Cutícula e ciclo de muda de duas espécies de isópodos terrestres (Crustacea : Isopoda: Oniscidea)

Abstract

Os isópodos terrestres possuem uma cutícula protetora que mantém a forma corporal, permite locomoção e comunicação com o ambiente e protege contra dessecação, infecção e predação. Assim como nos demais crustáceos, a cutícula é composta por uma matriz orgânica que é mineralizada com cálcio. A cutícula é uma estrutura versátil que reflete adaptações ambientais e a ampla distribuição geográfica do grupo. Dessa forma, a ultraestrutura e a composição da cutícula variam entre espécies. Isópodos terrestres fazem mudas frequentes ao longo da vida para crescer e/ou renovar receptores de superfície, o que resulta em reabsorção e deposição cuticular constante. Esse grupo apresenta muda bifásica e deposição de placas de cálcio nos esternitos anteriores antes da ecdise como estratégia para reciclar o cálcio corporal. Estudos relacionados à cutícula nesse grupo contemplam a ultraestrutura, a composição e a deposição bem como o efeito de alguns fatores ambientais na muda. No entanto, poucos estudos exploram as ligações entre ecomorfologia e história de vida. Essa tese visa explorar diversos aspectos relacionados à cutícula e a muda de duas espécies neotropicais de isópodos terrestres. Atlantoscia floridana e Balloniscus glaber foram usados como modelo uma vez que são frequentemente encontrados nas mesmas localidades e diferem em tipo ecomorfológico e estratégias ambientais. No Capítulo I, foram exploradas as estruturas de superfície e a ultraestrutura da cutícula das duas espécies a fim de ver como as diferenças encontradas podem ser relacionadas à história de vida de cada espécie, utilizando técnicas de microscopia. As espécies diferiram em tipo e disposição das estruturas de superfície bem como em espessura e proporção de camadas da cutícula. De maneira geral, as diferenças das estruturas de superfície estão relacionadas à seleção de microhabitat e nicho ecológico. Características cuticulares ajudam a explicar o hábito endógeno de B. glaber e epígeo de A. floridana enquanto que as diferenças em ultraestrutura são relacionadas a estratégias comportamentais e tolerância ambiental. No Capítulo II, o efeito do cálcio alimentar no ciclo de muda das espécies foi testado. Para isso, dieta experimental e análise estrutural da cutícula foram realizadas a fim de entender como diferentes concentrações de cálcio alimentar interferem na duração do ciclo de muda. Peculiaridades na ecdise em A. floridana refletem morfologia específica do animal. A duração da intramuda foi maior em B. glaber assim como a sobrevivência média nos tratamentos. A duração do ciclo de muda foi influenciada pela concentração de cálcio; uma tendência a menor duração do ciclo com o aumento da concentração de cálcio foi observada em B. glaber, enquanto em A. floridana a diferença encontrada foi apenas entre o controle sem cálcio e os demais tratamentos. Não houve efeito da dieta no grau de mineralização ou na ultraestrutura em B. glaber. Independentemente do tratamento, a maior taxa de mortalidade em laboratório parece estar relacionada com o próprio processo de ecdise, com mortalidade acumulada de 20% do início da ecdise até o início da pós-muda para ambas as espécies. No Capítulo III, a secreção da cutícula durante a pré- e pós-muda muda foi observada utilizando microscopia de transmissão. A deposição seguiu o padrão observado para outros isópodos. Entretanto, grânulos eletrondensos presentes no espaço ecdisial durante a pré-muda são provavelmente constituídos de cálcio, sugerindo a reciclagem de cálcio diretamente da cutícula velha para a nova no mesmo segmento. Esses grânulos são depositados nas escamas na nova epicutícula antes da ecdise, sugerindo a presença de cálcio na superfície cuticular das espécies. Além disso, regiões sem a ultraestrutura típica encontrada na pós-muda indicam que há modificação na exocutícula após a ecdise uma vez que a expansão e endurecimento da nova cutícula apenas após a ecdise. De maneira geral, esse trabalho não apenas trouxe novas informações sobre a estrutura cuticular de duas espécies neotropicias, mas também contribuiu para esclarecer conexões entre ecomorfologia e requerimentos biológicos de isópodos terrestres.

Terrestrial isopods have a protective cuticle that maintains body shape, allows locomotion, enables communication with the environment and protects them against desiccation, infection and predation. As in all crustaceans, their cuticle is composed of an organic matrix that is mineralized with calcium. The cuticle is highly versatile reflecting adaptations to environmental conditions and large geographical distribution of this group. Therefore, cuticle ultrastructure and composition vary among species. Terrestrial isopods molt frequently throughout their lives in order to grow and/or renew surface receptors, resulting in constant cuticular resorption and deposition. In this group, this dynamics of cuticle formation is affected by the biphasic molt and by the calcium deposition on sternal deposits prior ecdysis, strategies to recycle body calcium. Studies related to cuticle on this group include ultrastructure, composition and deposition as well as effect of some environmental factors on molting. However, few studies explore connections of ecomorphology and life history of animals. This thesis aimed to explore various aspects of cuticle structure and molting using two Neotropical species of terrestrial isopods. Atlantoscia floridana and Balloniscus glaber were used as models since they are found in the same locations while differing in ecomorphology and behavioral strategies. In Chapter I, I explored the cuticle surface structures and ultrastructure of both species to see how their differences can be related to each species life history traits, using microscopy techniques. Species differed in surface structures type and disposition, as well as cuticle thickness and layer proportion. Overall, differences in surface structure are related to microhabitat selection and ecological niche. Cuticular features further explain the endogeic habit of B. glaber and epigeic habit of A. floridana, while differences in cuticle ultrastructure relate to behavioral strategies and environmental tolerance. Next, differences on molting cycle and environmental requirements were analyzed. In Chapter II, I tested the effects of dietary calcium on the molting cycle of both species. For that, artificial diet and structural analysis of the cuticle were used to understand how different concentrations of dietary calcium interfere with molt cycle duration. Peculiarities were observed during ecdysis in A. floridana and reflect to specific morphology of the species. Intramolt duration was longer for B. glaber as well as overall survivorship in treatments. Cycle duration was influenced by calcium concentration; a trend of shorter molt cycle length with increasing calcium concentration was observed for B. glaber, while in A. floridana, only difference between control without calcium and other treatments was observed. Degree of mineralization and cuticle ultrastructure of B. glaber showed no difference between treatments. Regardless of treatment or species, higher mortality rate under lab conditions seems to be related to the process of ecdysis itself, with cumulative mortality of 20% from the beginning of ecdysis until the beginning of postmolt. In Chapter III, I used transmission electron microscopy to analyze cuticle secretion in both species during pre- and postmolt stages. Cuticle deposition during premolt followed the same pattern as other terrestrial isopods. Nonetheless, electron dense granules present on the ecdysial space during premolt are likely calcium granules, suggesting the recycling of calcium within the same segment. These granules are deposited on the scales of the new epicuticle prior ecdysis, suggesting the presence of calcium on the cuticular surface of both species. Moreover, regions without typical lamellate ultrastructure during postmolt indicate modification of the exocuticle after ecdysis since expansion and hardening must occur after ecdysis. Overall, this work not only added information on cuticular structure of two Neotropical species but also clarified connections between ecomorphology and biological requirements of terrestrial isopods.