Études à long terme sont essentielles pour comprendre le processus d’évolution et les mécanismes d’adaptation. Généralement, ces études nécessitent des engagements au-delà de la durée de vie des chercheurs. Une méthode puissante est décrit ici, qui avance considérablement de collecte de données de l’état-of-the-art pour générer les données longitudinales dans les systèmes naturels.
Les études à long terme permettent l’identification de processus d’éco-évolution qui se produisent sur une période de temps prolongée. En outre, ils fournissent des données empiriques clées pouvant servir à la modélisation prédictive pour prévoir les réponses évolutives des écosystèmes naturels aux changements environnementaux à venir. Toutefois, si l’on exclut quelques cas exceptionnels, les études à long terme sont rares en raison des difficultés logistiques associées pour accéder aux échantillons temporelles. La dynamique temporelle est fréquemment étudiée en laboratoire ou dans des expériences contrôlées en mésocosme avec études exceptionnelles que reconstituer l’évolution des populations naturelles à l’état sauvage.
Ici, un mode opératoire normalisé (SOP) est fourni pour raviver ou ressusciter dormants Daphnia magna, une espèce très répandue de zooplancton dans les écosystèmes aquatiques, pour avancer considérablement la collecte de données longitudinales state-of-the-art dans systèmes naturels. Le domaine de l’écologie de la résurrection a été défini en 1999 par Kerfoot et collègues de travail, même si la première tente à l’éclosion de diapause zooplancton oeufs datent de la fin des années 1980. La méthodologie de ressusciter des espèces de zooplancton a été plus en plus fréquemment appliquée depuis livre séminal de Kerfoot, quoique propagées entre les laboratoires uniquement via le transfert de la connaissance directe. Ici, une PON est décrite qui fournit un protocole étape par étape sur la pratique de ressusciter dormants Daphnia magna oeufs.
Deux principales études sont fournis en qui la réponse de remise en forme du ressuscité des populations de Daphnia magna à réchauffement est mesuré, capitalisant sur la possibilité d’étudier des populations historiques et modernes dans les mêmes paramètres. Enfin, l’application de technologies de séquençage de génération suivante aux stades reconstituées ou encore en dormance est discutée. Ces technologies offrent une puissance sans précédent en disséquant les processus et les mécanismes de l’évolution si appliqué aux populations qui ont vécu des changements de pression de sélection au fil du temps.
Études à long terme sont essentielles à la compréhension des processus écologiques et évolutionnaires dans la nature et pour évaluer comment les espèces répondent aux et persistent au cours de changements environnementaux1. C’est parce que le processus d’éco-évolution se produisent à travers les générations et les changements dans l’environnement se produisent sur des long temps portées. En outre, les études à long terme prévoir clées données empiriques qui permettent d’améliorer la précision de la modélisation prédictive pour prévoir les réponses évolutives des écosystèmes naturels aux changements environnementaux2. L’exactitude de ces modèles est essentiel d’appliquer des stratégies de gestion et de conservation pour préserver la biodiversité et aux services écosystémiques.
Si l’on exclut quelques cas exceptionnels (par exemple, Galapagos Darwin pinsons algues et3 4), les études à long terme sont en grande partie limitées aux espèces avec des temps de génération court lesquelles peuvent être propagées dans le laboratoire5,6 , 7 , 8. par conséquent, les processus qui sous-tendent la dynamique évolutive demeurent insaisissables. En raison des difficultés logistiques associées pour accéder aux échantillons temporelles, données empiriques sont étudiées plus fréquemment dans un espace que dans un contexte temporel, et les processus éco-évolution temporelles sont déduites ou modélisés de données spatiales. Cette approche s’appelle « espace-for-time » substitution9, par lequel l’espace est adoptée comme substitut pour étudier la dynamique d’évolutive temporelle. La principale limitation de la substitution de « espace-for-time » est que les taux d’adaptation à différentes échelles spatiales diffèrent de la variation temporelle de la même population ; inférences fondées sur le remplacement du temps avec l’espace sont donc partiales10.
Une alternative puissante qui permet d’étudier la dynamique évolutive dans les écosystèmes naturels au fil du temps est l’analyse des changements écologiques et génétiques chez les espèces produisant des stades dormants11. Ces phases de sommeil s’accumulent en forme stratifiée archives biologiques qui peuvent être datés avec précision et paleolimnologically caractérisée12,13. Ce qui est important, ces phases de sommeil peuvent être ressuscitées et utilisés en laboratoire, où leur réponse évolutive aux changements environnementaux peut être mesuré directement. Populations historiques peuvent être affrontées leurs descendants modernes ont évolué à étudier les changements de remise en forme et la fonction des gènes, en évolution en phase avec les changements environnementaux14,15,16.
Les stades dormants comprennent les kystes, les graines, les spores et banques d’oeufs. Bien que les premières études sur la remonte des œufs dormants ressuscité à la fin des années 198017et une poignée d’études ont appliqué cette technique dans le début des années 199018,19, le domaine de l’écologie de la résurrection a été formellement créé par l’article fondamental de Kerfoot et ses collègues en 199920. Cette pratique a été appliquée essentiellement en paléolimnologie reconstructions des espèces d’eau douce17,21,22. Toutefois, un POS n’est pas encore disponible. Ici, une description étape par étape du protocole résurrection appliqué aux œufs dormants des espèces de zooplancton Daphnia magna est fournie, de l’échantillonnage de sédiments à la mise en place de cultures clonales de nouveau-nés. Étapes du POS qui sont facilement transférables à d’autres espèces de Daphnia, ainsi que les mesures qui pourraient nécessiter une optimisation supplémentaire, on discute.
Daphnia sont d’eau douce zooplanctontes présents dans la plupart des habitats lotiques23 . Espèces de Daphnia sont soit obligatoirement parthénogénétiques cyclique ou asexuée. D. magna est une parthénogenèse cyclique qui se reproduit par clonage sous des conditions environnementales favorables,24. Lorsque les conditions environnementales se détériorent, production de mâles se produit et recombinaison sexuelle conduit à la formation des oeufs fécondés qui entrent dans un état de dormance, protégé de l’environnement par une affaire de chitine appelée ephippium. Une proportion de ces œufs dormants éclore quand les conditions environnementales favorables reviennent. Cependant, une grande partie de la Banque de œufs dormants n’a jamais une chance d’éclore et ainsi construire des archives biologiques au fil du temps. Les stades dormants demeurent enfouis dans les sédiments des lacs et des étangs et peuvent être récupérés pour l’étude de la dynamique évolutive sur une période de temps prolongée. Parce que les œufs dormants de d. magna sont le résultat de la recombinaison sexuelle, ils sont une bonne représentation de la diversité génétique naturelle des espèces25. En outre, elles peuvent être maintenues par l’intermédiaire de reproduction clonale dans le laboratoire. Ces caractéristiques offrent l’avantage unique d’organismes modèles isogéniques, tout en conservant la diversité génétique naturelle.
Deux études clés sont présentés pour démontrer les avantages de comparer directement les descendants historiques et modernes de la même population de d. magna touchés par pression de sélection environnementale au fil du temps. D. magna spécimens furent ressuscités de lac anneau (Danemark), une faible profondeur (5 m de profondeur ; surface 22 ha) étang mixte qui a connu une augmentation moyenne fréquence température et vagues de chaleur au fil du temps. Les populations de d. magna (void) ont été ressuscitées le long de ce gradient temporel 60 ans (1960-2005) et étudiées pour étudier la réponse évolutive au réchauffement de la température. Dans la première étude dans une expérience de jardin commun, changements dans les caractéristiques du cycle de vie liés à la remise en forme ont été mesurés en réponse à une augmentation de température de + 6 ° C, en ligne avec les prévisions du Groupe intergouvernemental sur le changement climatique pour les 100 prochaines années 26. dans la seconde étude, une expérience en mésocosme servait à mesurer les capacités concurrentielles des trois (sous) populations sous le réchauffement de la planète. Ces expériences combinées montrent qu’en présence de réchauffement de la planète comme le stress seul, toutes les caractéristiques du cycle biologique et les populations montrent un niveau élevé de plasticité et ont des capacités concurrentielles égales. Ces résultats suggèrent que le réchauffement comme une contrainte unique n’impose pas de coûts importants de remise en forme, au moins dans la population étudiée ici.
En raison de la conductivité thermique de l’eau, écosystèmes d’eau douce sont à risque plus élevé de perte de biodiversité que les écosystèmes terrestres face à global warming34. Il est donc essentiel de comprendre la réponse des espèces clés dans ces écosystèmes et d’identifier les mécanismes d’adaptation pour survivre à un stress thermique. La compréhension de ces mécanismes aux niveaux espèces et de la Communauté peut aider à prédire comment les espèces sont touchés par le réchauffement climatique et comment les cascades de l’effet sur chaque espèce à d’autres niveaux trophiques. En fin de compte, compréhension des mécanismes de réponse au réchauffement climatique permet l’identification des stratégies correctives afin d’atténuer les extinctions.
Les études de cas présentées ici montrent que la réponse de d. magna à augmentation de température est omniprésente médiée par plasticité dans caractéristiques du cycle vital et que la réponse à l’augmentation de la température seule n’impose pas de frais de remise en forme claire, au moins dans le population étudiée ici. Grande plasticité dans caractéristiques du cycle vital est pris en charge par des différences non significatives dans les capacités concurrentielles des populations (void) en présence de réchauffement. Cependant, les expériences de compétition à plus long terme sur les populations multiples peuvent être nécessaires de généraliser ces résultats.
Résurrection des stades dormants fournit une ressource sans précédent afin d’étudier les mécanismes d’adaptation et les trajectoires de l’évolution d’une espèce par heure10. Espèces de zooplancton bénéficient d’une durée d’une génération rapide (environ 2 semaines) et la viabilité des stades de sommeil, qui permet à un ancêtre de rivaliser headtohead contre ses propres descendants, ou de « rejouer » évolution qui commence à partir de différents États passés. Écologie de la résurrection permet essentiellement l’enquête de déterminer si un résultat évolutif particulier est subordonné à un événement antérieur. L’identification des éléments génétiques de l’évolution est actuellement possible en laboratoire à l’aide de micro-organismes pour lesquels « lignées ancestrales » sont congelées et ressuscitées pour l’analyse comparative avec leurs descendants évolués6. Cependant, une des limites principales de travailler avec les organismes de laboratoire est que « l’état ancestral » est une base déjà décalée. L’étude des stades dormants permet le prélèvement de spécimens de temps antérieurs à n’importe quel événement de stress (p. ex., conditions environnementales vierges) et de mesurer des trajectoires évolutives de conditions environnementales non perturbées à divers États passés jusqu’à l’époque moderne. Ces dernières années, l’étude du polymorphisme de l’ADN dans les stades de zooplancton ressuscité ou encore en dormance a fourni des renseignements importants dans les processus adaptatifs et démographiques antérieurs qui ont contribué à la composition génétique des actuelles populations14 , 16 , 25 , 33 , 35 , 36. l’accès supérieur des technologies de séquençage à haut débit, peuvent être séquencés le génome et le transcriptome de stades ressuscités ou encore en dormance et le type et le nombre de modifications génétiques accumulent dans l’évolution des populations au cours le temps mesuré.
La résurrection SOP présentée ici a des applications importantes dans le domaine du multi-omics sur deux niveaux. Multi-omics technologies peuvent être appliquées aux spécimens ressuscités, ce qui permet une analyse exhaustive des éléments moléculaires impliqués dans les réponses adaptatives à la pression de sélection environnementale. En outre, les omiques technologies peuvent être appliquées à décapsulés mais encore en dormance stades. Jusqu’à présent, l’application de technologies de séquençage à haut débit aux étapes de repos a été limitée par l’exigence d’une grande quantité de matières entrantes. Ces restrictions soient levées37. Les conditions de descente pour matières entrantes et le progrès en nanofluidics, le séquençage du génome entier (WGS) est maintenant possible à partir d’aussi peu que 1 ng ou quelques pg de démarrage matériel38. L’utilisation de l’amplification du génome entier (WGA) et toute transcriptome techniques d’amplification (WTA), permettant l’enrichissement de l’ADN et l’ARN de très petites quantités de tissu, a révolutionné la métagénomique39,40 tant médical recherche41. Ces technologies appliquées aux œufs dormants décapsulés permettent le dépassement des limites associées à la viabilité des stades de sommeil et de l’enquête sur des périodes prolongées (p. ex., siècles).
La résurrection des communautés d’invertébrés produisant des phases de repos permet l’alignement des histoires de la communauté avec des changements connus dans les paysages naturels, ou aux changements environnementaux déduites d’analyses des sédiments orsoils2. L’analyse des changements de nature communautaire en réponse aux changements environnementaux nous fournit la capacité de quantifier les rétroactions éco-évolution42 ayant des conséquences importantes sur la population persistance43, interactions trophiques44 , communauté Assemblée45et les changements dans l’écosystème des fonctions et services46. Enfin, des prévisions précises sur les réactions biologiques aux changements environnementaux sont primordiale pour guider la protection de la biodiversité,47. Des modèles de prévision actuels sont inexactes à cet égard, car ils ne tiennent pas les mécanismes biologiques importants tels que la démographie, la dispersion, évolution et interactions entre les espèces du compte. Comprendre comment ces processus évoluent avec le temps et utiliser cette information comme un préalable dans la modélisation des prévisions permettra d’améliorer notre capacité à prédire les espèces et la persistance de la communauté face à l’environnement changer2.
L’application du POS présentée ici n’est pas sans défis. La principale limite de ressusciter des stades dormants est le besoin d’équipement spécialisé pour l’échantillonnage. En outre, l’intégralité du processus de tamisage de sédiments à la mise en place de cultures clonales, nécessite un temps pratique considérable.
Certaines des étapes SOP présentées ici sont facilement transférables à d’autres espèces de Daphnia . Ce sont : échantillonnage, la création de lignées clonales et expérimental. Cependant, les autres étapes du POS peuvent doivent être optimisation adaptée à l’espèce à l’étude. Décapsulation est souvent appliquée aux échantillons de d. magna pour améliorer le taux d’éclosion. Toutefois, cette approche peut ne pas convenir pour les plus petits spécimens. L’éclosion des stimuli peut également varier parmi les espèces48 et les spécimen conspécifiques49. Par conséquent, une optimisation ad hoc les étapes de l’éclosion du POS peut être exigée avant la demande d’autres crustacés. Alors que le succès de l’éclosion de la population de d. magna ressuscité de lac anneau (30,5 % à travers les archives sédimentaires) s’inscrit dans précédents résultats49, succès de l’éclosion varie en fonction de l’état de préservation des sédiments, les espèces 50,51et l’origine géographique des sédiments48. Les études futures sur les mécanismes qui régissent l’entrée et la progression à travers les phases de la diapause est nécessaire pour identifier des stimuli éclosion optimale adaptées aux différentes espèces.
Enfin, connaître le système d’étude de base, en particulier la présence de l’espèce d’intérêt au fil du temps, est recommandé. Ceci peut être réalisé par l’intermédiaire de documents historiques. Si n’existent pas de documents historiques, d’échantillonnage et de dépistage des couches superficielles des sédiments lac avant le prélèvement de base sont recommandé, même si elle peut fournir des informations uniquement sur l’histoire plus récente.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par l’octroi de points culminants NERC (NE/N016777/1). Ensis Ltd, Services scientifiques environnementaux, changement Environmental Research Centre, University College London échantillonnés et daté de la carotte de sédiments.
sampling bags | Fisher Scientific | 11542783 | Sampling bag revolve round wires closure system and safety tabs sterile polyethylene with writing area clear 89µm thickness 140mm x 229mm, 720mL Fisherbrand |
piston corer | ENSIS ltd | na | Long, heavy tube plunged into the sea, lake, pond floor to extract samples of mud sediment. Piston corers have a viariable diameter and are generally in PVC |
precision scale | Veritas-M124A | TLP-50 | Analytical Balance |
geological sieve | UKGE limited | SV7521 | 200 mm diameter geological sieve – 1 mm mesh |
geological sieve | UKGE limited | SV7525 | 200 mm diameter geological sieve – 0.125 mm mesh |
white sampling tray | nhbs | http://www.nhbs.com/title/view/159614?ad_id=1509 | Standard mulipurpose lab trays |
pasteur pipette | Globe Scientific inc. | 138020B | Transfer Pipet, 1.7mL, General Purpose, 87mm, Bulb Draw – 0.9mL |
stereo microscope | nikon | smz800 | Microscope with magnification range 1x -8x linked to a camera control unit |
petri dish | EduLab | 153-533 | Sterile 90mm diameter plastic petri dish |
glass jars | compak | Round Jam Jars 4oz | 100 mL jars |
glass jars | compak | Atum Jars/ Bonta Jar 10oz | 200 mL jars |
glass jars | bottlecompanysouth | 500ml Food Jam Jar With Twist Off Lid | 500 mL jars |
statistical software R | https://cran.r-project.org/ | na | Free online GNU language and environment for statistical computing and graphics |
microdissection forceps | Fisher Scientific | 41122405 | Fine point stainless steel forceps for microdissections |
image software | https://imagej.nih.gov/ij/index.html | na | Open source ImageJ image processing toolkit written in Java |
mesocosm | amazon | na | Nobby Fauna-Box III, 41 x 23 x 29 cm, 20.0 Liter |
mirocentrifuge tubes | Sigma_Aldrick – Merck | Z606340 | premium microcentrifuge tubes 1.5 mL |
AGENCOURT DNAdvance | Beckman Coulter | A48705 | DNA extraction kit |
size standard | Thermo Fisher Scientific | 4322682 | LIZ500 – Size standard compatible with ABI sequencers |
ABI3032 sequencer | ABI | na | Sequencer used to perform fragment analysis or sanger sequencing |