Etude de l’énergétique de la maturation chez le poisson zèbre,

Danio rerio

S. AUGUSTINEB. GAGNAIRE

C. ADAM-GUILLERMINS.A.L.M. KOOIJMAN

Ecologie 2010, Montpellier 03/09/2010

Une étude des liens entre le développement et la nutrition

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)

Téléostéens > Cypriniformes > Cyprinidés > Danio > rerio

6 mm

• Eau douce• Originaire d’Inde•Très étudié en biologie développementale, médecine, comportement, ecotoxicologie …

Etude des effets toxiques de l’uranium sur le poisson zèbre, Danio rerio

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 :

Réunir les données publiées dans la littérature sur la physiologie du poisson1

3 Inclure les données dans une routine Matlab et estimer les paramètres du modèle sur la base de la totalité des observations.

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

4 Choisir un jeu de paramètres qui décrit le mieux l’ensemble des observations.

Température

Nourriture

Concentration interne de tous les composés

Concentration interne en un composé X

ASSEZ TROPINSUFFISANT

NEC

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 !

Contexte écologique : Relations entre l’individu et son environnement

La gamme de concentrations insuffisant n’existe pas pour un élément non essentiel comme l’uranium

0

Hypothèse d’une nutrition constante pour chaque jeu de données utilisé pour estimer les paramètres

Réponse fonctionnelle normalisé f : 0<f<1

Les taux métaboliques dépendent de la température

Les différents jeux de données sont ramenés à une température de référence pour l’estimation des paramètres

Présentation du cycle de vie du poisson zèbre utilisant les définitions de la théorie DEB pour les stades de vie

Embryon

Juvénile

Adulte

NAISSANCEPUBERTE

-Densité de réserve de la mère = densité de réserve à la naissance-Coût d’un œuf (Kooijman 2009)

>90 jours2-3 cm

5 jours0.45 cm

Schéma des flux énergétiques chez un individu selon le modèle standard DEB

Réserve

Structure Maturité

Maintenance de la maturité

Reproduction

Maintenance somatique

қ 1-қ

Nourriture

Schéma des flux énergétiques individuels (d’après Pecquerie et al. 2009)

Fèces

Embryon :

Juvénile :

Œufs

Adulte :

Assimilation

Mobilisation

Fraction қ mobilisé

Fraction (1- қ) mobilisé

Légende des flux énergétiques

Concept de MATURITE

Pas d’assimilation externeAllocation à la maturitéAssimilation externeAllocation à la maturitéAssimilation externeAllocation à la reproduction

0 1 2 3 40

0.1

0.2

0.3

0.4

0 1 2 3 40

0.1

0.2

0.3

0.4

Résultats : Stade embryon et juvénile

Kimmel et al. 1995 Schilling 2002

Température : 28.5 °C

Jours post fécondation

Pas de croissance pendant ce stade, le

modèle ne prend pas en compte les détails liés

aux premières divisions cellulaires

Longueur, cm

f = 1

0 20 40 600

0.5

1

1.5

2

0 20 40 600

0.5

1

1.5

2

f = 0.7

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

Résultats : Croissance et vieillissement

Lawrence et al. 2008

( 28 °C)

Gerhard et al. 2002

( 26°C)

f1 = 0.8 f2 = 0.65 x f1

Jour post fécondation Jour post fécondation

Longueur,cm

0 500 1000 1500 20000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 500 1000 1500 20000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Survie,-

f = 0.99

Jour post fertilisation

Jour post fertilisation

# œuf cumulé jour-1

Longueur, cm

f1 = 0.595

f2 = 0.96 x f1

f3 = 0.89 x f1

Acclimatation : f=1

100 150 200 250

2

2.5

3

100 150 200 250

2

2.5

3

100 150 200 250

2

2.5

3

100 150 200 250

2

2.5

3

100 150 200 250

2

2.5

3

120 140 160 180 2000

100

200

300

400

500

600

120 140 160 180 2000

100

200

300

400

500

600

120 140 160 180 2000

100

200

300

400

500

600

120 140 160 180 2000

100

200

300

400

500

600

120 140 160 180 2000

2

4

6

8

10

120 140 160 180 2000

2

4

6

8

10

Résultats : Croissance et reproduction à trois niveaux de nutrition

Résultats : observations « 0 dimensions »

Diamètre d’un œuf

Poids sec d’un œuf

Taux de reproduction maximale (26°C)

Âge à la naissance (28°C)

Taille à la naissance

Âge à la puberté (28°C)

Taille à la puberté

cm

µg

# jour-1

jour

jour

cm

cm

Pers. obs.

B. Geffroy pers. comm

Spence et al 2008. 0.07

70

240

Parichy et al 2009. 5

Parichy et al 2009. 0.45

Schilling 2002 >90

Schilling 2002 2-3

DONNEES MODELEREF.UNITENOM

Taille maximale cmSchilling 2002 4-5 4.90

4.11

109.1

0.28

2.27

92.01

50.64 (sans enveloppe)

0.076

Discussion : relations taille – âge – nutrition à la puberté et à la naissance

Relations qualitatives réalistes : -Poissons mieux nourris atteignent la puberté plus rapidement-Poissons mieux nourris sont plus grands à la puberté

0.4 0.6 0.8 1100

200

300

400

500

600

0.4 0.6 0.8 11.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0.4 0.6 0.8 11.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

f f

Âge à la puberté,

jour

Longueur à la

puberté, cm

Par contre, les valeurs quantitatives ne corroborent pas avec les observations. …

PUBERTENAISSANCE

Relations qualitatives réalistes : -L’âge à la naissance diminue avec l’augmentation de la nutrition des parents-La longueur à la naissance est indépendante de la nutrition des parents

0.4 0.6 0.8 11.9

2

2.1

2.2

2.3

2.4

Âge à la naissance,

jour

f

Age à la naissance et taille sous estimée par rapport aux

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 …