The impact of cell size on metabolic rate, growth rate and development in amphibians: A case study on the diploid and triploid edible frogs (Pelophylax esculentus)

Abstract

Jedną z zagadek współczesnej biologii jest tzw. temperature-size rule (TSR): większość zwierząt zmiennocieplnych rozwijając się w niskiej temperaturze rośnie wolniej ale, osiąga większe rozmiary ciała w porównaniu z wyższymi temperaturami. Ważnym elementem tego zjawiska wydają się być reakcje rozmiaru komórek na środowisko termiczne w czasie rozwoju. Wielkość komórek może także określać tempo metabolizmu samych komórek jak również całego organizmu. Poprzez związek z tempem metabolizmu, rozmiar komórek powinien również wpływać na tempo wzrostu i rozwoju a także na osiąganą masę ciała, co mogłoby tłumaczyć TSR. Celem mojej pracy było zbadanie związku pomiędzy wielkością komórek, wielkością ciała, tempem wzrostu i tempem metabolizmu u płazów rozwijających się w okresie larwalnym w niskiej i wysokiej temperaturze. Obiektem moich badań były diploidalne i triploidalne żaby wodne, Pelophylax esculentus, które różniły się wielkością genomu i wielkością erytrocytów, co wykazano w poprzednich pracach. Wykazałem, że ploidia i temperatura istotnie wpływa na wielkość komórek, tempo wzrostu i masę ciała kijanek. Wykazałem również, że diploidalne kijanki miały wyższe standardowe tempo metabolizmu (SMR) niż triploidy. Co ciekawe, ploidia nie wpływała na SMR u żabek. Wnioskuję, że wielkość komórek może mieć większe znaczenie dla SMR w wodzie niż na lądzie, ponieważ ilość tlenu zawartego w wodzie jest mniejsza, a jego dostępność w stosunku do zapotrzebowania maleje wraz ze wzrostem temperatury. Wyniki mojej pracy doktorskiej wyraźnie wskazują, że zróżnicowanie wielkości komórek, wywołane przez czynniki środowiskowe i cytogenetyczne, może odgrywać istotną rolę w fizjologii zmiennocieplnych kręgowców.

One of the puzzles of modern biology is the temperature-size rule (TSR): most ectotherms when developing at low temperatures grow slowly but achieve larger body size. Changes in cell size induced by temperature during development seem to be an important component of this phenomenon. Cells size may also determine the metabolic rate on a cellular and organismal level. Via the link with the metabolic rate, cell size should also affect the organismal growth rate and development as well as body weight, which may also explain the origin of TSR. The objective of my thesis was to investigate the links between cell size, body size, growth rate and whole-body metabolic rate in amphibians developing as larvae at low and high temperature. My research objects were diploid and triploid Pelophylax esculentus, which had previously been shown to differ in genome size and erythrocyte size. I found that ploidy and temperature significantly affected cell size, growth rate and body size in tadpoles. I also revealed that diploid tadpoles had a higher standard metabolic rate (SMR) than triploids. Interestingly, in froglets, ploidy did not affect the SMR. I suggest that cell size may have more consequences for whole-body metabolic rates in aquatic than in terrestrial habitats because oxygen is less available in water, and its availability in relation to oxygen demand decreases with increasing temperatures. My thesis clearly demonstrates that the variation in cell size induced by internal and external factors may play a significant role in the physiology of ectothermic vertebrates.