Investigation of environment-induced responses in an amphibian metapopulation  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
108938
Type PD
Principal investigator Tóth, Zoltán
Title in Hungarian Környezet-indukált válaszok vizsgálata egy kétéltű metapopulációban
Title in English Investigation of environment-induced responses in an amphibian metapopulation
Keywords in Hungarian fenotípusos plaszticitás, életmenet stratégiák, lokális adaptáció, rátermettség, Lissotriton vulgaris
Keywords in English phenotypic plasticity, life-history strategies, local adaptation, fitness, Lissotriton vulgaris
Discipline
Behavioural neuroscience (e.g. sleep, consciousness, handedness) (Council of Medical and Biological Sciences)50 %
Phylogenetics, systematics, taxonomy, comparative biology, ecophysiology (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)20 %
Ortelius classification: Animal ecology
Panel Ecology and evolution 1
Department or equivalent Plant Protection Institute (Centre for Agricultural Research)
Starting date 2013-10-01
Closing date 2017-07-31
Funding (in million HUF) 8.507
FTE (full time equivalent) 2.96
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A természetben az élőlények életük során gyakran szembesülnek élő és élettelen környezetük nagymértékű megváltozásával. Az ilyen változások hatására számos fajnál alternatív fenotípusok alakulhatnak ki, amelyek lehetővé teszik, hogy az egyedek adaptálódjanak az érzékelt környezetükhöz, és ezáltal maximalizálják rátermettségüket. Az utóbbi években a fenotípusos plaszticitás iránti megújult érdeklődés nagyban hozzájárult ahhoz, hogy számos elméleti modell és predikció szülessen azzal kapcsolatban, hogy milyen körülmények között várható adaptív plaszticitás kialakulása. Ugyanakkor egyetértés továbbra sincs arról, hogy például a különböző életszakaszokban mely tulajdonságoknál várható plasztikus válasz megjelenése, és hogyan befolyásolhatja a különböző életszakaszokban kialakuló plaszticitást a környezet változatossága, illetve a populáció genetikai szerkezete. A tervezett kutatás során biotikus és abiotikus környezeti jeleknek a szaporodási viselkedésre, anyai hatásokra és embrió fenotípusra gyakorolt hatását fogom vizsgálni különböző alpopulációkból származó pettyes gőtéknél (Lissotriton vulgaris). Emellett elemzem a genetikai differenciálódás mértékét és a szaporodóhelyek kiszámíthatóságát is a vizsgált metapopulációban. Modellezni fogom továbbá a plasztikus fenotípus lehetséges elterjedését egy olyan fajnál, amelyre jellemző, hogy plasztikus válaszok kialakulhatnak különböző életszakaszokban is, és a specialista fenotípusok képesek lehetnek az utódaik számára legkedvezőbb környezet kiválasztására.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az elméleti kutatások alapján a természetes szelekció akkor részesíti előnyben a plasztikus válaszok kialakulását, ha a környezet változatossága közepes mértékű és a populáció genetikai struktúrája hátráltatja a helyi körülményekhez történő genetikai adaptációt. Azonban azt nem tudjuk, hogy a plasztikus válaszok különböző formái hogyan járulhatnak hozzá az egyedek sikerességéhez különböző környezetekben, annak ellenére, hogy ennek ismerete nagy jelentőséggel bírhat az ökológia, evolúció és természetvédelem számára is. A tervezett kísérletek segítségével választ kaphatunk arra, hogy a vizsgált kétéltű metapopulációban a környezeti variabilitás és a genetikai struktúra determinálja-e a plasztikus fenotípusos válaszok kialakulását, s ha igen, akkor mely életszakaszban mutatkozó plaszticitásnak van a legnagyobb jelentősége. Emellett arra is következtethetünk, hogy milyen feltételek mellett lehet egyáltalán sikeres a felnőtt kori plaszticitást mutató fenotípus egy metapopulációban.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A pályázott kutatás releváns és érdekes kérdésekre fókuszál a környezet kiszámíthatóságának evolúciós következményeivel és a plasztikus válaszok jelentőségével kapcsolatban egy kétéltű metapopulációban. Környezeti és genetikai adatok gyűjtésével, kísérletes vizsgálatokkal és egy optimalitás modell megalkotásával a projekt nagy eséllyel jelentős mértékben hozzá fog járulni a fenotípusos plaszticitás témakörének rohamosan fejlődő kutatásához. Az eredmények jelentős haszonnal bírhatnak az evolúcióbiológia, viselkedésökológia és nagy valószínűséggel a természetvédelem számára is, és új kutatási irányt jelölhetnek ki a plaszticitás mikro-evolúciós folyamatokban játszott potenciális szerepének vizsgálatában. Emellett hozzájárulhatnak annak alaposabb megismeréséhez is, hogy a természetes populációk hogyan képesek alkalmazkodni változó környezetükhöz és túlélni olyan fragmentálódott élőhelyeken, ahol lokális kihalások környezeti sztochaszticitás vagy antropogén eredetű hatások miatt nagy valószínűséggel fordulnak elő.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Bár a környezet által indukált változatosságot sokáig csupán zavaró hatásnak tekintették, az utóbbi két évtizedben az evolúcióbiológiai kutatások központi témájává vált. Ennek oka, hogy egyre több bizonyíték utal arra, hogy az élőlények széles köre “képes megváltoztatni” külső jellegeik vagy életmenet-tulajdonságaik egy részét az aktuális, illetve helyi környezeti viszonyoknak megfelelően, így a természetben megfigyelhető sokféleséghez jelentős mértékben hozzájárul a fenotípusos plaszticitás jelensége. Ugyanakkor nincs egyetértés abban a tekintetben, hogy például milyen tulajdonságok válnak a legnagyobb eséllyel plasztikussá és ezeknek mekkora szerepük lehet a populációk túlélésében. A pályázott kutatás során célom annak részletes vizsgálata, hogy a környezet kiszámíthatósága és a vizsgált metapopuláció genetikai szerkezete hogyan befolyásolhatja a plaszticitás kialakulását különböző tulajdonságokban a pettyes gőténél (Lissotriton vulgaris); egy olyan fajnál, amelyre komplex életmenet jellemző. Az ehhez hasonló vizsgálatok elengedhetetlenül szükségesek ahhoz, hogy gyarapítsuk tudásunkat a plasztikus válaszok evolúciójáról és esetleges szerepükről a káros környezeti hatások kivédésében.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
In nature, organisms often face substantial abiotic and biotic environmental variation in their lifetime. In response to such variations, alternative phenotypes may evolve as adaptations that allow organisms to maximize their fitness in the environment they experience. Renewed interest in phenotypic plasticity contributed to the development of numerous theoretical models and predictions about the conditions under which adaptive plasticity may evolve; however, consensus about the potential significance of plasticity in different traits in different life-history stages is still lacking. In the proposed research I aim to investigate the effect of several abiotic and biotic environmental cues on reproductive behaviour, maternal effects and embryonic responses in smooth newts (Lissotriton vulgaris), and examine how individuals originating from various sub-populations differ in their phenotypic response to changes in their environment. Furthermore, I will investigate genetic differentiation between sub-populations and environmental predictability in the breeding habitat of the studied meta-population. With an optimality model I will also examine adaptive plasticity in a meta-population of a species, where plastic phenotypes may exhibit plasticity in different life history stages and specialists are capable of choosing the appropriate habitat for their offspring.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
According to theory, plastic responses are favoured by natural selection only if environmental variation is intermediate and population structure hinders genetic adaptation to local conditions. However, we know very little about how various forms of plastic responses may contribute to individuals’ success in differently predictable environments, despite their potential significance for ecology, evolution and conservation, through effects on individual fitness, interspecific interactions and demography. The proposed experiments will help to better understand the significance of plasticity in different life history stages and how environmental variability and genetic structure affects the evolution of plastic responses in the studied amphibian meta-population. Furthermore, we may also gain insight about the general conditions under which a phenotype exhibiting adult plasticity might prevail.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The proposed project focuses on highly relevant and intriguing questions regarding the evolutionary consequences of environmental variation and the significance of various plastic responses in an amphibian meta-population. By collecting environmental and genetic data, performing experiments and modelling, this project is very likely to contribute considerably to the quickly expanding research field of phenotypic plasticity. Results will have important implications for evolutionary biology, behavioural ecology, and potentially for conservation biology, and may spark new directions for studying the potential role of plasticity in micro-evolutionary processes. Findings will increase our understanding how natural populations are capable of adapting to variable environments and persist in fragmented landscapes where local extinctions, e.g. due to stochasticity or anthropogenic impact, are likely to occur.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Although environment-induced phenotypic variation was considered to be a mere nuisance for a long time, plasticity became a central paradigm in modern evolutionary biology in the last two decades. It is because now accumulating evidence suggests that a wide variety of living organisms are able to adjust their behaviour, morphology or life-history traits to actual or local environmental conditions, thus phenotypic plasticity contributes greatly to diversity in nature. However, we still lack consensus about which traits are the most likely to become plastic in different circumstances and what are their role in population persistence. In this project I aim to test how environmental variation and genetic structure influences plasticity in a variety of traits in smooth newts (Lissotriton vulgaris), a species with complex life history. Such studies are necessary if we aim to increase our knowledge about the evolution of plastic responses and assess the role of plasticity in mitigating the effect of (abrupt) environmental changes.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A pályázat megvalósítása során kísérletes körülmények között vizsgáltam, hogy a predációs veszély, mint az egyik legfontosabb környezeti jel, hogyan befolyásolja a felnőtt állatok szaporodási befektetését, a lerakott peték kelési idejét, illetve a kikelt lárvák viselkedését pettyes gőtéknél (Lissotriton vulgaris). A kísérletek eredményei alapján a nőstények képesek azonnali plasztikus választ adni és szaporodási befektetésüket időbeli és környezeti tényezőkhöz igazítani. Emellett azt is kimutattuk, hogy egy prediktív környezeti jel finom léptékű időbeli változása detektálható változásokat okozhat az utódok fenotípusában, illetve a szülői környezet jelentősen befolyásolhatja az utódok fenotípusos válaszát a korai fejlődési időszakban jellemző környezettel interakcióban. Mindemellett a létrehozott optimalitás modellünk predikciói alapján a specialista fenotípusok véletlentől eltérő élőhely-használata jelentősen korlátozhatja a plaszticitás evolúcióját, ugyanakkor a plasztikus fenotípusnak kedvező feltételek az egyik életszakaszban mérsékelhetik a környezeti heterogenitásra vonatkozó feltétel küszöbértékét a másik életszakaszban komplex életmenettel jellemezhető modell organizmusoknál. A vizsgált meta-populáció egyes alpopulációi közötti genetikai differenciálódás elemzésének befejezése után arra is választ kaphatunk majd, hogy a genetikai adaptáció is fontos szerepet játszhat-e a környezeti szempontból heterogén szaporodó helyekhez való alkalmazkodásban.
Results in English
During the project I investigated the effect of predation threat, one of the most important environmental cues, on females’ reproductive investment, hatching time and behavioural responses of the larvae in smooth newts (Lissotriton vulgaris). According to the results, female smooth newts have the potential to exhibit activational plasticity and invest differently into eggs depending on temporal and environmental factors. Furthermore, our findings provided experimental evidence that fine-scale temporal variation in a predictive cue can lead to detectable changes in offspring phenotype. Also, the obtained results highlighted the importance of the parental environment, which may exert a substantial influence on progeny’s phenotypic responses to the environment in interaction with early environmental effects. Moreover, our constructed optimality model predicted that the ability of non-random habitat use in specialist phenotypes can substantially limit the evolution of plasticity, but favourable conditions in one life stage may relax the heterogeneity thresholds in the other stage for the plastic phenotype in organisms characterised by multiple life stages. The completion of the analysis on genetic differentiation between sub-populations may also reveal whether genetic adaptation is also taking place at the environmentally heterogeneous breeding habitats.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108938
Decision
Yes





 

List of publications

  
Zoltán Tóth: Context-dependent plastic response during egg-laying in a widespread newt species, 15th Congress of the European Society for Evolutionary Biology, Abstract List, p. 443. Poster B - POL300, 2015
Attila Hettyey, Zoltán Tóth, Josh Van Buskirk: Inducible chemical defences in animals, Oikos 123: (9) 1025-1028, 2014
Gábor Reuter, Ákos Boros, Zoltán Tóth, Tung Gia Phan, Eric Delwart, Péter Pankovics: A highly divergent picornavirus in the amphibian, the smooth newt (Lissotriton vulgaris), Journal of General Virology 96: (9) 2607-2613, 2015
Zoltán Tóth: Context-Dependent Plastic Response during Egg-Laying in a Widespread Newt Species, PLOS ONE 10(8): e0136044, 2015
Anikó Kurali, Katalin Pásztor, Attila Hettyey, Zoltán Tóth: Toxin depletion has no effect on antipredator responses in common toad (Bufo bufo) tadpoles, Biological Journal of the Linnean Society, DOI: 10.1111/bij.12864, 2016
Veronika Bókony, Ágnes M. Móricz, Zsófia Tóth, Zoltán Gál, Anikó Kurali, Zsanett Mikó, Katalin Pásztor, Márk Szederkényi, Zoltán Tóth, János Ujszegi, Bálint Üveges, Dániel Krüzselyi, Robert J. Capon, Herbert Hoi, Attila Hettyey: Variation in Chemical Defense Among Natural Populations of Common Toad, Bufo bufo, Tadpoles: the Role of Environmental Factors, Journal of Chemical Ecology 42: 329-338, 2016
Zoltán Tóth, Attila Hettyey: Maternal effects influence larval phenotype in the smooth newt., 16th Congress of the International Society for Behavioural Ecology, ISBE Talk Abstract Book, p. 151., 2016
Tóth Zoltán: Lack of plasticity in reproductive behaviour of female smooth newts., 7th European Conference on Behavioural Biology. Book of Abstracts, pp. 221-222. Poster 124., 2014
Zoltán Tóth, Attila Hettyey: Maternal effects influence larval phenotype in the smooth newt., 16th Congress of the International Society for Behavioural Ecology, ISBE Talk Abstract Book, p. 151., 2016
Anikó Kurali, Katalin Pásztor, Attila Hettyey, Zoltán Tóth: Toxin depletion has no effect on antipredator responses in common toad (Bufo bufo) tadpoles, Biological Journal of the Linnean Society, DOI: 10.1111/bij.12864, 2016
Veronika Bókony, Ágnes M. Móricz, Zsófia Tóth, Zoltán Gál, Anikó Kurali, Zsanett Mikó, Katalin Pásztor, Márk Szederkényi, Zoltán Tóth, János Ujszegi, Bálint Üveges, Dániel Krüzselyi, Robert J. Capon, Herbert Hoi, Attila Hettyey: Variation in Chemical Defense Among Natural Populations of Common Toad, Bufo bufo, Tadpoles: the Role of Environmental Factors, Journal of Chemical Ecology 42: 329-338, 2016
Attila Hettyey, Zoltán Tóth, Kerstin E Thonhauser, Joachim G Frommen, Dustin J Penn, Josh Van Buskirk: The relative importance of prey‑borne and predator‑borne chemical cues for inducible antipredator responses in tadpoles, Oecologia, 179(3), 699-710, 2015
Gábor Reuter, Ákos Boros, Zoltán Tóth, Tung Gia Phan, Eric Delwart, Péter Pankovics: A highly divergent picornavirus in the amphibian, the smooth newt (Lissotriton vulgaris), Journal of General Virology 96: (9) 2607-2613, 2015
Zoltán Tóth: Context-Dependent Plastic Response during Egg-Laying in a Widespread Newt Species, PLOS ONE 10(8): e0136044, 2015
Attila Hettyey, Zoltán Tóth, Josh Van Buskirk: Inducible chemical defences in animals, Oikos 123: (9) 1025-1028, 2014
Tóth Zoltán: Lack of plasticity in reproductive behaviour of female smooth newts., VII. European Conference on Behavioural Biology. Book of Abstracts, pp. 221-222. Poster 124., 2014
Zoltán Tóth: Context-Dependent Plastic Response during Egg-Laying in a Widespread Newt Species, PLoS ONE 10(9): e0138163. DOI: 10.1371/journal.pone.0136044, 2015
Péter Pankovics, Ákos Boros, Zoltán Tóth,Tung Gia Phan, Eric Delwart, Gábor Reuter: Genetic characterization of a second novel picornavirus from an amphibian host smooth newt (Lissotriton vulgaris), Hungary., Archives of Virology, 2017



Back »