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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Mário Sergio Cervoni
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Ribeirão Preto, 2018
Supervisor
Committee
Hartfelder, Klaus Hartmann (President)
Nunes, Francis de Morais Franco
Lourenço, Anete Pedro
Navegantes, Luiz Carlos Carvalho
Ramos, Ricardo Guelerman Pinheiro
Title in Portuguese
Metabolismo oxidativo e estado redox tecidual dependente da função e do estado nutricional de operárias de Apis mellifera L.
Keywords in Portuguese
Abelhas melíferas
Biogênese mitocondrial
Consumo de oxigênio
Estado redox
Restrição calórica
Via de sinalização por hipóxia
Abstract in Portuguese
As operárias de Apis mellifera realizam diferentes tarefas de acordo com a sua idade (polietismo etário), sendo que operárias jovens cuidam da cria e quando mais velhas forrageiam. Entretanto, tal transição não segue uma cronologia fixa, mas se ajusta às necessidades da colônia, especialmente as condições nutricionais, tanto da colônia quanto dos indivíduos. Nesse sentido, abordamos a questão de como o metabolismo oxidativo no corpo gorduroso das operárias, i.e., o centro do metabolismo intermediário destes insetos, está relacionado com alterações da função das operárias na colônia e como o mesmo responde a um estresse nutritivo imposto individualmente em duas fases, na fase larval e na fase adulta. Como métodos para avaliar a atividade mitocondrial e o estado redox das células do corpo gorduroso utilizamos um sistema de respirometria de alta resolução para medir o consumo de O2, e realizamos ensaios bioquímicos para quantificar a geração de espécies reativas de oxigênio (EROs), os níveis de óxido nítrico, o número de unidades mitocondriais, e eventuais danos oxidativos resultantes. Ademais, por meio de PCR quantitativa medimos a expressão relativa de genes ligados à biogênese mitocondrial, ao sistema antioxidante e à via de sinalização por hipóxia. Na comparação destes parâmetros entre operárias nutridoras e forrageiras avaliamos separadamente os três principais compartimentos do corpo (cabeça, tórax e abdômen) uma vez que esses estão diferencialmente relacionados a tais funções. Para os tecidos da cabeça observamos que as amostras de nutridoras apresentaram maior consumo de O2, associado a uma maior produção de EROs e expressão elevada dos genes da via de hipóxia, enquanto forrageiras apresentaram maiores quantidades de transcritos dos genes do sistema antioxidantes e menores níveis de danos oxidativos. Para os tecidos do tórax observamos nas forrageiras uma maior capacidade de produção de ATP, acompanhada de uma elevada expressão de genes codificadores de enzimas do sistema antioxidante e menores níveis de danos oxidativos. Com relação aos tecidos abdominais, as abelhas nutridoras apresentaram maior atividade mitocondrial, enquanto as amostras de forrageiras apresentaram maior número de unidades mitocondriais, elevados níveis EROs e também uma expressão elevada dos genes do sistema antioxidante e da via de hipóxia. Assim, os dados revelaram uma clara mudança na atividade mitocondrial e nos padrões redox teciduais associados a esta transição de polietismo etário. Também notamos diferenças nestes parâmetros para cada compartimento do corpo analisado, refletindo uma demanda energética diferencial em cada tecido. A segunda parte do projeto teve como objetivo avaliar os mesmos parâmetros redox em uma situação de restrição alimentar em três situações distintas. O primeiro grupo experimental foi constituído de larvas que sofreram restrição calórica por umperíodo de 10 horas. O segundo grupo foi composto por abelhas recém emergidas que sofreram ou não tal restrição calórica no período larval. O terceiro grupo consistiu de abelhas que sofreram ou não restrição calórica no período larval, e após emergirem foram mantidas em caixas até atingirem a idade de 7 dias, quando foram submetidos novamente a uma restrição calórica. Para o primeiro grupo, as larvas, verificamos que após o período de restrição calórica os genes relacionados com a biogênese mitocondrial e o sistema antioxidante apresentaram níveis de expressão menores comparadas com larvas controle. Observamos também que larvas que sofreram restrição calórica apresentaram menor consumo de O2 e menores níveis de EROs. Para o segundo grupo, as abelhas recém emergidas, não observamos nenhuma diferença na expressão de genes mitocondriais e do sistema antioxidante entre as que sofreram ou não restrição calórica na fase larval, demostrando uma recuperação nestes parâmetros após o período de metamorfose. No terceiro grupo, as abelhas de 7 dias foram submetidas a uma nova restrição calórica para observar se indivíduos que passaram por a situação de estresse no período larval apresentariam uma resposta mais imediata a um estresse nutricional na fase adulta. Os resultados do terceiro grupo revelaram que abelhas que haviam sido expostas a uma situação prévia de restrição calórica, apresentaram uma redução dos transcritos de genes ligados a biogênese mitocondrial e do sistema antioxidante quando comparados ao grupo que sofreu restrição calórica apenas na fase adulta. Em conjunto nossos dados sugerem que a restrição calórica é capaz de diminuir o metabolismo oxidativo e que existe uma resposta aparentemente adaptativa em indivíduos adultos que passaram por essa situação previamente durante o desenvolvimento larval. Assim, esses resultados podem servir para direcionar estudos futuros sobre a relação entre restrição calórica, metabolismo oxidativo e longevidade nesses insetos sociais.
Title in English
Oxidative metabolism and redox state dependent on the function and nutritional status of Apis mellifera L. workers
Keywords in English
Caloric restriction
Honey bees
Mitochondrial Biogenesis
Oxygen consumption
Redox state, Hypoxia signaling pathway
Abstract in English
Apis mellifera workers perform different tasks according to their age (age polyethism), where young workers care for the brood and older ones become foragers. However, this a transition does not follow a fixed chronology, but is fitted to the needs of the colony, especially the nutritional conditions of both, the colony and the individual bee. In this sense, we address the question of how oxidative metabolism in the fat body of the workers, e.g., the center of the intermediary metabolism of these insects, is related to changes in the function of the workers in the colony, and how these parameters responds to a nutritional stress imposed individually in two stages, in the larval and adult phase. For evaluating mitochondrial activity and the redox status of fat body cells we used a high resolution respirometry system to measure O2 consumption, and we performed biochemical assays to measure the generation of reactive oxygen species (ROS), levels of nitric oxide, the number of mitochondrial units, and eventual oxidative damages. Furthermore, using quantitative PCR, we measured the relative expression of genes linked to mitochondrial biogenesis, to the antioxidant system, and to the hypoxia signaling pathway. In the comparison of these parameters between nurse and forager workers, we evaluated separately the three main body compartments (head, thorax and abdomen), since these are differentially related to these functions. For the head tissues, we observed that nurses showed higher O2 consumption, associated with higher ROS production and elevated expression of hypoxia pathway genes, while foragers presented higher amounts of transcripts of the antioxidant system genes and lower levels of oxidative damages. For the thorax tissues we found in the foragers a greater capacity of ATP production, accompanied by a higher expression of genes encoding enzymes of the antioxidant system and lower levels of oxidative damage. With respect to the abdominal tissues, nurse bees presented higher mitochondrial activity, while foragers had a higher number of mitochondrial units, elevated ROS levels, and also a higher expression of genes related to the antioxidant system and hypoxia pathway. Thus, these data revealed a clear change in mitochondrial activity and redox tissue patterns associated with this transition of age polyethism. We also noticed differences in these parameters for each of the analyzed body compartment, reflecting a differential energy demand in each tissue. The second part of the project aimed to evaluate the same redox parameters in a food restriction condition in three distinct situations. The first experimental group consisted of larvae that experienced caloric restriction for a 10 hour period. The second group consisted of newly emerged bees that had or not experienced such a caloric restriction in the larval period. The third group consisted of bees that had experienced or not caloric restriction during the larval period, and after emergence were kept in boxes until reaching 7 days old, when they were resubmitted to another caloricrestriction. For the first group, the larvae, we found that after the period of caloric restriction, genes related to mitochondrial biogenesis and the antioxidant system presented lower levels of expression compared to control larvae. We also observed that larvae that had experienced caloric restriction presented lower O2 consumption and lower ROS levels. For the second group, newly emerged bees, we did not observe any differences in the expression of mitochondrial genes and the antioxidant system among those individuals that had experienced or not caloric restriction in the larval phase, indicating a recovery in these parameters after the period of metamorphosis. In the third group, the 7-day-old bees had experienced a new caloric restriction to see whether individuals that had been in a stressful situation during larval period would respond more readily to nutritional stress in adulthood. The results for this group showed that bees that had been exposed to a previous caloric restriction presented a reduction in the transcript levels of genes related to mitochondrial biogenesis and the antioxidant system when compared to the group that experienced caloric restriction only in adulthood. Taken together, our data suggest that caloric restriction is able to diminish the oxidative metabolism, and that there is a seemingly adaptive response in adult individuals that had previously experienced this situation during larval development. Thus, these results can serve to direct future studies on the relationship between caloric restriction, oxidative metabolism and longevity in these social insects.
 
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Publishing Date
2019-07-30
 
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