The influence of environmental UVB radiation on growth, immunity, behavior and sexually selected traits in the three-spined stickleback (<em>Gasterosteus aculeatus</em>)

Abstract

Changing photic conditions are, next to global warming, the major aspect in terms of ongoing global climate change and mainly occur within the short-wave and high-energetic ultraviolet-B (UVB) part of the electromagnetic spectrum. Studies investigating the effect of UVB on organisms mostly use short-term exposure, i.e. single doses, and/or conducted experiments under laboratory settings, inevitably accompanied by artificial photic conditions. Studies using ecologically relevant levels of UVB in combination with standardized settings, e.g. genetic background of experimental animals or food availability, under outdoor conditions are scarce. In my thesis, I used a semi-natural outdoor setup to create two photic conditions, including either natural sunlight in combination with an additional UVB source or exclusively natural sunlight to examine the consequences of enhanced ambient UVB on the biology of three-spined sticklebacks (Gasterosteus aculeatus). I used different time spans of UVB exposure, applied at various life stages, to study short- and long-term phenotypic plastic responses of a teleost fish species confronted with a stressful environment. Three-spined sticklebacks inhabit shallow lentic and flowing aquatic habitats and are naturally exposed to ambient ultraviolet radiation. Whereas ultraviolet-A (UVA) radiation is used during visual communication, sticklebacks are incapable of perceiving UVB which makes them prone to disproportional increases in UVB. <br /> Male sticklebacks develop a conspicuous red breeding coloration and face a high risk of sperm competition due to alternative reproductive strategies, i.e. stealing of fertilizations. Thus, in addition to studying effects on growth and immunity, male sticklebacks are suitable for studying resource allocation to pre- and post-mating sexually selected traits, which both determine an individual’s reproductive success. <br /> In my experiments, I showed that about two months as well as about seven and nine months of exposure to enhanced ambient UVB seriously impair growth. UVB affects various physiological processes, ranging from damage to DNA, enzymes, membrane proteins and lipids as well as increased photo-oxidative stress (formation of reactive oxygen species). Consequently, stressed individuals likely face higher energetic needs for costly repair mechanisms which may retard other physiological processes, e.g. digestion or growth.<br /> I showed that exposure to enhanced ambient UVB for about two months has immunomodulatory effects in non-reproductive sticklebacks of both sexes. Stressed individuals had a lower relative spleen weight, i.e. splenosomatic index (SSI) together with a higher granulocyte-to-lymphocyte ratio of head-kidney leukocytes. The spleen and head-kidney represent major immune organs in teleost fishes. A lower SSI can be interpreted as a downregulated adaptive immunity and a higher proportion of granulocytes indicates an upregulated innate immune response. Chronic exposure to enhanced UVB radiation may have promoted inflammatory processes (e.g. erythema), potentially accompanied by an intensification of the innate immune system. Consequently, in terms of the assumed trade-off between innate and adaptive immunity, the adaptive immunity may be reduced. However, whether the adaptive immune response ultimately is weakened by UVB needs further research. <br /> About two months of exposure to enhanced ambient UVB caused considerable negative effects on post-mating sperm-related traits, i.e. smaller testes, lower sperm number and shorter sperm in reproductively active male sticklebacks. In contrast, UVB exposure for about nine months, from early-life during the major growth phase, had no significant effects on the measured post-mating traits. Though, after nine months of enhanced ambient UVB, I revealed a trade-off between the investment in a pre- and a post-mating trait in males raised under enhanced levels of UVB. More precisely, the intensity of the breeding coloration in UVB-stressed males was negatively correlated with sperm numbers, whereas this relationship was reversed for the control. In contrast to sticklebacks raised under natural sunlight, individuals exposed to stressful conditions were not able to uphold the honesty of a pre-mating sexually selected ornament. Thus, stressed individuals seem to invest resources in a pre-mating trait (breeding coloration) at the expense of a post-mating trait (sperm number). The absent differences between both exposure groups regarding the measured color traits suggest that stressed individuals maintain their sexual attractiveness in order to enhance the access to potential matings. By revealing this trade-off, I could provide the first experimental evidence for a differential allocation to costly pre- and post-mating traits as a result of exposure to a key environmental stressor in terms of climate change. <br /> In summary, I showed the serious effects of enhanced but ecologically relevant levels of ambient UVB, representing an abiotic environmental stressor related to climate change, on multiple fitness-relevant traits in three-spined sticklebacks. I showed phenotypic plastic responses to enhanced UVB on physiological processes, i.e. growth, immunity, sperm-related traits as well as resource allocation to pre- and post-mating traits. Furthermore, I observed consequences of enhanced UVB on the behavior of sticklebacks regarding predator-prey interactions. In my thesis, I demonstrated that chronic exposure to enhanced ambient UVB affects fitness-relevant traits and may influence sexual selection processes under natural conditions. Moreover, enhanced ambient UVB has the potential to affect population and community dynamics in aquatic ecosystems.

Veränderungen der photischen Verhältnisse sind, neben der globalen Erwärmung, der Hauptaspekt im Kontext des fortschreitenden Klimawandels und betreffen maßgeblich den kurzwelligen und hochenergetischen Ultraviolett-B (UVB) Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Studien, die die Wirkung von UVB auf Organismen untersuchten, verwendeten meistens kurzzeitige Expositionen, d. h. Einzeldosen, und/oder führten Experimente unter Laborbedingungen und artifizieller Beleuchtung durch. Untersuchungen, die ökologisch relevante UVB-Strahlung in Kombination mit standardisierten Experimentalbedingungen, z. B. bekannter genetischer Hintergrund von Versuchstieren oder standardisierte Fütterung, bei gleichzeitiger Nutzung natürlicher Freilandbedingungen beinhalten, sind äußerst selten. <br /> In meiner Doktorarbeit habe ich einen Experimentalaufbau unter semi-natürlichen Bedingungen im Freiland verwendet, um zwei unterschiedliche photische Bedingungen zu generieren. Ein Ansatz beinhaltete natürliches Sonnenlicht in Kombination mit einer zusätzlichen UVB-Quelle, wohingegen in einem zweiten Ansatz ausschließlich natürliches Sonnenlicht verwendet wurde. Mithilfe dieser zwei Bedingungen habe ich die Auswirkungen erhöhter, aber ökologisch relevanter UVB-Strahlung, auf unterschiedliche Merkmale des Dreistachligen Stichlings (Gasterosteus aculeatus) untersucht. Dazu habe ich Versuchstiere in verschiedenen Lebensphasen für unterschiedliche Zeitspannen UVB-Strahlung ausgesetzt, um kurz- und langfristige phänotypisch plastische Reaktionen zu erforschen. Dreistachlige Stichlinge bewohnen flache, stehende und fließende aquatische Lebensräume und sind somit ultravioletter Umgebungsstrahlung ausgesetzt. Sie können Ultraviolett-A (UVA)-Strahlung wahrnehmen und nutzen diese während der visuellen Kommunikation. UVB hingegen kann von Dreistachligen Stichlingen nicht visuell wahrgenommen werden, wodurch sie anfällig gegenüber einem überproportionalen Anstieg von UVB-Strahlung im Umgebungslicht sind. <br /> Männliche Stichlinge entwickeln während der reproduktiven Phase eine auffällige rote Brutfärbung und sind aufgrund alternativer Fortpflanzungsstrategien, wie dem Erschleichen von Befruchtungen, einem hohen Spermienkonkurrenzrisiko ausgesetzt. Zusätzlich zur Erforschung von Effekten auf grundlegende physiologische und immunologische Prozesse, z. B. Wachstum und Immunantworten, eignen sich männliche Stichlinge daher auch zur Untersuchung der Investition von Ressourcen in sexuell selektierte Merkmale, mit Relevanz vor und nach der Verpaarung, die den Fortpflanzungserfolg eines Individuums bestimmen. In meinen Experimenten konnte ich zeigen, dass sowohl etwa zwei Monate als auch sieben und neun Monate Exposition gegenüber erhöhtem UVB das Wachstum stark beeinträchtigen. Verschiedene physiologische Prozesse werden von UVB beeinflusst, was zu Schäden an DNA, Enzymen, Membranproteinen und Lipiden, bis hin zu erhöhtem photooxidativem Stress (Bildung reaktiver Sauerstoffradikale) führen kann. Folglich haben gestresste Individuen wahrscheinlich einen höheren energetischen Bedarf durch kostenintensive Reparaturmechanismen, die wiederum andere physiologische Prozesse, z. B. Verdauung oder Wachstum, beeinträchtigen können. <br /> Ich konnte zeigen, dass eine ca. zweimonatige Exposition gegenüber erhöhtem UVB immunmodulatorische Wirkungen bei nicht-reproduktiven Stichlingen beider Geschlechter hat. Gestresste Individuen hatten ein niedrigeres relatives Milzgewicht (splenosomatischer Index, SSI), zusammen mit einem höheren Granulozyten-Lymphozyten-Verhältnis von Kopfnieren-Leukozyten. Milz und Kopf-Niere sind wichtige Immunorgane bei Fischen. Ein niedrigerer SSI könnte als herunterregulierte adaptive Immunität interpretiert werden und ein höherer Anteil an Granulozyten zeigt eine hochregulierte Antwort des angeborenen Immunsystems an. Chronische Exposition gegenüber verstärkter UVB-Strahlung könnte entzündliche Prozesse (z. B. Erytheme) auslösen, die möglicherweise mit einer Intensivierung des angeborenen Immunsystems einhergehen. Folglich scheint im Hinblick auf einen angenommenen trade-off zwischen angeborenem und adaptivem Immunsystem die Antwort des adaptiven zugunsten des angeborenen Immunsystems verringert zu werden. Ob diese Effekte auf das Zusammenspiel von angeborenen und adaptiven Immunantworten jedoch bedeuten, dass die adaptive Immunantwort letztendlich durch UVB geschwächt wird, bedarf weiterer Forschung. <br /> Bei reproduktiv aktiven männlichen Stichlingen führten ungefähr zwei Monate Exposition gegenüber erhöhtem UVB zu erheblichen negativen Auswirkungen auf spermienbezogene Merkmale in Form von kleineren Hoden, geringerer Spermienanzahl und kürzeren Spermien. Im Gegensatz dazu hatte die UVB-Exposition für etwa neun Monate, während der Hauptwachstumsphase, keine signifikanten Auswirkungen auf die gemessenen spermienbezogenen Merkmale. Jedoch konnte ich nach neun Monaten erhöhter UVB-Bestrahlung bei männlichen Stichlingen einen trade-off zwischen der Investition in ein Merkmal mit Funktion vor und ein anderes mit Funktion nach der Verpaarung zeigen. Genauer gesagt korrelierte die Intensität der Brutfärbung bei UVB-gestressten Männchen negativ mit der Spermienanzahl, während dieser Zusammenhang für die Kontrollgruppe umgekehrt war. Im Gegensatz zu Stichlingen, die unter natürlichem Sonnenlicht aufgezogen wurden, waren Individuen, die stressreichen Bedingungen ausgesetzt waren, nicht in der Lage die Ehrlichkeit eines sexuell selektierten Ornaments aufrechtzuerhalten. Gestresste Individuen scheinen Ressourcen in ein Merkmal mit Relevanz vor der Paarung (Färbung) auf Kosten eines Merkmals mit Funktion nach der Paarung (Spermienzahl) zu investieren. Die fehlenden Unterschiede zwischen beiden Expositionsgruppen in Bezug auf die gemessenen Farbmerkmale legen nahe, dass gestresste Individuen ihre sexuelle Attraktivität aufrechterhalten, um Zugang zu potenziellen Paarungen zu erhalten. Durch das Aufdecken eines trade-offs konnte ich den ersten experimentellen Nachweis für unterschiedliche Investitionen in kostspielige Merkmale mit Bedeutung vor und nach der Paarung liefern, verursacht durch die Exposition gegenüber einem elementaren Umweltstressor. <br /> Zusammenfassend konnte ich die schwerwiegenden Auswirkungen erhöhter, aber ökologisch relevanter UVB-Strahlung, welche einen abiotischen Umweltstressor im Zusammenhang mit dem Klimawandel darstellt, auf mehrere fitnessrelevante Merkmale bei Dreistachligen Stichlingen zeigen. Ich habe phänotypisch plastische Reaktionen auf erhöhte UVB-Bestrahlung hinsichtlich physiologischer Prozesse, d. h. Wachstum, Immunität und spermienbezogene Merkmale, sowie auf die Investition von Ressourcen in Merkmale mit Relevanz vor- und nach der Paarung gezeigt. Darüber hinaus habe ich Auswirkungen von verstärktem UVB auf das Verhalten von Stichlingen in Bezug auf Interaktionen zwischen Räubern und Beutetieren zeigen können. In meiner Doktorarbeit konnte ich belegen, dass sich die chronische Exposition gegenüber erhöhtem UVB in der Umgebung auf die Ausprägung fitnessrelevanter Merkmale auswirkt und sexuelle Selektionsprozesse unter natürlichen Bedingungen beeinflussen kann. Abschließend ist davon auszugehen, dass sich erhöhte UVB-Strahlungsbedingungen entscheidend auf Populations- und Lebensgemeinschaftsdynamiken in aquatischen Ökosystemen auswirken können.