S. AUGUSTINE B. GAGNAIRE C. ADAM-GUILLERMIN S.A.L.M. KOOIJMAN 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) 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 : 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 concentrations insuffisant n’existe pas pour un élément non essentiel comme l’uranium Hypothèse d’une nutrition constante pour chaque jeu de données utilisé pour estimer les paramètres INSUFFISANT Les taux métaboliques dépendent de la température ASSEZ TROP Concentration interne en un composé X Les différents jeux de données sont ramenés à une température de référence pour l’estimation des paramètres Réponse fonctionnelle normalisé f : 0<f<1 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 !

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 NAISSANCE >90 jours 2-3 cm 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 Nourriture Assimilation Embryon : Mobilisation Fraction қ mobilisé Fèces Pas d’assimilation externe Allocation à la maturité Fraction (1- қ) mobilisé Juvénile : Réserve Assimilation externe Allocation à la maturité Adulte : Assimilation externe Allocation à la reproduction қ 1-қ Maintenance de la maturité Maintenance somatique Concept de MATURITE Reproduction Structure Maturité Œufs

Stade embryon et juvénile Résultats : Stade embryon et juvénile Température : 28.5 °C Kimmel et al. 1995 Schilling 2002 f = 1 f = 0.7 Longueur, cm Pas de croissance pendant ce stade, le modèle ne prend pas en compte les détails liés aux premières divisions cellulaires Jours post fécondation

Résultats : Croissance et vieillissement Lawrence et al. 2008 Gerhard et al. 2002 ( 28 °C) ( 26°C) f1 = 0.8 f2 = 0.65 x f1 f = 0.99 Longueur, cm Survie, - Jour post fécondation Jour post fécondation

Résultats : Croissance et reproduction à trois niveaux de nutrition Acclimatation : f=1 f1 = 0.595 Longueur, cm f2 = 0.96 x f1 f3 = 0.89 x f1 Jour post fertilisation Je présent ici des données recueillis lors d’une expérience qui s’inscrit dans mes travaux de thèse. Des individus de 2 cm de long et ayant 116 jours post fécondations sont reçus au laboratoire. Après deux semaines d’acclimatation à un niveau de nourriture maximum chacun des trois conditions reçoit une ration différente : ( notés ici). Lors du rationnement les individus sont mises en couple. Les œufs pondus sont comptés. En bas figure les courbes de la somme cumulé des œufs produits par une femelle dans chacune des conditions de nutrition. Pour chacun des trois courbes la somme cumulé d’œufs de la femelle est en fonction de son âge. Il y avait un faible nombre de réplicas de couples pondeurs. Dans l’attente de disposer de données supplémentaires sur le suivi simultané de la croissance et la nutrition à différentes niveaux de nutrition j’ai également utilisé ces données pour l’estimation des paramètres. Il faut noter un retard dans l’initiation des pontes dans la deuxième condition. # œuf cumulé jour-1 Jour post fertilisation

Résultats : observations « 0 dimensions » NOM UNITE REF. DONNEES MODELE Diamètre d’un œuf Spence et al 2008. cm 0.07 0.076 Poids sec d’un œuf µg Pers. obs. 70 50.64 (sans enveloppe) Taux de reproduction maximale (26°C) B. Geffroy pers. comm # jour-1 240 92.01 Âge à la naissance (28°C) Parichy et al 2009. jour 5 2.27 Dans ce tableau de résume les données à 0 dimension sur le poisson zèbre et je les confronte aux prédictions du modèle. A noter que l’individu nait trop tôt : 2,27 jour et à une taille trop petite. Par contre si on prend la naissance comme étant le moment de l’éclosion ces valeurs sont réaliste. Il faudrait prendre comme hypothèse dans ce cas qu’il y a absorbation des acides aminés de l’environnement avant la formation de la bouche. A noter également que l’individu atteint à une longueur presque deux fois supérieure de celle observé couramment. Taille à la naissance Parichy et al 2009. cm 0.45 0.28 Âge à la puberté (28°C) Schilling 2002 jour >90 109.1 Taille à la puberté Schilling 2002 cm 2-3 4.11 Schilling 2002 Taille maximale cm 4-5 4.90

Discussion : relations taille – âge – nutrition à la puberté et à la naissance 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 Relations qualitatives réalistes : -Poissons mieux nourris atteignent la puberté plus rapidement -Poissons mieux nourris sont plus grands à la puberté Âge à la naissance, jour f Age à la naissance et taille sous estimée par rapport aux observations Longueur à la puberté, cm Âge à la puberté, jour Je discuterais des relations entres la taille, l’âge et la nutrition prédites par le modèle. Je présente deux graphs : a gauche l’âge à la puberté en fonction de la nutrition. Les individus moins nourris prennent plus longtemps à atteindre la puberté. A droite la longueur à la puberté en fonction de la nutrition : les individus moins nourris atteignent la puberté à une taille plus petite. Des études sur le rapport entre le développement et la taille par Parichy et al. 2009 confirme très clairement cette deuxième observation. Il affirme la longueur est le meilleur indicateur que l’âge pour indiquer le stade de développent post embryonnaire. Cependant la variance des tailles pour un même stade de développement augmente avec l’âge. Par contre les valeurs quantitatives sont en désaccord avec les observations : à 26 °C l’individu a entre 2 et 3 cm à la puberté pour une nutrition compris entre 0.4 et 0.6 mais a une âge de 1 à 1.9 années. Les valeurs publiés sur l’âge à la puberté vont de 75 jours à 120. Concernant la naissance : la taille à la naissance est invariable, également confirmé par Parichy et al. 2009 dans son article sur le développement post embryonnaire du poisson zèbre. Sur le graphique nous avons l’âge à la naissance en fonction de la nutrition de la mère. Les individus nés d’une mère mieux nourri éclosent plus vite. Le problème c’est que ces valeurs sont sous estimés par rapport aux observations. f 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 … C’est le premier modèle DEB appliqué au poisson zèbre qui utilise un même jeu de paramètres pour modéliser l’ensemble du cycle de vie. Le modèle est prêt pour être ajusté sur des données de testes de toxicité à l’uranium (mais potentiellement à d’autres types de contaminants) dans le but de comprendre quel paramètre est ciblée par l’élément. Ce modèle permet d’effectuer des simulations sur la croissance, la reproduction et la survie à des niveaux de nourriture différents avec et sans polluant.