Lokala skillnader i konsumtion av påväxtalger och terrestra löv hos en differentierad population av Asellus aquaticus.

Transkript

1 Institutionen för fysik, kemi och biologi Examensarbete 16 hp Lokala skillnader i konsumtion av påväxtalger och terrestra löv hos en differentierad population av Asellus aquaticus Emma Jansson LiTH-IFM- Ex--13/2802--SE Handledare: Anders Hargeby, Linköpings universitet Examinator: Per Milberg, Linköpings universitet Institutionen för fysik, kemi och biologi Linköpings universitet Linköping

2 Institutionen för fysik, kemi och biologi Department of Physics, Chemistry and Biology Datum/Date Språk/Language Svenska/Swedish URL för elektronisk version Rapporttyp Report category Examensarbete C-uppsats ISBN LITH-IFM-G-EX 13/2802 SE ISRN Serietitel och serienummer ISSN Title of series, numbering Handledare/Supervisor Anders Hargeby Ort/Location: Linköping Titel/Title: Lokala skillnader i konsumtion av påväxtalger och terrestra löv hos en differentierad population av Asellus aquaticus Local differences in the consumption of periphyton and terrestrial leaves in a differentiated population of Asellus aquaticus Författare/Author: Emma Jansson Sammanfattning/Abstract: That ecological and evolutionary processes can take place on the same time scale is a recent insight. Today we also know that they are directly linked to each other. In the lake Tåkern, in year 2000, there was a structural change when phytoplankton declined and submerged vegetation, mainly stoneworts began to spread. This led to evolutionary changes in the aquatic sowbug, Asellus aquaticus which had previously been limited to the reed, most likely feeding on detritus. But then, sowbugs could exploit the new habitat in stoneworts and a new food resource in terms of periphyton. The aim of this study was to investigate whether the differentiation of the populations has led to specialization in the ecological roles of sowbugs as shredder of coarse detritus and grazer of periphyton. The study was a laboratory experiment in which groups of sowbugs were feeding on decomposing alder (Alnus glutinosa) leaves or periphyton growing on tiles. The results showed that there was no specialization in the habitat-specific food. However, reed animals had a greater (31 %) grazing effect than the stonewort animal on periphyton. There was also a non-significant tendency for reed animals to consume more leaves than the stonewort animals. The conclusion is that the different populations are not different in their functional roles, but the reed animals consume approximate 25 % more food than the stonewort animals, possibly because of higher activity. Nyckelord/Keyword: Asellus aquaticus, consumption, detritus, periphyton, eco-evolution

3 Innehållsförteckning 1 Sammanfattning Introduktion Material och metoder Försöksdjur Föda Löv Påväxtalger Experimentuppställning Mätning Löv Påväxtalger Statistisk analys Resultat Löv Påväxtalger Diskussion Tack Referenser... 10

4 1 Sammanfattning Att ekologiska och evolutionära processer kan ske på samma tidsskala är en relativit ny insikt. Idag vet vi också att de är direkt kopplade till varandra. I sjön Tåkern, år 2000, skedde ett strukturellt skifte när fytoplankton minskade och makrofyter, främst kransalger började spridas. Detta ledde till evolutionära förändringar hos vattengråsuggan, Asellus aquaticus som tidigare varit begränsad till vassen, där detritus troligen är en viktig födoresurs. Nu kunde de utnyttja den nya livsmiljön i kransalgerna och en ny födoresurs, påväxtalger. Syftet med detta projekt var att undersöka om det finns skillnader i hur mycket de två separerade populationerna, i vassen respektive kransalgerna, konsumerar av sin ursprungliga föda och på den andra populationens huvudföda. Jag testade hypotesen att populationerna vara specialiserade i ett laborationsförsök där grupper av vattengråsuggor antigen levde som fragmenterare av multnade allöv (Alnus glutinosa) eller som betare av påväxtalger. Resultaten visade att det inte fanns några indikationer på specialisering. Dock hade vassdjuren signifikant större betnings effekt (31 %) på påväxtalgerna än kransalgsdjuren. Det fanns också en icke-signifikant tendens att vassdjuren konsumerade mer löv än kransalgsdjuren. Slutsatsen är att de olika populationerna inte är olika i rollen som fragmenterare respektive betare, men att vassdjuren generellt konsumerar ungefär 25 % mer föda än kransalgsdjuren, möjligen på grund av högre aktivitet. 2 Introduktion Länge har man tänkt att ekologiska och evolutiontionära processer skedde på olika tidsskalor. I dagsläget vet man att de kan vara direkt kopplade till varandra i liknande tidsskalor. Det finns flertalet teoretiska undersökningar som kopplar samman en feedback mellan den ekologiska och evolutionära dynamiken, eko-evolutionär dynamik (Pellitier et al, 2009). Det finns också ett flertal empiriska studier som bevisar att evolutionära förändringar sker under naturliga förhållanden under korta tidsperioder, så kallad mikroevolution (Hendry & Kinnison 1999). I sjön Tåkern i västra Östergötland har ett dramatisk strukturellt skifte skett för ca 13 år sedan, från att ha varit en grumlig fytoplanktondominerad sjö till klart vatten och dominans av undervattensväxter framförallt kransalger, Chara spp. (Hargeby et al. 2004, Eroukmanoff & Svensson 2009). Skiftet förändrade ljusförhållandena, födotillgången och predationstrycket för bottenlevande evertebrater. Det genererade ett annat 2

5 selektionstryck som bland annat kan ha framkallat en mikroevolution hos Asellus aquaticus (Hargeby et al. 2004). Sedan kransalgerna återetablerades år 2000 har morfologisk differentiering uppkommit hos A. aquaticus. Vattengråsuggor som lever i vassen är större och deras pigmentering är mörkare än hos de i populationen som lever i kransalgerna där de både är ljusare och mindre. Dessa differentieringar tros bero på just det förändrade ljusförhållandet, födotillgång och predationen där pigmentförändringarna bland annat ger bättre kamouflage mot den ljusare omgivningen i kransalgerna (Eroukmanoff & Svensson 2009). Predatorerna i kransalgerna domineras främst av fiskar, som jagar med synen och de väljer helst att äta större individer. I vassen är A. aquaticus främsta predator evertebrater som helst väljer mindre individer, det två olika typerna av predation skapar därför olika selektionstryck (Hargeby et al. 2005). I Krankensjön i Skåne, en sjö med liknande karaktär som Tåkern, har det visats att det innan dess förändring till ökad utbredning av kransalger år 1987 inte fanns någon skillnad i pigmentering hos A. aquaticus i kransalgs- och vassmiljö (Hargeby et al. 2004). Att utvecklingen har visats vara densamma i både Tåkern och Krankensjön i den nyligen etablerade kransalgsmiljön tyder på en adaptiv process. Hur långt har evolutionsprocessen gått? Populationerna lever i olika habitat av sjön så det är troligt att de också använder sig av olika födoresurser, där de i vassen är dentritvor och lever av löv och de i kransalgsbestånden är betare av påväxtalger. Har det lett till att de blivit olika effektiva i sina roller som betare av påväxtalger respektive fragmenterare av grovdendritus, som löv? Syftet med detta projekt var att undersöka om det finns skillnader i hur mycket de två olika populationerna konsumerar av sin ursprungliga föda och på den andra populationens huvudföda. Prediktionen var att de två populationerna skulle vara effektivast på sin ursprungsföda. Detta testades i ett laboratorieexperiment. 3 Material och metoder 3.1 Försöksdjur Asellus aquaticus (vattengråsugga) samlades in från sjön Tåkern, från två miljöer: kransalgs- och vassbestånd. Djuren från kransalgerna samlades in den 4 april (SWEREF99: N ;E538805). A. aquaticus från vassen hämtades in i två omgångar den 8 och 16 april vid samma ställe 3

6 (N ; E489300). Vid insamlingstillfällena var sjön islagd och vattentemperaturen var ca 0 C. På laboratoriet hölls A. aquaticus under konstant luftning med akvariepumpar i platsbackar med deras naturliga substrat och ett par multnande allöv (Alnus glutinosa). De insamlade vattengråsuggorna acklimatiserades till inomhusmiljö i ett kylrum (ca 5 C), för att sedan två dagar innan experimentets start flyttas till rum med 12 C som sedan sakta höjdes till först 15 C och slutligen 17 C. A. aquaticus inhämtade 16 april fick en annan acklimatisering på grund av den sena insamlingen: 5 C en dag och sedan flytt till 17 C. 3.2 Föda Löv Hösten 2012 samlades nyfallna löv från klibbal (Alnus glutinosa) in, träden växte utmed en skogsbilväg utanför Rimforsa (N ; E538805). De torkades och förvarades torrt i rumstemperatur, tills två veckor innan försöket, då de blötlades i kranvatten under två dagar. Därefter inkuberades allöven vid 22 C i filtrerat Tåkernvatten (100 µm maskstorlek) som luftades kontinuerligt. Tillsammans med allöven lades fem almlöv (Ulmus glabra) som fungerade som ymp av mikroorganismer (bakterier och svamp). De hade tidigare under fem dygn fått koloniseras med mikroorganismer från ofiltrerat åvatten och en blandning av växtrester som samlats in från Storån norr om Kisa (N ; E539238) och Stångån i Rimforsa (N ; E540894) den 27 mars. De koloniserade allöven klipptes längs mittnerven och varje halva parades slumpvist ihop med en halva från ett annat löv, för att minska betydelsen av näringsmässiga olikheter mellan enskilda löv. Lövens våtvikt bestämdes (ADAM PGL303 d=0,001) och överflödig vätska absorberades av fyrdubbelt hushållspapper under tryck från handen i ca 5 sekunder Påväxtalger Påväxtalger odlades 2,5 veckor innan experimentets start på keramikplattor (10x10x1,5 cm 3 ) i två plastakvarier (40 liter) med 24 plattor i varje, i filtrerat vatten (100 µm) från Tåkern under kontinuerlig luftning av akvariepumpar. Gödningsmedel (Blomstra) tillsattes motsvarande en koncentration av 0,10 mg totalfosfor/liter och 0,51 mg totalkväve/liter (0,31 mg nitratkväve/liter och 0,20 mg ammoniumkväve/liter). Plattorna belystes med en ljusramp med Philips 4

7 35 W lysrör vid en intensitet av (ca 0,3 mwm -2 ) med en dagsrytm på 18 timmars ljus och 6 timmars mörker. 3.3 Experimentuppställning Totalt användes 44 plastakvarier (21x17x15 cm 3 ) fyllda med två liter filtrerat (100µm) vatten från Tåkern. I 22 av akvarierna placerades keramikplattor med påväxtalger och i lika många placerades allöv. Åtta akvarier fyra löv respektive fyra påväxtalger användes som kontroller. Resterande 18 akvarier av varje behandling parades ihop två och två för att placera ut kransalgsdjur i löv- respektive påväxtalgsakvarium och likadant för vassdjuren. De utplacerade djuren hade liknande biomassa (ca 0,2 g våtvikt) så antalet djur kunde variera mellan akvarierna. Alltså totalt fyra behandlingar med nio replikat samt åtta kontroller utan djur. Akvarierna hölls i ett konstantrum där temperaturen var ca 17 C, under konstant luftning med pumpar (EHEIM airpump 400) som fördelade luften via ett fördelningskärl, till en silikonslang (1 mm innerdiameter samt 3 mm i ytterdiameter) till varje akvarium. Keramikplattorna och dess påväxtalger belystes med en ljusramp, enligt men med en dygnsrytm på 12 ljus och 12 timmar mörker. I början av försöket och efter en vecka tillsattes näringslösning (Blomstra) till akvarierna för att motverka att näringsämnesbrist. Vid första tillfället tillsattes 50 µg total-fosfor och 250 µg kväve per liter. Efter en vecka byttes hälften av vattnet ut till nytt filterat Tåkernvatten, som då hade tillsats en tillsats av den dubbla tillsatsen näringslösning. 3.4 Mätning Löv När försöket avbröts torkades löven av mellan papper och vägdes som innan experimentet(3.2.1). Viktförlusten korrigerades efter medelvärdet hos kontrollernas viktförändring och beräknades per biomassa A. aquaticus för varje enskilt akvarium enligt formeln Lövkonsumtion = (W t -W o -W k ) / W aa /t (1) Där W t = lövens våtvikt (g) vid slut, W o = massan vid start, W k = medelvärdet för förändringen i lövmassa hos kontrollerna, W aa =A. aquaticus biomassa våtvikt (g) och t= antalet dagar experimentet pågick 5

8 3.4.2 Påväxtalger Biomassan av påväxtalgerna mättes genom att bestämma massan av klorofyll a på keramikplattorna när experimentet avslutades. Keramikplattorna med påväxtalgerna borstades av med hjälp av en nagelborste i 0,5 liter kranvatten. En uppmätt (ca 1 ml precision) volym (ca 40 ml) av algsuspensionen sugfilterades sedan genom glasfiberfilter (Whatman GF/C), som viktes på mitten och torkades av mellan papper innan det lades ner i ett 10 ml plastprovrör. Sedan pipitterades 7 ml 99,5 % etanol i provröret så hela filtrets täcktes. Provrören inkuberades förslutna i mörker i rumstemperatur i ca 21 h. Extraktet filtrerades (0,2µm) och dess absorbans mättes vid 665 och 750 nm i en spektfotometer (Hitachi U-2000) för att kunna räkna ut massan klorofyll a. Extraktionen och mätningarna gjordes enligt Jespersen & Christofferfersen (1987). 3.5 Statistisk analys För att testa om det fanns någon skillnad mellan kransalgs- och vasspopulationernas lövkonsumtion och inverkan på påväxtalgernas biomassa användes t-test, efter att först ha använt Levenes test för att testa om varianserna var olika. Analyserna utfördes i Minitab Resultat 4.1 Löv Vasspopulationen konsumerade i medeltal 26 % mer löv än kransalgspopulationen, men skillnaden var inte statistiskt signifikant (t=1,60; p=0,113; Figur 1) 6

9 Viktförändrig (g) /biomassa (g)/ dag 0-0,02-0,04-0,06-0,08-0,1-0,12-0,14-0,16-0,18-0,2 Kransalg Vass Figur 1. Viktförändringen (g våtvikt) / g våtvikt A. aquaticus för allöv efter dagar i akvarier med A. aquaticus från kransalger eller från vass. Viktförlusten har korrigerats för viktförändringen i kontrollerna utan A. aquaticus. Medelvärden +/- SE, n= Påväxtalger Vasspopulationen konsumerade i medeltal 26 % mer påväxtalger än kransalgspopulationen (Figur 2). Skillnaden var statistiskt signifikant (t= 2,52; p=0,026). Kransalgspopulationen gynnade tillväxten då kontrollerna hade en mindre massa klorofyll a (Figur 2), vilket också syntes vissuellt då plattorna i kontrollerna inte var lika gröna. 7

10 Klorofyll a (µg/l) Kransalg Vass Kontroll Figur 2. Massan klorofyll a (µg) på keramikplattor efter dagar i akvarier med A. aquaticus från kransalger eller från vass och i akvarier utan A. auqaticus (kontroll). Medelvärde +/- SE, n=9 respektive kontroll, n=4. 5 Diskussion De två populationerna av A. aquaticus förväntades konsumera mer av födan från den egna miljön än från den främmande. Resultaten visade att det inte stämde, då vassdjuren visade en tendens till att de konsumerade en större massa av både påväxtalger och löv, även om det senare inte var signifikant. Tidigare studier har visat att det finns en signifikant skillnad i flykthastighet hos kransalgs- och vasspopulationerna, så att A. aquaticus från vassen är signifikant aktivare än de från kransalger. Även deras utforskande beteende skiljer sig signifikant åt, där vasspopulationen med större sannolikhet utforskar nya substrat (Eroukhmanoff & Svensson, 2009) Det skulle kunna vara ett skäl till att de gör av med mer energi och därför äter mer. Enzymatiskt sett så är A. aquaticus specialiserad på att bryta ned terrestrisk föda som är näringsfattigt och rikt på svårnedbrytbara ämnen 8

11 så som cellulosa och fenoler. Det finns bevis på att de använder sig av endosymbios med bakterier för att klara av nedbrytningen på ett effektivt sätt (Zimmer & Bartholmé 2003). Nedbrytningen är en viktig del i sjöns ekosystem, för att det organiska materialet kan brytas ned och göra näringsämnen mer lättillgängliga för andra organismer. Dock finns det ingenting som tyder på att kransalgspopulationen har förlorat sin förmåga att bryta ned löv, även om endosymbiosen med bakterien kan tyckas vara onödig i kransalgmiljön. I dag finns det ekologiska teorier som antyder att diversifiering av en art till flera olika arter, som har olika nischer i miljön kan påverka näringsvävar, andra arter, energiflöden och andra funktioner i ekosystem. Dock är det generella konsekvenserna i stort sett okända (Harmon et al. 2009). Mina resultat tyder på att de två populationerna från Tåkern funktionellt fortfarande är lika, men att vasspopulationen har större en konsumtionseffekt räknat per biomassa djur och dag. Så även om den ena populationen i sitt naturliga habitat bör vara detrivor och den andra betare av påväxtalger så har de inga bestämda roller, utan äter den födan som finns. I vassen begränsas födan till löv och i kransalgerna begränsas födan till påväxtalger. Det som har skett med A. aquaticus är ett samspel mellan ekologi och evolution, sjön förändrades och A. aquticus förändrades med sjön genom den nya dominansen av kransalgerna. Skulle det då vara som experimentet antyder att A. aquaticus från kransalger gynnar tillväxten av påväxtalgerna - så gynnar de i sin tur andra djur som betar samma föda. Dock är densiteten av kransalgsdjur gånger högre än vassdjur i sjön (Anders Hargeby, muntlig uppgift). Så i Tåkern har de troligvis en negativ effekt på påväxtalgerna. Kransalgerna däremot gynnas indirekt av betandet, eftersom konkurrensen om ljus och näring bör minskar. Forskning på sjöar i England med liknade karaktär som Tåkern visar på ett starkt samband mellan betande evertebrater och mängden påväxtalger. Betningen håller nere påväxtalgerna vilket således gynnar kransalgerna, vars konkurrens med påväxtalgerna om syre och solljus minskar. Det finns bevis för att evertebraternas betning håller kvar sjön i undervattenväxtsdominerat stadie, alltså är eutrofiering inte huvudanledningen till de strukturella omkastningarna. Det har visat sig att evertebratsamhället är det som bestämmer sjöns ekosystem och inte främst närsaltshalten. Skiften från dominans av undervattensväxter till fytoplankton beror troligvis ofta på ökad predation på evertebraterna, så en ökning kan ske av påväxtlagerna. Som i sin tur oftast leder till en 9

12 förlust av kransalgsplantor vilket tillslut leder till en fytoplanktondominerad sjö. (Jones & Sayer 2003) Den ekologiska förändingen har gjort att A. aquatius evolverat och kan bidra till att bibehålla den ekologiska förändringen, även om mina resultat inte tyder på ett förhöjt födointag av påväxtalger per biomassa av gråsuggorna. Däremot är det sannolikt att abundansen är högre i den anpassade kransalgspopulationen, vilket evolutionärt kan vara en återkoppling till de nya ekologiska förutsättningarna för fortsatt dominans av undervattensvegetation. 6 Tack Jag skulle vilja tacka min handledare Anders Hargeby för all uppmuntran, hjälp och givande diskussioner. Jag skulle också vilja tacka Felicia Alriksson för givande diskussioner samt hjälp med insamlingen av djur och med experimentuppställningen. 7 Referenser Arkelova K S (2001) The evaluation of individual production and scope for growth in aquatic sow bugs (Asellus aquaticus). Aquatic Ecology 35, Hargeby A, Johansson J, & Ahnesjö J, (2004) Habitat-specific pigmentation in a freshwater isopod: adaptive evolution over a small spationtemporal scale. Evolution 58, Hargeby A, Stolz, J, & Johansson J (2005) Locally differentiated cryptic pigmentation in the freshwater isopod Asellus aquatius. Journal of the European Society for Evolutionary Biology 18: Hargeby A, docent, Linköpings Universitet. 28 maj 2013 Harmon L J, Matthews B, Des Roches S, Chase J M. & Shurin J B. (2009) Evolutionary diversification in stickleback affects ecosystem functioning. Nature. 458: Hertonsson P, Åbjörnsson K & Brönmark C (2008) Competition and faciliation within and between a snail and a mayfly larva and the effect on the grazing process. Aquatic Ecology 42: Eroukhmanoff F & Svensson E I (2009) Contemporary Parallell Diversification, Antipredator adaptions and phenotyic integration in an aquatic isopod. PLoS ONE 4, e

13 Hendry A P & Kinnison M T (1999) Prespective: The pace of modern life: Measuring rates of contemporary microevolotion. Evolution 53(6): Jespersen A-M & Christofferfersen K (1987) Measures of chlorophyll-a from phytoplakton using ethanol as extraction solvent. Archive fur Hydrobiology. 109 (3): Jones J I & Sayer C D (2003) Does the fish-invertebrate-periphyton cascade precipitate plant loss in shallow lakes? Ecology 84(8): Pelletier F, Garant D & Hendry A.P (2009) Eco-evolutionary dynamics. Philosophical Transactions of the Royal Society 364: Zimmer M & Bartholmé S (2003) Bacterial endosymbionts in Asellus aquaticus (Isopoda) and Gammarus pulex (Amphipoda) and their contribution to digestion. Limnolgy Oceangraphy. 48(6):