Mechanismen der Thermotoleranz und der Beeinflussung des Schalenpolymorphismus' bei helicoiden Schnecken

Abstract

Sowohl die vergleichsweise hohe Thermotoleranz als auch der ausgeprägte Schalenpolymorphismus bestimmter Gastropodenarten der Überfamilie Helicoidea sind seit langem bekannte Phänomene. Dennoch sind bislang nur wenige Erkenntnisse zu zellulären und biochemischen Mechanismen, welche die Thermotoleranz begründen, vorhanden. Auch die Entstehung und der Erhalt des Schalenpolymorphismus sind nicht abschließend geklärt, zumal davon auszugehen ist, dass einige Einflussfaktoren bisher noch nicht identifiziert worden sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die Fähigkeit zur Hypertrophie und leichten Hyperplasie von Kalkzellen, welche eine entscheidende Rolle bei der Osmoregulation und der Regulierung des Säure-Base-Haushalts spielen, sowie der Besitz einer robusten Hsp70-Antwort bei Xeropicta derbentina als wahrscheinliche Grundlagen der Thermotoleranz erkannt werden. Bezüglich der Beeinflussung des Schalenpolymorphismus’ zu Grunde liegenden Faktoren konnten im Lauf der vorliegenden Arbeit neue und interessante Erkenntnisse gewonnen werden. Nach Untersuchung heller und dunkler Schalenmorphen von Theba pisana hinsichtlich ihrer Kapazität zur Bewältigung von oxidativem Stress (ermittelt über Quantifizierung von Lipidhydroperoxiden) kann ein Selektionsvorteil dunkler Morphen trotz stärkerer Melanisierung ausgeschlossen werden. Die bislang aufgrund von Ergebnissen technisch weniger aufwändiger Studien postulierte Annahme einer höheren Erwärmungskapazität von dunklen Schalenmorphen sollte relativiert werden, da in der vorliegenden Arbeit in einem standardisierten und berührungsfreien Messverfahren keine Unterschiede bezüglich der thermischen Kapazität von verschiedenen Schalenmorphen ermittelt werden konnten. Dies stellt im Feld beobachtete Morphenverteilungen und deren mögliche Korrelationen mit Klimabedingungen nicht in Frage, zeigt aber die Notwendigkeit auf, andere Klimafaktoren als Temperatur, z.B. Humidität, und daran möglicherweise assoziierte sekundäre Faktoren, beispielsweise einen höheren Parasitendruck, in die Betrachtungen mit einzubeziehen. Eine mögliche Verknüpfung von Färbung (durch Melanin) und Toleranz gegenüber Pathogenen, wie sie bereits für anderen Tierarten nachgewiesen wurde, besteht durch die Aktivität des Enzyms Phenoloxidase. Quantifikationen der Phenoloxidase-Aktivität (sowohl konstitutiv als auch nach Verabreichung des bekannten Immunstimulans Zymosan A sowie nach Infektion mit einem parasitischen Nematoden, Phasmarhabditis hermaphrodita) in hellen und dunklen Morphen verschiedener Helicoiden-Arten zeigten jedoch, dass weder konstitutiv noch nach Verabreichung von Zymosan A oder Nematodeninfektion morphspezifische Unterschiede in der Phenoloxidase-Aktivität vorhanden sind. Jedoch führte die für den Test notwendige Hämolymphentnahme nur in hellen Morphen zu einer signifikanten Abnahme der Phenoloxidase-Aktivität. Diese Beobachtung legt nahe, dass dunkleren Morphen nach Schalenverletzungen und Hämolymphverlusten mehr Phenoloxidase-Aktivität zur Verfügung steht, welche für Wundheilungsvorgänge wichtig ist. Zudem wurde die Mortalität nach Infektion mit P. hermaphrodita bei unterschiedlichen Morphen von verschiedenen Helicoidea ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass helle Morphen der Art Cernuella virgata eine höhere und früher einsetzende Mortalität bei Infektion mit P. hermaphrodita erfahren als dunkle Morphen. Dieser Unterschied ist jedoch nicht auf Verschiedenheiten in der Phenoloxidase-Aktivität zurückzuführen.

The comparatively high thermotolerance as well as the distinct shell polymorphism of several Helicoid gastropod species have been well-observed phenomena for a long time. Yet, information on both cellular and biochemical mechanisms furthering this thermotolerance is rather scarce. Up to date there is no agreed position on the causes and maintenance mechanisms of the shell polymorphism, which is at least partly due to the fact that several influencing factors have not been identified so far. In this present doctoral thesis hypertrophy as well as a slight hyperplasia of hepatopancreatic calcium cells, a cell type playing a crucial role in osmoregulation and regulation of acid-base balance, together with a robust stress protein (Hsp70) response could be identified as probable mechanisms providing the basis for the high thermotolerance observed in Xeropicta derbentina. The analysis of pale and dark shell morphs of Theba pisana regarding their antioxidant defence capacity (determined via quantification of lipidhydroperoxides) did not reveal differences between the morphs, hence a selective advantage of dark morphs despite stronger melanisation can be excluded. Previous studies postulated a higher thermal capacity of dark morphs in comparison to pale morphs, however the methods applied often were of rather moderate technical complexity. In this work, no differences between pale and dark morphs could be detected concerning their thermal capacities in a standardised and contactless measurement procedure. This finding does not question the correlations found between morph distributions and climate observed in the field but demonstrates the need for considering other climate factors than temperature, e.g. humidity, and associated secondary factors such as parasite occurrence, as potential parameters influencing the shell polymorphism. Correlations between colouration (due to melanin) and pathogen tolerance exist via activity of the enzyme phenoloxidase, and have been verified in other invertebrate species. In the present thesis, quantifications of phenoloxidase activity (constitutively as well as after injection of Zymosan A, a well-known immunostimulant, and after infection with the parasitic nematode Phasmarhabditis hermaphrodita) in pale and dark morphs of different Helicoid species showed that there are no morph-specific differences concerning phenoloxidase activity. However, it was observed that the required hemolymph withdrawals resulted in significantly decreased phenoloxidase activity in pale morphs only. This suggests a possible advantage of dark morphs in case of shell injuries and hemolymph loss, as the enzyme plays an important role in the wound healing process. Additionally, mortality was determined in different Helicoid species after infection with P. hermaphrodita. The results reveal a higher sensitivity and mortality of pale Cernuella virgata morphs in comparison to dark morphs, yet these observations cannot be related to differences in phenoloxidase activity.