Altitudinal effects on innate immune response and local population genetic structure of Nannospalax xanthodon (Anatolian Blind Mole Rat)

Abstract

Bağışıklık yanıtını sürekli olarak aktif tutmak ve bunu sürdürmek canlılar için çok fazla enerjiye mal olmaktadır ve bağışıklık yanıtına yapılacak olan ideal enerji yatırımı enfeksiyon riskine bağlıdır. Yükseklik ise parazit bolluğunu etkileyen doğal çevresel bir faktördür, yüksek rakımda zorlu çevre koşullarının parazit transmisyonunun azaltmasına bağlı olarak parazit bolluğunu düşürdüğü tahmin edilmektedir. Bu yüksekliğe bağlı muhtemel fenotipik farklılığın sebebi popülasyonlar arasındaki nötral ayrılma olabileceği gibi coğrafi olarak yakın popülasyonlar arasındaki gen akışı da olabilir.Bu çalışmada Anadolu Körfaresi'nin yüksek, orta ve alçak rakımdaki popülasyonları kullanılarak, yüksekliğin doğuştan gelen özgül olmayan bağışıklık sistemine olan ve farklı yükseklikteki popülasyonların nötral genetik ayrılma miktarları test edildi.Devam eden üç yıl bolunca (2017, 2018 ve 2019) Orta Toros Dağları ve çevresindeki altı farklı popülasyonda yapılan arazi çalışmaları sonucunda (iki yüksek rakım, bir ortalama rakım ve üç alçak rakım) 48 örnek toplandı. Popülasyonların rakımları sırasıyla denizden 1010 m, 1115 m, 1350 m, 1700 m, 2580 m ve 2900 m yüksekliktedir. İlk olarak farklı yükseklikteki popülasyonlardan alınan kan plazmasının bakteri öldürme yeteneği ölçülerek doğuştan gelen özgül olmayan bağışıklık sistemi karşılaştırıldı. Sonrasında yükseltiye bağlı olarak stresli koşullar bağışıklık sistemini etkileyebileceği için, kortikosteron (stres) hormonunun seviyeleri karşılaştırıldı. Daha sonra mide-bağırsak parazitlerinin yaygınlık ve yoğunluğu karşılaştırıldı. Son olarak sekiz floresan mikrosatelit markır kullanılarak popülasyonlar arasındaki nötral genetik ayrılma miktarları test edildi. Yüksek rakımdan alınan örneklere ait plazmaların bakteri öldürme yeteneklerinin alçaktakilere oranla daha yüksek olduğu gözlenirken, korikosteron seviyelerinde yükseltiye bağlı anlamlı bir fark görülmedi. Mide-bağırsak parazitlerinin yoğunluğu ve bolluğunun yükseltiye ya da cinsiyete bağlı olarak değişimezken, yaygınlığının 2017 yılında 2018 yılına göre daha yüksek olduğu gözlendi. Farklı yüksekliklerdeki popülasyonların nötral genetik ayrılmalarının muhtemelen elimizdeki mikrosatelit markırlar ile tespit edilemeyecek kadar az olduğu gözlendi. Düşük örnek sayısı gerçek farklılıkların ortaya çıkartılmasını engellemiş olabilir fakat yine de bu çalışma yüksek rakımda yaşayan hayvanların doğuştan gelen özgül olmayan bağışıklık sistemine daha fazla yatırım yaptığına dair öncül sonuçlar göstermektedir ve bu fonksiyönel farklılıklar ise muhtemelen güçlü bir doğal seçilimin etkisinde, dağlık ortama adaptasyon amacı ile gelişmiştir.

Immune defense is costly to maintain and deploy, and the optimal investment into immune defense should depend on the risk of infection. Altitude is a natural environmental factor predicted to affect parasite abundance, with lower parasite abundance expected at higher altitudes because of stronger environmental stressors that reduce parasite transmission. Therefore, investment in immune response predicted to depend on the strength of selection imposed by parasites and the availability of resources. The possible differences in immune response may also be caused by neutral divergence between the populations, or they can be affected by gene flow between geographically close populations. Using high, middle and low altitude populations of the Anatolian blind mole rat (ABMR), Nannospalax xanthodon, we tested for effects of altitude on constitutive innate immune defense, and the amount of neutral genetic divergence between these populations. Field studies were performed with 48 wild animals in 2017, 2018 and 2019 from two high, one middle and three low altitude populations in the Central Taurus Mountains, at respective altitudes of 1010 m, 1115 m, 1350 m, 1700 m, 2580 m and 2900 m above sea level. We first compared standing innate immune defense among these populations as measured by bacteria killing ability of blood plasma. We then measured corticosterone stress hormone levels because stressful conditions may affect immune response. Furthermore, we compared prevalence and intensity of gastrointestinal parasites of field-captured ABMR. Finally, we tested the neutral genetic divergence between altitude populations by eight microsatellite markers. We found that bacteria killing ability of plasma is greater in the mole-rat samples from high altitude populations. There was no significant difference in stress (corticosterone) levels between altitude categories. Parasite prevalence was significantly higher in 2017 samples but there was no significant difference in abundance or intensity between altitudes nor between sexes. The amount of neutral genetic differences between altitudes were likely too small to be detected with the given markers. Small sample sizes may have reduced our power to detect true differences, nevertheless, this study provides preliminary support that greater standing innate immunity in high altitude animals may reflect greater investment into constitutive defense. These functional differences could be caused by strong natural selection for adaptation to the mountain environment.