The effects of macronutrient composition of the larval diet on life history traits and pigmentation in Drosophila virilis

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014One of the main contributions for an animal’s life success is an optimal nutrition. Macronutrients, such as proteins and carbohydrates, are essential for organism development, determining for example, the size of the body and or reproductive capacity. Different animals use macronutrients differently. To achieve the necessary requirements, generalist species use a wide range of substrates, whereas specialist species are specialised in one type of substrate. In general, animals balance their food intake to achieve nutritional optima, referred as intake target. Uncovering an animal’s intake target requires solving the problem of balancing multiple and changing nutrient needs in a variable nutritional environment. To address this we can study the nutritional geometry framework of an animal. Foraging decisions can then be described within this nutrient space, however these decisions may bring consequences for the animals’ development. In this thesis, we measured the influence of unbalanced larval diets on life history traits, such as survival, developmental time, body size, ovariole number and pupal case pigmentation. We also addressed this by analysing the consequences on foraging behaviour. We found that Drosophila virilis maximises life history traits at a high protein to carbohydrate ratio and pupal pigmentation changes by increasing the content of protein on larval diet. However, larvae do not regulate their intake to maximise any trait responses. Since intake target changes over developmental time and evolutionary time, we expected to see differences between generalists and specialists species. We used our previous data from Drosophila melanogaster, a generalist species, to compare with the results from this thesis. We saw differences, whereas D. virilis seem to be more tolerant to high proteins than D. melanogaster but less tolerant to high carbohydrates content. Depending on their feeding strategies, species will always differ in nutritional requirements and foraging strategies in unbalance nutritional environments.A qualidade nutricional da comida é essencial ao desenvolvimento dos organismos. Sabemos que os macronutrientes, entre eles as proteínas e os hidratos de carbono, são importantes para formação e manutenção de tecidos ou fornece uma das principais fontes de energia aos processos metabólicos, respectivamente. A alimentação é o único meio pelo qual os organismos conseguem adquirir os nutrientes de que necessitam, sendo que as suas necessidades não são sempre as mesmas. Dependendo da espécie, cada nutriente é necessário em quantidades distintas, assim como a relação entre nutrientes é variável. Os animais regulam e tomam decisões relativamente à comida ingerida. Estratégias de comportamento relativas à alimentação foram desenvolvidas consoante as necessidades de cada espécie. Dois grupos podem ser definidos, relativamente a estas estratégias: espécies generalistas, que são espécies que usam uma gama variada de substratos para satisfazer as suas necessidades nutricionais; e espécies especialistas que satisfazem as suas necessidades nutricionais utilizando um número muito restrito de substratos. Os substratos sofrem alterações nutricionais ao longo do tempo. Embora o ambiente seja responsável por parte dessas alterações, microrganismos desempenham um papel fundamental e, por isso, nem sempre existe um substrato com a composição nutricional ideal que se mantenha por muito tempo. Devido ao carácter nutricional instável de cada substrato, os animais ponderam quais as escolhas possíveis de forma a atingir os valores nutricionais ótimos para o seu desenvolvimento, que se define como alvo nutricional. O alvo nutricional pode ser encontrado usando o método desenvolvido por Steve J. Simpson e David Raubenheimer em 1990, o modelo de geometria nutricional. Este método permite criar um espaço nutricional com base num gradiente de concentrações de dois nutrientes e avaliar as decisões dos animais nesse espaço. Este método permite-nos descrever como os animais se comportam em três cenários diferentes. Primeiro, têm à sua disposição uma dieta equilibrada, e comem até atingirem os níveis nutricionais ótimos. Segundo, podem ter à disposição duas dietas, ambas desequilibradas, o que resulta numa ingestão alternada de ambas as dietas para que se possa atingir os níveis nutricionais ideias. Terceiro, apenas está disponível uma única dieta, que é desequilibrada. Neste caso, existem duas decisões possíveis para que os animais atingirem os níveis ótimos. Uma alternativa é que um dos nutrientes se revela mais importante, e a quantidade ingerida é regulada de forma e atingir os níveis ótimos apenas para essa nutriente, ingerindo o segundo em excesso ou em défice. A outra alternativa é a ingestão de níveis intermédios para ambos os nutrientes. Para descobrir o alvo nutricional é necessário explorar como é que os animais tomam estas decisões, como é que preenchem as suas necessidades nutricionais num ambiente nutricionalmente variável. Este método já deu provas do seu potencial, desde de mamíferos, como humanos e ratos, a invertebrados, como gafanhotos, escaravelhos, aranhas e moscas, onde foi verificado que todos estes animais regulam a ingestão de nutrientes (Simpson and Raubenheimer, 2005; Mayntx et al., 2005). O mesmo alvo nutricional pode não ser mantido ao longo da vida do animal, sofrendo mudanças dependendo da espécie. No entanto, também se altera consoante o estado fisiológico e estadio do ciclo de vida. Por exemplo, quando a mosca da fruta, Ceratitis capitata está perto da metamorfose, o seu alvo nutricional deixa de ser maioritariamente proteico e passa a conter alto teor de hidratos de carbono, que irão providenciar energia para a fase que precede a metamorfose (Zucoloto, 1987). O alvo nutricional também se altera quando as fêmeas de Drosophila melanogaster acasalam (Ribeiro and Dickson, 2010). Após acasalarem, a produção de ovos é estimulada e as fêmeas passam a consumir uma dieta mais rica em proteínas do que as que ainda são virgens. O consumo de dietas proteínas em gafanhotos é alterado para um menor consumo de proteína quando deixa de haver crescimento de tecidos (Raubenheimer and Simpson 1999). As espécies generalistas e as especialistas podem ter o mesmo alvo nutricional mas desenvolveram diferentes estratégias para o atingir. As suas necessidades nutricionais podem ser diferentes, como é o caso da Schistocerca gergaria, uma espécie generalistas, que mostra maior tolerância a elevados níveis de proteína do que a espécie especialista, Locusta migratoria (Raubenheimer and Simpson, 2003). A mesma situação foi encontrada em espécies de Lepidoptera generalistas e especialistas (Lee et al., 2002 and 2003). Nesta tese, decidimos primeiro avaliar com este método como as características que têm um papel na fitness dos animais é afetada pelos macronutrientes, proteínas e hidratos de carbono, na espécie especialista, Drosophila virilis. Esta espécie tem como principal fonte de alimento a seiva das árvores. Por fim, comparamos a resposta de uma espécie generalista (D. melanogaster), descrita anteriormente e da espécie especialista (D. virilis) descrita nesta tese. As características avaliadas são conhecidas por serem influenciadas por diferentes ambientes nutricionais. O tempo de desenvolvimento da fase larval é afectado pela nutrição, tal como a sobrevivência. Também estudámos a influência de dietas desequilibradas no tamanho do corpo de adulto, pesando as pupas antes do adulto emergir. Observámos que quanto mais pobre em proteína é a dieta mais pequenos são os indivíduos. O número de filamentos que constituem os ovários, chamados de ovaríolos, está diretamente relacionado com o número de ovos que uma fêmea irá pôr, ao longo da vida, e varia com a qualidade da dieta. Sendo Drosophila um organismo holometábolo, ou seja, sofre uma total metamorfose antes da fase adulta. Uma vez que é nesta fase que todos os tecidos e órgão se preparam para dar origem às estruturas e órgãos do adulto, todas as características descritas neste estudo são analisadas na fase larval. Depois da metamorfose os indivíduos param o seu crescimento, ou seja o tamanho do adulto é definido na fase de larva. Também o número de ovaríolos é determinado na fase de larva. Para conseguirmos desvendar a influência dos macronutrientes, fornecemos aos indivíduos, várias dietas que diferiam entre si pelo rácio entre proteínas e hidratos de carbono (rácio P:C) e também no seu teor calórico. Com o nosso espaço nutricional definido, analisámos quando indivíduos formaram pupa, quando tempo demoraram até formarem pupa, qual o seu peso antes do adulto emergir e o no caso das fêmeas quantos ovaríolos têm em ambos os ovários. Os nossos resultados mostraram que é nas dietas com um rácio entre proteínas e hidratos de carbono elevado que os indivíduos maximizaram a sua sobrevivência, tamanho do corpo e número de ovaríolos, e minimizam o tempo de desenvolvimento. Enquanto que no caso de D. melanogaster, as diferentes características foram maximizadas por diferentes dietas. Decidimos em seguida analisar o como as larvas de D. virilis reagem quando confrontadas com um ambiente de duas dietas desequilibradas. Que decisões irão tomar? Esta parte do processo baseou-se em analisarmos o comportamentos tanto das larvas como das fêmeas adultas. No caso das larvas, analisámos as decisões que estes indivíduos tomaram para satisfazerem os seus requisitos nutricionais. O nosso procedimento passou por usar larvas no terceiro estádio larvar e dar-lhes duas opções de dietas. Verificámos que, de facto, as larvas regulam a quantidade de ambas as dietas ingeridas de modo a alcançar valores específicos de proteína e hidratos de carbono, no entanto estes não correspondem aos valores que optimizam as características acima referidas. Quando comparado com os dados de D. Melanogaster, as larvas regularam a ingestão dos nutrientes de forma a minimizar o tempo de desenvolvimento. Relativamente ás fêmeas adultas, analisámos tanto o seu comportamento de alimentação, como na escolha de local para oviposição. Quando as fêmeas chegaram ao pico de fertilidade, fornecíamos a machos e fêmeas três dietas nutricionalmente desequilibradas. Fizemos contagem de quantas fêmeas comeram de cada dieta e do número de ovos postos em cada dieta. Os nosso resultados mostraram que as fêmeas não fizeram nenhuma escolha sobre qual das dietas ingerir. Adicionalmente, não encontramos nenhuma escolha de preferência para pôr os ovos. O oposto tinha sido visto em D. melanogaster, onde as fêmeas fizeram escolhas sob qual a dieta a ingerir, elevado teor de proteína, e em qual colocar os ovos, elevado teor de hidratos de carbono. Durante o protocolo do modelo de geometria nutricional, deparamo-nos com diferenças na pigmentação dos casulos de pupa. Fizemos, então, novamente este protocolo, de forma a quantificar as diferenças de pigmentação de acordo com as diferentes dietas. As larvas desenvolveram-se nas mesmas dietas usadas anteriormente, e após o adulto emergir as pupas vazia eram retiradas e fotografadas. Utilizando Mathematica, calculámos um valor RGB da coloração de cada pupa. Os nossos resultados mostram um gradiente de pigmentação que varia com a quantidade de proteína na dieta. Quanto mais proteína, mais escuras são as pupas. Podemos assim concluir que os macronutrientes, de facto, influenciam tanto o desenvolvimento dos animais como o seu comportamento. Também podemos observar que os macronutrientes afetam de forma variada cada espécie