Effects of larval nutrition and temperature on adult life-history traits in Drosophila melanogaster (Diptera: Drosophilidae)

Abstract

During their lifetime, organisms have to pass through different life stages that are closely linked to each other. Environmental conditions experienced during a certain life stage have been reported to play a significant role in influencing the phenotype of an organism at subsequent stages, a phenomenon widely known as the carry-over effect. Temperature and nutrition are the two most influential environmental factors that operate in concert to shape lifespan, fecundity, and other life-history traits directly linked to Darwinian fitness in insects and other ectothermic organisms. Whilst the majority of studies in insects have focused on the impacts of temperature and nutrition on life-history traits within a single life stage, there is relatively little research on how these two environmental factors experienced during the larval stage can have long-lasting consequences for the phenotypes of traits that are directly related to fitness in adults. The main objective of this thesis was to determine whether and how the variations in the temperature and nutrition of the larval environment are carried over to influence the pattern of adult survival, lifespan, and early-life reproductive outcome in a key model insect, Drosophila melanogaster Meigen (Diptera: Drosophilidae). If any carry-over effects of these larval conditions were detected, I further explored whether these effects can be modulated by the adult environments through testing the significant interactions between the larval and adult environments. The aspect of nutrition that was focused on in this study was the balance between two macronutrients, protein and carbohydrate, which is considered to be the most decisive dietary determinant of fitness in insects and other organisms. The carry-over effects of larval temperature and nutrition were separately investigated in Experiment 1 and 2, respectively. In Experiment 1, D. melanogaster were subjected to one of nine treatments representing full combinations of the same three larval and three adult temperatures (18, 23, or 28℃). More than 75% of flies successfully reached their adult stage at all three larval temperatures. Fly larvae reared at colder temperatures grew more slowly but reached the adult stage at a larger size than those reared at higher temperatures, thus conforming to the temperature-size rule. Flies survived for longer and produced fewer eggs when they were exposed to lower temperatures during the adulthood. In addition to this direct effect of the adult temperature, the cold temperature experienced during the larval stage had significant carry-over effects on both adult survival and early-life fecundity. Lifespan was slightly prolonged for flies raised at 18℃ and this effect of larval temperature was most pronounced when the adult temperature was 18℃. Flies raised under a cold larval environment (18℃) produced significantly fewer eggs throughout the experimental period (days 0-10) than those raised under warmer environments (23 and 28℃). Despite the presence of such carry-over effect, early-life egg production was more strongly affected by the adult temperature than by the larval temperature. Similar to Experiment 1, D. melanogaster were assigned to one of sixteen treatments representing full combinations of the same four larval and four adult diets with differing protein:carbohydrate ratio (P:C = 1:8, 1:2, 2:1, or 8:1) in Experiment 2. Fly larvae raised at the lowest P:C ratio of 1:8 suffered high larval mortality, delayed development, and reduced body size at maturity than those raised at higher P:C ratios. The increase in the P:C ratio of the larval diet led fly larvae to develop faster and grow larger. The consumption of high P:C ratio during the adult stage increased egg production but decreased survival, as it has been documented from previous studies. The P:C ratio of the larval diets also exhibited significant carry-over effects on adult survivorship and egg fecundity. Flies raised at the protein-biased P:C ratio of 8:1 lived slightly longer than those raised at the others when the adult P:C ratio was 1:8 but no such effect was observed at other adult P:C diets. The number of eggs produced by D. melanogaster during the first five days of the adult stage (days 0-5) was predominantly influenced by the carry-over effects of larval diet, showing that flies raised at low P:C ratio produced significantly fewer eggs than those raised at higher P:C ratios regardless of the P:C ratio of the adult diet. However, this strong impact of larval diet shown over days 0-5 started to diminish dramatically after day 5 post-eclosion. Over second five days of the adult stage (days 5-10), egg production was analyzed to be determined almost exclusively by the P:C ratio of the adult diet instead. The main diet which contributed most to egg production thus shifted from larval to adult diets in D. melanogaster. In summary, this study provided evidence that the thermal and nutritional conditions of the larval environment had profound consequences for fitness-related traits during the early adulthood in D. melanogaster. It was also revealed that there were fundamental differences between the temperature and the macronutrient balance encountered during the larval stage in terms of the nature, magnitude, and persistency of their carry-over effects to adult fitness. For example, the carry-over effects of larval temperature on early-life fecundity were found to be weak and long-lasting, whereas those of larval nutrition to be strong and ephemeral. To the best of my knowledge, this is the first study that has directly compared the carry over effects of these two most important environmental determinants of fitness. The results reported in this work highlight the importance of incorporating the effects of environmental conditions experienced early in life into the analysis on organismal fitness and also have implications for predicting the responses of insects to changes in thermal and nutritional environments driven by climate warming.

곤충을 포함한 많은 생명체들은 서로 긴밀하게 연결되어 있는 여러 발달 단계를 순차적으로 거치며 성장한다. 특정 발달 단계에서 곤충이 경험한 환경 조건은 해당 단계에서 뿐 아니라, 이후 이어지는 단계에서 발현되는 곤충의 표현형에도 유의미한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 이를 이월효과(移越效果; carry-over effect)라 한다. 온도와 영양은 생물의 적응도(fitness)와 이를 결정하는 생활사 형질(life-history trait)에 가장 큰 영향을 미치는 환경 인자로 알려져 있다. 온도와 영양 조건이 곤충의 생활사 형질에 미치는 영향에 관한 기존의 연구는 주로 곤충의 발달 단계 중 특정 단계에 국한되어 수행되었다. 하지만 유충기 온도와 영양 조건이 성충의 적응도와 생활사 형질에 미치는 장기적인 영향에 관한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 본 논문의 주요 목적은 생리생태학의 주요 모델곤충인 노랑초파리(Drosophila melanogaster)를 이용하여, 유충 시기 초파리가 경험한 온도와 영양 조건이 성충기의 생존 및 수명 그리고 성충 초기 산란력(early-life egg production)에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 만약 유충 시기 환경조건이 성충 수명과 생식력으로 이월되었음을 확인하였을 경우, 유충기와 성충기 환경 간의 통계적으로 유의한 교호작용을 검정함으로써, 이러한 이월효과가 과연 성충기 동안 노출된 환경에 의해 영향 받는지를 확인하였다. 본 연구에서는 곤충을 포함한 많은 생명체들의 적응도를 결정하는 가장 중요한 영양적 인자로 알려진 단백질과 탄수화물 간의 균형을 영양적 변인으로 사용하였다. 본 논문은 실험 1과 2로 구성되었으며, 각각 유충기 온도와 영양균형의 이월효과를 규명하는 일련의 실험이 수행되었다. 실험 1의 경우, 초파리들은 세 가지 유충온도(18, 23, 28℃)와 이와 동일한 세 가지 성충온도가 조합된 총 아홉 가지 실험조건 중 하나에 임의 배정되었다. 모든 유충 온도조건에서 초파리들은 75% 이상의 유충 생존율을 보였다. 낮은 온도에서 성장한 유충은 높은 온도에서 자란 유충에 비해 더 느리게 자랐지만 성충 우화시 몸 크기는 더 커졌으며, 이는 곤충과 다른 외온동물(ectotherm)에서 일반적으로 관찰되는 온도-크기 법칙(temperature-size rule)에 부합되는 결과이다. 성충 시기에 낮은 주변온도에 노출된 초파리일수록, 수명은 연장되었으나 산란은 감소하는 경향을 보였다. 유충 시기에 경험한 온도 조건은 성충의 수명과 생식능력에 통계적으로 유의한 이월효과를 가지는 것으로 나타났다. 가장 낮은 온도인 18℃에서 성장한 초파리들의 경우 수명이 약간 증가하는 양상이 관찰되었으며, 이러한 효과는 성충시기의 온도가 18℃일 때 가장 뚜렷하게 나타났다. 성충 우화 이후 총 10일(0-10일) 동안 관찰한 바에 따르면, 가장 낮은 온도환경(18℃)에서 성장한 초파리들이 이보다 높은 온도(23, 28℃)에서 성장한 개체들에 비해 생식력이 낮은 것으로 확인되었으며, 이러한 이월효과는 실험기간 동안 지속적으로 관찰되었다. 초파리의 생식력은 유충 시기 경험 온도 보다는 성충 시기 온도에 의해 더 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다. 실험 2의 경우, 초파리는 단백질과 탄수화물의 비율이 다른 네 가지 유충 먹이(P:C = 1:8, 1:2, 2:1, 8:1)와 이와 동일한 네 가지 성충 먹이가 조합된 열여섯 가지 실험조건 중 하나에 임의 배정되었다. 유충기에 단백질 대 탄수화물 비율이 1:8인 먹이를 먹고 성장한 초파리들은 다른 먹이에서 자란 개체들에 비해 높은 유충사망률을 보였음은 물론, 성장이 지연되었으며 우화시 몸크기 또한 감소되었다. 유충 먹이의 단백질 대 탄수화물 비율 증가는 초파리 유충의 성장을 촉진시켰으며, 체중도 증가시키는 효과를 보였다. 단백질 대 탄수화물의 비율이 높은 먹이를 섭취한 성충은 더 많은 알을 생산했지만 수명은 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 기존의 연구들과 일치하는 결과이다. 유충기 섭취한 먹이 또한 성충의 수명과 알 생산량에 통계적으로 유의한 이월효과를 보이는 것으로 나타냈다. 성충기간 중, 단백질 대 탄수화물 비율이 1:8인 먹이를 제공 받았을 경우, 유충 기간 동안 고단백 먹이(8:1)를 섭취하고 성장한 초파리들은 다른 영양 조건에서 성장한 개체들에 비해 약간 더 오래 사는 것으로 나타났다. 하지만 다른 성충 먹이를 제공 받았을 경우 이러한 이월효과는 관찰되지 않았다. 초파리가 성충으로 우화한 이후 첫 5일(0-5일)동안 산란한 알의 수는 단백질 대 탄수화물의 비율이 낮은 유충먹이(1:8)에서성장한 개체들에서 타 조건에 비해 두드러지게 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 0-5일 동안 보였던 유충먹이의 강한 이월효과는 우화 5일 이후 급격하게 사라지는 것을 확인할 수 있었다. 성충 우화 후 5-10일 동안 생산된 알의 수는 성충먹이의 단백질 대 탄수화물 비율에 의해 매우 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다. 본 연구 결과, 초파리가 유충기에 경험한 온도와 영양 조건은 성충의 생존과 수명 그리고 초기 생식력에 유의미한 이월효과를 갖는 것으로 확인되었다. 또한 유충 시기의 온도환경과 음식물의 단백질 대 탄수화물 균형이 성충의 적응도 형질에 미치는 이월효과 간에는 그 영향의 성격과 강도 그리고 지속성에 근본적인 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 가령 예를 들면, 유충온도의 이월효과는 비록 그 강도는 약했지만 성충기 동안 지속되는 양상을 보인데 반해, 유충 영양의 이월효과는 일시적으로 강하게 발현되었지만, 급속하게 사라지는 단기적인 성격을 띠는 것으로 확인되었다. 본 논문은 온도와 영양의 이월효과를 직접적으로 비교한 최초의 연구이다. 본 연구의 결과는 향후 곤충이 어떻게 기후변화로부터 야기되는 온도와 영양 환경의 변화에 진화적으로 반응하는지를 예측하는데 있어 중요한 기초자료를 제공한다.