Vliv vybraných faktorů na životní historii a fekunditu jepic (Ephemeroptera) studovaný pomocí experimentálních metod

Mgr. Jan Šupina, Ph.D.

Doctoral thesis

The effect of selected factors on life history and fecundity of mayflies (Ephemeroptera) studied by experimental methods

Abstract:

Tato disertační práce se zaměřuje na vlivy klíčových environmentálních (teplota vody, potrava, okyselení) a biotických (riziko predace) faktorů na životní historii a fekunditu dvou druhů jepic Cloeon dipterum a Leptophlebia vespertina. Výsledky jsou prezentovány ve třech vědeckých publikacích. První část práce se zabývá vývojem jedinců C. dipterum v prostředí se zvýšeným rizikem predace. V prvním experimentu byly larvy jepic chovány individuálně v teplotě 18 °C v podmínkách s/bez rizika predace v kombinaci s ne/omezenou dostupností potravy. Riziko predace bylo generováno kairomony larev vážek (Aeshna cyanea). Riziko predace ovlivnilo rychlost růstu, dobu vývoje, počet instarů a jeho efekt byl modifikován potravou a počáteční velikostí jepic. Při neomezené dostupnosti potravy způsobilo riziko predace pomalejší rychlost růstu a delší dobu vývoje jedinců. Při omezené dostupnosti potravy riziko predace neovlivnilo rychlost růstu a odpovědi jepic v délce vývoje a v počtu instarů byly ovlivněny počáteční velikostí jedinců. Jedinci s menší počáteční velikostí těla reagovali na riziko predace při omezené dostupnosti potravy kratší dobou vývoje a menším počtem instarů, zatímco jedinci s větší počáteční velikostí měli za stejných podmínek delší dobu vývoje a větší počet instarů. V navazujícím laboratorním experimentu byly larvy C. dipterum chovány za neomezené dostupnosti potravy v podmínkách s/bez rizika predace v teplotách 21, 24 a 27 °C. Riziko predace způsobilo rozdělení hlavní kohorty na subkohortu s rychlým a pomalým vývojem, tzv. cohort splitting. Tato odpověď byla výrazně patrná pouze v teplotě 21 °C. Jedinci v rychlé subkohortě měnili rychlost růstu a dobu vývoje předvídatelně s teplotou, tj. se zvyšující se teplotou rostli a vyvíjeli se rychleji, ale dospívali při menších velikostech těla. Riziko predace zpomalovalo růst a vývoj i v rychlé subkohortě, ale rozdíly byly velmi malé a pozorovatelné pouze při teplotě 21 °C. Rozdělení kohort bylo významně ovlivněno teplotou a v nižších teplotách způsobovalo desynchronizaci populačního vývoje. Druhá část práce je zaměřena na reprodukci jepice L. vespertina ve vztahu k podmínkám prostředí. V osmi šumavských jezerech byly nasbírány larvy posledního instaru L. vespertina, u kterých byla změřena velikost těla a z jejich tělní dutiny byla pitváním získána vajíčka. Ta byla spočtena a změřena pomocí analýzy obrazu. Zároveň byly ve všech jezerech měřeny proměnné prostředí. Ukázalo se, že environmentální faktory mohou ovlivnit reprodukci jepic jak přímo, prostřednictvím změny ve velikosti těla a reprodukční investici, tak i nepřímo prostřednictvím hustoty populace. Velikost těla samic, fekundita relativní k velikosti těla a reprodukční investice se zvyšovaly v lepších potravních podmínkách. Samice byly větší v chladnějších jezerech, která byla často kyselejší, což je v souladu s teplotně podmíněnou velikostí těla, která je běžná u ektotermmních organismů. Velikost vajíček se neměnila s velikostí samice, nicméně se ukázal slabý trade-off mezi velikostí vajíčka a počtem vajíček, kdy samice s menší fekunditou měly větší vajíčka. Hustota populace související s okyselením jezer průkazně ovlivňovala velikost těla samic a tím také jejich fekunditu. Tato studie poskytla první data o mezipopulační a vnitropolulační variabilitě ve fekunditě, reprodukční investici a velikosti vajíček, a jejich vztahu k podmínkám prostředí. Výsledky studie naznačují, že reprodukce L. vespertina může být více ovlivněna kvalitou potravy a nepřímými vlivy acidifikace podmiňujícími hustotu populace než přímými účinky stresových podmínek.

Abstract:

This dissertation thesis focuses on the effects of key environmental (water temperature, food, acidification) and biotic (predation risk) factors on the life history and fecundity of two species of mayflies Cloeon dipterum and Leptophlebia vespertina. The results are presented in three scientific publications. The first part of the thesis deals with the development of C. dipterum individuals exposed to increased predation risk. In the first experiment, mayfly larvae were reared individually at 18 °C under conditions with and without predation risk in combination with full and reduced food availability. Predation risk was signalled by predator cues of dragonfly larvae (Aeshna cyanea). Predation risk affected growth rate, development time and number of moults, and its net effect was modified by food and the initial body size of larvae. In full food treatment, predation risk caused slower growth rate and hence longer development time of larvae. In reduced food, predation risk did not affect growth rate, and development time and number of moults were affected by the initial body size of larvae. Individuals with smaller body sizes had shorter development time and fewer moults under predation risk, while larger individuals had longer developmental times and more moults under the same conditions. In a follow-up laboratory experiment, C. dipterum larvae were reared in full food conditions with and without predation risk at 21, 24 and 27 °C. Predation risk caused the splitting of the main cohort into a subcohort with fast and slow development (a so-called cohort splitting). This response was only apparent at 21 °C. Individuals of the fast subcohort changed growth rate and development time predictably with temperature, i.e. they grew and developer faster but matured at smaller sizes with increasing temperature. Predation risk tended to slow down individual growth and development, but the differences were relatively minor and observable only at 21 °C. The splitting of individuals into fast and slow subcohorts was significantly affected by temperature, causing desynchronisation of population development at lower temperatures. The second part of the thesis is focused on the reproduction of the mayfly L. vespertina in relation to environmental conditions. The last-instar mayfly larvae were collected in the eight Bohemian Forest lakes and their body size was measured. Subsequently, eggs dissected from each larva were counted and measured by digital image analysis software. Environmental variables were measured in all lakes. The results showed that environmental factors can affect individual reproductive output of larvae both directly, by affecting body size and fecundity, and indirectly by releasing the larvae from density dependence. Female body size, size-dependent fecundity and reproductive effort increased in better food condition. Females were larger in colder sites, which were often more acidic, consistently with the temperature-size rule significant in many ectotherms. Egg size did not changed with female body size, however, there was a weak egg size-number trade-off with slightly smaller eggs in more fecund females. The population density related to lake acidification significantly influenced female body size and hence their fecundity. This study provides the first data on inter- and intrapopulation variability in fecundity, reproductive effort and egg size, and their relationships to environmental conditions. The results suggest that the indirect ecological feedbacks and food quality, rather than the direct effects of stressful environment, may dominate the effects of environmental stressors on the reproductive output of L. vespertina.

Keywords

Cloeon dipterum, oteplování, laboratorní chov, Leptophlebia vespertina, ontogeneze, potrava, predace, šumavská jezera, teplota, warming, laboratory breeding, ontogenesis, food, predation, Šumava lakes, temperature

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 3. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 12. 5. 2022
• Supervisor: Mgr. Jindřiška Bojková, Ph.D.
• Reader: RNDr. Pavel Sroka, Ph.D., doc. Mgr. Peter Manko, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Ecological and Evolutionary Biology / Hydrobiology