Morphological and Mechanical Tube Feet Plasticity among Populations of Sea Urchin (Strongylocentrotus purpuratus).

ABSTRACT

Sea urchins rely on an adhesive secreted by their tube feet to cope with the hydrodynamic forces of dislodgement common in nearshore, high wave-energy environments. Tube feet adhere strongly to the substrate and detach voluntarily for locomotion. In the purple sea urchin, Strongylocentrotus purpuratus, adhesive performance depends on both the type of substrate and the population of origin, where some substrates and populations are more adhesive than others. To explore the source of this variation, we evaluated tube foot morphology (disc surface area) and mechanical properties (maximum disc tenacity and stem breaking force) of populations native to substrates with different lithologies sandstone, mudstone, and granite. We found differences among populations, where sea urchins native to mudstone substrates had higher disc surface area and maximum disc tenacity than sea urchins native to sandstone substrates. In a lab-based reciprocal transplant experiment, we attempted to induce a plastic response in tube foot morphology. We placed sea urchins on nonnative substrates (i.e., mudstone sea urchins were placed on sandstone and vice versa), while keeping a subgroup of both populations on their original substrates as a control. Instead of a reciprocal morphological response, we found that all treatments, including the control, reduced their disc area in laboratory conditions. The results of this study show differences in morphology and mechanical properties among populations, which explains population differences in adhesive performance. Additionally, this work highlights the importance of considering the impact of phenotypic plasticity in response to captivity when interpreting the results of laboratory studies.

RESUMEN

Los erizos de mar utilizan una secreción adhesiva en sus pies ambulacrales para adherirse al sustrato y resistir fuerzas hidrodinámicas. Los pies ambulacrales se adhieren fuertemente, pero pueden despegarse voluntariamente para moverse. En el erizo morado, Strongylocentrotus purpuratus, el desempeño del sistema de adhesión depende del tipo de sustrato y la población de origen donde algunas poblaciones y sustratos tienen mejor desempeño adhesivo que otros. Para explicar el origen de esta variación, evaluamos la morfología (área del disco) del pie ambulacral y las propiedades mecánicas (tenacidad máxima del disco y fuerza necesaria para romper el tubo que conecta el disco con el animal) de poblaciones que se encuentran adheridas a sustratos con diferentes litologías arenisca, lodolitas, y granito. Encontramos diferencias entre las poblaciones donde erizos de la población que vive en lodolitas tienen tenacidad del disco más alta y discos más grandes que erizos que viven en arenisca. En un experimento de laboratorio, intentamos inducir una respuesta plástica en la morfología del pie ambulacral. Para esto, pusimos erizos en sustratos diferentes a los que normalmente se adhieren (erizos que en encuentran en lodolita los pusimos en arenisca y viceversa) y dejamos erizos en su sustrato original como control. Sin embargo, en lugar de una respuesta plástica en la morfología del pie ambulacral, encontramos que todos los tratamientos, incluido los controles, redujeron el área del disco en condiciones de laboratorio. Los resultados de este estudio muestran diferencias en morfología y propiedades mecánicas entre las poblaciones, lo que explica diferencias en el desempeño del sistema de adhesión. Además, este estudio demuestra la importancia de considerar el impacto de plasticidad fenotípica al momento de interpretar estudios de laboratorio.