Etude de l’énergétique de la maturation chez le poisson zèbre, Danio rerio Une étude des liens entre le développement et la nutrition S. AUGUSTINE B. GAGNAIRE C. ADAM-GUILLERMIN S.A.L.M. KOOIJMAN Ecologie 2010, Montpellier 03/09/2010 Perturbations environnementales liés à la présence d’un contaminant dans l’eau : l’uranium L’Uranium est un élément présent naturellement dans l’environnement. Sa concentration locale peut être augmentée par les activité anthropiques (cycle du combustible du nucléaire) Etude des effets toxiques de l’uranium sur le poisson zèbre, Danio rerio Téléostéens > Cypriniformes > Cyprinidés > Danio > rerio 6 mm • Eau douce • Originaire d’Inde •Très étudié en biologie développementale, médecine, comportement, ecotoxicologie … Objectif : (1) Modéliser la biologie du poisson zèbre sur tout le cycle de vie. (2) Utiliser le modèle pour déterminer les effets toxiques de l’uranium Théorie des bilans dynamiques d’énergie DEB (Kooijman 2010) Objectif : paramétrer un modèle standard DEB (Kooijman 2010) sur l’ensemble des données du poisson zèbre en milieu non contaminé Pouvons nous décrire l’écophysiologie d’un individu tout au long de son cycle de vie avec un même jeu de paramètres? Méthodologie : 1 Réunir les données publiées dans la littérature sur la physiologie du poisson 2 Il manquait des données sur l’observation simultanée de la reproduction et la croissance d’un individu à différents niveaux de nutrition => une expérience a été conçue pour acquérir ce type de données 3 Inclure les données dans une routine Matlab et estimer les paramètres du modèle sur la base de la totalité des observations. 4 Choisir un jeu de paramètres qui décrit le mieux l’ensemble des observations. Contexte écologique : Relations entre l’individu et son environnement Nourriture Température Concentration interne de tous les composés La gamme de Hypothèse d’une nutrition constante pour chaque jeu de données utilisé pour INSUFFISANT Les taux métaboliques ASSEZ dépendent TROP de la température concentrations insuffisant estimer les paramètres Concentration n’existe pas pour un interne en un élément non essentiel comme l’uranium composédeX Les différents jeux de données sont ramenés à une température référencefonctionnelle pour l’estimation des paramètres 0Réponse NEC normalisé f : 0<f<1 Les effets au voisinage du NEC sont traduits par la modification d’un paramètre du modèle => Importance d’avoir un jeu de paramètres réaliste pour l’individu non exposé ! Présentation du cycle de vie du poisson zèbre utilisant les définitions de la théorie DEB pour les stades de vie -Densité de réserve de la mère = densité de réserve à la naissance -Coût d’un œuf (Kooijman 2009) Adulte Embryon Juvénile PUBERTE >90 jours 2-3 cm NAISSANCE 5 jours 0.45 cm Schéma des flux énergétiques chez un individu selon le modèle standard DEB Schéma des flux énergétiques individuels (d’après Pecquerie et al. 2009) Légende des flux énergétiques Assimilation Nourriture Embryon : Mobilisation Fèces Fraction қ mobilisé Fraction (1- қ) mobilisé Réserve қ Maintenance somatique 1-қ Maintenance de la maturité Pas Juvénile : d’assimilation externe Allocation à la Assimilation Adulte : maturité externe Allocation à la maturité Assimilation externe Allocation à la reproduction Concept de MATURITE Structure Reproduction Maturité Œufs Résultats : Stade embryon et juvénile Température : 28.5 °C Kimmel et al. 1995 Schilling 2002 f=1 f = 0.7 0.4 2 0.3 1.5 Longueur, cm 0.2 1 0.1 0.5 0 0 Pas de croissance pendant ce stade, le modèle ne prend pas en compte les détails liés aux premières divisions cellulaires 1 2 3 4 0 0 Jours post fécondation 20 40 60 Résultats : Croissance et vieillissement Lawrence et al. 2008 Gerhard et al. 2002 ( 28 °C) f1 = 0.8 ( 26°C) f2 = 0.65 x f1 f = 0.99 1 4 0.8 3 Survie, 0.6 - Longueur, cm 2 0.4 1 0 0 0.2 20 40 60 Jour post fécondation 80 100 0 0 500 1000 1500 Jour post fécondation 2000 Résultats : Croissance et reproduction à trois niveaux de nutrition Acclimatation : f=1 3 f1 = 0.595 Longueur, cm f2 = 0.96 x f1 2.5 f3 = 0.89 x f1 2 100 150 200 250 Jour post fertilisation # œuf cumulé jour-1 600 600 10 500 500 8 400 400 6 300 300 200 200 100 100 4 0 120 140 160 180 200 0 2 120 140 160 180 Jour post fertilisation 200 0 120 140 160 180 200 Résultats : observations « 0 dimensions » NOM UNITE REF. DONNEES MODELE Diamètre d’un œuf cm Spence et al 2008. 0.07 0.076 Poids sec d’un œuf µg Pers. obs. 70 50.64 (sans enveloppe) Taux de reproduction maximale (26°C) # jour-1 B. Geffroy pers. comm 240 92.01 Âge à la naissance (28°C) jour Parichy et al 2009. 5 2.27 Taille à la naissance cm Parichy et al 2009. 0.45 0.28 Âge à la puberté (28°C) jour Schilling 2002 >90 109.1 Taille à la puberté cm Schilling 2002 2-3 4.11 Taille maximale cm Schilling 2002 4-5 4.90 Discussion : relations taille – âge – nutrition à la puberté et à la naissance NAISSANCE PUBERTE Relations Relations qualitatives qualitatives réalistes réalistes :: -L’âge à la mieux naissance diminue avec la l’augmentation de la nutrition des parents -Poissons nourris atteignent puberté plus rapidement -La longueur à la nourris naissance indépendante la nutrition des parents -Poissons mieux sontest plus grands à la de puberté 2.4 600 4.5 2.3 4 Âge àÂge la à la 400 2.2 naissance, puberté, 300 jour jour 2.1 3.5 Longueur à la sous3 puberté, 2.5 cm 500 Age à la naissance et taille estimée par rapport aux observations 200 100 0.4 2 2 1.9 0.4 0.6 0.8 1.5 0.4 1 f 0.6 0.8 1 f 0.6 0.8 1 f Par contre, les valeurs quantitatives ne corroborent pas avec les observations. … Conclusions : Les données sur l’observation simultanée de la reproduction et la croissance sont essentielles pour fixer la valeur des paramètres et augmenter la précision du modèle. Les seuls exemplaires de ce type de données ont été recueillis lors de l’expérience sur la restriction calorifique présentée ici. Mais le nombre de réplicats de couples pondeurs était faible. L’inclusion de données supplémentaires de ce type augmenterait la précision du modèle sur les âges et les tailles aux transitions entre stades de vie. Perspectives : Des données issues d’une expérience de 3 mois portant sur les effets de l’uranium sur la croissance et la reproduction ont été acquises Le modèle sera ajusté sur ces données dans le but de trouver quel paramètre est ciblé par l’uranium et d’extrapoler les conséquences de ces effets sur tout le cycle de vie. Le travail présenté ici était effectué dans un contexte d’études toxicologiques sur les poisson zèbre. Par contre les applications du modèle sont nombreuses : -Etude des liens entre le développement et l’environnement, -Etude des effets de la restriction calorifique sur le vieillissement, -Comparaison des effets de différents toxiques sur métabolisme, -Étude de l’écophysiologie des téléostéens avec la comparaison des paramètres d’autres espèces… Merci beaucoup pour votre attention …