Riassunto analitico
Obiettivo del mio progetto di dottorato è stato l’identificazione di strategie adattative di tipo ecologico, fisiologico, biochimico e molecolare evolute dai viventi per tollerare l’essiccamento naturale e l’aumento di temperatura e radiazioni ultraviolette (UV) dovuti ad alterazioni della quantità di ozono troposferico e di CO2.
Come organismi modello sono state usate due specie di tardigradi (Acutuncus antarcticus, specie endemica dell’Antartide, e Paramacrobiotus richtersi, specie di zone temperate) di cui sono state confrontate le risposte adattative. I tardigradi sono animali acquatici microscopici in grado di colonizzare habitat terrestri, grazie alla loro capacità di entrare in anidrobiosi, condizione fisiologica in cui la vita attiva è sospesa perché viene persa per evaporazione fino al 97% dell’acqua corporea. In anidrobiosi questi micrometazoi possono rimanere vitali per decenni ed essere in grado di tollerare stress fisici e chimici non tollerati da altri animali.
L’analisi biochimica svolta su esemplari di P. richtersi seccati sperimentalmente ha evidenziato un accumulo di specie reattive all’ossigeno (ROS) durante la permanenza in anidrobiosi. Di conseguenza, è stata valutata l’attività degli enzimi antiossidanti e la quantità di glutatione durante la cinetica dell’anidrobiosi in entrambe le specie. In P. richtersi, l’attività della catalasi aumenta significativamente con l’essiccamento e diminuisce con la reidratazione. In A. antarcticus, sono l’attività della superossido dismutasi e il contenuto di glutatione a diminuire significativamente negli animali secchi e ad aumentare in quelli reidratati. Mediante la tecnica molecolare “RNA interference” sono stati silenziati geni codificanti per molecole potenzialmente coinvolte nella tolleranza all’essiccamento (enzimi antiossidanti, proteine da shock termico, acquaporine e trealosio) di P. richtersi, per comprendere il loro ruolo nell’anidrobiosi. I risultati mostrano il coinvolgimento dell’enzima glutatione perossidasi come importante sistema di eliminazione di radicali liberi.
Per valutare la capacità dei tardigradi di far fronte agli stress correlati al riscaldamento globale, sono stati valutati la capacità di sopravvivenza e i tratti del ciclo vitale di A. antarcticus dopo essiccamento ed esposizione ad alte temperature e radiazioni UV. Il ciclo vitale di A. antarcticus è corto, con un output riproduttivo basso. Questi tratti vitali rappresentano una valida strategia adattativa per sfruttare appieno la breve estate antartica che offre condizioni ambientali favorevoli per crescita e riproduzione. Esemplari idratati di A. antarcticus sono in grado di tollerare alte temperature, e sia animali attivi che secchi mostrano una buona tolleranza alle radiazioni UV. Questa tolleranza è stata valutata anche irraggiando con diverse dosi di UV uova a diversi stadi di sviluppo e raccogliendo dati sui tratti del ciclo vitale di due generazioni successive. Le uova irradiate hanno mostrato un ritardo nel tempo di schiusa rispetto a quelle non irradiate. Inoltre, sono stati osservati effetti negativi sui tratti del ciclo vitale e difetti morfologici nella prole. Infine, la sopravvivenza di A. antarcticus diminuiva negli animali esposti simultaneamente alle radiazioni UV e a temperature crescenti. I risultati ottenuti su A. antarcticus sono stati confrontati con quelli presenti in letteratura o ottenuti in questa tesi (tolleranza alle alte temperature) per P. richtersi.
Il mio progetto di dottorato ha permesso l’identificazione di varie strategie adattative evolute dai tardigradi per tollerare condizioni ambientali sfavorevoli, e conferma la validità dei tardigradi come organismi modello per migliorare la conoscenza scientifica sui meccanismi naturali di difesa evoluti dagli animali.
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Abstract
The aims of my research were the identification of ecological, physiological, biochemical, and molecular defense strategies naturally evolved by animals to tolerate complete desiccation, and increasing UV radiation and temperature due to the alteration of the tropospheric ozone budget and alteration of the CO2 amount.
To carry out my research, two species of tardigrades (Acutuncus antarcticus from Antarctic region, and Paramacrobiotus richtersi from temperate region) were used as model animals, and their responses to stress conditions were compared. Tardigrades are microscopic aquatic animals able to colonize terrestrial habitats thanks to their capability to enter anhydrobiosis, a temporary suspension of active life due to the loss up to 97% of body water. They can persist in anhydrobiosis for decades and in this physiological state are able to withstand several physical and chemical extreme stresses.
Biochemical analysis performed in experimentally desiccated specimens of P. richtersi demonstrated the accumulation of Reactive Oxygen Species (ROS) during the permanence in the anhydrobiotic state. As a consequence, the activities or accumulation of antioxidant molecules (e.g. scavenging enzymes and glutathione) during the kinetic of anhydrobiosis was evaluated in both model species. In P. richtersi, the catalase activity increased significantly during desiccation process and decreased during rehydration. In A. antarcticus, the activity of superoxide dismutase and the content of glutathione significantly decreased in desiccated animals and increased during rehydration. RNA interference (RNAi) molecular technique was utilized to silence genes enconding to molecules potentially involved in anhydrobiosis (e.g. scavenging enzymes, heat shock proteins, aquaporines, trehalose) in order to fully understand their role in desiccation tolerance of P. richtersi. The results point to the involvement in the desiccation process of at least glutathione peroxidase, a very important antioxidant system in scavenging free radicals. .
To evaluate the capability of tardigrades to cope with stress related to global warming, the survival and life history traits of A. antarcticus were analysed on animals and eggs after desiccation and exposition to increasing temperature and UV radiation. The life cycle of A. antarcticus is short and its reproductive output was low, with a short generation time. These traits are advantageous for exploiting the conditions suitable for growth and reproduction during the short Antarctic summer. Hydrated animals of A. antarcticus were able to tolerate increasing temperature values, and both hydrated and desiccated animals showed a good tolerance to increasing UV radiation doses. This tolerance was evaluated also irradiating eggs at different developmental stage and collecting life history traits of two successive generations. All irradiated eggs showed a delay in the hatching time with respect to not irradiated eggs. Moreover, a negative effect on life history traits and newborns with morphological defects were observed. Furthermore, the survivorship of A. antarcticus animals decreased when they were simultaneously exposed to UV radiation and increasing temperatures. These new data on A. antarcticus were compared with those existing and newly produced (tolerance to high temperature) on the temperate species P. richtersi.
The data obtained during the PhD project allowed to identify the strategies evolved in tardigrades to withstand stressful environmental conditions, and confirmed tardigrades as a reliable animal model system to improve scientific knowledge on natural defense mechanisms evolved in animals.
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