<p>Koi and goldfish have been released into rivers in South Africa since the 1800&rsquo / s for food and sport fish and have since spread extensively. These fish are present in most of the river systems in South Africa and pose an additional threat the indigenous cyprinids in the Western Cape. Monogenean parasites of the genus Gyrodactylus are of particular concern, as their unique biology renders them a possible threat. Gyrodactylus kherulensis and G. kobayashii were identified from koi and goldfish respectively imported from Asia, Europe and locally bred fish. Morphometrics and the use of statistical classifiers, which includes univariate (ANOVA and Kruskal-Wallis), bivariate (Pearson&rsquo / s correlation) and multivariate (Principal Component Analysis) placed the two species within their respective groups. There was some intraspecific variation among the different populations collected from the various locations, especially in the hamulus and ventral bar features, but the marginal hooklets, however, remained static for both helminth species.</p>

A central goal of evolutionary biology is to understand the processes responsible for morphological, genetic and behavioural differentiation between sexes and among geographically distinct populations. Perhaps the most significant processes are genetic drift, natural selection, phenotypic plasticity and sexual selection. The main aim of this thesis was to investigate differentiation among individuals and populations of the sex-role reversed pipefish (Syngnathus typhle) and, consequently, determine which processes may be responsible for emerging patterns. This unique species is characterised by males predominately choosing amongst displaying females. In this thesis I revealed, on a microgeographic scale, morphological differentiation without genetic divergence among populations. Interestingly, females differed in size whereas the males did not. For females in this sex-role reversed species, the costs of expressing a plastic phenotype may be outweighed by the potential gains from greater survivorship, higher fecundity or increased mating success. Thus, females gain the ability to make themselves as conspicuous and attractive to males as possible in the specific environment they are living. Moreover, behavioural experiments, which focussed on describing “personalities”, reproductive investment strategies, and mate-sampling tactics, also indicated that males as well as females had the behavioural plasticity required to adjust to the environment in which they live. To this end, using video playbacks as experimental stimuli may be especially rewarding in this species. Overall, the studies in this thesis acknowledge the ability of species to fine-tune their phenotype to maximise fitness and, therefore, highlight the importance of considering patterns of differentiation in an environment-specific context.

Temperature variation affects most biological parameters from the molecular level to community structure and dynamics. Current studies on thermal biology assess how populations vary in response to environmental temperature, which can help determine how populations differentially respond to climate change. To date, temperature fluctuation effects on endothermic poikilotherms such as the common eastern bumblebee (Bombus impatiens) are unknown even though bumblebees are the most important natural pollinators in North America. A cold-acclimation experiment with B. impatiens colonies revealed individuals acclimated to 5°C or 10°C at night did not differ in resting metabolic rate, flight metabolic rate, wingbeat frequency, or morphological measurements, compared to the control group. Moreover, an infrared camera showed that all colonies maintained maximum nest temperature consistently above 36.8°C. A latitudinal sampling of flight metabolic rate and morphological measurements of B. impatiens from four locations spanning Ontario (N 45°; W 75°) to North Carolina (N 34°; W 77°) indicated no latitudinal trend in the measured variables. This study shows that bumblebees are well equipped to face a wide range of environmental temperatures, both in the short term and long term, and can use a combination of behavioural and physiological mechanisms to regulate body and nest temperatures. These results are reassuring on the direct effects of climate change on bumblebee ecology, but further studies on the indirect effect of temperature variation on North American bumblebees are required to predict future ecosystem dynamics.

Hypertension is a risk factor for many cardiovascular and cerebrovascular diseases such as atherosclerosis and stroke. It is therefore important to understand the effect of hypertension on temporal growth and remodeling of arteries. In this study, experimental hypertension was induced in the mini-pig by aortic coarctation. Basilar arteries and aortas were collected for analysis over an eight week period of hypertension with specimens from normotensive animals serving as controls. Changes in mechanical properties of the basilar artery were evaluated by in vitro pressure-diameter tests on intact cylindrical segments at their in situ length. The basilar arteries from hypertensive animals became less distensible, reflecting increases in both structural and material stiffness, compared to their normotensive counterparts. The circumferential stress rapidly returned toward its homeostatic value by increasing the wall thickness within two weeks. Immunohistochemistry, which is capable of illustrating the localization and distribution of protein expression, was performed to examine changes in wall constituents in the aorta. The increased medial thickness observed in hypertensive pigs compared to normotensive pigs was due to hyperplasia of smooth muscle cells (SMCs) and accumulation of extracellular matrix proteins, which were accompanied by the phenotypic modulation of SMCs. The increased interlamellar thickness, collagen fibers, and the thickness of elastic lamina found in the inner media of hypertensive animal may be associated with the gradient of stress decreasing into the outer media. SMC proliferation, if any, was found evenly distributed across the media, however. In cases showing increased proliferation and matrix protein synthesis, the SMC contractile markers were down-regulated whereas the SMC synthetic markers were up-regulated. While the aortic intima appeared normal in the normotensive animals, neointima formation, which may predispose the vessel to atheroma formation, was found in the hypertensive animals. Immunohistochemistry of Hsp47 and procollagen revealed that the endothelial cells (ECs) may produce collagen, specifically type I collagen in response to hypertension and contribute to the thickened intima. In addition, lectin staining for ECs markers and immunostaining for eNOS suggested that endothelial cells may transdifferentiate into intimal SMCs. These findings suggested an alternative role that ECs may play in hypertension-induced atherogenesis.

Cells switch phenotypes or behaviors to adapt to various environmental stimuli. Often there are multiple alternative phenotypes, hence a cell chooses one phenotype among them, a process which we term a ``decision switch'. At the cellular level, decision switches are governed by gene regulation, hence they are intrinsically stochastic. Here we investigate two aspects of decision switches: how copy number of genetic components facilitates multiple phenotypes and how temporal dynamics of gene regulation with stochastic fluctuations affect switching a cell fate. First, we demonstrate that gene expression can be sensitive to changes in the copy number of genes and promoters, and alternative phenotypes may arise due to bistability within gene regulatory networks. Our analysis in phage-lambda-infected E. coli cells exhibit drastic change in gene expression by changing the copy number of viral genes, suggesting phages can determine their fates collectively via sharing gene products. Second, we examine decision switches mediated by temporal dynamics of gene regulation. We consider a case when temporal gene expression triggers a corresponding cell fate, and apply it to the lysis-lysogeny decision switch by phage lambda. Our analysis recapitulates the systematic bias between lysis and lysogeny by the viral gene copy number. We also present a quantitative measure of cell fate predictability based on temporal gene expression. Analyses using our framework suggest that the future fate of a cell can be highly correlated with temporal gene expression, and predicted if the current gene expression is known.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2009. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 151-168).

The ecological niche of the vagina contains a large number of different microbes that are constantly interacting with each other and the host. Culture methods have not been sufficient in order to resolve the complexity of the normal vaginal flora. Further, the methods for delineating normal flora from not normal flora are not easily handled and are traditionally not based on culture but on microscopy of elements of the vaginal fluid. In the work presented in this thesis, an international collaboration was established that pin-pointed some of the difficulties in classifying vaginal floras, including staining, sampling, and discordance when lactobacilli are few in number, and that emphasized the importance of the size of the vision field in microscopes. As lactobacilli are prominent members of the normal vaginal flora they need to be carefully classified if further work towards more robust scoring tools is to be achieved. Phenotypic methods have not been able to separate the closely related Lactobacillus species of the vagina. Progress in molecular biology has provided possibilities to characterize these lactobacilli, which are mainly from the Lactobacillus acidophilus group. In this work a large number of strains collected by true random sampling were subjected to RAPD-PCR, TTGE and multiplex PCR for species identification. The major species found were L. crispatus, L. gasseri and L. jensenii and the recently described L. iners. The presence of L. iners has not been detected in previous studies due to its special nutrient requirements. Development of pyrosequencing technology also made it possible to match signatures of the two variable regions V1 and V3 of the 16S rRNA gene of the vaginal lactobacilli and identify them to the species level in a high throughput manner. The study confirmed that the dominating flora in women with normal vaginal flora comprises the four species mentioned previously. Repetitive sampling during IVF-treatment with highly varying oestrogen levels demonstrates changes that possibly occur during changes in the natural life cycle. Furthermore, L. iners was found to be the first species to be established after spontaneously resolved or treated Bacterial Vaginosis. These findings can be of help in developing new strategies for regaining and retaining the normal vaginal flora.

All organisms live in environments that are variable across space and time. Variation in selection across these environments may lead to the evolution of generalist genotypes that express phenotypic plasticity, in which one genotype can alter their phenotype (e.g., morphology, behavior, physiology) to match changes in environmental conditions, so that they may survive across a range of environments. In many egg-laying organisms that lack parental care, choosing an oviposition site is critical. The egg is an immobile stage of an animal's life cycle and mothers must balance a complex set of risks in deciding where to place their eggs. Because many biotic and abiotic factors are sources of selection on offspring survival, there is an advantage for females to evolve strategies in oviposition site selection to improve survival. This dissertation focuses on phenotypic plasticity in an offspring protection strategy that is triggered by natural enemies. In the seed beetle Mimosestes amicus (Coleoptera: Chrysomelidae: Bruchinae), females lay eggs on the outside of seed pods of legume trees and beetle larvae bore into and develop in the limited and discrete tissue of the seed. While most eggs are laid singly, I documented that beetle females superimpose eggs atop each other ("egg stacking") in response to the presence of egg parasitoids or parasitized eggs. In my first chapter, I investigated whether egg stacking is a strategy for protecting eggs from parasitism. In my second chapter, I examined female responses to variation in the number and dispersion of parasitized eggs on seed pods. Lastly, I investigated whether the intensity of stacking was affected by egg limitation (the risk of depleting her eggs before utilizing all hosts) or time limitation (losing reproductive ability or dying before laying all of her eggs). This study is unique in that it extends life history theory on egg and time costs to explain variation in egg protection behavior. The insights gained from this dissertation provide a foundation upon which we can examine how interactions among trophic levels impact the behavioral decisions made by insects that allow them to increase offspring survival.

Ο όρος φαινοτυπική πλαστικότητα χαρακτηρίζει την ιδιότητα ενός γονότυπου να παράγει ποικίλους φαινότυπους, ως απόκριση στις περιβαλλοντικές συνθήκες στις οποίες υπόκειται (Pigliucci et al. 2006). Αυτή η απόκριση μπορεί να εκφράζεται σε μορφολογικό, βιοχημικό, φυσιολογικό ή αναπτυξιακό επίπεδο (οντογενετική πλαστικότητα), καθώς και στα πρότυπα συμπεριφοράς. Δεδομένης της σημασίας της φαινοτυπικής πλαστικότητας για τις λειτουργικές αποκρίσεις των ατόμων και των πληθυσμών (π.χ. αναλογία φύλου και πληθυσμιακή δομή), η μελέτη του φαινομένου στην ομάδα των ψαριών θεωρείται σημαντική τόσο για τους φυσικούς πληθυσμούς, σε οικολογικό ή εξελικτικό χρόνο, όσο και για τους εκτρεφόμενους. Η ολοκληρωμένη μελέτη της φαινοτυπικής πλαστικότητας, με έμφαση στους υποκείμενους μοριακούς και αναπτυξιακούς μηχανισμούς, μπορεί να δώσει πιο τεκμηριωμένες απαντήσεις στα ερωτήματα που σχετίζονται με τον τρόπο δράσης του φαινομένου στην οικολογία και στην εξέλιξη των ειδών, αλλά και σε πιο πρακτικά ζητήματα, όπως αυτά που αφορούν την εκτροφή ψαριών. Ο κύριος περιβαλλοντικός παράγοντας, υπεύθυνος για την εμφάνιση φαινοτυπικής πλαστικότητας στα ψάρια, φαίνεται ότι είναι η θερμοκρασία ανάπτυξης, η οποία έχει βρεθεί ότι επιδρά στο μεταβολισμό, την ανάπτυξη (Johston 1996, Stickland et al. 1998, Guderley 2004) και τη δομή των μυών (Guderley and Johston 1996, Ochi and Westerfield 2007), τους μεριστικούς χαρακτήρες (Lindsey 1998, Georgakopoulou et al. 2007), το σχήμα του σώματος (Loy et al. 1996, Georgakopoulou et al. 2007), την κολυμβητική ικανότητα (Fuiman and Batty 1997) και την αναλογία φύλου (Pavlidis et al. 2000, Koumoundouros et al. 2002a). Η θερμοκρασία ανάπτυξης, φαίνεται ότι επηρεάζει σημαντικά το ρυθμό αύξησης και διαφοροποίησης των ψαριών, τροποποιώντας το σωματικό μέγεθος όπου επιτελούνται τα διάφορα αναπτυξιακά γεγονότα, φαινόμενο γνωστό ως οντογενετική πλαστικότητα (Koumoundouros et al. 2001, Sfakianakis et al. 2004). Στην παρούσα εργασία εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας πρώιμης ανάπτυξης, στη φαινοτυπική πλαστικότητα του είδους Danio rerio. Εξετάστηκε η αναλογία του φύλου και το σχήμα του σώματος των ψαριών, καθώς και ο ρυθμός ανάπτυξης των νυμφών και των ιχθυδίων κατά τη διάρκεια της εφαρμογής των διαφορετικών θερμοκρασιακών συνθηκών. Παράλληλα έγινε μια προσπάθεια προσδιορισμού του ευαίσθητου στην επίδραση της θερμοκρασίας, οντογενετικού σταδίου. Σύμφωνα με τον πειραματικό σχεδιασμό που ακολουθήθηκε, εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια δύο διαφορετικών πρώιμων οντογενετικών περιόδων, διάρκειας 280οd η κάθε 100 μία (28-308οd και 280-560οd). Στην πρώτη οντογενετική περίοδο, τα έμβρυα αφέθηκαν για είκοσι τέσσερις ώρες στους 28οC και στη συνέχεια διαχωρίστηκαν σε τρεις πληθυσμούς ψαριών οι οποίοι υποβλήθηκαν σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασιακές συνθήκες (22, 28, 32οC) για μια περίοδο 280οd (28-308od, πρώτη υπό εξέταση οντογενετική περίοδος, ΟΠ1). Στη δεύτερη οντογενετική περίοδο, τα έμβρυα και οι νύμφες διατηρήθηκαν σε κοινές συνθήκες (28οC) μέχρι την 10η ημέρα μετά τη γονιμοποίηση. Στη συνέχεια διαχωρίστηκαν σε τρεις πληθυσμούς ψαριών, οι οποίοι υποβλήθηκαν σε διαφορετικές θερμοκρασιακές συνθήκες (22, 28 και 32οC) μέχρι την 560οd (280-560od, δεύτερη υπό εξέταση οντογενετική περίοδος, ΟΠ2). Και στις δύο περιπτώσεις, μετά το πέρας της περιόδου των 280οd με διαφορετική θερμοκρασιακή επίδραση, η ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε σε κοινές συνθήκες (28οC). Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν εις διπλούν. Όλοι οι πειραματικοί πληθυσμοί, προήλθαν από κοινό απόθεμα αυγών. Η διατήρηση και η εκτροφή των νυμφών και των ενήλικων ψαριών πραγματοποιήθηκε βάσει μεθοδολογίας που περιγράφεται στο «The Zebrafish Book» (Westerfield 1995). Το φύλο των ενήλικων ατόμων προσδιορίστηκε μακροσκοπικά, έχοντας ως βάση τους χαρακτήρες της διογκωμένης κοιλιάς των θηλυκών ατόμων και του κίτρινου χρώματος των αρσενικών (Νεοφύτου 2003). Προκειμένου να επιβεβαιωθεί ο μακροσκοπικός προσδιορισμός του φύλου, ακολούθησε ο εγκλεισμός τριάντα συντηρημένων δειγμάτων (Εγκλεισμός σε Τechnovit 7100, τμήση 1-3 μm, χρώση με Polychrome I και II κια μικροσκοπική παρατήρηση των τομών). Για τη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας ανάπτυξης στην εξωτερική μορφολογία του σώματος των ενήλικων zebrafish, επιλέχθηκαν τυχαία 30 άτομα ανά φύλο και πειραματικό πληθυσμό, τα οποία υποβλήθηκαν σε ανάλυση γεωμετρικής μορφομετρίας. Με την ίδια μέθοδο αναλύθηκε και το σχήμα του σώματος των νυμφών της πρώτης και της δεύτερης υπό εξέταση οντογενετικής περιόδου, κατά το τέλος της εφαρμογής των διαφορετικών θερμοκρασιακών συνθηκών, στις 308od και στις 560od, αντίστοιχα. Στις νύμφες της πρώτης οντογενετικής περιόδου, ελήφθησαν επιπλέον δείγματα δέκα ημέρες μετά από το τέλος της εφαρμογής των θερμοκρασιακών συνθηκών. Για τη μελέτη του ρυθμού διαφοροποίησης, ελήφθησαν δείγματα νυμφών από κάθε πειραματικό πληθυσμό, μετά από τη λήξη της εφαρμογής των διαφορετικών θερμοκρασιακών συνθηκών. Συγκεκριμένα, από τους πληθυσμούς της ΟΠ1 δείγματα ελήφθησαν στις 588°d, ενώ από τους πληθυσμούς ΟΠ2, στις 560°d. Επίσης, εξετάστηκαν οι μεριστικοί χαρακτήρες των νυμφών της πρώτης και της δεύτερης οντογενετικής περιόδου, αφού προηγήθηκε διπλή χρώση των δειγμάτων με 101 Αλιζαρίνη (Alizarin Red S) και Κυανό της Αλσατίας (Alcian Blue) (Park and Kim 1984). Τα δείγματα φωτογραφήθηκαν ατομικά και μετρήθηκε το μεσουραίο μήκος (FL) του κάθε ατόμου. Στη συνέχεια, μετρήθηκε (1) ο αριθμός των κοιλιακών πλευρών, (2) ο αριθμός των πτερυγιοφόρων και των λεπιδοτριχίων του ραχιαίου και εδρικού πτερυγίου, και (3) ο αριθμός των δερματοτριχίων και των λεπιδοτριχίων του ουραίου πτερυγίου. Ο έλεγχος των διαφορών της αναλογίας φύλου μεταξύ των διαφορετικών πληθυσμών, έγινε με G-test (Sokal and Rohlf 1981). Για τη σύγκριση του σχήματος μεταξύ των δύο φύλων και των διαφορετικών πειραματικών πληθυσμών, εφαρμόστηκε ανάλυση κανονικών συνιστωσών (Canonical Variate Analysis, λογισμικό Statistica, έκδοση 6.0). Τέλος, ο έλεγχος των διαφορών του μέσου μήκους του σώματος μεταξύ των διαφορετικών πληθυσμών, πραγματοποιήθηκε με Mann-Whitney test (μη παραμετρικός έλεγχος), αφού προηγήθηκε ο έλεγχος ομοιοσκεδαστικότητας και κανονικής κατανομής. Η επίδραση της θερμοκρασίας στην αναλογία φύλου αποδείχθηκε στατιστικά σημαντική μόνο κατά την πρώτη οντογενετική περίοδο (p < 0.05, G-test), και όχι κατά τη δεύτερη (p > 0.05, G-test). Ο κατά ζεύγη έλεγχος των διαφορών στην αναλογία φύλου μεταξύ των διαφορετικών θερμοκρασιακών συνθηκών, έδειξε στατιστικά σημαντική επίδραση στην αναλογία φύλου μόνο μεταξύ των 22 και 28οC της ΟΠ1 (28-308οd), όπου η μέση συχνότητα των θηλυκών ατόμων ευνοείται στους 22°C (52,3% έναντι του 37,0% των 28°C, p < 0.05, G-test). Η ίδια συχνότητα εμφανίστηκε αυξημένη και στους 32°C (44,9% έναντι του 37,0% των 28°C), χωρίς ωστόσο να επιβεβαιώνεται και στατιστικά (p > 0.05, Gtest). Σε ότι αφορά τη δεύτερη οντογενετική περίοδο (280-560°d), η μέση συχνότητα των θηλυκών ατόμων στους 22°C (51,9%) και στους 32°C (46,1%), εμφανίζεται αυξημένη σε σχέση με αυτή των 28°C (44,5%), χωρίς ωστόσο οι διαφορές αυτές να είναι στατιστικά σημαντικές (p > 0.05, G-test). Η ύπαρξη μη στατιστικά σημαντικής διαφοράς της αναλογίας φύλου μεταξύ των 28 και 32°C και στατιστικά σημαντικής διαφοράς μεταξύ των 22 και 28°C, υποδεικνύει ότι το πρότυπο απόκρισης της αναλογίας φύλου στην θερμοκρασία πρώιμης ανάπτυξης εμφανίζει ανεξαρτησία στο εύρος 28-32°C και θηλυκοποίηση στους 22°C. Σε όλα τα οντογενετικά παράθυρα που εξετάστηκαν και σε όλες τις πειραματικές επαναλήψεις, τα αποτελέσματα της ανάλυσης των κανονικών συνιστωσών, έδειξαν ότι το φύλο και η θερμοκρασία πρώιμης ανάπτυξης επέδρασαν σημαντικά στο σχήμα του σώματος των ενήλικων ατόμων zebrafish. Η κατά φύλο γεωμετρική ανάλυση του σχήματος, έδειξε ότι η θερμοκρασία ανάπτυξης κατά την ΟΠ1 (28-308od) και ΟΠ2 (280-560od) επιδρά σημαντικά στο σχήμα 102 του σώματος και των δύο φύλων, με τους τρεις πληθυσμούς κάθε οντογενετικής περιόδου και επανάληψης να διαχωρίζονται πλήρως μεταξύ τους κατά μήκος των δύο κανονικών μεταβλητών. Η εξέταση του σχήματος του σώματος των νυμφών της ΟΠ1 (28-308οd), στις 308οd και στις 588 οd, και της ΟΠ2 (280-560οd), στις 560οd, έδειξε ότι η θερμοκρασία ανάπτυξης επηρέασε το σχήμα του σώματός τους. Σε όλες τις, οι διαφορές στο σχήμα οφείλονται τόσο στις ομοιόμορφες συνιστώσες του σχήματος, όσο και στις μη ομοιόμορφες, με τις πρώτες να συμβάλλουν στη νωτοκοιλιακή διεύρυνση ή συμπίεση του σώματος των νυμφών, ανάλογα με την περίπτωση. Ενώ όμως η επίδραση της θερμοκρασίας στο σχήμα του σώματος είναι σημαντική, δε φαίνεται να υπάρχει κάποιο καθορισμένο – σταθερό πρότυπο επίδρασης των κανονικών συνιστωσών. Αυτό πιθανότατα οφείλεται στο ότι δεν είχαν φτάσει όλες οι νύμφες στο ίδιο στάδιο ανάπτυξης κατά τις ημέρες των δειγματοληψιών. Τα δείγματα των νυμφών που λήφθηκαν μετά την έκθεση των πληθυσμών στις τρεις διαφορετικές θερμοκρασιακές συνθήκες, κατά την πρώτη (28-308οd) ή τη δεύτερη (280- 560οd) οντογενετική περίοδο, διαφοροποιήθηκαν σημαντικά ως προς το μέσο μεσουραίο μήκος (FL) των ατόμων. Συγκεκριμένα, η έκθεση στους 22οC οδήγησε σε σημαντική μείωση του FL των ατόμων (p<0.05, Mann Whitney U-test), παρά το ότι τα δείγματα λήφθηκαν στο ίδιο θερμικό άθροισμα. Τα αποτελέσματα έδειξαν, ότι η ανάπτυξη των ψαριών που αφέθηκαν στους 22οC, κατά τη δεύτερη υπό εξέταση οντογενετική περίοδο (280-560οd), καθυστέρησε σε σχέση με τους πληθυσμούς των 28 και 32οC. Αυτό φαίνεται από τα διαγράμματα που αφορούν τον αριθμό των πτερυγιοφόρων και των ακτινών του ραχιαίου πτερυγίου, τον αριθμό των πτερυγιοφόρων και των ακτινών του εδρικού πτερυγίου, καθώς και τον αριθμό των κοιλιακών πλευρών. Συγκεκριμένα, η ολοκλήρωση της ανάπτυξης των πτερυγιοφόρων του ραχιαίου πτερυγίου, των ακτινών του εδρικού και των κοιλιακών πλευρών, καθυστερεί στους 28οC, σε σχέση με τους 32 οC. Η εμφάνιση των ακτινών του ραχιαίου πτερυγίου, καθυστερεί στους 28 οC, σε σχέση με τους 32 οC. Τέλος, η εμφάνιση των πτερυγιοφόρων του εδρικού πτερυγίου, καθυστερεί στους 22 οC, σε σχέση με τους 28 οC. Σε ότι αφορά τα άτομα της πρώτης οντογενετικής περιόδου, οι χαρακτήρες που μελετήθηκαν είτε είχαν εμφανιστεί νωρίτερα από τη λήψη των δειγμάτων, είτε είχε ολοκληρωθεί αργότερα η ανάπτυξή τους. / The term phenotypic plasticity characterizes the property of a genotype to produce different phenotypes in response to distinct environments (Pigliucci et al. 2006). This response can express itself in a morphological, biochemical, physiologic or developmental level (developmental plasticity), or even through changes in the models of behavior. Due to its great importance among individuals in a population at a certain time period or in future generations (e.g. proportion of sex and demographic structure), the study of the phenotypic plasticity in the group of fish is considered significant not only for the natural populations, at the ecological or evolutionary level, but for the cultured populations too. The complete study of phenotypic plasticity, including the underlying molecular and developmental mechanisms, can answer questions related with the way the phenomenon acts in the ecology and species development, but also in more practical applications, such as those that concern aquaculture. One of the most important environmental factors responsible for the appearance of plasticity in fish appears to be the developmental temperature, which affects metabolism, muscle growth (Johston 1996, Stickland et al. 1998, Guderley 2004) and structure (Guderley and Johston 1996, Ochi and Westerfield 2007), meristic characters (Lindsey 1998, Georgakopoulou et al. 2007), body shape (Loy et al. 1996, Georgakopoulou et al. 2007), swimming performance (Fuiman and Batty 1997) and sex ratio (Pavlidis et al. 2000, Koumoundouros et al. 2002a). The developmental temperature influences considerably growth rate and differentiation of fish, modifying the body size as development proceeds. This phenomenon is known as developmental plasticity (Koumoundouros et al. 2001, Sfakianakis et al. 2004). The present study examined the effect of precocious developmental temperature, in phenotypic plasticity of Danio rerio. The Sex ratio and body shape of fish was analyzed, as well as the growth rate of larvae and juveniles during the application of different temperature conditions. At the same time the most sensitive developmental period in the effect of temperature was determined. According to the experimental design, the effect of temperature was examined during two different early developmental periods of 280°d, each (28-308°d and 280-560°d). Two experimental groups of fish were subjected in duplicate to three different temperatures. More specifically, in the first developmental period the embryos were left for twenty four hours in 28°C and then separated in three populations, which were submitted to three different temperature conditions (22, 28 and 104 32°C) for a period of 280°d (28-308°d, first developmental period DP1). In the second developmental period the embryos and the larvae were maintained under common conditions (28°C) up to the 10th day post fertilization. Then they were separated in three populations, which were submitted to three different temperature conditions (22, 28 and 32°C) up to the 560th °d (280-560°d, second developmental period DP2). In both developmental periods that were examined, after the end of the 280°d of temperature effect, fish growth was completed under common conditions (28°C). All the eggs of the experimental populations were obtained from a broodstock of the same genetic origin. The maintenance and the culture of larvae and adult fish were as described in "The Zebrafish Book" (Westerfield 1995). The sex of adult individuals was determined macroscopically using the characters of the swelled abdomen of females and the yellow color of males (Neophytou 2003). In order to confirm the macroscopic determination of sex, thirty fixed samples of zebrafish were enclosed for histology sections (Technovit 7100, sections of 1-3μm and staining with Polychrome I and II) and microscopy. To study the temperature effect on growth and body shape of adult zebrafish, 30 individuals per sex and experimental population were selected randomly and were submitted in geometric morphometrics analysis. The body shape of the larvae of the first and the second developmental period, was analyzed with the same method, at the end of the different temperature conditions, in 308°d and 560°d, respectively. Additional samples were selected in the first developmental period, ten days after the end of the three different temperature regimes. To study the temperature effect on growth rate and differentiation, samples of larvae were obtained from each experimental population, following completion of the different temperature periods. From the populations of DP1, samples were taken at 588°d, while from DP2 samples were obtained at 560°d. The meristic characters of the larvae from the first and second developmental period were examined, after staining of the samples with Alizarin Red and Alcian Blue (Park and Kim 1984). Larvae were photographed and the fork length of each individual was measured (FL). The meristic characters that were examined are (1) the number of ribs (2) the number of pterygiophors and lepidotrichia of the dorsal and the anal fin, and (3) the number of pterygiophors and lepidotrichia of the caudal fin. Sex ratio differences between populations were studied with G-test (Sokal and Rohlf 1981). Canonical Variate Analysis was applied for the comparison of the body 105 shape between the two sexes and between the different experimental populations (Statistica, 6.0). Finally, the differences of medium total length between the different populations was examined with the Mann-Whitney test (non parametric). The sex ratio was significantly affected only at the first developmental period (p < 0.05, G-test), and not at the second (p > 0.05, G-test). The paired control of changes in the sex ratio between the different temperature conditions at DP1 (28-308°d), showed a significant effect only between the populations of 22°C and 28°C (52.3% females in 22°C vs. 37.0% in 28°C, p < 0.05, G-test). The female/male frequency was also increased in the 32°C group (44.9% females in 32°C vs. 37.0% females in 28°C), without however being confirmed as statistically significant (p > 0.05, G-test). Regarding the second developmental period (280-560°d), the medium frequency of the female individuals in the 22°C (51.9%) and 32°C (46.1%) groups, was also increased compared to 28°C (44.5%), although these differences were not confirmed as statistically significant (p > 0.05, G-test). The significant differences in sex ratio between the 22 and 28°C, and the non significant differences between 28 and 32°C indicate that the model of response in sex ratio due to the different developmental temperature shows autonomy in the range of 28-32°C and feminization at 22°C. In both ontogenetic windows that were examined and in all experimental repetitions, the results of the canonical variables showed that sex and developmental temperature significantly affected the bodyshape of the adult individuals. The body shape analysis in accordance with the gender of the individuals, was significantly affected from the developmental temperature at DP1 (28-308°d) and DP2 (280-560°d). The three populations of each ontogenetic period were totally separated amongst them, along the two axes of canonical variables CV1 and CV2. The body shape analysis of the larvae at DP1 (28-308οd), in 308οd and in 588 οd, and at DP2 (280-560οd), in 560οd, indicates that developmental temperature significantly affected their body shape. In all cases, the differences in body shape are contributed from uniform, as much as from non uniform components of shape. Despite the significant effect of developmental temperature in larval body shape, there is not a stable model of the way that canonical variables effect, probably because larvae were not at the same stage of growth during sampling. The total (TL) or the fork length (FL) of the larvae that were analyzed following development at the three different temperatures during the first (28-308°d) or the second (280-560°d) developmental period, was significantly differentiated. The exposure at 22°C 106 led to important reduction of the individuals FL (p < 0.05, Mann-Whitney test), despite the fact that all samples were of the same age. These results showed that the growth of fish that were submitted to 22°C during DP2 (280-560°d) was delayed relative to the populations at 28 and 32°C. This is noticeable from the diagrams that refer to the number of pterygiophors and lepidotrichia of the dorsal fin, the number of pterygiophors and lepidotrichia of the anal fin and the number of ribs. The completion of growth of pterygiophors of the dorsal fin, of lepidotrichia of the anal fin and the abdominal ribs, are also delayed at 28°C vs. 32°C. The appearance of lepidotrichia of the dorsal fin is delayed at 28°C vs. 32°C, as well. Finally, the appearance of pterygiophors of the anal fin is delayed at the 22°C vs. 28°C. Regarding the individuals of DP1, the development of the meristic characters that were studied was completed either earlier or later than the time of sampling, making it difficult to evaluate differences within various groups.

The life of microorganisms is characterized by two main tasks, rapid growth under conditions permitting growth and survival under stressful conditions. The environments, in which microorganisms dwell, vary in space and time. The microorganisms innovate diverse strategies to readily adapt to the regularly fluctuating environments. Phenotypic heterogeneity is one such strategy, where an isogenic population splits into subpopulations that respond differently under identical environments. Bacterial persistence is a prime example of such phenotypic heterogeneity, whereby a population survives under an antibiotic attack, by keeping a fraction of population in a drug tolerant state, the persister state. Specifically, persister cells grow more slowly than normal cells under growth conditions, but survive longer under stress conditions such as the antibiotic administrations. Bacterial persistence is identified experimentally by examining the population survival upon an antibiotic treatment and the population resuscitation in a growth medium. The underlying population dynamics is explained with a two state model for reversible phenotype switching in a cell within the population. We study this existing model with a new theoretical approach and present analytical expressions for the time scale observed in population growth and resuscitation, that can be easily used to extract underlying model parameters of bacterial persistence. In addition, we recapitulate previously known results on the evolution of such structured population under periodically fluctuating environment using our simple approximation method. Using our analysis, we determine model parameters for Staphylococcus aureus population under several antibiotics and interpret the outcome of cross-drug treatment. Next, we consider the expansion of a population exhibiting phenotype switching in a spatially structured environment consisting of two growth permitting patches separated by an antibiotic patch. The dynamic interplay of growth, death and migration of cells in different patches leads to distinct regimes in population propagation speed as a function of migration rate. We map out the region in parameter space of phenotype switching and migration rate to observe the condition under which persistence is beneficial. Furthermore, we present an extended model that allows mutation from the two phenotypic states to a resistant state. We find that the presence of persister cells may enhance the probability of resistant mutation in a population. Using this model, we explain the experimental results showing the emergence of antibiotic resistance in a Staphylococcus aureus population upon tobramycin treatment. In summary, we identify several roles of bacterial persistence, such as help in spatial expansion, development of multidrug tolerance and emergence of antibiotic resistance. Our study provides a theoretical perspective on the dynamics of bacterial persistence in different environmental conditions. These results can be utilized to design further experiments, and to develop novel strategies to eradicate persistent infections. / Das Leben von Mikroorganismen kann in zwei charakteristische Phasen unterteilt werde, schnelles Wachstum unter Wachstumsbedingungen und Überleben unter schwierigen Bedingungen. Die Bedingungen, in denen sich die Mikroorganismen aufhalten, verändern sich in Raum und Zeit. Um sich schnell an die ständig wechselnden Bedingungen anzupassen entwickeln die Mikroorganismen diverse Strategien. Phänotypische Heterogenität ist eine solche Strategie, bei der sich eine isogene Popolation in Untergruppen aufteilt, die unter identischen Bedingungen verschieden reagieren. Bakterielle Persistenz ist ein Paradebeispiel einer solchen phänotypischen Heterogenität. Hierbei überlebt eine Popolation die Behandlung mit einem Antibiotikum, indem sie einen Teil der Bevölkerung in einem, dem Antibiotikum gegenüber tolerant Zustand lässt, der sogenannte "persister Zustand". Persister-Zellen wachsen unter Wachstumsbedingungen langsamer als normale Zellen, jedoch überleben sie länger in Stress-Bedingungen, wie bei Antibiotikaapplikation. Bakterielle Persistenz wird experimentell erkannt indem man überprüft ob die Population eine Behandlung mit Antibiotika überlebt und sich in einem Wachstumsmedium reaktiviert. Die zugrunde liegende Popolationsdynamik kann mit einem Zwei-Zustands-Modell für reversibles Wechseln des Phänotyps einer Zelle in der Bevölkerung erklärt werden. Wir untersuchen das bestehende Modell mit einem neuen theoretischen Ansatz und präsentieren analytische Ausdrücke für die Zeitskalen die für das Bevölkerungswachstums und die Reaktivierung beobachtet werden. Diese können dann einfach benutzt werden um die Parameter des zugrunde liegenden bakteriellen Persistenz-Modells zu bestimmen. Darüber hinaus rekapitulieren wir bisher bekannten Ergebnisse über die Entwicklung solch strukturierter Bevölkerungen unter periodisch schwankenden Bedingungen mithilfe unseres einfachen Näherungsverfahrens. Mit unserer Analysemethode bestimmen wir Modellparameter für eine Staphylococcus aureus-Popolation unter dem Einfluss mehrerer Antibiotika und interpretieren die Ergebnisse der Behandlung mit zwei Antibiotika in Folge. Als nächstes betrachten wir die Ausbreitung einer Popolation mit Phänotypen-Wechsel in einer räumlich strukturierten Umgebung. Diese besteht aus zwei Bereichen, in denen Wachstum möglich ist und einem Bereich mit Antibiotikum der die beiden trennt. Das dynamische Zusammenspiel von Wachstum, Tod und Migration von Zellen in den verschiedenen Bereichen führt zu unterschiedlichen Regimen der Populationsausbreitungsgeschwindigkeit als Funktion der Migrationsrate. Wir bestimmen die Region im Parameterraum der Phänotyp Schalt-und Migrationsraten, in der die Bedingungen Persistenz begünstigen. Darüber hinaus präsentieren wir ein erweitertes Modell, das Mutation aus den beiden phänotypischen Zuständen zu einem resistenten Zustand erlaubt. Wir stellen fest, dass die Anwesenheit persistenter Zellen die Wahrscheinlichkeit von resistenten Mutationen in einer Population erhöht. Mit diesem Modell, erklären wir die experimentell beobachtete Entstehung von Antibiotika- Resistenz in einer Staphylococcus aureus Popolation infolge einer Tobramycin Behandlung. Wir finden also verschiedene Funktionen bakterieller Persistenz. Sie unterstützt die räumliche Ausbreitung der Bakterien, die Entwicklung von Toleranz gegenüber mehreren Medikamenten und Entwicklung von Resistenz gegenüber Antibiotika. Unsere Beschreibung liefert eine theoretische Betrachtungsweise der Dynamik bakterieller Persistenz bei verschiedenen Bedingungen. Die Resultate könnten als Grundlage neuer Experimente und der Entwicklung neuer Strategien zur Ausmerzung persistenter Infekte dienen.