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Laforsch, Christian (2003): Morphologische Plastizität: Die Zyklomorphose bei Daphnia cucullata. Dissertation, LMU München: Faculty of Biology
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Abstract

The aim of this study was to reveal factors affiliated with morphological plasticity in Daphnia cucullata. This planktonic crustacean shows a seasonal variation in body shape that is commonly known as cyclomorphosis. Here I show that both predator-released chemicals and water-soluble “alarm” signals from wounded Daphnia can induce certain morphological features in Daphnia cucullata. Specifically, the inductive effect of the “alarm” signals is minute compared to the predator-exposed animals. Moreover, laboratory-generated small-scale turbulence was identified to be a proximate factor in cyclomorphosis. This special kind of turbulence is compared to turbulence evoked by the movement of other organisms. A distinct protective effect of the morphological traits against invertebrate predation was revealed as the likely ultimate factor of cyclomorphosis. Furthermore, a unique method of ultrasonic microscopy reveals “hidden” morphological plasticity in daphnids. The armor of predator-exposed animals is much stronger than that of those not exposed to predators. I developed a new SEM-preparation method to get detailed insight in ontogenesis in Daphnia. I detected morphological defenses in predator-chemical-induced Daphnia cucullata already in the last embryonic stage. Induction experiments on transgenerational effects in Daphnia cucullata show that defended mothers release offspring that are better defended than the descendants of unthreatened parents. Furthermore, daphnids could asses their actual predation risk by taking both predator and prey density into account. Thereafter the degree of a defense is adjusted to the individual hazard, thus saving unnecessary costs associated with the development of a particular defense. The combined results of this study indicate that cyclomorphosis in Daphnia cucullata has evolved as an adaptation to variable environments.

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der morphologischen Plastizität bei Daphnia cucullata, die eine stark ausgeprägte Saisonalvariation, die so genannte Zyklomorphose zeigt. Die Ergebnisse dieser Studie haben gezeigt, dass sowohl von Räubern abgegebene chemische Substanzen (Kairomone), als auch von den Daphnien abgegebene Warnsignale eine induktive Wirkung auf die plastischen Merkmale von Daphnia cucullata haben, wobei die Induktion durch Warnsignale im Vergleich zur Induktion der prädator-exponierten Tiere gering ist. Ebenso sind im Labor erzeugte Mikroturbulenzen, die möglicherweise den Turbulenzen ähnlich sind, die andere Organismen durch Ihre Fortbewegungsweise im Wasser verursachen, als proximater Faktor der Zyklomorphose identifiziert worden. Als ultimater Faktor der Zyklomorphose konnte ein eindeutiger Schutzeffekt der plastischen Merkmale bei der Prädation verschiedenster invertebrater Räuber nachgewiesen werden. Diesbezüglich konnte durch eine neuartige hochfrequente Ultraschallmikros- kopiertechnik eine „versteckte“ morphologische Plastizität, die Verstärkung des Panzers der Daphnien nachgewiesen werden. Zudem konnte durch eine selbst entwickelte neue rasterelektronenmikroskopische Präparationsmethode anhand der Ontogenie von prädatorexponierten und nicht-räuberexponierten Daphnien gezeigt werden, dass Daphnia cucullata ihre Verteidigung bereits im letzten Embryonalstadium ausbildet. Außerdem haben transgenerationale Kairomon- induktionsexperimente gezeigt, dass bereits verteidigte Mütter Nachkommen bilden, deren Ausprägung der Verteidigung stärker ist, als bei Nachkommen unverteidigter Mütter. Weiterhin sind die Daphnien in der Lage das aktuelle Prädationsrisiko anhand der Räuber-, als auch der Beutedichte abzuschätzen und nivellieren den Grad der Verteidigung anhand dieser Information. Dadurch werden mögliche, mit einer bestimmten Verteidigung verbundene Kosten gespart. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass sich die Zyklomorphose von Daphnia cucullata als eine Adaptation an eine variable Umwelt evolviert hat.