta-naphthyl acetate, and classified as alpha-beta-esterase. Stage-specific esterases were found, with the first nymphal and larval stages showing the greatest esterase activity throughout the development. An esterase called EST-4 was detected only in males and was considered sex-specific. There are differences in the esterase profile among the different postembryonic development stages of R. microplus.

Biologia e tabela de vida de fertilidade de Agrotis ipsilon em dieta artificial

O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma dieta artificial para criação de Agrotis ipsilon em laboratório com base em parâmetros biológicos e na tabela de vida de fertilidade. A dieta artificial utilizada continha feijão, caseína, proteína de soja, levedura e germe de trigo como fontes protéicas. Os parâmetros biológicos duração e viabilidade das fases larval e pupal, peso de pupas, de ambos os sexos, com 24 horas de idade, razão sexual, longevidade dos adultos, período de pré-oviposição e número de ovos produzidos por fêmea e a tabela de vida de fertilidade foram avaliados. Foram observados seis ínstares larvais com duração de 25,4 dias e viabilidade de 93%. A duração da fase pupal foi de 12,4 dias e viabilidade de 96%. A viabilidade de ciclo total foi 72%. O peso de pupas foi 387 mg (machos) e 484 mg (fêmeas). A razão sexual foi 0,46. O período de pré-oviposição foi de um dia, com 1.806 ovos por fêmea. Na tabela de vida verificou-se que a taxa líquida de reprodução e a razão finita de aumento foram 616,9 e 1,14, respectivamente. A dieta artificial é adequada à manutenção da criação de A. ipsilon, em laboratório.

Quantitative genetics of learning ability and resistance to stress in Drosophila melanogaster.

Even though laboratory evolution experiments have demonstrated genetic variation for learning ability, we know little about the underlying genetic architecture and genetic relationships with other ecologically relevant traits. With a full diallel cross among twelve inbred lines of Drosophila melanogaster originating from a natural population (0.75 < F < 0.93), we investigated the genetic architecture of olfactory learning ability and compared it to that for another behavioral trait (unconditional preference for odors), as well as three traits quantifying the ability to deal with environmental challenges: egg-to-adult survival and developmental rate on a low-quality food, and resistance to a bacterial pathogen. Substantial additive genetic variation was detected for each trait, highlighting their potential to evolve. Genetic effects contributed more than nongenetic parental effects to variation in traits measured at the adult stage: learning, odorant perception, and resistance to infection. In contrast, the two traits quantifying larval tolerance to low-quality food were more strongly affected by parental effects. We found no evidence for genetic correlations between traits, suggesting that these traits could evolve at least to some degree independently of one another. Finally, inbreeding adversely affected all traits.

Signaling pathways controlling induced resistance to insect herbivores in Arabidopsis.

Insect attack triggers changes in transcript level in plants that are mediated predominantly by jasmonic acid (JA). The implication of ethylene (ET), salicylic acid (SA), and other signals in this response is less understood and was monitored with a microarray containing insect- and defense-regulated genes. Arabidopsis thaliana mutants coi1-1, ein2-1, and sid2-1 impaired in JA, ET, and SA signaling pathways were challenged with the specialist small cabbage white (Pieris rapae) and the generalist Egyptian cotton worm (Spodoptera littoralis). JA was shown to be a major signal controlling the upregulation of defense genes in response to either insect but was found to suppress changes in transcript level only in response to P. rapae. Larval growth was affected by the JA-dependent defenses, but S. littoralis gained much more weight on coi1-1 than P. rapae. ET and SA mutants had an altered transcript profile after S. littoralis herbivory but not after P. rapae herbivory. In contrast, both insects yielded similar transcript signatures in the abscisic acid (ABA)-biosynthetic mutants aba2-1 and aba3-1, and ABA controlled transcript levels both negatively and positively in insect-attacked plants. In accordance with the transcript signature, S. littoralis larvae performed better on aba2-1 mutants. This study reveals a new role for ABA in defense against insects in Arabidopsis and identifies some components important for plant resistance to herbivory.

Desenvolvimento e crescimento populacional de Alabama argillacea em algodoeiro de fibra branca e colorida

O objetivo deste trabalho foi avaliar o desenvolvimento e a reprodução do curuquerê-do-algodoeiro [Alabama argillacea (Hübner)], em cultivares de algodoeiro de fibras branca (BRS 201 e Acala 90) e verde (BRS Verde). O experimento consistiu de três tratamentos (cultivares), com dez repetições em laboratório e oito em campo, em delineamento inteiramente casualizado. Em laboratório, as lagartas do curuquerê foram alimentadas com folhas das cultivares, enquanto no campo, as posturas foram confinadas sobre as plantas e monitoradas até completar a geração. A cultivar BRS 201 ocasionou: prolongamento da fase larval de dois dias, em comparação às outras cultivares, em laboratório e no campo; menor sobrevivência da fase larval, em laboratório; menor peso de pupas e produção de ovos, em laboratório e campo. O crescimento populacional do curuquerê-do-algodoeiro, estimado após quatro gerações sucessivas, mostrou que uma fêmea fertilizada tem capacidade de produzir 1.776,6, 47,19 e 6,51 indivíduos em Acala 90, BRS Verde e BRS 201, respectivamente. O menor desempenho no desenvolvimento e na reprodução do curuquerê, criado na cultivar BRS 201, é importante no controle desta praga no campo.