Mramorovaný rak: parthenogenetický invazivní druh jako použitelný biologický model

MSc. MD Shakhawate HOSSAIN

Doctoral thesis

The marbled crayfish: parthenogenetic invasive species as an applicable biological model

Abstract:

V této disertační práci předkládáme v první kapitole přehledovou práci o klonálním raku mramorovaném a příklady jeho použití jako modelového druhu a zároveň představení možných hrozeb, které může znamenat pro invadovaný ekosystém. Korýši, a zejména raci, představují praktické modelové organismy pro etologické studie ve vodních ekosystémech. Raci mají výhody v jejich komplexních sociálních interakcích, různé potravní návyky, cykly aktivity, preference habitatů, stejně jako využití zdrojů na úrovni druhů, pohlaví či věku, a to jak v přírodních, tak i v laboratorních podmínkách. Raci hrají důležitou roli v ekosystému a jsou často považováni za klíčové druhy a ekosystémové inženýry. V druhé kapitole, byly popsány základní morfometrické zákonitosti raka mramorovaného analýzou délko-hmotnostních vztahů a kondičního faktoru. Šířka abdomenu a velikost klepet rostla prokazatelně rychleji než velikost těla, což poukazuje na důležitost těchto částí těla. První reprodukce byla zaznamenána při nejmenší celkové délce těla 31,5 mm (ale pohybovala se v rozmezí 31,5-73,5 mm) a plodnost při první reprodukci se pohybovala mezi 22-349 vajíčky. Plodnost byla úzce závislá na délce a hmotnosti samic. Nejužší závislost celkové plodnosti byla ale zjevná oproti počtu vajíček na třetím páru pleopodů, což může být dobrým nástrojem pro odhad celkové snůšky vajíček i u samic, které části snůšky ztratily. Výsledky mohou pomoci v experimentálních chovech a ve využití druhu pro výzkumné účely. Ve třetí kapitole byly sledovány interakce raka mramorovaného s dalšími dvěma invazními druhy raků. Ekosystémy totiž v současnosti čely mnohonásobným invazím, ale vědomosti o interakcích těchto druhů stále nejsou dostatečné. Proto byl rak mramorovaný studován v interakcích s dvěma velmi dobře známými invazními a agresivními druhy, rakem červeným a rakem kalikovým, který vytlačuje raka pruhovaného v řece Rýn. Rak mramorovaný schopen dominovat nad velikostně srovnatelnými jedinci obou druhů. Úspěšnost v interakcích a jejich intenzita zároveň korelovala s velikostí a pohlavím oponentů a přítomností zdrojů (úkrytu). Sledované výsledky mohou být v reálných podmínkách jiné zejména vzhledem k větší maximální velikosti raka červeného, nicméně agrese a sociální hierarchie nejsou jediné faktory určující úspěšnost invazního druhu. Dalšími důležitými faktory jsou zejména reprodukční strategie a adaptabilita druhu. Partenogenetický rak mramorovaný představuje značnou hrozbu pro invadované ekosystémy a původní biodiverzitu, a to nejen pro původní druhy raků, ale i pro ostatní organismy. Stranou biologických invazí stojí další faktor ovlivňující vodní organismy a ekosystémy - chemické znečištění, ve které farmaceuticky aktivní látky hrají recentně velmi výraznou roli. Efekt farmak na raka mramorovaného použitého jako modelový organismus je náplní čtvrté kapitoly disertační práce. Efekt environmentálně relevantních koncentrací vybraných farmak byl sledován s použitím relativně jednoduchého sledování změn v chování. Výsledky ukazují, že i takto nízké koncentrace polutantů jsou schopny změnit životní projevy raků. Při testování jednotlivých farmak byla ale sledována značná variabilita v jejich účinku. Tato variabilita i mezi terapeuticky podobnými substancemi může být zapříčiněna délkou expozice, koncentrací látek, metodami expozice, ale i použitým druhem, jak je patrné zejména ze známé literatury i z naší práce. Efekt směsí polutantů na úrovni environmentálně relevantních koncentrací má viditelný přímý efekt na chování raků, ale není snadné jej tak jednoduše interpretovat jako o jednotlivě testovaných látek. Efekt těc

Abstract:

In this thesis, I provide a review on clonal marbled crayfish and examples of its use as a model organism and the fortitude of possible threats it poses for the ecosystem. Crustaceans, and especially crayfish, represent practical model organisms for ethological investigation in aquatic ecosystems. Crayfish have benefits over other invertebrates given their complex social interactions, exclusive eco-ethological behavior, activity cycles, habitat selection, as well as resource utilization at the level of species, sex, and age in both field and laboratory conditions. Crayfish play prominent roles in the ecosystem, and are often considered keystone species and ecosystem engineers. In chapter two, marbled crayfish general growth pattern was investigated through length-weight relationships and the use of a condition factor. The abdomen width and claw growth was allometric compared to post orbital carapace length which confirms the importance of these body parts. The first reproduction events were recorded at the smallest total length of 31.5 mm with a fecundity range from 22-349. Fecundity parameters were confirmed to have a fitted linear relationship to marbled crayfish length and weight. The tight correlation of egg counts on the third pleopods and total fecundity have been observed which could be used in clutch size estimation of females with partially lost clutches. This results could also be used in crayfish conservation research, captive breeding, and recovery programs as well as in the field of aquaculture. In chapter three, experimental interaction patterns of marbled crayfish with two prominent invasive crayfish species were studied. Ecosystems increasingly face concurrent invasions by multiple species, but knowledge about interaction relationships amongst invasive species is understudied. The marbled crayfish have been engaged in interactions with well-known invaders like the red-swamp crayfish and the Rhine River established invasive species, calico crayfish which displaced the invasive spiny-cheek crayfish within areas of co-occurrence. With both species, the marbled crayfish have shown competency to dominate. We found that the interactions success and intensity depends on size, sex and available resources, including shelter. Our animals were size-matched, so the observed patterns could be different in natural conditions due to the greater maximal size of tested crayfish. Nevertheless, aggression and social hierarchies are not only factors determining invader success. Other factors, such as reproductive strategy and adaptability/plasticity are also important. This parthenogenetic species poses a substantial threat to native ecosystems and biodiversity of aquatic environments, since it could be established not only in crayfish free habitats, but also capable of outcompeting native species and at least some aliens. Ubiquitous pharmaceutically active compounds are a class of emerging pollutants that affect aquatic organisms. The effects of pharmaceuticals on clonal marbled crayfish have been presented in the fourth chapter using simple behavioral assays. The results showed that pharmaceuticals at environmentally relevant concentration alter the behavior and life history attributes of crayfish. The effects of these chemicals showed variability in single chemical exposures. These variations were due to exposure durations, chemical concentrations, exposure methods and even species used, as evident from our study and the literature. The effects of compound mixtures at environmental concentration had significant effects on crayfish behavior but were not as straight forward to interpret as single exposure effects. The mixture effect depends upon the additive, synergistic or antagonistic nature of chemicals involved. However, both single and mixture exposures significantly altered the behavior of marbled crayfish which could lead to disruption of natural ecosystem processes.

Abstract:

hto směsí záleží na aditivním, synergickém nebo antagonistickém vztahu jednotlivých použitých látek. Tak či onak, naše práce poukazují, že jak jednotlivé látky, tak jejich směsi signifikantně mění chování sledovaných organismů, což může ve finále znamenat narušení přirozených procesů ve vodních ekosystémech.

Keywords

agonistická interakce, chování, růst, znečištění, farmaceutická aktivita

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 5. 2020

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Miloš Buřič, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery