Canadian Society of Zoologists 2020
Assemblée Générale Ordinaire de la Société Canadienne de
Zoologie 2020
Abstract Book/Livre Abstrait Candidates for/Candidats pour
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President’s Award
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We gratefully acknowledge the
for sponsorship of these
awards
TITLE: How to survive in LN
2: investigating extreme freeze tolerance mechanisms in the malt fly
AUTHORS: Des Marteaux, Lauren E., Hůla, P., Štětina, T., and Koštál, V.
Despite a robust and expanding literature on insect chill and freeze tolerance, our understanding about the nature of cryoinjury is incomplete, and few if any studies address extreme freeze tolerance: the ability to survive deep cryopreservation. The malt fly (Chymomyza costata) is one of the only animals capable of this physiological feat; active larvae reared in summer-like conditions are weakly freeze tolerant, while diapausing, cold-acclimated larvae survive for months at -196°C in LN
2, and nearly half go on to complete development and emerge as adults after rewarming. We first used comparative transcriptomics to generate mechanistic hypothesis about genes and processes involved in malt fly extreme freeze tolerance. Enhanced capacity for protein folding, re-folding, and processing appear to be important, and may allow malt flies to repair or eliminate proteins damaged by freezing, thus mitigating endoplasmic reticulum stress, apoptosis, and subsequent death. We then used immunohistochemistry and confocal microscopy to visualize structural proteins (F-actin and α-tubulin) in three malt fly tissues following sublethal or lethal freezing challenges (from chilling at −5°C to extreme freezing a
−196°C), and after recovery (2,700 images in total). Fat body appeared to be the most susceptible tissue to cryoinjury: freezing caused coalescence of lipid droplets and loss of α-tubulin structure, and apparent aggregation of F-actin. Diapausing, cold-acclimated larvae avoided these structural injuries to lower temperatures, further strengthening the idea that protein processing underlies acquired freeze tolerance. However, although larvae that recover from a freezing challenge repair or remove aggregated F-actin, they did not repair lipid droplet coalescence/α-tubulin structure (even after three weeks), thus this pronounced ‘cryoinjury’ appears not to be injurious at all!
TITRE: La survie en azote liquide: recherche sur les mécanismes de tolérance extrême au gel chez la mouche Chymomyza costata.
AUTEURS: Des Marteaux, Lauren E., Hůla, P., Štětina, T., and Koštál, V.
En dépit d’un corps croissant de robuste littérature sur la tolérance au froid et au gel, notre compréhension de la nature du cryo-dommage demeure incomplète. On a à peine étudié la tolérance extrême au gel, c’est-à-dire, la capacite de survivre la cryopréservation. La mouche Chymomyza costata fait partie d’un minuscule groupe d’animaux capable de cette prouesse.
Alors que les larves élevées dans des conditions estivales n’offrent qu’une faible tolérance au gel,
les larves en diapause acclimatées au froid survivent pendant des mois a -196°C en azote liquide
et presque la moitié atteignent l’âge adulte après réchauffement. Pour débuter, nous avons
utilisé la transcriptomique comparée pour formuler une hypothèse quant aux gènes et aux
processus impliqués dans la tolérance extrême au froid chez ces mouches. La capacité de
repliement et de maturation des protéines semble être d’importance, permettant aux mouches
de réparer ou d’éliminer les protéines endommagées par le gel, ce qui leur permet d’atténuer le
stress au réticulum endoplasmique, l’apoptose et la mortalité conséquente. Nous avons ensuite
utilisé l’immunochimie et la microscopie confocale pour visualiser les protéines structurales
(actine F et α-tubuline) dans trois tissus après avoir soumis les mouches a des traitements sub-
létaux ou létaux (refroidissement a -5°C jusqu’au gel extrême a -196°C) et après le rétablissement
(2,700 images en tout). Le corps adipeux semble être le tissu le plus susceptible au cryo-
dommage. Le gel a engendré une coalescence des gouttelettes lipidiques, une perte de structure
de l’α-tubuline et une agrégation de l’actine F. Les larves en diapause acclimatées au froid évitent
ces dommages structuraux, ce qui nous permet de soutenir que la maturation des protéines est
responsable pour la tolérance au froid. Bien que les larves qui se remettent d’un gel profond
réparent ou éliminent les agrégats d’actine F, elles ne réparent pas la coalescence des
gouttelettes lipidiques ou la structure de l’α-tubuline, même après trois semaines, ce qui indique
que ces formes de cryo-dommage semblerait n’être aucunement néfastes.
Challenging the hallmarks of insect diapause: A case study in Rhagoletis pomonella
Toxopeus, J.1, Dowle, E.J.2, Ragland, G.J.1
1Integrative Biology, University of Colorado Denver, Denver, United States of America
2Department of Anatomy, University of Otago, Dunedin, New Zealand
Most temperate insects overwinter in diapause, a dormant state characterized by developmental arrest, metabolic rate suppression, and enhanced stress tolerance. These three ‘hallmarks’ of diapause are thought to address several of the challenges associated with living in a temperate climate. However, there is considerable variability in the diapause phenotype across insect species, and these ‘hallmarks’
may not be universal. We tested whether the apple maggot fly Rhagoletis pomonella conformed to these hallmarks by examining: 1) cold tolerance (stress tolerance) of diapause and non-diapause pupae;
2) metabolic rates of diapause and non-diapause pupae during chilling; 3) the effect of low temperature on diapause duration. For all experiments, we used pupae from field-collected host fruits, transferred to 4 °C after 10 days in the lab at room temperature. Unlike many species, non-diapause and diapause R.
pomonella pupae exhibited similar cold tolerance. Both groups froze at a similar temperature and >80 % of non-diapause and diapause pupae cooled (not frozen) to -18 °C for short time periods survived. As expected, diapause pupae suppressed their metabolic rate relative to non-diapause pupae at warm (25 °C) and cold (4 °C) temperatures. However, non-diapause pupae were able to flexibly achieve metabolic suppression approaching that of diapause pupae after several weeks at 4 °C. Finally, diapause development of R. pomonella partially conformed to the standard chilling threshold or chilling acceleration model: low temperatures were required for most pupae to complete diapause.
Following c. 100 d of chilling, however, diapause development actually progressed faster at warm than cold temperatures, suggesting flexibility in the diapause developmental program. These results challenge the classic ‘hallmarks’ of diapause, and suggest that there may be multiple developmental and physiological adjustments to facilitate overwintering.
Défier les caractéristiques de la diapause: Une étude de cas sur Rhagoletis pomonella
Toxopeus, J.1, Dowle, E.J.2, Ragland, G.J.1
1Integrative Biology, University of Colorado Denver, Denver, United States of America
2Department of Anatomy, University of Otago, Dunedin, New Zealand
La plupart des insectes tempérés passent l'hiver en diapause, un état dormant caractérisé par un arrêt du développement, une suppression du métabolisme et une meilleure tolérance au stress. Ces trois
«caractéristiques» de la diapause sont censées relever plusieurs des défis associés à la vie dans un climat tempéré. Cependant, il existe une variabilité considérable du phénotype de la diapause entre les espèces d’insectes, et ces «caractéristiques» peuvent ne pas être universelles. Nous avons vérifié si la mouche de la pomme Rhagoletis pomonella était conforme à ces caractéristiques en examinant: 1) la
tolérance au froid (tolérance au stress) des pupes diapause et non diapause; 2) les taux métaboliques des pupes diapause et non diapause pendant le refroidissement; 3) l'effet de la basse température sur la durée de la diapause. Pour toutes les expériences, nous avons utilisé des pupes de fruits hôtes récoltés sur le terrain, transférées à 4 ° C après 10 jours en laboratoire à température ambiante. Contrairement à de nombreuses espèces, les pupes non diapause et diapause R. pomonella ont présenté une tolérance au froid similaire. Les deux groupes ont gelé à une température similaire et > 80% des pupes non diapause et diapause refroidies (non congelées) à -18 ° C pendant de courtes périodes ont survécu. Comme prévu, les pupes de diapause ont supprimé leur taux métabolique par rapport aux pupes non diapause à des températures chaudes (25 ° C) et froides (4 ° C). Cependant, les pupes non diapausées ont pu atteindre une suppression métabolique flexible approchant celle des pupes diapause après plusieurs semaines à 4 ° C. Enfin, le développement de la diapause de R. pomonella était partiellement conforme au seuil de refroidissement standard ou au modèle d'accélération de refroidissement: des températures basses étaient nécessaires pour que la plupart des pupes terminent la diapause. Après c. 100 jours de refroidissement, cependant, le développement de la diapause a progressé plus rapidement à des températures chaudes que froides, ce qui suggère une flexibilité dans le programme de développement de la diapause. Ces résultats remettent en question les «caractéristiques» classiques de la diapause et suggèrent qu'il peut y avoir de multiples ajustements développementaux et physiologiques pour faciliter l'hivernage.
Functional evidence for a novel K
+-dependent Na
+uptake mechanism during low pH exposure in adult zebrafish (Danio rerio).
Alexander M. Clifford1,2*, Greg G. Goss3, Martin Tresguerres2, Chris M. Wood1
1Department of Zoology – University of British Columbia; 2Scripps Institution of Oceanography – University of California San Diego, 3Biological Sciences Department - University of Alberta.
Freshwater fishes are thought to take up sodium from their dilute environment through one or several of the following branchial mechanisms: i) apical Na
+/H
+Exchangers (NHEs) in combination with Rhesus glycoproteins, ii) apical Na
+channels or acid-sensing ion channels (ASIC) electrogenically coupled to apical proton excretion via V-H
+-ATPase, and iii) coupled uptake with Cl
–via Na
+/Cl
–co-transporters (NCC). NHE-mediated uptake is the dominant Na
+uptake mechanism in most freshwater fishes. While low pH exposure should theoretically inhibit NHE, studies report stimulations of unidirectional Na
+uptake (J
Nain) in zebrafish (Danio rerio) following
>2h acid exposure, which are insensitive to NHE blockers and are instead hypothesized to occur via NCC. We found that low pH exposure caused an initial ~70% decrease in J
Nain,that gradually recovered to control levels after 8-10h. However, we found no evidence for the involvement of NCC, as the restored J
Nainwas unaffected by Cl
–-free water. Pharmacological inhibition targeting NHEs, ASICs, and NCCs failed to inhibit the restored J
Nain. Fundamental principles of transepithelial ion transport dictate that active uptake of Na
+must be driven by favourable electrochemical gradients.
Examination of water chemistry in relation to gill ionocyte intracellular ion composition revealed a strong net outwardly directed concentration gradients up to a 30,000-fold for K
+. Thus, we hypothesized that resumption of J
Nainduring acid exposure may be linked to K
+efflux. We found that J
Koutincreased ~4-fold in response to 8h acid exposure, which directly correlated with simultaneous increases in J
Nain. Furthermore, the restored J
Nainwas inhibitable by elevated environmental K
+in a concentration dependent manner only during acid exposure, providing strong support for a K
+-dependent Na
+uptake mechanism. One transporter family which could mediate this exchange is the putative Na
+/Ca
2+/K
+Exchanger (NKCX; SLC24) family. We confirmed by RT- PCR the presence of several slc24a transcripts in the zebrafish gill and demonstrated significant changes in expression in several isoforms in response to acid exposure.
Our data provides strong functional evidence for a novel acid-inducible K
+-dependent Na
+-uptake
mechanism in zebrafish. This novel mechanism opens up new avenues of research on the
comparative, evolutionary, and environmental physiology of Na
+uptake.
Évidence fonctionnelle d'un nouveau mécanisme d'absorption de Na
+dépendant de K
+pendant l’exposition au pH bas par le poisson-zèbre adulte (Danio rerio).
Alexander M. Clifford1,2*, Greg G. Goss3, Martin Tresguerres2, Chris M. Wood1
1Department of Zoology – University of British Columbia; 2Scripps Institution of Oceanography – University of California San Diego, 3Biological Sciences Department - University of Alberta.
Les poissons d'eau douce sont supposés absorber sodium de leur milieu dilué à travers une ou plusieurs de la suivantes mécanismes branchiaux: i) apical Na
+/H
+Echangeurs (NHE), en combinaison avec la glycoprotéine Rhésus, ii) apical Na
+canaux ou ion canaux de détection d’acide (ASIC) couplé électrogéniquement à l'excrétion du proton apical via VH
+-ATPase, et iii) absorption co-augmentée avec Cl
-via Na
+/Cl
-co-transporteurs (NCC). L'absorption par le NHE est le mécanisme d'absorption dominant de Na
+dans la plupart des poissons d'eau douce. Bien qu'une exposition à un pH bas devrait théoriquement inhiber le NHE, des études rapportent des stimulations de l’absorption unidirectionnelle de Na
+(J
Na in) dans le poisson-zèbre (Danio rerio) après une exposition à l'acide > 2h, qui sont insensibles aux bloqueurs de NHE et sont plutôt supposées se produire via NCC. Nous avons constaté que l'exposition du pH bas a provoqué une initiale ~ 70% diminution de J
Nain ,et il a progressivement récupéré à des niveaux de contrôle après 8- 10h. Cependant, nous n’avons trouvé aucune évidence de l'implication de la NCC, parce que le J
Nainrestauré n’a pas été affectée par eau sans Cl
-. L'inhibition pharmacologique dirigée à NHE, ASICs et NCC n’ont pas été d’un effet sur la restauration J
Nain. Les principes fondamentaux du transport transépithélial des ions stipulent que l'absorption active de Na
+doit se produire avec le mouvement gradient électrochimique. L'examen de la chimie de l'eau en relation avec la composition d’ion intracellulaire des ionocytes branchiaux a révélé des gradients forts de concentration nets dirigés vers l'extérieur d'environ jusqu'à un 30 000 fois pour K
+. Donc, nous avons proposé que la reprise de J
Naincours de l’exposition acide peut être lié à K
+efflux. Nous avons constaté que J
Koutétait multiplié 4-fois en réponse à une exposition à l'acide de 8h, ce qui était en corrélation directement augmentations simultané avec J
Nain. De plus, le J
Nainrestauré était inhibée par K
+environnementale élevée d'une manière dépendante de la concentration lors d’une exposition à l’acide, en fournissant un appui solide pour un K
+-dépendant mécanisme de Na
+absorption. Une famille des transporteurs qui pourrait servir d'intermédiaire pour cet échange est l’échangeur putatif famille des Na
+/Ca
2+/K
+(NKCX; SLC24). Nous avons confirmé par RT- PCR la présence de plusieurs transcrits slc24a dans les branchies du poisson-zèbre et démontré des changements significatifs dans l'expression dans plusieurs isoformes en réponse à une exposition à l'acide. Nos données fournissent de solides évidences fonctionnelles pour un nouveau K
+-dépendant mécanisme de Na
+absorption dans les poissons-zèbre. Ce nouveau mécanisme ouvre des nouveaux domaines de recherche sur la physiologie comparative, évolutive et environnementale de l'absorption de Na
+.
Ground squirrels recycle urea-nitrogen during hibernation through gut microbial symbiosis
Regan, M.D1; Chiang, E.2; Verdoorn, K.1; Gugel, S.1; Tonelli, M.3; Suen, G.2; Assadi-Porter, F. M.4; Carey, H. V1.
1 Comparative Biosciences, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI
2 Microbial Sciences, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI
3 NMR Facility at Madison, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI
4 Integrative Biology, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI
Near the end of the hibernation season, muscle volume and protein synthesis rates in the 13-lined ground squirrel rise despite months-long fasting and no dietary nitrogen. A possible nitrogen source could be from urea nitrogen salvage (UNS), a nitrogen recycling process mediated by the ureolytic activity of the squirrel’s gut microbes. We hypothesized that UNS contributes to tissue protein fraction during the hibernation season and tested this by comparing various UNS processes in summer, early hibernation (1 month), and late hibernation (>3 months) ground squirrels with intact and depleted gut microbiomes. Data collected thus far indicate that urea transporter expression in cecal tissue is 3-fold greater in late winter than in summer squirrels, suggesting a greater urea-cecum transport capacity in winter. In vivo microbial ureolytic activity measurements using cavity ring-down spectroscopy on squirrels I.P.-injected with 13C,15N-labeled urea confirm ground squirrels possess ureolytic gut microbes, because breath 13C are significantly lower in squirrels with antibiotic-depleted microbiomes. Isotope ratio mass
spectrometry results indicate that urea-nitrogen is incorporated into the squirrel’s liver and muscle protein fractions, and that this increases throughout the hibernation season. Early metabolomics results indicate that bacterial ureolysis provides the squirrels with an array of metabolites enriched with urea-derived nitrogen and carbon. Together, these results provide the first evidence that hibernators use UNS to recycle urea nitrogen throughout the hibernation season when they lack a dietary nitrogen source. This mechanism may help facilitate hibernators’ known resistance to muscle atrophy, thereby preserving muscle function for the reproductive season that immediately follows spring emergence. Because the microbes benefit from this mechanism too, UNS represents a true host-microbe symbiosis, one that provides both the hibernating host and its gut microbes with nitrogen at a time when both lack an
exogenous source of this important molecular building block.
Les écureuils terrestres recyclent l'azote de l'urée pendant l'hibernation grâce à la symbiose microbienne intestinale
Regan, M.D1; Chiang, E.2; Verdoorn, K.1; Gugel, S.1; Tonelli, M.3; Suen, G.2; Assadi-Porter, F. M.4; Carey, H. V1.
1 Comparative Biosciences, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI
2 Microbial Sciences, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI
3 NMR Facility at Madison, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI
4 Integrative Biology, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI
Vers la fin de la saison d'hibernation, le volume musculaire et les taux de synthèse des protéines chez l'écureuil terrestre à 13 lignées augmentent malgré un jeûne de plusieurs mois et sans azote alimentaire. Une source possible d'azote pourrait provenir de la récupération d'azote uréique (UNS), un processus de recyclage de l'azote induit par l'activité uréolytique des microbes intestinaux de l'écureuil. Nous avons émis l'hypothèse que l'UNS contribue à la fraction des protéines tissulaires pendant la saison d'hibernation et nous avons testé en comparant divers processus d'UNS en été, hibernation précoce (1 mois) et hibernation tardive (> 3 mois) chez des écureuils terrestres dont les microbiomes intestinaux étaient indemnes et diminués. Les données recueillies jusqu'à présent indiquent que l'expression du transporteur d'urée dans le tissu caecal est 3 fois plus élevée à la fin de l'hiver que chez les écureuils d'été, ce qui suggère une plus grande capacité de transport de l'urée et du caecum en hiver. Les mesures de l'activité uréolytique microbienne in vivo en utilisant la spectroscopie à annulation de cavité sur des écureuils injectés par voie intraveineuse avec de l'urée marquée au 13C, 15N confirment que les écureuils terrestres possèdent des microbes intestinaux uréolytiques, car le souffle 13C est significativement plus faible dans les écureuils avec des microbiomes appauvris en antibiotiques. Les résultats de la spectrométrie de masse à rapport isotopique indiquent que l'azote d'urée est incorporée dans les fractions protéiques hépatiques et musculaires de l'écureuil, et que cela augmente tout au long de la saison d'hibernation. Les premiers résultats de la métabolomique indiquent que l'urolyse
bactérienne fournit aux écureuils un éventail de métabolites enrichis en azote et en carbone dérivés de l'urée.
Ensemble, ces résultats fournissent la première preuve que les hibernateurs utilisent l'UNS pour recycler l'azote uréique tout au long de la saison d'hibernation lorsqu'ils n'ont pas de source d'azote alimentaire. Ce mécanisme peut aider à faciliter la résistance connue des hibernateurs à l'atrophie musculaire, préservant ainsi la fonction musculaire pour la saison de reproduction qui suit immédiatement l'émergence du printemps. Parce que les microbes bénéficient également de ce mécanisme, l'UNS représente une véritable symbiose entre l'hôte et le microbe, qui fournit à la fois l'hôte hibernant et ses microbes intestinaux avec de l'azote à un moment où les deux manquent d'une source exogène de cet élément constitutif moléculaire important.
Gene conversion and introgressive hybridization underlie adaptive hemoglobin function in high-altitude Tibetan canids.
La conversion des gènes et l'hybridation introgressive sous-tendent la fonction adaptative de l'hémoglobine chez les canidés tibétains de haute altitude.
Anthony V. Signore1, Ying-Zhong Yang2, Quan-Yu Yang2, Ga Qin2, Hideaki Moriyama1, Ri-Li Ge2*, Jay F. Storz1*
1School of Biological Sciences, University of Nebraska, Lincoln, NE, 68588
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