Molecular approach to the study of hemocyanin in stoneflies (Plecoptera): a biologic and phylogenetic interpretation

Abstract

Contrary to what was assumed regarding the presence of respiratory proteins in insects, a functional hemocyanin was recently found in larvae and adults of the stoneflies species Perla marginata in P. grandis. In order to verify if the presence of this ancient trait is widespread within the order and to investigate why stoneflies have maintained it, we have extended the search for hemocyanin within Plecoptera families. In particular, we assessed the presence of hemocyanin in the larval and adult stage the seven families of the European stonefly fauna, and we tested some taxa of Oriental and Southern African fauna living in environments with different ecological features respect to those of the Palaearctic streams. We cloned and sequenced cDNAs corresponding to the conserved hemocyanin fragment (in domain II) and studied their expression with PCR technique. To evaluate hemocyanin presence as translated product, highly sensitive method based on liquid chromatography tandem mass spectrometry, was used. Phylogenetic analyses were inferred. On the basis of our outcomes, we have revealed that hemocyanin seems to be not uniformly distributed within this order. Phylogenetic relations, environmental induction and biological aspects, such as larval size, life cycle length and trophic roles, are discussed as possible factors that may be correlated with the presence or absence of hemocyanin in the studied species. Moreover, we take into account the potential multifunctionality of hemocyanin. In this work we presented the current knowledge about the hemocyanin in the Plecoptera as outcomes of our research.

Diversamente dalle conoscenze attuali sulla presenza delle proteine respiratorie negli insetti, è stata recentemente ritrovata emocianina in larve ed adulti delle specie di plecotteri Perla marginata in P. grandis. Allo scopo di verificare se la presenza di questo carattere antico è diffuso all’interno dell’ordine e per indagare sulle motivazione per cui i plecotteri lo hanno mantenuto, abbiamo esteso la ricerca dell’emocianina all’interno di questo gruppo. In special modo, abbiamo comprovato la presenza in larve ed adulti nelle sette famiglie della fauna europea, ed inoltre abbiamo saggiato qualche taxa della fauna orientale e sudafricana, caratterizzate da condizioni ecologiche differenti rispetto a quelle dei fiumi paleartici. Abbiamo clonato e sequenziato cDNA corrispondenti al frammento conservato di emocianina (nel dminio II), ed abbiamo studiato la loro espressione con tecniche di PCR. Per accertare la presenza di emocianina come prodotto di traduzione, si è utilizzato un metodo altamente sensibile basato sulla spettrometria di massa. Infine la presenza dell’emocianina è stata analizzata in chiave filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti, abbiamo messo evidenza che l’emocianina sembra non essere uniformemente distribuita all’interno dell’ordine. Le relazioni filogenetiche, l’induzione ambientale ed alcuni caratteri biologici, come la grandezza delle larve, la durata del ciclo biologico ed il ruolo trofico, sono state discusse come possibili fattori che possono essere correlati con la presenza o l’assenza dell’emocianina nelle specie studiate. Inoltre sono state considerati le possibili multifunzioni dell’emocianina. Nel presente lavoro viene raccolto lo stato di attuale conoscenza sul tema dell’emocianina nei plecotteri, frutto di questa ricerca.