Adaptation to Environmental Light Conditions in Mysid Shrimps

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4042-5
Title: Adaptation to Environmental Light Conditions in Mysid Shrimps
Author: Viljanen, Martta
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences
Tvärminne Zoological Station
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: URN:ISSN:2342-5431
Abstract: Adaptation to environmental light conditions at different time scales and biological levels was studied using the visual system of opossum shrimps (genus Mysis) as model. The focus of the study was on two aspects of visual adaptation: 1) mechanisms behind spectral tuning which enables effective photon catch in different light environments and 2) photo-induced damage and protective mechanisms in the eyes arising as a trade-off from tuning the visual system to be highly sensitive. For spectral adaptation studies mysids representing 12 species were collected from different water bodies around circumpolar and Caspian areas. Their opsin genes were sequenced and compared with phylogenetic relationships. Spectral sensitivities were determined for 15 populations representing four species by recording single-rhabdom absorption spectra with microspectrophotometer. Water transmission spectra were measured and the wavelength of maximal transmission of light and the attenuation coeffcient was determined to quantify the light conditions in the respective habitats. Animals originating from different environments were also bred in carefully controlled laboratory conditions to observe possible effects of ambient salinity on spectral sensitivity. The photoprotective mechanisms were studied by subjecting animals from populations with intrinsically different vulnerability to light-induced damage to an ultra-slow light acclimation procedure before exposing them to a bright light. The effects of this procedure were examined structurally by transmission electron microscopy and functionally by electroretinography. The equilibrium between rhodopsin and metarhodopsin was studied by microspectrophotometry. The acclimation protocol was conducted at different speeds to investigate the time scale of light acclimation. The studies of spectral tuning show that the spectral sensitivity of different Mysis populations generally correlates in an adaptive manner with the light conditions in their living environment. However, neither opsin gene sequence nor water light transmission could fully explain the observed differences in spectral sensitivities between study populations. Neither were there differences in chromophore use. The findings indicate that there are two opsin genes which are expressed in different proportions following a reaction norm triggered by an yet unidentified environmental factor. This hypothesis still requires more investigation. The study on light damage shows that very slow light acclimation can prevent structural and functional deterioration of photoreceptors caused by bright light exposure. The time scale of successful acclimation corresponds to the tempo of seasonal changes of light levels in the natural habitat. One key player in this phenomenon seems to be the amount of native visual pigment.Väitöskirjatyössä tutkittiin näköaistin sopeutumista ympäristön valaistusolosuhteisiin eri aikaskaaloilla ja biologisilla tasoilla. Mallieläiminä käytettiin Mysis-suvun halkoisjalkaisäyriäisiä eli massiaisia. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti kahteen näköaistin sopeutumiseen liittyvään ilmiöön: ensinnäkin mekanismeihin, joiden avulla näköjärjestelmää säädetään vastaamaan mahdollisimman herkästi juuri tiettyihin valon aallonpituuksiin, ja toiseksi valon aiheuttamiin vaurioihin ja niiltä suojaaviin mekanismeihin, jotka ovat seurausta näköaistin virittämisestä erittäin herkäksi. Näköaistin herkkyyttä valon eri aallonpituuksille, eli spektraaliherkkyyttä, tutkittiin keräämällä kahtatoista eri lajia edustavia massiaisia erilaisista vesiympäristöistä pohjoisilta alueilta ja Kaspianmeren ympäristöstä. Massiaisten näköpurppuran proteiiniosien, opsiinien, geenisekvenssit selvitettiin ja niitä verrattiin lajien sukulaisuussuhteisiin. Lisäksi neljään eri lajiin kuuluvien viidentoista populaation massiaisilta määritettiin spektraaliherkkyys. Tämä tehtiin mittaamalla mikrospektrofotometrillä absorptiospektrit yksittäisten osasilmien valoa aistivien solujen muodostamista kokonaisuuksista, rhabdomeista. Valaistusolosuhteiden määrällisen tarkastelun mahdollistamiseksi populaatioiden elinympäristöistä mitattiin transmissiospektrit, eli veden läpäisevyys valon eri aallonpituuksille. Eri syvyyksiltä mitattujen transmissiospektrien avulla määritettiin mitkä valon aallonpituudet tunkeutuvat syvimmälle vesipatsaaseen ja kuinka nopeasti valon voimakkuus laski syvemmälle mentäessä. Erilaisista vesiympäristöistä kerättyjä massiaisia myös kasvatettiin laboratiorio-olosuhteissa, jotta voitiin tarkkailla veden suolapitoisuuden mahdollisia vaikutuksia spektraaliherkkyyteen. Valovauriolta suojaavia mekanismeja tutkittiin akvaariokokeissa kahdella eri populaatiolla, joista toinen oli peruslähtökohtaisesti herkempi valovauriolle. Kokeissa nostettiin erittäin hitaasti taustavalon tasoa akvaarioissa, minkä jälkeen massiaiset altistettiin lyhyesti voimakkaalle valolle. Muuttuviin valaistustasoihin sopeutumisen nopeutta tutkittiin lisäämällä taustavaloa eri nopeuksilla. Koejärjestelyn vaikutuksia massiaisten silmien rakenteeseen tutkittiin elektronimikroskopian avulla ja vaikutuksia silmien toimintaan sähköfysiologialla. Näköpurppuran eri esiintymismuotojen suhdetta tutkittiin mikrospektrofotometrialla. Tulokset näköaistin herkkyydestä valon eri aallonpituuksille osoittavat, että massiaisten silmät ovat yleisesti sopeutuneet näkemään niitä valon aallonpituuksia, joita kyseisen populaation elinympäristössä on runsaasti. Kuitenkaan sen paremmin opsiinien geenisekvenssit kuin veden transmissiospektrit eivät kyenneet täysin selittämään havaittuja eroja populaatioiden spektraaliherkkyyksissä. Myöskään näköpigmenttien valoa absorboivissa osissa, kromoforeissa, ei ollut eroja. Tulokset viittaavat siihen, että massiasilla on kaksi erilaista opsiinia koodaavaa geeniä, jotka ilmentyvät eri suhteissa jonkin toistaiseksi tuntemattoman ympäristötekijän vaikutuksesta. Hypoteesi vaatii kuitenkin vielä lisätutkimuksia. Valovauriotutkimus osoittaa, että kirkkaan valon aiheuttamia rakenteellisia ja toiminnallisia vaurioita näköaistinsoluissa on mahdollista ehkäistä erittäin hitaan valoakklimaation (eli taustavalon tason noston) avulla. Onnistuneessa prosessissa taustavalojen noston nopeus vastaa vuodenaikaista valotason muutosta massiaisten luonnollisessa elinympäristössä. Yksi keskeisistä tekijöistä ilmiössä vaikuttaa olevan valoaktiivisen näköpurppuran määrä.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4042-5
http://hdl.handle.net/10138/232665
Date:
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
ADAPTATI.pdf 716.3Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record