Phenotypic plasticity in the Daphnia model organism: gene expression and maternal control in the adaptation to environmental perturbations

La plasticità fenotipica è definita come l’abilità di un genotipo di esprimere diversi fenotipi in risposta all’ambiente. Il principale obiettivo di questa tesi è stato quello di valutare i processi molecolari e gli effetti del controllo epigenetico, espressione genica e regolazione ormonale alla base della plasticità fenotipica negli organismi modello. Il microcrostaceo Daphnia è un organismo modello in campo ecologico, ecotossicologico ed evolutivo grazie al suo genoma eco-responsivo. Queste caratteristiche permettono di utilizzarlo negli ambiti di ricerca dell’epigenetica, del trascrittoma e del microbioma. Nella presente tesi, procedure di laboratorio (RT-qPCR, Mi-seq, GWAS, RNA-seq) sono state applicate per comprendere i percorsi molecolari alla base delle risposte fenotipiche, in diversi cloni di due specie appartenenti al genere Daphnia: D. pulex e D. magna. Esperimenti preliminari, in cui sono state valutate le differenze in termini di risposte fenotipiche (fecondità, produzione di maschi ed efippi, difese morfologiche), sono stati in grado di valutare le differenze tra i diversi cloni. La plasticità transgenerazionale si ha quando le risposte materne agli stimoli ambientali causano cambiamenti nel fenotipo della progenie senza cambiamenti nel genoma: questo fenomeno è stato valutato in diversi cloni di Daphnia. Dopo l’esposizione all’ormone giovanile methyl farnesoate (MF), la RT-qPCR è stata utilizzata per valutare i cambiamenti nell’espressione dei geni coinvolti nella regolazione ormonale e nel controllo epigenetico in tre cloni di D. pulex. Dopo esposizione all’erbicida Roundup e al suo principio attivo glifosato, l’RNA-seq è stato utilizzato per valutare le risposte dell’intero trascrittoma e per determinare specifici networks molecolari nei cloni di D. magna. Inoltre, considerando le risposte degli organismi, l’RNA-seq è stato utile per valutare il possibile ruolo del microbioma. Infine, un approccio basato sulla RT-qPCR è stato utilizzato per comprendere l’effetto di ormoni e interferenti endocrini che possono essere rilevati nelle acque superficiali. Sia le differenze genetiche tra cloni, che i fattori epigenetici (effetto materno attraverso la segnalazione ormonale, metilazione del DNA e microbioma) potrebbero essere coinvolti nella modulazione della plasticità fenotipica e transgenerazionale. I cloni di Daphnia hanno risposto con specifici pathways molecolari per far fronte agli stress ambientali e sono state osservate delle differenze nell’attività trascrizionale in seguito all’esposizione degli organismi a glifosato e Roundup. Inoltre, sono state osservate differenze nell’espressione genica dei cloni di D. pulex esposti all’ormone giovanile.

Phenotypic plasticity is the ability of a genotype to express different phenotypes as a function of the environment. The main aim of this thesis was to evaluate the molecular fundamentals and the implications of epigenetic control, gene expression and hormonal regulation underlying phenotypic plasticity in model organisms. The microcrustacean Daphnia is a model species in ecological, toxicological and evolutionary fields due to its eco-responsive genome, that makes it possible to use this organism in epigenetic, transcriptome and microbiome research as well. In this thesis, laboratory procedures (RT-qPCR, Mi-seq, GWAS, RNA-seq) were applied to understand the molecular pathways involved in phenotypic responses in different clones of two Daphnia species: D. pulex and D. magna. Preliminary experiments, in which differences in plastic life history traits (e.g. fecundity, the production of males and ephippia, morphological defences) were tested, allowed to discriminate among different clones of D. pulex and D. magna. Transgenerational plasticity occurs when the maternal response to the environment causes a change in the phenotype of the offspring without a corresponding change in the genome: this factor was evaluated in different Daphnia clones. After exposure to the juvenile hormone Methyl Farnesoate (MF), RT-qPCR was used to detect changes in the expression of genes involved in hormonal regulation and epigenetic control in D. pulex clones. After exposure to glyphosate and Roundup, RNA-seq was applied to assess the response of the whole transcriptome and to detect specific co-expression patterns among D. magna clones. RNA-seq was also helpful to evaluate the role of the microbiome considering the reaction of the organisms. In the end, an approach based on RT-qPCR was applied for the screening of the hormonal activities of chemicals and endocrine disruptors in the surficial waters. Both genetic differences among clones and epigenetic factors (maternal effect via hormonal signals, DNA methylation and microbiome) are involved in the modulation of phenotypic plasticity and transgenerational plasticity. Different clones used distinct molecular pathways to cope with environmental changes: in D. magna clones, divergences were observed in transcriptomics pathways when exposed to glyphosate and Roundup. Differences in the role of epigenetic control and hormonal regulation in phenotypic plasticity among clones were recorded. In addition, other differences were reported in gene expression among the clones of the species D. pulex exposed to MF, while D. magna clones exhibited diverse resistances to glyphosate and Roundup.