Development of innovative methods for the assessment of environmental biological damage by using parthenogenetic organisms
Author(s)
Pardo, Claudio
Date Issued
June 5, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Genetic variability complicates biological monitoring of environmental pollution, as individuals react differently to disturbance, because of their own different genomic makeup. Consequently, many organisms must be tested to assess the impacts of xenobiotics. Moreover, obtained results are often poorly reproducible due to the above-mentioned reasons. The research aim of the study was to test whether the absence of genetic variation induced by a particular mode of clonal reproduction (apomixis) could translate into more reproducible response to environmental pollutants at the individual level. For this purpose, the non-model species Bacillus rossius (the Mediterranean stick insect) was selected, as it meets several profitable standards for bioindication: wide distribution, specialized diet (on bramble), easy manipulation, and clonal reproduction. The research involved 3 distinct working phases: i) setting up the experimental lines, ii) verifying the goodness of the experimental model as a bioindicator, and iii) comparing the response of clonal and sexual individuals. Experimental clones were obtained by capturing females in the wild (first year), allowing them to reproduce by parthenogenesis under strictly controlled laboratory conditions. Clones were then exposed to different ecologically relevant concentrations of a widely used agro-chemical (copper sulphate, CuSO₄) to assess their sensitivity as bioindicators, in terms of biological (genotoxic) damage. Clones were therefore exposed to the same xenobiotic to test for individual response at the phenotypic level, focusing on life-history and behavioral traits. According to results, copper sulphate induced significant reduction in growth and reproductive success. During the second year, the experimental clonal lines, still maintained under standardized laboratory conditions, were isolated. A pool of sexually reproducing individuals was similarly allowed to reproduce in the laboratory, for comparison purposes. In the third year, clonal lines were tested for reproducibility compared to amphigonic insects exposed to the same pollutants. Results showed that clonal insects, were not only more sensitive (within-line level), but also more consistent in their response compared to sexual individuals. In conclusion, the research highlighted: i) the suitability of the Mediterranean stick insect as a novel model species for biomonitoring of environmental pollution, ii) the higher sensitivity of clonal individuals over sexual ones concerning the effects of xenobiotic exposure, iii) the higher consistency of clones of the same line in terms of reproducibility of the results. Further studies will be intended to assess the reliability of the clones for in situ biomonitoring of environmental pollution.
La variabilità genetica complica il monitoraggio biologico dell'inquinamento ambientale, poiché una diversa composizione genomica condiziona la risposta individuale alle perturbazioni antropiche. Una inconsistenza della risposta individuale agli xenobiotici rende spesso i risultati ottenuti con gli approcci convenzionali scarsamente riproducibili, e induce a strutturare disegni sperimentali che coinvolgono un alto numero di animali. L'obiettivo dello studio è stato quello di verificare se l'assenza di variabilità genetica indotta da una particolare modalità di riproduzione clonale (apomittica) potesse tradursi in una risposta a livello individuale più consistente e riproducibile agli inquinanti ambientali. A tal fine, è stata selezionata la specie non-modello Bacillus rossius Rossi 1788 (Insetto Stecco; Bacillidae), in quanto soddisfa diversi standard vantaggiosi per la bioindicazione: ampia distribuzione, dieta specializzata (rovo, Rubus spp.), facile manipolazione e riproduzione clonale. La ricerca ha previsto tre distinte fasi di lavoro: i) allestimento delle linee sperimentali, ii) verifica della bontà del modello sperimentale come bioindicatore e iii) confronto della risposta degli individui clonali e sessuali. I cloni sperimentali sono stati ottenuti catturando delle femmine vergini in natura (primo anno) e consentendo loro di riprodursi per partenogenesi in condizioni di laboratorio strettamente controllate. I cloni sono stati poi esposti a diverse concentrazioni ecologicamente rilevanti di un prodotto chimico ampiamente utilizzato in agricoltura (solfato di rame, CuSO₄) per valutare la loro sensibilità come bioindicatori in termini di danno biologico (genotossico). I cloni sono stati quindi esposti allo stesso xenobiotico per verificare la risposta a livello fenotipico, concentrandosi sui tratti di storia di vita e comportamentali. Secondo i risultati ottenuti, il solfato di rame ha indotto una riduzione significativa della condizione corporea e del successo riproduttivo, con effetti limitati a livello comportamentale. Durante il secondo anno, sono state isolate le linee clonali sperimentali, mantenendole in condizioni di laboratorio standardizzate e, a scopo di confronto, è stato aggiunto un gruppo di individui a riproduzione sessuata. Nel terzo anno, infine, le linee clonali sono state testate rispetto agli insetti anfigonici esposti agli stessi inquinanti al fine di saggiare la diversità nelle risposte e la riproducibilità della risposta individuale. I risultati hanno riprodotto gli effetti degli inquinanti osservati nell’esperimento precedente e gli insetti clonali si sono dimostrati più sensibili, ma anche più coerenti (a livello di linea) nella loro risposta rispetto agli individui sessuati.
In conclusione, la ricerca ha evidenziato: i) l'idoneità dell'insetto stecco come nuova specie modello per il biomonitoraggio dell'inquinamento ambientale, ii) la maggiore sensibilità degli individui clonali rispetto a quelli sessuati per quanto riguarda gli effetti dell'esposizione agli xenobiotici, iii) la maggiore consistenza dei cloni della stessa linea in termini di riproducibilità delle risposte. Ulteriori studi saranno destinati a valutare l'affidabilità dei cloni per il biomonitoraggio in situ dell'inquinamento ambientale.
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e Gestione Sostenibile delle Risorse Ambientali
Tesi di dottorato. 37. ciclo
Tesi di dottorato. 37. ciclo
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