Molekulární mechanizmy evoluce životních strategií u ptáků

Sampath Kumar Anandan, M.Sc.

Doctoral thesis

Molecular mechanisms of life-history evolution in birds

Abstract:

Ptáci se díky svému širokému biogeografickému rozšíření a rozmanitým životním strategiím ideálně hodí jako modelové systémy pro zkoumání evoluce životních strategií. Ačkoli je známo, že životní strategie ptáků se v různých zeměpisných šířkách a výškových gradientech liší, související molekulární adaptace nejsou příliš známy. Hlavním cílem mé práce bylo prozkoumat, zda složení mastných kyselin v buněčných membránách a koncentrace glukózy v krvi ptáků patří mezi molekulární adaptace spojené s 1) vývojem životních strategií (ve smyslu životního tempa) a 2) v přizpůsobení se životu v různých zeměpisných šířkách a nadmořských výškách. Odběry vzorků od ptáků pro tyto studie byly prováděny v různých zeměpisných šířkách – konkrétně v evropském mírném pásu (Česká republika) a v tropické Africe (Kamerun) – a v různých nadmořských výškách. Práce se skládá ze tří studií – dvou publikovaných a jednoho dosud nepublikovaného rukopisu. První dvě studie testovaly tzv. „membrane pacemaker“ hypotézu (MPH), která předpokládá, že složení membránových mastných kyselin určuje efektivitu metabolických dějů na biologických membránách, náchylnost membrán k oxidativnímu poškození a v konečném důsledku tempo života organismu. Třetí studie zkoumá roli krevní glukózy v evoluci životního tempa. Výsledky prvních dvou studií, kontrolované na efekty tělesné hmotnosti a fylogeneze, MPH nepodporují. Nedostatek důkazů pro MPH byl konzistentní napříč zeměpisnými šířkami a v rámci elevačního gradientu. Zajímavým společným zjištěním obou studií však byl vztah mezi znaky souvisejícími s životním tempem a průměrnou délkou řetězce membránových mastných kyselin. Výsledky třetí studie naznačují, že koncentrace glukózy v krvi by mohly hrát důležitou roli v evoluci životního tempa, neboť bazální koncentrace glukózy v krvi následovala naše predikce pro různé zeměpisné šířky (vyšší v mírném pásmu) a pro její variabilitu podél elevačního gradientu (vyšší koncentrace u horských druhů). Stresový nárůst koncentrace glukózy v krvi však ukazoval odlišný trend: byl intenzivnější v nižších zeměpisných šířkách a ve vyšších nadmořských výškách. V souladu s pomalým životním tempem nížinných tropických druhů, korelovala latitudinální variabilita v bazální koncentraci glukózy pozitivně s plodností druhů. Elevační variabilita bazální hladiny glukózy s plodností nesouvisela, což implikuje existenci unikátního horského syndromu životního tempa, kombinujícího pomalé životní strategie s rychlou fyziologií. Pozorované trendy naznačují, že syndromy tempa života se u ptáků nevyvíjejí podél jediné osy od pomalých k rychlým. Celkově naše výsledky naznačují, že jak složení membránových mastných kyselin, tak hladiny glukózy v krvi se zdají být adaptacemi spojenými s vývojem životní historie a aklimatizací na různá prostředí u ptáků. Současný teoretický základ však pro vysvětlení výsledků nedostačuje, a je třeba ho dále rozvíjet.

Abstract:

Birds, with their wide bio-geographic distribution and varied life-histories are ideally suited as model systems for investigating life-history evolution. Although it is known that life-histories of birds vary across latitudes and along elevational gradients, the role of specific molecular traits in driving such variations are not widely investigated. The main aims of my thesis were to investigate the role of membrane fatty acid composition and physiological blood glucose levels as molecular adaptations associated with 1) the evolution of pace-of-life, and 2) the evolution of life at various latitudes and across elevational gradients in birds. The sampling of birds to test our aims were done across latitudes – specifically, in temperate Europe (Czech Republic) and tropical Africa (Cameroon) – and across elevational gradients. The thesis comprises of three studies – two published and one before submission. The first two studies put the MPH to test, which posits that membrane fatty acid composition determines the cellular metabolic flux, susceptibility to oxidative damage and ultimately an organism’s pace-of-life; whereas the third study investigates the role of blood glucose in life-history evolution. The results of the first two studies suggest the MPH does not hold true, after the confounding effects of body mass and phylogeny were controlled for. The lack of evidence for MPH was consistent across latitudes and across elevational gradients. However, an interesting common finding from both the studies was that the chain length of membrane fatty acids seemed to be an important co-evolving characteristic with respect to the life-history traits of birds. The results of the third study suggested that blood glucose levels could play an important role in life-history evolution, since blood glucose levels varied predictably across latitudes (higher in temperate zone) and across elevational gradients (increasing with elevation). Blood glucose stress response, however, was stronger in lower latitudes and at higher elevations. Further, consistent with the slow pace-of-life in lowland tropical species, latitudinal variation in baseline glucose was mainly explained by its positive association with species fecundity. In contrast, elevational variation in baseline glucose was decoupled from fecundity, implying a unique montane pace-of-life syndrome combining slow-paced life-histories with fast-paced physiology. The observed patterns suggest that pace-of-life syndromes do not evolve along the single fast-slow axis of variation in birds. Overall, our results suggest that both membrane fatty acid composition and blood glucose levels seem to be adaptations associated with life-history evolution and acclimatization towards various environments in birds. And that the current theoretical background is insufficient to explain the results and, hence, needs to be further developed.

Keywords

Birds, life-history evolution, pace-of-life syndromes, membrane pacemaker hypothesis, blood glucose, latitudinal and elevational patterns

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 10. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 3. 11. 2022
• Supervisor: MVDr. Oldřich Tomášek, Ph.D.
• Reader: RNDr. Lukáš Kubička, Ph.D., prof. RNDr. František Sedláček, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Ecological and Evolutionary Biology / Zoology