‘ + dokument.Titel + ‘

diskussion

vi bestemte her genomstørrelserne på 25 chironomidarter; disse værdier var kongruente med genomstørrelserne af de tre arter, der tidligere blev rapporteret i litteraturen (Petitpierre, 1996; Schmidt-Ott et al., 2009), der bestod af mellem 0,13 og 0,21 PG DNA. Resultaterne af denne undersøgelse viste, at genomstørrelserne af chironomider var ensartet meget små (Fig. 3, Tabel 1). Den opnåede gennemsnitlige C-værdi for Chironomidae-familien er 0,13 + 0.03 PG DNA, som er klart mindre end D. melanogaster genom størrelse. 0,11 PG DNA (svarende omtrent til 108 Mb), skønt Hessian fly Mayetiola destructor også blev foreslået at have en endnu mindre genomstørrelse på 0,09 pg (Johnston et al., 2004; Gregory, 2014). Her rapporterer vi mindst tre arter med mindre genomer end noget kendt insekt: C. tsushimensis, Diamesa japonica og Hydrobaenus tsukubalatus, med C-værdier på henholdsvis 0,07 pg, 0,08 pg og 0,08 pg (tabel 1). Så vidt vi ved, C. tsushimensis (Fig. 1B) kan nu betragtes som havende den mindste genomstørrelse af ethvert kendt insekt med en C-værdi på 0,07 PG DNA, svarende omtrent til 68 Mb. Denne værdi er kongruent med genomstørrelsen af en beslægtet art, Clunio marinus, som blev estimeret en gang til 95 Mb og for nylig til 87,2 Mb (Kaiser og Heckel, 2012; Tobias S. Kaiser, personlig kommunikation).

for nylig blev genomet af den antarktiske midge, B. Antarktis, sekventeret (Kelley et al., 2014). Forfatterne hævdede, at genomstørrelsen af denne art anslås til 89.5-105 Mb, var den mindste blandt alle insekter. Imidlertid, vi viser her, at denne genomstørrelse består inden for det normale interval af chironomider værdier. Forfatterne foreslog også, at den lille genomstørrelse af B. Antarktis var en tilpasning til ekstremt koldt miljø. Vores data kan bekræfte denne hypotese, da D. japonica, en alpin art fra underfamilien Diamesinae også præsenterer en lille genomstørrelse. En anden relateret Diamesinae, Himalaya midge Diamesa sp. blev faktisk fundet at være aktiv ved temperaturer så lave som -16 liter C (Kohshima, 1984). Imidlertid viser Telmatogeton japonicus, som også er i stand til at udvikle sig ved meget lave temperaturer (Danks, 1971; Sunose og Fujisava, 1982), en relativt stor genomstørrelse sammenlignet med chironomid-familiegennemsnittet. En fylogenetisk indflydelse på genomstørrelsen bør tages i betragtning her, da B. Antarktis tilhører Orthocladiinae-underfamilien, som i gennemsnit præsenterer små genomstørrelser. Arten C. tsushimensis og Hydrobaenus tsukubalatus, der viser de mindste genomstørrelser blandt chironomider, hører også til Orthocladiinae-underfamilien. Således er den lille genomstørrelse af B. Antarktis kan simpelthen udgøre et forfædres træk, ikke resultatet af ekstrem kold tilpasning.

P. vanderplanki er den eneste insektart, der vides at opnå anhydrobiose i en fuldstændig dehydreret tilstand (Fig. 1D) og komme sig efter rehydrering (Hinton, 1951, 1960a; Vandabe, 2006; Cornette og Kikavada, 2011). Vores forskningsgruppe offentliggjorde for nylig en sammenlignende analyse af genomsekvenserne af den udtørringstolerante Polypedilum vanderplanki og den tørringsfølsomme congeneriske Polypedilum nubifer (Gusev et al., 2014). Sammenligningen viste, at begge arter havde lignende genomstørrelser, og at kun et begrænset sæt duplikerede genklynger var relateret til anhydrobiose i P. vanderplanki (Gusev et al., 2014). Genomstørrelserne udledt fra genomsamling var 104 Mb for P. vanderplanki og 107 Mb for P. nubifer, og disse værdier adskiller sig ikke markant fra genomstørrelserne målt for disse arter i den foreliggende undersøgelse, hvilket svarede til cirka 98 Mb. P. vanderplanki og P. nubifer-genomer viste en lignende lav andel af DNA-gentagelser, og der blev kun fundet et lille antal transponerbare elementer sammenlignet med andre dipteranarter. Denne reduktion af andelen af transponerbare elementer blev også observeret i Antarktis midge, B. Antarktis (Kelley et al., 2014). Den gennemsnitlige intronlængde blev også reduceret betydeligt i Antarktis midge og i både P. vanderplanki og P. nubifer også (Gusev et al., 2014). Da udtørring følsomme og fryse intolerante P. nubifer deler disse træk med den antarktiske midge og den anhydrobiotiske midge, en lav andel af transponerbare elementer og kort intronlængde kan udgøre en egenskab, der deles af alle chironomider og kan ikke være direkte relateret til tolerancen over for ekstreme miljøer, selvom en adaptiv effekt ikke kunne udelukkes.

hvad kunne være de adaptive træk, der potentielt er forbundet med de små genomstørrelser blandt familien Chironomidae? Faktisk er flere udviklingsmæssige og økologiske faktorer blevet foreslået at korrelere med genomstørrelser. For det første er der fundet en positiv sammenhæng mellem genomstørrelse og kropsstørrelse i mange takser, og denne sammenhæng fremstår som et relativt generelt fænomen (Gregory, 2005). Denne sammenhæng er også blevet rapporteret i myg (Ferrari og Rai, 1989), men det er ikke altid klart i andre insektskat (Gregory og Hebert, 2003; Ardila-Garcia og Gregory, 2009). Inden for chironomiderne fandt vi kun en svag positiv sammenhæng mellem genomstørrelse og kropsstørrelse (Fig. 4A). Den gennemsnitlige C-værdi for slægten Chironomus (0,15 pg) var højere end for slægten Polypedilum (0,10 pg), og denne forskel kan tilskrives den generelt større kropsstørrelse af Chironomus-arter. Imidlertid kunne den fylogenetiske afstand mellem begge slægter også forklare denne forskel i genomstørrelser. Derfor korrigerede vi vores data på slægtsniveau med fylogenetisk uafhængig kontrasteranalyse (Garland og Adolph, 1994; Garland et al., 2005) og som et resultat viste sammenhængen mellem genomstørrelse og kropsstørrelse sig at være ikke signifikant (Fig. 4B). Det smalle område af Chironomid genomstørrelser (kun to tredobbelt) og den gennemsnitlige lille kropsstørrelse af disse arter (de fleste overstiger ikke nogle få millimeter) gør det sandsynligvis vanskeligt at finde nogen sammenhæng mellem begge træk inden for Chironomidae—familien.

blandt insekter blev der foreslået en anden sammenhæng mellem genomstørrelse og udviklingskompleksitet. Mens hemimetaboløse insekter, med gradvise nymphal molts kun, viser en bred vifte af genomstørrelser (C-værdier fra 0,18 til 16.93 pg), holometaboløse insekter med deres komplekse metamorfose har C-værdier begrænset inden for en formodet 2 pg-tærskel, for de fleste af dem (Gregory, 2002, 2005). Indflydelsen af udviklingskompleksitet på genomstørrelse er her åbenlyst, fordi holometaboløse insekter gennemgår intensiv morfologisk ombygning i den begrænsede tid af metamorfose, og en lille genomstørrelse giver fordele ved at udføre celledelinger med høj hastighed. Chironomider er holometaboløse insekter, og deres metamorfose er ekstremt hurtig. Deres puppestadium kan kun vare en dag eller endda bare et par timer for visse arter (Cranston, 1995c). For eksempel viser C. tsushimensis en kompleks metamorfose med udtalt seksuel dimorfisme (Fig. 1B).

forholdet mellem genomstørrelse og hastigheden af celledeling påvirker også udviklingshastigheden. For eksempel blev bladlusens hurtige livscyklus foreslået at være relateret til deres små genomstørrelser (Ma et al., 1992). Således bør små genomstørrelser udgøre en fordel for chironomidarter, der hurtigt udvikler sig i Midlertidige miljøer. Chironomider fra slægten Clunio kan udvikle sig til midlertidige tidevandsbassiner og viser også synkroniseret fremkomst af de voksne i forhold til månecyklussen og under det korte vindue i lavvandet (Kaiser og Heckel, 2012). En høj udviklingshastighed bør være nødvendig for at opnå dette. Bemærk, at små polychaete annelider, der udvikler sig hurtigt i lignende interstitielle miljøer, viser mindre genomstørrelser end makrobenthiske arter (Gambi et al., 1997). For antarktiske midges, såsom B. Antarktis eller Eretmoptera murphyi (Lee et al., 2006; 2010), larveudvikling varer to år, for det meste arresteret i frosset tilstand, men metamorfose og reproduktion skal forekomme i den meget korte sommerperiode. I dette tilfælde er der behov for en høj udviklingshastighed, og dette kan lettes af B. Antarktis lille genom. Dette fænomen blev illustreret ved en undersøgelse af angiospermplanter, der viste, at arten, der var i stand til at fuldføre hele deres livscyklus i løbet af den korte antarktiske sommer, præsenterede de mindste genomstørrelser (Bennett et al., 1982). En anden ekstrem, den anhydrobiotiske midge P. vanderplanki er tilpasset Flygtige klippebassiner. Også her kan høj udviklingshastighed i et midlertidigt habitat være forbundet med den lille genomstørrelse af denne art. Men den australske Art P. tonnoiri, som også udsættes for udtørring på lignende stenpuljer (Jones, 1975; Adams, 1985; Frous et al., 2003), viser en relativt stor genomstørrelse for et chironomid (Fig. 3 og tabel 1).

abiotiske belastninger vil sandsynligvis også påvirke DNA-integritet og som følge heraf genomstørrelse. For eksempel larver af P. vanderpianki oplever massiv DNA-skade efter anhydrobiose og effektiv DNA-reparation sker i løbet af de få dage efter rehydrering (Gusev et al., 2010). I planter blev der fundet en negativ sammenhæng mellem genomstørrelse og strålingstolerance (Bennett og Leitch, 2005), og mutationshastigheden var også lavere hos arter med mindre genomstørrelse (Abrahamson et al., 1973). Følgelig kan den lille genomstørrelse af P. vanderpianki repræsentere en fordel for at undgå akkumulering af skadelige mutationer under DNA-reparationsbegivenhederne forbundet med tørringscyklusser og rehydrering. Som en marine Art udsættes C. tsushimensis også for høj saltholdighedsstress, som er dødelig for de fleste insektarter. Høj saltholdighed og andre abiotiske belastninger er kendt for at generere intracellulære reaktive iltarter (ROS), som blev foreslået som en hovedkilde til DNA-skade (Franca et al., 2007; Gill og Tuteja, 2010). Dette kan også være relateret til lille genomstørrelse. Imidlertid viser andre marine og høje saltholdighedstolerante arter, såsom T. japonicus eller Chironomus salinarius, ikke genomstørrelser så små som C. tsushimensis. Syretolerante arter, såsom Chironomus sulfurosus, Chironomus acerbiphilus eller Polypedilum tamanigrum (Fig. 1C) kan overleve i varme kilder med en pH så lav som 1,4 (Doi et al., 2004; Takagi et al., 2005). Også her kunne der ikke observeres nogen klar sammenhæng mellem tolerance over for sur stress og lille genomstørrelse, og den fylogenetiske indflydelse syntes vigtigere med mindre genomstørrelse for slægten Polypedilum og større genomstørrelser i slægten Chironomus.

for at konkludere er de små genomstørrelser, der observeres i chironomider, sandsynligvis resultatet af en forfædres reduktion af antallet af transponerbare elementer og af længden af introner i deres genomstruktur. Blandt Chironomidae-familien var genomstørrelserne forskellige i henhold til fylogeni på underfamilieniveau og på slægtsniveau. Som udledt af korrelationer i forskellige takser kunne den lille genomstørrelse af chironomider teoretisk have udgjort en præadaptation til ustabile og ekstreme miljøer gennem høj udviklingshastighed og lav mutationshastighed. Vi håber, at denne undersøgelse vil tilskynde til fremtidige Chironomidgenomprojekter, og at sammenlignende genomik inden for denne takson vil hjælpe med at forstå, hvordan Chironomidgenomer interagerer med deres miljø.