Biological invasions, pollution, and climate warming in Artemia: ecological and evolutionary responses

Tese de Doutoramento em Biociência, Ecologia, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.The present Thesis aims to increase our understanding of the interactions between biological invasions and pollution in hypersaline coastal ecosystems and the mechanisms involved in thermal adaptation using the genera Artemia as model system. Hypersaline ecosystems are widely distributed habitats that provide invaluable economic (e.g., salt and Artemia cysts production) and non-economic services (e.g., conservation of avifauna). From a research point of view, hypersaline ecosystems represent excellent natural laboratories to address a variety of ecological, physiological, and evolutionary questions due to their simple web structure and ecological gradients (e.g., salinity). Moreover, these environments are under increasing threat due to anthropogenic pressure providing suitable contexts to study the individual and combined response to global change. In Chapter I, I studied bioaccumulation of trace elements (As, Cd, Cu, Co, Cr, Mn, Ni, Pb and Zn) in native and invasive Artemia from hypersaline ecosystems in Southern Spain exposed to different sources of pollution. Overall, the invasive Artemia franciscana showed the highest potential to bioaccumulate trace elements, particularly As, compared to the native Artemia parthenogenetica. Given the importance of Artemia as food resource for many species of birds, the high bioaccumulation potential showed by A. franciscana represents an additional indirect impact that had not been previously recognised for the species. I also considered the effect of salinity on the bioaccumulation of trace elements by the different Artemia populations. I found that, generally, bioaccumulation of trace elements was the lowest at the highest salinity. For Odiel data, I also measured the bioaccumulation potential of trace elements from water and sediments by key primary consumers – A. parthenogenetica, Chironomus salinarius and Ochthebius notabilis – exposed to the same conditions of salinity and pollution. Overall, A. parthenogenetica and C. salinarius bioaccumulated the same elements from water and sediment, respectively. Moreover, O. notabilis showed the highest potential to bioaccumulate As and Cu, two of the elements of most concern in Odiel. This represents the most complete study on the bioaccumulation of trace elements in hypersaline ecosystems up to date. In Chapter II and III, I studied the role of pollution in the invasion of A. franciscana, providing some evidence to the “pollution resistance hypothesis” (Rodrigues et al., 2012) from an experimental perspective. First (Chapter II), I investigated the individual effect of acute toxicity of Hg and Zn on the survival of native and invasive Artemia populations from the Iberian Peninsula, collected from saltpans with different levels of Hg- and Zn- contamination. I found that native A. parthenogenetica from Cabo de Gata are extremely resistant to Hg pollution, which may be explained by the long-term history of Hg- contamination in that site (since ancient times). These results suggest that high levels of Hg may have played a key role in the persistence of this native Artemia population. However, no support was found to the “pollution resistance hypothesis” for the native population from Ria de Aveiro (Hg contamination of this complex derived from around 40 years of discharges from a chloralkali plant), which showed similar tolerance to Hg as the A. franciscana population from the same complex. Other factors may be limiting the invasion in this case. Regarding Zn, the pattern of acute sensitivity did not differ between Artemia species, suggesting that this element do not play an important role in the invasion process at that level. Second (Chapter III), I studied the effect of chronic toxicity to Zn on the life history and oxidative stress response of native and invasive Artemia species from saltpans with different levels of Zn contamination. Although no differences in tolerance to acute Zn exposure were detected between the populations tested (Chapter II), the results of long-term exposure strongly suggested that the native Artemia from Odiel is locally adapted (at both reproductive and physiological levels) to Zn contamination and that A. franciscana is highly sensitive. In Chapter IV, I investigated the role of genetic adaptation, epigenetic effects, developmental plasticity, and local microbiota on thermal adaptation. In the early 1980s, A. franciscana from San Francisco Bay, USA, was introduced in Vinh Chau, Vietnam, which represents a +10°C climate change. I used a resurrection ecology approach and compared the response of “ancestral” (from San Francisco) and “derived” populations (from Vinh Chau). I found that the “derived” population shows increased phenotypic tolerance to warming. Yet, strikingly, these changes were not genetic and were not caused by epigenetic marks set by adult parents exposed to heat stress. Further, I did not find any developmental plasticity in response to heat stress, nor any protective effect of heat-tolerant local microbiota. Thus, I concluded that the evolution of Artemia extreme thermal tolerance is only due to transgenerational (great) grandparental effects, possibly epigenetic marks set by parents who were exposed to high temperatures as juveniles.A presente Tese visa o estudo das respostas ecológicas e evolutivas de Artemia, um género-chave nos ecossistemas hipersalinos, a três principais determinantes das alterações globais: invasões biológicas, poluição e alterações climáticas. Os ecossistemas hipersalinos são habitats amplamente distribuídos que proporcionam serviços com valor económico (por exemplo, produção de sal e cistos de Artemia), e não-económico (por exemplo, conservação da avifauna), inestimável. Do ponto de vista da investigação, os ecossistemas hipersalinos representam excelentes laboratórios naturais para abordar uma variedade de questões ecológicas, fisiológicas e evolutivas, devido à sua rede estrutural e gradientes ecológicos (por exemplo, salinidade) simples. Além disso, estes ambientes estão sob ameaça crescente devido à pressão antropogénica, o que proporciona contextos adequados ao estudo das respostas individuais e combinadas às mudanças globais. No Capítulo I, estudei a bioacumulação de elementos-traço (As, Cd, Cu, Co, Cr, Mn, Ni, Pb e Zn) em Artemia nativa e invasora de ecossistemas hipersalinos do sul de Espanha expostos a diferentes fontes de poluição. De modo geral, a invasora Artemia franciscana mostrou o maior potencial para bioacumular os elementos-traço, e particularmente As, em comparação com a nativa Artemia parthenogenetica. Dada a importância de Artemia como recurso alimentar para muitas espécies de aves, o alto potencial bioacumulador de A. Franciscana representa um impacto indireto adicional que não tinha sido previamente reconhecido para esta espécie. Também considerei o efeito da salinidade na bioacumulação de elementos-traço pelas diferentes populações de Artemia. Descobri que, geralmente, a bioacumulação de elementos-traço era mais baixa na salinidade mais alta. Nos dados de Odiel, medi também o potencial de bioacumulação de elementos-traço a partir da água e dos sedimentos por consumidores primários principais – A. parthenogenetica, Chironomus salinarius e Ochthebius notabilis – expostos às mesmas condições de salinidade e poluição. De modo geral, A. parthenogenetica e C. salinarius bioacumularam os mesmos elementos da água e dos sedimentos, respetivamente. Além disso, O. notabilis mostrou o maior potencial para bioacumular As e Cu, dois dos elementos mais preocupantes em Odiel. Isto representa até à data o estudo mais completo sobre a bioacumulação de elementos-traço em ecossistemas hipersalinos. Nos Capítulos II e III, estudei o papel da poluição na invasão de A. franciscana, fornecendo algumas evidências da "hipótese de resistência à poluição" (Rodrigues et al., 2012). Primeiro (Capítulo II), investiguei o efeito individual da toxicidade aguda de Hg e Zn na sobrevivência das populações de Artemia nativas e invasoras da Península Ibérica, recolhidas a partir de salinas com diferentes níveis de contaminação por Hg e Zn. Descobri que a nativa A. parthenogenetica de Cabo de Gata é extremamente resistente à contaminação por Hg, o que pode ser explicado pela contaminação por Hg histórica naquele local. Estes resultados sugerem que altos níveis de Hg podem estar a desempenhar um papel fundamental na persistência desta população nativa de Artemia. No entanto, não foi encontrado qualquer apoio à "hipótese de resistência à poluição" para a população nativa da Ria de Aveiro (a contaminação por Hg deste complexo deriva das descargas de uma central de cloro-alcalinos), que apresentava tolerância ao Hg semelhante à população de A. franciscana do mesmo complexo. Neste caso, outros fatores podem estar a limitar a invasão. No que diz respeito ao Zn, o padrão de sensibilidade não diferiu entre as espécies de Artemia, sugerindo que este elemento não desempenha um papel importante no processo de invasão. Depois (Capítulo III), estudei o efeito da exposição a longo prazo ao Zn na história de vida e na resposta ao stress oxidativo das espécies de Artemia nativas e invasoras de salinas com diferentes níveis de contaminação por Zn. Contrariamente ao observado para a exposição aguda ao Zn (Capítulo II), os resultados da exposição a longo prazo sugeriram fortemente que a Artemia nativa de Odiel está adaptada localmente (em níveis reprodutivos e fisiológicos) à contaminação por Zn e que A. franciscana é altamente sensível. No Capítulo IV, investiguei o papel da adaptação genética, dos efeitos epigenéticos, da plasticidade do desenvolvimento e do microbioma local na adaptação térmica. No início da década de 1980, A. franciscana da Baía de São Francisco, EUA, foi introduzida em Vinh Chau, Vietname, o que representa uma mudança climática de +10°C. Usei uma abordagem de ecologia da ressurreição e comparei a resposta das populações “ancestrais” (de São Francisco) e "derivadas" (de Vinh Chau). Descobri que a população "derivada" mostra uma maior tolerância fenotípica ao aquecimento. No entanto, surpreendentemente, estas mudanças não foram genéticas e não foram consequência de marcas epigenéticas definidas por pais adultos expostos ao stress térmico. Além disso, não encontrei qualquer plasticidade de desenvolvimento em resposta ao stress térmico, nem qualquer efeito protetor da microbiota local tolerante ao calor. Assim, concluí que a evolução da tolerância térmica extrema da Artemia se deve apenas aos efeitos transgeracionais dos (bi) avós, possivelmente marcas epigenéticas definidas por progenitores que foram expostos a altas temperaturas enquanto juvenis