Frontiers in Zoology, 2006; 3: 4-4 (más artículos en esta revista)

Sistema cardiovascular en larvas de pez cebra responde a la hipoxia en el desarrollo de una familia específica

BioMed Central
Francisco BG Moore (moore@uakron.edu) [1], Michelle Hosey (mcurls23@yahoo.com) [1], Brian Bagatto (bagatto@uakron.edu) [1]
[1] Departamento de Biología, Universidad de Akron, Akron, Ohio, EE.UU.

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Resumen
Antecedentes

Variación genética y el medio ambiente son a la vez que influyen en el desarrollo. Evolución del desarrollo de una respuesta que se ha optimizado para el medio ambiente (plasticidad adaptativa) requiere la existencia de la variación genética para que la respuesta de desarrollo. En rasgos complejos compuestos por conjuntos integrados de la filial rasgos, el proceso de adaptación puede ser frenado por la existencia de múltiples posibles respuestas integradas. Este estudio de las pruebas para la familia (sibship) diferencias específicas en respuesta a la hipoxia de plástico en un conjunto integrado de los rasgos cardiovascular en el pez cebra.

Resultados

Gasto cardíaco, que es la integrada de los productos subsidiarios de varios rasgos, muy variado significativamente entre las familias, y las familias difieren significativamente en el grado y la dirección de desarrollo de la respuesta a nivel de oxígeno. El gasto cardíaco respuesta a oxígeno ambiente es totalmente familiar específica con no significativo debido a la tendencia general a nivel de oxígeno. Constituyente variables fisiológicas que contribuyen a la cardíaco todos mostraron un familiar respuesta específica a la hipoxia. Rasgos que no estaban directamente relacionadas con el gasto cardíaco, como el diámetro arterial y venosa, y las velocidades de eritrocitos no respondió a la hipoxia en una familia específica.

Conclusión

Pez cebra familias varían en su respuesta a la hipoxia de plástico. Variación genética en respuesta a la hipoxia de plástico pueden, por tanto, proporcionar el ingrediente básico para su adaptación a un entorno variable. Considerable variación en el grado de respuesta a la hipoxia familiar que existe entre los diferentes rasgos cardiovasculares que pueden contribuir al gasto cardíaco. Es posible que la integración de varias filiales en los rasgos cardíaco permite el mantenimiento de la variación genética en la respuesta cardíaca.

Antecedentes

¿Qué procesos de limitar y reorientar el resultado de los adultos fenotipo? Muchos estudios de desarrollo en todos los niveles biológicos intento de responder a esta pregunta. Aunque instrucciones genéticas que proporcionan la plantilla básica para el desarrollo, el fenotipo final también depende de las influencias del medio ambiente [1 - 3]. Las recientes exploraciones de desarrollo de la fisiología de los peces [4], [5], aves, anfibios [6], reptiles [7, 8] y [9] mamíferos han comenzado a separar la influencia de la genética y el ambiente sobre la fisiología. Esos estudios sugieren que dentro de un entorno determinado, de desarrollo de plantillas para una determinada familia (es decir, grupo de hermanos) que incluyen instrucciones directas único cambio en todo el desarrollo fisiológico. Tanto el medio ambiente y la genética parecen influir en la variación fisiológica, pero la genética y el medio ambiente pueden interactuar de manera que se genotipos diferentes reaccionan de manera diferente a los mismos cambios en el medio ambiente. Este estudio de las pruebas para este tipo de familia específica diferencia en la forma en que los embriones responder a los factores de estrés medioambientales. Si esa familia existen diferencias específicas, que pueden proporcionar la materia prima para la adaptación de la respuesta de desarrollo.

Plasticidad de desarrollo, medio ambiente en el que los menores adultos formas fenotipo, es común [3], y puede aumentar la aptitud en algunos casos. Si un solo genotipo puede desarrollar en diferentes fenotipos de especialistas para cada uno de una serie de entornos diferentes, entonces pueden competir generalista fenotipos en cada entorno. Sin embargo, la evolución de este tipo de plástico fenotipos adaptativo requiere la variación genética para la respuesta de plástico. La plasticidad y la base genética de la plasticidad son temas importantes en la biología evolutiva, ya que puede contribuir a explicar las limitaciones de adaptación e intercambios [3, 10 - 12], así como los mecanismos de integración fenotípica [13]. A pesar de grandes progresos en la comprensión de la plasticidad, el grado en que las respuestas son de plástico adaptable, y las limitaciones en la evolución de plástico desarrollo siguen siendo esferas de la investigación [14]. De especial interés es el papel de la plasticidad en la integración de fenotipo que muy pocas veces se ha estudiado [13]. Si la respuesta a una fenotípica variable de entorno implica interacciones complejas, como se espera en muchos rasgos fisiológicos, la plasticidad de adaptación puede ser muy limitado debido a un equilibrio de las diferentes respuestas de plástico en varios rasgos es obligatorio. Esto se debe a que, aunque la selección puede aumentar la frecuencia de los más aptos en un determinado fenotipo de la generación de un número de diferentes genotipos pueden producir fenotipos muy apropiado. Recombinación entre estos altos fitness fenotipos se traducirá en la producción de crías de imprevisibles fenotipo en la próxima generación.

Detección de la plasticidad de desarrollo evolutivamente es importante cuando los parámetros medioambientales están dentro del rango de variación normal del medio ambiente y de una magnitud que proporcionan significativas de estrés para el organismo. En estos casos, una respuesta de desarrollo que pueden haber evolucionado amortiguadores de los efectos de la variación ambiental. Por ejemplo, muchas especies de peces rutinaria experiencia leve ([O 2] <5 mg l -1) a grave ([O 2] <1 mg l -1) hipoxia que desencadena una serie de organismal, celulares, genéticos y Respuestas. En muchos casos, esas respuestas son atenuados como la hipoxia se convierte en la exposición crónica. Hipoxia crónica tiene un profundo efecto en el comportamiento de los peces [15], muchos de los aspectos de la fisiología cardiovascular [16], e incluso la morfología general [17]. Larvas de peces son a menudo incapaces de evitar la hipoxia y, por tanto, zonas pueden experimentar gravemente alterado o incluso detenido el desarrollo [18]. En este momento, hay muy pocos estudios que pongan a prueba la prolongada influencia de la hipoxia en el desarrollo de peces, y no hay estudios para probar que nuestros conocimientos específicos de la familia las respuestas cardiovasculares al desarrollo de la hipoxia. Por todas estas razones, la hipoxia durante el desarrollo de los peces es una prueba ideal para la familia específica de desarrollo plasticidad.

Optamos por usar un diseño simple genéticos cuantitativos para investigar respuesta específica a la familia de desarrollo de estrés en el pez cebra (Danio rerio). Esta especie puede comúnmente se encuentran en los ríos afluentes de movimiento rápido, la lentitud de movimiento y el estancamiento de las masas de agua [19], para que las larvas puedan ver variaciones considerables en el medio ambiente de oxígeno. Si bien aún no podrá hipoxia grave, en muchos casos, aumentar la mortalidad de larvas directamente (datos no publicados), la hipoxia se ha demostrado que causa cambios sustanciales en la tasa de desarrollo [20] y otros rasgos relacionados con la forma física [15].

Estamos criados mujeres y hombres de un entorno común para producir conjuntos de plena hermano huevos a prueba de la variación entre las familias en el desarrollo de la fisiología. Cada familia fue divididos en dos grupos. Un grupo fue criado en normoxia y el otro en la hipoxia crónica, lo que nos permite prueba de la influencia de entorno de desarrollo integrado en el desarrollo cardiovascular. Se comparó la anatomía y la fisiología cardiovascular de pez cebra en el desarrollo de hipoxia y normoxic agua por familia. La hipótesis de que el desarrollo de oxígeno respuesta a la familia entorno sería específicos. Hemos probado de la familia de desarrollo específicos de respuesta a través de 12 diferentes rasgos morfológicos y fisiológicos relacionados con la función cardiovascular.

Resultados
Anatomía de buques

El entorno de desarrollo de oxígeno fue una importante fuente de variación de diámetro arterial en dos, pero no en ninguno de los dos diámetros venosos (Tabla 1]. En ambas arterias medido, la hipoxia-criados individuos de una determinada familia había diámetros de los vasos más grandes que sus hermanos criados en normoxia (Figura 1]. En tanto el dorsal arteria y vena dorsal, la familia es una fuente importante de variación (Cuadro 1] debido en gran parte a la baja de diámetro de vasos en la familia C (Figura 1A]. No hubo interacción entre el medio ambiente y el desarrollo para toda la familia medido de diámetro de vasos que indica que ninguna familia específica de influencia existe en el medio ambiente de diámetro de vasos.

Glóbulos rojos velocidad

Pez cebra familia es una fuente importante de variación en ambos dorsal arteria y vena dorsal de eritrocitos velocidad. Oxígeno nivel de desarrollo no es una fuente significativa de la variación de la velocidad de células rojas de la sangre, ya sea directamente o por medio de una interacción con la familia (Tabla 2]. Velocidad de células rojas de la sangre en la arteria dorsal espejo tiende a la velocidad de células rojas de la sangre en la vena correspondientes (Figura 2] que en las familias no mostró una diferencia significativa entre los tratamientos (T-para todas las pruebas, se p menos de 0,05).

Fisiología cardíaca

Pez cebra familia también es un contribuyente muy importante a la variación en el ritmo cardíaco, volumen sistólico final (ESV), el volumen diastólico final (EDV), el volumen y los accidentes cerebrovasculares (SV) (Tabla 3]. Si bien el desarrollo de oxígeno medio ambiente es una fuente significativa de la variación de la frecuencia cardíaca y ESV, que no influyó significativamente en EDV, o SV (Tabla 3]. Hipoxia-animales criados tenían las tasas más bajas del corazón y ESVs independientemente de la familia (Figura 3A]. Entorno de desarrollo importante por la interacción con la familia existe para la frecuencia cardiaca, ESV, EDV, y SV (Tabla 3], indicando una fuerte respuesta específica a la familia de desarrollo a nivel de oxígeno en estos rasgos (Figura 3]. Gasto cardíaco (CO), que es una medida integrada de funcionamiento cardiaco, muy variado significativamente entre las familias (Tabla 3]. Una significativa interacción Familia × Tratamiento plazo (cuadro 3] indica que las familias difieren en el grado y la orientación del desarrollo de la respuesta a nivel de oxígeno (Figura 3]. La respuesta cardíaca al oxígeno ambiente es totalmente familiar específica con ninguna tendencia significativa debido al tratamiento (Tabla 3].

Discusión

¿Qué procesos de limitar y reorientar el resultado de los adultos fenotipo? Se encontró que para el gasto cardíaco en larvas de pez cebra hay respuesta de la familia de desarrollo específicas para el medio ambiente (Tabla 3]. Si bien el desarrollo es claramente fenotípica redirigidos por el estrés de oxígeno, esta redirección no es coherente entre las familias. Estos resultados indican que el fondo genético es importante en la determinación del sistema cardiovascular de desarrollo de la respuesta al medio ambiente. Por lo tanto, es importante investigar en el desarrollo de respuesta múltiple origen genético. Desde una perspectiva evolutiva, la comprensión de la interacción entre las fuentes de variación en el gasto cardíaco respuesta al medio ambiente es fundamental para determinar el grado en que esa respuesta es adaptativa.

Plástico respuesta a la variación ambiental es un tema importante en la biología evolutiva (para una discusión véase [3, 21, 22]]. En este estudio, la respuesta de plástico cardíaco se concreta la familia, lo que indica que es probable que haya variaciones hereditarias de plástico respuesta en el rendimiento cardíaco. El importante nivel de la familia variación en respuesta a la hipoxia en este estudio es la suma de las fuentes ambientales de sus padres (por ejemplo, "los efectos materna") y las fuentes de variación genética. La variación en el medio ambiente de sus padres, sin embargo, fue minimizado por el uso común y de un entorno minuciosamente controlado (ver métodos). Por esta razón creemos que una gran parte de la respuesta a nivel familiar que se observa en este estudio representa la variación genética.

Evolución de las respuestas de adaptación a entornos variables hereditarios requiere la variación de la respuesta de plástico. Dado el buen ambiente selectivo, la variación en la respuesta de plástico que encontramos en el gasto cardíaco podría ser la materia prima de la futura adaptación. Para entender la dinámica de adaptación de un rasgo complejo Sin embargo, es importante entender algo acerca de la manera en que los rasgos subsidiarios contribuir a que el rasgo complejo. Si hay rasgos de interacción que pueden combinar varias formas de crear óptimo o cerca de respuesta óptima, entonces un paisaje accidentado de adaptación se producirá [23, 24] que mantendrá variación proporcionando múltiples objetivos para la selección genotípica [25, 26].

Gasto cardíaco es el producto de la frecuencia cardíaca y los accidentes cerebrovasculares volumen. Trazo volumen es, a su vez, la diferencia final entre sistólica y diastólica final del volumen. La familia concreta respuesta a la hipoxia por cardíaco podría ser creado por complejas interacciones específicas de la familia de estos rasgos subyacentes, la respuesta específica por la familia en un solo rasgo, o por una familia unida respuesta específica visto a través de todos los rasgos. Curiosamente, todas las medidas de rendimiento cardíaco (Tabla 3] mostraron un familiar respuestas concretas a la hipoxia. Además, la familia respuestas concretas a la hipoxia en la frecuencia cardiaca (Figura 3A] y los accidentes cerebrovasculares volumen (Figura 3C] no se corresponden en todas las familias (nota de las respuestas opuestas en la familia K, pero no a otras familias). Asimismo ESV y EDV no muestran correspondencia coherente en su respuesta a la hipoxia. Estas familias, por lo tanto, claramente parece que la respuesta es compleja la creación de una amplia variación en la respuesta integrada cardíaca. Mientras que una familia responde a la hipoxia 3 veces con un aumento del gasto cardíaco, la otra disminuye cardíaco por una suma equivalente, y un tercer familiar se mantiene constante a través de ambientes (Figura 3D]. Es probable que exista una gran cantidad de variación genética en la plasticidad del gasto cardíaco. En este caso, sin embargo, la selección en la que debería ser la plasticidad limitada por la compleja interacción de los rasgos principales de gasto cardíaco. Esto se debe a que la selección no depende de un solo rasgo, sino en la variable de las interacciones entre rasgos [23, 25].

Si bien todos los rasgos de rendimiento cardíaco familia mostrar respuestas específicas para el medio ambiente, sólo la frecuencia cardiaca y la ESV mostró una tendencia significativa en la respuesta a la hipoxia (Tabla 3]. Cuando la frecuencia cardíaca respondió a la hipoxia estrés es coherente en la dirección de la disminución de la contracción de frecuencia (Figura 3A]. Aunque la taquicardia es la más común de respuesta a la hipoxia [16], bradicardia se ha documentado en el pescado en virtud de la hipoxia crónica de desarrollo [20]. La tendencia fue hacia la reducción de ESV en la hipoxia relativa a normoxia (Figura 3]. Esta tendencia es débil ensombrecido por la falta de una clara tendencia en el volumen de los accidentes cerebrovasculares (Figura 3] a la que contribuye.

La variación entre las familias en el funcionamiento cardiaco en el presente estudio puede ser el producto de las dos madres genéticas y efectos de confusión. Si bien la maternidad efectos en el desarrollo puede ser importante [4, 27], parece haber genéticamente predeterminados fisiológicas trayectorias que siguen los embriones en general [6, 9]. Este estudio no fue diseñado para distinguir entre estos dos factores. Efectos maternos son el producto de la maternidad genotipo y el medio ambiente. En este caso, un estricto control de los padres el medio ambiente hace que sea probable que la madre genética representan una gran proporción de cualquier materna efectos que se producen en este estudio. Genética, ya sea directamente oa través de la influencia genética materna, por lo tanto, son susceptibles de desempeñar un papel importante en el ámbito familiar variación documentados en este estudio.

Un hallazgo curioso es que, a pesar de tener el poder estadístico para detectar pequeñas diferencias en la familia RBC velocidad, el oxígeno medio ambiente no influyen en la velocidad de RBC ya sea en general o en una familia de forma específica (Tabla 2]. Habida cuenta de que la familia considerables ambientales específicos de respuesta del gasto cardíaco se produce, es sorprendente que en la primera los cambios correspondientes no se encuentran en la velocidad de RBC. Esto puede ser debido a un aumento de los diámetros arteriales (Tabla 1, Figura 1] que reducen la resistencia periférica a la circulación de la sangre. En este caso, esta relativamente pequeña modificación anatómica puede mejorar los efectos de los cambios en gasto cardíaco RBC caudales. Además, los pequeños aumentos de hematocrito, que no fue medido, podría aumentar la viscosidad de la sangre de glóbulos rojos también la reducción de la velocidad. Aumento de hematocrito en el desarrollo en respuesta a la hipoxia crónica se ha demostrado en el pez cebra [28]. Por último, la velocidad de los glóbulos rojos es también directamente proporcional a la presión arterial. Sin in vivo medición de la presión arterial, que sigue sin conocerse cómo se ve alterado por la presión ambiental, ya sea familiar o diferencias.

Conclusión

Familia de desarrollo específicos de las respuestas al entorno de oxígeno juegan un papel importante en el funcionamiento cardiaco en larvas de pez cebra. Variación genética en respuesta a la hipoxia de plástico pueden, por tanto, proporcionar el ingrediente básico para su adaptación a un entorno de oxígeno a través de la variable alterada cardíaco. La complejidad de las interacciones fisiológicas que creen que la variación genética puede, sin embargo, el lento ritmo al que la adaptación de plástico respuesta a la hipoxia debe ocurrir. Si bien integrado cardiovasculares respuesta a la hipoxia es la familia específica, de glóbulos rojos no se modificó la velocidad de desarrollo por medio del todo, y los cambios de diámetro arterial en respuesta a la hipoxia no eran específicos de la familia. Por lo tanto, es poco probable que estos rasgos se adaptativamente plástico elaborar una respuesta variable a los niveles de oxígeno.

Métodos
Animales

Pez cebra fueron escogidos para este estudio porque parejas reproductoras son fáciles de manipular, embrague tamaños son grandes, la fecundación es externa y el desarrollo que permite el desarrollo de la manipulación del medio ambiente y mediciones ópticas transparentes a través de la pared corporal se pueden hacer en todo el desarrollo temprano [29]. Adultos pez cebra (Danio rerio) se obtuvieron de la Ciencia Pisciculturas Inc (Huntington Beach, CA) y las poblaciones de tipo salvaje y largo fin de oro cepas se mantiene como la cría de las poblaciones utilizando los procedimientos estándar de la cría [30]. Un 14L: 10D ciclo de luz y 26 ± 0,5 ° C la temperatura del agua se mantuvo a lo largo del estudio.

Hombres y mujeres se emparejaron al azar dentro y entre las cepas para producir larvas. El apareamiento de pares fueron colocados en contenedores de 2 L provistos de una fuente de agua (Z-Mod sistema de la vivienda, Marina Biotech, Beverly, MA) para minimizar la variación en el entorno de la madre. Todas las larvas fueron utilizados a partir de la primera nidada de huevos producidos por una hembra. Al utilizar sólo el primer embrague para cada hembra, quitamos la variación inter-embrague, que de otro modo podría ser una fuente importante de embrague nivel de variación que se debe a la madre, no genético medio ambiente [4]. Se utiliza el término familia, o sibship para describir la relación entre la descendencia de un único conjunto de los padres, como es tradicional en la genética cuantitativa. Si el primer embrague produjo menos de 60 huevos, la sibship fue descartado y otro par de sus padres fue acompañada al azar. Después de un par producido un embrague ni los peces se utilizó para profundizar el apareamiento.

Desarrollo de tratamiento

Los huevos de cada nidada fueron eliminados antes de la fase de ocho células y de igual forma aleatoria y divididos en dos grupos. Un grupo fue colocado en normoxic agua (oxígeno disuelto> 6,0 mg O 2 l -1) y el otro grupo se colocó en el agua de hipoxia (oxígeno disuelto 1,0 ± 0,2 mg O 2 l -1). El sistema de la vivienda a los peces en ambos normoxic y condiciones de hipoxia se describe en Marcas et al. (2005). En pocas palabras, el sistema está formado por un sistema de cárter parcialmente dividido (volumen total de 1200 l) con O 2 despojado de la hipoxia lado del cárter por sparging con N 2 en 2 m columnas. Active la transferencia y la difusión permite el equilibrio de la calidad del agua entre los tratamientos. El nivel de oxígeno y la temperatura son controlados por un sistema de vigilancia de YSI 5200.

Mediciones
Estadísticas

El propósito de este estudio fue determinar si hay variación entre las familias de plástico en la respuesta del sistema cardiovascular de desarrollo a los niveles de oxígeno. ANalysis Of VAriance (ANOVA) utilizando el procedimiento de modelos lineales generales en el paquete de software SAS (SAS Institute, Cary, NC) se utilizó para probar que, de varios, de las fuentes de variación fueron importantes contribuyentes a la variación en el desarrollo cardiovascular. En estos análisis, la diferencia entre la familia significa que se han de indicar si la familia es una fuente importante de variación. Si el desarrollo de tratamiento de oxígeno (Medio Ambiente) es una importante fuente de variación, indica que existe una plasticidad a través de los medios. Exámenes importantes para la familia por la interacción Medio Ambiente (Familia × Medio Ambiente) permite la detección de diferencias en la respuesta de plástico entre las familias. En ausencia de los no genéticos efectos maternos este término estaría integrada por una parte del genotipo × Medio Ambiente término que representa la variación genética en la respuesta de plástico. Desde el examen de residuos de violaciónes ANOVA paramétrico de hipótesis no ha indicado la necesidad de transformaciones de los datos se realizó un análisis sobre los datos untransformed.

Contribuciones de los autores

MH participó en el diseño del estudio, los experimentos ejecutados, recopilar y organizar los datos y se elaboró un borrador del manuscrito. FBGM participado en el diseño del estudio, ayudado con su coordinación, el análisis estadístico realizado y hecho una contribución significativa a la vez la áspera y el proyecto final del manuscrito. BB concibe el estudio, participaron en su diseño y la coordinación y la ayudó en la redacción de la áspera y última copias del manuscrito. Manuscrito revisiones después de comentarios de revisión se completó principalmente por FBGM. Todos los autores leído y aprobado el manuscrito final. FBGM y BB diseñados y construidos los sistemas de control del entorno.

Agradecimientos

Queremos reconocer el apoyo financiero de la Universidad de Akron Departamento de Biología y una subvención al NIH R15 BB (R6722).