Costs and benefits of immune system activation on physiology, behavior and offspring phenotype from an immunoecological perspective

Abstract

Pathogen challenges and host immune defenses can have substantial impact on life history patterns of animals. Biotic and abiotic factors may affect immunity in wild animals, influencing e.g., population dynamics and sexual selection. The overall aim of this thesis was to assess costs and benefits of immune system activation on physiology, behavior and offspring phenotype. The conducted research has been in two of the major branches within the field of immunoecology; (i) direct and indirect effects related to the costs induced by immune system activation and (ii) different aspects of maternal transfer of antibodies to offspring. We found that immune-challenged zebra finches (Taenopygia guttata) demonstrated some of the general sickness behaviors, such as reduction in appetite and activity. However, zebra finches showed a circadian pattern in their thermoregulatory response, manifested as fever at night and hypothermia at day. In addition, they reduced their energy consumption several days after the immune-challenge. Immune-challenged zebra finch mothers also increased investment in the current breeding event, in line with a ‘terminal investment’ strategy. When examining the effects of immune system activation on the energy budget on wild birds during winter, we found that immune-challenged great tits (Parus major) attenuated their energy saving nighttime hypothermia and immune-challenged blue tits (Cyanistes caeruleus) were more inclined to expose themselves to perceived predation risk in order to save energy by using nest boxes for nighttime roosting. When assessing maternal antibody transmission to offspring, we found that immune-challenged zebra finch mothers transferred antigen-specific antibodies to their offspring in relation to antibody concentration in her circulation by the time of egg laying. These maternal antibodies persisted in the offspring until at least 5 days of age. In addition, we demonstrated that mothers are able to transfer functional antigen-specific antibodies to their offspring five months after the mothers were exposed to the antigen. Collectively, this work shows how immune system activation can have significant effects on physiology, behavior and offspring phenotype, with important implications for avian life history evolution.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Djur och människor exponeras hela tiden för virus, bakterier och andra parasiter. Många av dessa virus och bakterier är ofarliga, medan andra orsakar infektioner och gör oss sjuka. När ett djur smittas av t.ex. ett virus eller en bakterie som orsakar en infektion börjar deras immunförsvar direkt arbetet med att bli av med infektionen. Den första reaktionen som följer på en infektion kallas akutfasresponsen och för ofta med sig feber och vissa beteendeförändringar hos den infekterade individen, t.ex. minskad aptit och aktivitet. Immunförsvaret kan också bilda antikroppar mot främmande ämnen (s.k. antigen) och dessa antikroppar hjälper till att skydda mot virus och bakterier. Det tar ca 2 veckor för immunförsvaret att bilda antikroppar första gången det stöter på ett antigen. Immunförsvaret har emellertid en minnesfunktion som gör att produktionen av antikroppar går betydligt snabbare andra gången det träffar på ett tidigare känt antigen.



Immunekologi är ett relativt nytt forskningsfält inom vilket det bland annat studeras hur virus, bakterier och infektioner påverkar livshistoriemönster hos djur, t.ex. livslängd och antalet ungar de får. Ett annat övergripande fokus är frågeställningen om hur och varför biotiska (dvs. andra levande organismer) och abiotiska (dvs. miljörelaterade) faktorer påverkar variationer i olika djurs immunresponser. Arbetet i denna avhandling fokuseras på två grenar ur det immunekologiska forskningsfältet; 1) direkta och indirekta effekter av det ökade energibehovet som uppstår när ett djur aktiverar sitt immunförsvar och 2) effekter av maternell överföring av antikroppar, dvs. hur ungarnas utveckling, tillväxt och immunförsvar påverkas av att modern överför antikroppar till dem.



När ett djur aktiverar sitt immunförsvar innebär det ett ökat resursbehov. Om djuret då endast har tillgång till en viss mängd resurser, exempelvis eftersom det endast kan äta en viss mängd föda varje dag, så innebär en ökning av resurser till immunförsvaret att mindre mängd resurser finns kvar att använda till andra nödvändiga fysiologiska funktioner. Flera av artiklarna i denna avhandling fokuserar på direkta och indirekta effekter relaterade till den ökade resurskonsumtionen av ett aktiverat immunförsvar.



I artikel 1 visar vi att zebrafinkar inte får ett ökat energibehov under en akutfasrespons, utan istället visar en sänkning av energibehovet fyra dagar efter att de utsatts för en infektion. Denna sänkning kan bero på att fåglarna minskar andra energikrävande processer i kroppen i så stor utsträckning att den totala energiförbrukningen blir mindre. Zebrafinkarna uppvisade däremot de vanligt förekommande sjukdomsbeteendena, dvs. minskad aptit och viktnedgång under det första dygnet. Akutfasresponsen orsakar oftast en febertopp inom det första dygnet efter infektion. Febertoppen innebär en betydelsefull ökning av energibehovet, men påskyndar troligen processen att bli av med infektionen. I artikel 3 visar vi att zebrafinkar med en pågående akutfasrespons utvecklar feber på natten, men istället hypotermi (dvs. sänkning av kroppstemperaturen) under dagen. Detta mönster kan förklaras av att småfåglar är väldigt aktiva på dagen, vilket medför att de också får en högre temperatur då. Att under dagtid ytterligare öka kroppstemperaturen via en febertopp skulle kunna innebära att småfåglarna uppnår en farligt hög kroppstemperatur. På natten däremot, när fåglarna vilar och har en lägre kroppstemperatur, skulle den ökningen av kroppstemperaturen vi fann i vår studie kunna innebära att fågeln snabbare blir av med infektionen utan att utsätta sig för farligt höga kroppstemperaturer.



I artikel 2 och 4 undersökte vi hur vilda småfåglar vintertid påverkas av en aktivering av immunförsvaret. Vintern är en krävande period för småfåglar eftersom den låga yttertemperaturen innebär att stora mängder energi krävs för att upprätthålla kroppstemperaturen samtidigt som födotillgången är begränsad. Blåmesar och talgoxar använder vanligen hypotermi (dvs. de sänker sin kroppstemperatur) under natten för att spara energi. Denna process är dynamisk och kan variera med bland annat omgivande temperatur och födotillgång. I artikel 2 visar vi att talgoxar inte använder sig av lika djup nattlig hypotermi om de samtidigt har en pågående akutfasrespons. Talgoxar med en pågående akutfasrespons hade samma kroppstemperatur under natten oberoende av omgivningens temperatur, medan fåglar utan pågående akutfasrespons visade djupare hypotermi under kallare nätter. Detta skulle kunna bero på att talgoxarna med en pågående akutfasrespons tvingades väga feberns positiva inverkan på immunförsvarets arbete med att bli av med infektionen mot den ökade energiförbrukningen under en period när fåglarna har väldigt begränsad tillgång till föda. För en liten fågel innebär en vinternatts vistelse i en holk en viktig minskning av mängden energi som krävs för att bibehålla kroppstemperaturen. Samtidigt är småfåglar väldigt utsatta för predatorer (dvs. rovdjur) eftersom möjligheten att fly från en predator i en holk är väldigt begränsad. I artikel 4 visar vi att blåmesar med en pågående immunrespons var mer benägna att utsätta sig för risken att bli tagna av en predator för att kunna spara energi genom att sova i en holk under natten. Detta resultat visar att avvägningen mellan risken att bli tagen av en predator och energisparande varierade mellan fåglar med en pågående immunrespons och fåglar utan pågående immunrespons.



I artikel 5 visar vi att zebrafinkshonor med en pågående antikroppsrespons under äggläggningen ökade sin investering i den pågående häckningen. Detta gjorde honorna genom att lägga större kullar och ändra mängden äggula och äggvita i äggen på ett sådant sätt att det skulle kunna öka ungarnas överlevnadschanser. Den ökade investeringen orsakades troligen av att honorna uppfattade aktiveringen av immunförsvaret som ett tecken på att deras chans till överlevnad minskade, vilket hos vilda djur ofta är fallet efter en infektion. Djur som har minskad chans att överleva, och således också minskad chans att häcka ytterligare en gång, bör genomföra en s.k. ”terminal investering”, dvs. öka investeringen i pågående häckningsomgång för att öka sin totala reproduktiva framgång.



Den andra grenen inom det immunekologiska forskningsfältet som vi fokuserar på i föreliggande avhandling är maternell överföring av antikroppar. Mödrar kan överföra antikroppar direkt till sina ungar och dessa antikroppar utgör ett första viktigt försvar mot infektioner eftersom ungens eget immunförsvar är outvecklat under deras första tid i livet. I artikel 6 visar vi att antikroppsnivåerna i gulorna på äggen lagda av zebrafinkshonor speglar antikroppsnivån i modern under den tid då hon lägger äggen. Om modern har en pågående antikroppsrespons mot ett specifikt antigen som pågår under äggläggningen överför hon mer sådana specifika antikroppar till sina ägg. Däremot så påverkas inte den totala mängden antikroppar modern överför till sina ägg av en pågående immunrespons. Den totala mängden antikroppar som överförs till äggen bestäms istället av honans kvalité, och honor med hög kvalité kan överförde större mängder maternella antikroppar till gulorna i sina ägg.



I artikel 7 visar vi att de specifika antikroppar som modern överför till sina ägg om hon har en pågående antikroppsrespons under äggläggningen fortfarande finns kvar i ungarna när de är 5 dagar gamla. Vi visar även att en hona kan överföra antigen-specifika antikroppar till sina ägg fem månader efter hennes immunförsvar utsatts för antigenet. Specifika maternella antikroppar som ungarna får av en moder som upplevt en antikroppsreaktion flera månader innan äggläggning är inte mätbara i ungarna när de är 5 dagar gamla, men dessa antikroppar verkar ändå utgöra ett lika bra skydd som de mätbara maternella antikropparna från i ungar från honor som hade en pågående antikroppsreaktion under äggläggning. Ungar som inte fick specifika antikroppar från sin moder slutade växa tidigare än ungar som fick specifika antikroppar från sin moder om ungarna utsattes för samma antigen som modern när de var endast ett par dagar gamla. Resultatet visar att de från modern överförda antikropparna har en stor möjlighet att påverka ungarnas utveckling och således också föräldrarnas totala reproduktiva framgång.



Sammanfattningsvis har visat att immunförsvarets aktivering ofta orsakar viktiga avväganden som kan påverka djurs överlevnad och reproduktiva framgång. Artiklarna inkluderade i denna avhandling breddar och fördjupar vår kunskap om och förståelse för frågor relaterade till immunekologi genom att undersöka fördelar och nackdelar med aktivering av immunförsvaret gällande fysiologi, beteende och effekter på fågelungar.

• author: Sköld Chiriac, Sandra
• supervisor: Jan-Åke Nilsson; Dennis Hasselquist
• opponent: Hau, Michaela, Max Planch Institute for Ornithology, Seewiesen, Germany
• organization: Evolutionary ecology; MEMEG
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: immunoecology, acute-phase response, sickness behaviors, energy expenditure, fever, hypothermia, life history, maternal effects, terminal investment, costs of immune responses, Taeniopygia guttata, Parus major, Cyanistes caeruleus
• pages: 182 pages
• defense location: Blå Hallen, Ekologihuset, Sölvegatan 37, Lund, Sverige
• defense date: 2015-06-12 13:00:00
• ISBN: 978-91-7623-355-9
• ISBN: 978-91-7623-356-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: fd899cfd-0a34-4712-bcb5-f4a109427a38 (old id 5410084)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:54:34
• date last changed: 2023-05-02 14:55:06