The role of the cuticle in the stress responses of aquatic beetles
- Autores: María Botella Cruz
- Directores de la Tesis: Josefa Velasco García (dir. tes.), Andrés Millán Sánchez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Murcia ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 107
- Títulos paralelos:
- El papel de la cutícula de escarabajos acuáticos en respuesta al estrés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Galián Albaladejo (presid.), Jorge Miguel Lobo (secret.), Carlo Polidori (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biodiversidad y Gestión Ambiental por la Universidad de Murcia
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGITUM
- Resumen
- español
El éxito de la colonización de los insectos se debe en gran parte a una cutícula protectora, un material extracelular duro que sirve como piel y esqueleto y funciona como una primera línea física de defensa, proporcionando la principal barrera estructural y bioquímica contra las condiciones ambientales extremas, el daño mecánico y la penetración de organismos potencialmente infecciosos. En escarabajos acuáticos, la composición de la cutícula podría ser una adaptación a la colonización de ambientes salinos, donde son frecuentes altos niveles estrés por la elevada concentración de sales y estar sometidos a desecación. Sin embargo, las características de la cutícula en los organismos acuáticos han sido poco estudiadas en comparación con las de los terrestres, a pesar de su importancia en el contexto de la creciente aridez y salinización de las aguas continentales, especialmente en regiones áridas y semiáridas, como es el sureste de Península ibérica. Además, las adaptaciones fisiológicas para vivir en estos hábitats estresantes, conllevan un gasto energético, con su posible detrimento de la respuesta inmune en especies salinas si las comparamos a las de agua dulce, cuya respuesta que hasta la fecha está totalmente inexplorada. Esta tesis se centra en el papel impermeabilizante de la cutícula de los escarabajos acuáticos en términos de composición de hidrocarburos y su plasticidad como respuesta adaptativa para hacer frente a los múltiples estresores naturales como la salinidad y la desecación, así como su relación con la capacidad inmunológica. Se utilizaron especies congenéricas de escarabajos acuáticos de dos familias (Hydrophilidae y Dityscidae) a lo largo de un gradiente de salinidad como especies modelo. Los perfiles de hidrocarburos cuticulares fueron identificados y cuantificados por cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) y su caracterización se realizó interpretando sus espectros de masas. Para medir la respuesta inmune, se estudiaron la actividad de la fenoloxidasa, la encapsulación y la actividad de péptidos antimicrobianos. Los resultados mostraron una cutícula más permeable de las larvas que de los adultos. Además, el perfil de hidrocarburos cuticulares (CHC) de los escarabajos acuáticos salinos parece ser más similar al de algunos escarabajos terrestres del desierto. Los perfiles de CHC fueron altamente específicos y las especies salinas de Enochrus tuvieron mayor capacidad de impermeabilización mostrando compuestos de cadena más larga, mayor abundancia relativa de alcanos ramificados y menor cantidad de compuestos insaturados que las de Nebrioporus de acuerdo con su mayor resistencia a la salinidad y desecación. Además, la exposición a la salinidad y la desecación indujo cambios plásticos en la composición cuticular en ambas especies acuáticas salinas (Nebrioporus baeticus y Enochrus jesusarribasi) y en la última, los cambios de composición desencadenaron la reducción de la permeabilidad cuticular para evitar la pérdida de agua mostrando una respuesta de aclimatación beneficiosa. Respecto a las respuestas inmunitarias, las especies salinas mostraron generalmente respuestas inmunitarias basales más bajas que sus parientes de agua dulce, medidas en las condiciones típicas de salinidad de sus hábitats naturales. Estos resultados sugieren que los cambios en la composición de la cutícula que aumentan su función impermeabilizante fueron uno de los mecanismos clave que permitieron aumentar la tolerancia a la salinidad y la desecación y la diversificación de especies salinas en los géneros estudiados. Dado que mantener las defensas permanentes implica costos energéticos significativos, la adaptación a ambientes salinos en estos taxones puede haber implicado una compensación entre los mecanismos fisiológicos para hacer frente al estrés osmótico y la inversión en defensas inmunitarias. Esta menor capacidad inmune de las especies salinas podría ser uno de los factores que explican su ausencia en agua dulce.
- English
The colonization success of insects is largely due to a protective cuticle, a strong extracellular material that serves as skin and skeleton and functions as a first physical line of defence, providing the primary structural and biochemical barrier against environmental challenges, mechanical damage, and penetration by potentially infectious organisms. In aquatic beetles, cuticle composition could be an adaptation to colonisation of saline environments, where the presence of high levels of salinity and desiccation are frequent. However, the characteristics of the cuticle in aquatic organisms have been little studied compared to those of terrestrial ones, despite to its importance in the context of increasing aridity and salinization of inland waters, especially in arid and semiarid regions. In addition, the physiological adaptations to live in these stressful habitats, entail an energy cost, to the possible detriment of the immune response in saline species compared to those of freshwater ones, a response totally unexplored to date. The thesis focuses on the waterproofing role of cuticle in aquatic beetles in terms of composition of hydrocarbons and its plasticity as an adaptive response to cope with the multiple natural stressors such as salinity and desiccation as well as its relationship with immune capacity. Congeneric species of aquatic beetles of two families (Hydrophilidae and Dityscidae) along a salinity gradient were used as species model. Cuticular hydrocarbons profiles were identified and quantified by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), the characterization was made by interpreting their EI mass spectra. To measure immune responses, phenoloxidase activity, encapsulation and antimicrobial peptide activity were studied. Results showed a more permeable cuticle of larvae than adults and the cuticle hydrocarbon profile of saline aquatic beetles seems to be more similar to that of some terrestrial beetles (e.g., desert Tenebrionidae) compared with other aquatic Coleoptera (freshwater Dytiscidae). Cuticle hydrocarbon profiles were highly species-specific and saline Enochrus species had higher waterproofing capacity showing longer chain compounds, higher relative abundance of branched alkanes, and lower unsaturated compounds than Nebrioporus ones in agreement with their higher resistance to salinity and desiccation. In addition, salinity and desiccation exposure induces plastic changes in cuticle hydrocarbons in both saline aquatic species (Nebrioporus baeticus and Enochrus jesusarribasi) and in the last, cuticular composition changes triggered the reduction of cuticular permeability to avoid water loss showing a beneficial acclimation response. Regarding immune responses, saline species of the two water beetle genera had generally lower basal immune responses than their freshwater relatives, measured at the typical salinity conditions of their natural habitats. These results suggest that changes in cuticle composition which increase its waterproofing function were one of the key mechanisms that enabled improved tolerance to salinity and desiccation and the diversification of saline species in the studied genera. Since maintaining standing defences incurs significant energetic costs, adaptation to saline environments in these taxa may have entailed a trade-off between physiological mechanisms to cope with osmotic stress and investment in immune defences. The lower immune capacity of saline species could be one of the factors accounting for their absence in freshwater.
- español
