Patterns of thermal tolerance in Drosophila montana and D. flavomontana

Abstract

Ympäristön lämpötila vaikuttaa suuresti eliöiden selviytymiseen, kasvuun ja lisääntymiseen. Hyönteiset voivat olla herkkiä ilmastossa tapahtuville muutoksille, koska niiden toimintakyky riippuu paljon ympäristön lämpötilasta. Hyönteisten erilaisten lämpötilojen sietämiseen liittyvät strategiat käsittävät elinkiertopiirteisiin, käyttäytymiseen ja fysiologiaan liittyviä ominaisuuksia, joista monet voivat muuttua geneettisen sopeutumisen ja/tai fenotyyppisen plastisuuden myötä. Tutkielmassani selvitin hyönteisten kuumuuden- ja kylmyydensietokykyä käyttäen tutkimuslajeina kahta lähisukuista mahlakärpäslajia, Drosophila montanaa ja D. flavomontanaa. Tutkimuksen tavoitteina oli selvittää kärpästen kuumuuden- ja kylmyydensietokyvyn lajienvälistä ja -sisäistä muuntelua sekä tutkia kylmäakklimoinnin vaikutusta lajien kylmyydensietokykyyn. Lisäksi tutkin, kuinka hyönteisten lämpötilatoleranssin mittaamisessa käytetyt ominaisuudet korreloivat keskenään, koska korrelaatiot voivat antaa viitteitä eri mittojen taustalla olevista fysiologisista mekanismeista. Lajien kuumuuden- ja kylmyydensietokyky selvitettiin mittaamalla kärpästen kriittinen lämpötilamaksimi, kriittinen lämpötilaminimi ja kylmähorroksesta toipumiseen kuluva aika. Tutkitut kärpäset olivat peräisin kärpäslinjoista, joiden perustajanaaraat oli kerätty eri puolilta Kalliovuorten aluetta Kanadasta ja Yhdysvalloista. Tulosten mukaan D. montanalla oli keskimäärin parempi kuumuuden- ja kylmyydensietokyky kuin D. flavomontanalla, ja mitatuissa ominaisuuksissa oli myös lajinsisäistä muuntelua. D. montana -naarailla oli keskimäärin parempi kuumuudensietokyky kuin lajin koirailla, kun taas D. flavomontanalla naaraiden ja koiraiden kuumuudensietokyvyissä ei ollut eroa. Kummallakaan lajilla ei löytynyt merkitsevää eroa naaraiden ja koiraiden kylmyydensietokyvyssä. Lisäksi tulosteni mukaan kummankin lajin kärpästen kylmyydensietokyky parani kylmäakklimoinnin seurauksena. D. flavomontanalla kriittisen lämpötilamaksimin ja kylmähorroksesta toipumiseen kuluvan ajan välillä oli merkitsevä negatiivinen korrelaatio, mutta muilta osin mitatut lämpötilatoleranssiominaisuudet eivät korreloineet keskenään merkitsevästi. Tutkimuksen tulokset tukivat aiempia tutkimustuloksia, joiden mukaan D. montana on hyvin kylmänkestävä Drosophila-laji. Lisäksi tämä tutkimus valotti vähemmän tutkitun lajin, D. flavomontanan, kuumuuden- ja kylmyydensietokykyyn liittyviä ominaisuuksia. Ymmärtääksemme miten eliöt reagoivat nopeasti muuttuviin ilmasto-olosuhteisiin, tarvitaan tietoa lajien lämpötilojen sietokykyyn liittyvistä strategioista. Tämä tutkimus selvitti näitä strategioita kahdella viileille alueille levinneellä hyönteislajilla.

Environmental temperatures have a strong effect on the survival, growth and reproduction of organisms. Terrestrial insects are expected to be sensitive to changes in climate since their performance is strongly affected by environmental temperature. Thermal strategies of insect species are complex combinations of the traits related to life-history, behavior and physiology, and many of these traits can be modified by genetic adaptation and/or phenotypic plasticity. In my thesis, I studied the patterns of physiological thermal tolerance of insects using 2 closely-related fruit fly species, Drosophila montana and D. flavomontana, as model organisms. The aims of the study were to trace the patterns of basal heat and cold tolerances both between and within the study species and the effect of cold acclimation on flies’ cold tolerance. I also studied how different measures of heat and cold tolerance correlate with each other, as this can provide insights into the underlying mechanisms behind the different measures of insect thermal tolerance. Thermal tolerances of the flies were assessed by measuring flies’ critical thermal maxima (CTmax), critical thermal minima (CTmin) and chill coma recovery times (CCRT). The flies were derived from isofemale strains whose founder females had been collected from different parts of the Rocky Mountains area (Canada/USA). According to the results, D. montana was more tolerant both to heat and cold than D. flavomontana. In addition, I found intraspecific variation among and within populations in flies’ thermal tolerance traits. D. montana female flies had on average higher heat tolerance than males, whereas in D. flavomontana females and males did not differ from each other in their heat tolerances. Neither of the species showed sex differences in flies’ cold tolerance. My results also suggested that cold acclimation increases the cold tolerance of the flies in both species. Apart from the significant negative correlation between CTmax and CCRT in D. flavomontana, correlations between thermal tolerance measures were non-significant within both species. The results were in line with previous studies, which have shown that D. montana is a very cold tolerant Drosophila species with high cold acclimation capacity. In addition, this thesis described the patterns of thermal tolerance of much less studied species, D. flavomontana. In order to increase the understanding of the means that organisms and species have for coping with the rapidly changing climate, it is crucial to study the fundamentals of thermal strategies adopted by the species. This thesis described patterns of these strategies in insect species which have distributed to relatively cold areas.