La régulation du stress, des mécanismes communs mais une variabilité interindividuelle

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Les polluants organiques persistants

Au cours du siècle dernier, plusieurs milliers de produits chimiques ont été inventés, et leur production a été multipliée par 400 entre les années 1930 et 2000 (Tordjman, 2009). Parmi ces polluants massivement produits et utilisés lors du 20ème siècle, il y a une famille de produits chimiques qui sont persistants dans l’environnement et partagent des propriétés communes: les polluants organiques persistants (POP; Jones et de Voogt, 1999). Ces polluants sont hydrophobes, lipophiles, pas ou peu métabolisés par les organismes et ont un long temps de demi-vie dans l’environnement (Gray, 2002; Jones et de Voogt, 1999; Luo et al., 2007). Par conséquence, ils peuvent s’accumuler dans les différents compartiments de l’environnement et persister sur de longues périodes (Jones et de Voogt, 1999).
Parmi ces polluants organiques persistants, on peut distinguer e.g. des pesticides (DDT), des cosmétiques, des produits chimiques industriels tels que les polychlorobiphényles (PCB) et les polybromodiphényléthers (PBDE).
Les polychlorobiphényles (PCB) sont composés d’un noyau biphényle pouvant accueillir 1 à 10 atomes de chlore (Figure 3.A). Deux cent neuf congénères de PCB existent en fonction du nombre et de la position des atomes de chlore sur le noyau biphényle (McFarland et Clarke, 1989). En raison de leurs propriétés chimiques et de leur forte stabilité, ces molécules ont été utilisées dans plusieurs domaines industriels dans des systèmes fermés en tant que fluides hydrauliques dans les transformateurs ou les condensateurs (Breivik et al., 2002a). Les PCB étaient également utilisés dans des systèmes ouverts en tant que bactéricides et insecticides, en tant qu’additifs, stabilisants ou agents ignifuges.
Figure 3. (A) Structure d’une molécule de PCB. D’après McFarland et Clarke (1989); (B) Structure d’une molécule de PBDE. D’après Rahman et al. (2001).
Les polybromodiphényléthers (PBDE) sont des molécules composées d’un noyau diphényléther pouvant contenir de 1 à 10 atomes de brome (Figure 3.B). Comme pour les PCB, il existe 209 congénères de PBDE en fonction du nombre et de la position des atomes de brome (Rahman et al., 2001). Les propriétés de ces molécules, y compris leur stabilité, les rendent très utilisés comme ignifugeants dans une large gamme de produits industriels mais également dans des produits de la vie courante tels que les équipements électroniques, les matériaux de construction, le revêtement de véhicules ou le traitement du bois (Darnerud et al., 2001; Rahman et al., 2001).
Les PCB et les PBDE sont produits et utilisés sous la forme de mélanges techniques (e.g. pour les PCB, les aroclor, les pyralènes et pour les PBDE, le pentaBDE). La composition de ces mélanges techniques pouvait varier en proportion relative de différents congénères. Par exemple pour l’aroclor1254, la concentration de CB-126 pouvait varier de 0.2 à 3.2 mg.g-1 et pour le pentaBDE la proportion de BDE-47 variait entre 38 et 42% (Kodavanti et al., 2001; La Guardia et al., 2006). Ceci explique la grande variabilité des concentrations et proportions relatives des différents congénères de PCB et de PBDE dans l’environnement.
Après de nombreuses alertes sur leur toxicité, la production et l’usage des PCB ont été régulés depuis les années 1970 (Breivik et al., 2002b) et depuis les années 2000 pour les PBDE (Kemmlein et al., 2009). Cette régulation, bien que nécessaire, intervient assez tardivement car les PCB et les PBDE avaient déjà eu le temps de se retrouver dans l’environnement principalement via le lessivage des sols, le rejet des eaux usées et les retombés atmosphériques (Breivik et al., 2002a; Darnerud et al., 2001; de Wit, 2002). A cause de leur persistance, ils sont toujours détectés dans l’environnement et notamment dans les écosystèmes aquatiques (de Wit, 2002; Muir et al., 2003; Shaw et Kannan, 2009). Les PCB et les PBDE sont toujours retrouvés dans les sédiments marins autour du globe (Eljarrat et Barcelo, 2004; Eljarrat et al., 2004; La Guardia et al., 2007; Luo et al., 2007; Robinson et al., 2017). Chez les vertébrés, l’exposition à ces polluants se fait majoritairement par exposition alimentaire, qui est la principale voie d’entrée des PCB et PBDE dans l’organisme (Muir et al., 2003; Nyman et al., 2002).
Le risque associé à l’exposition à des congénères uniques de PCB ou de PBDE commence à être bien connu et considéré comme un facteur de stress par la communauté scientifique. Les effets d’une exposition aux PCB et PBDE sur le comportement et la physiologie des téléostéens seront développés dans la section 3.1.

Les conditions environnementales en système d’élevage

Comme évoqué précédemment, la concentration en oxygène (O2), en dioxyde de carbone (CO2), le pH, la concentration en azote ammoniacal et la salinité font partie des principaux facteurs permettant de caractériser une eau vis-à-vis des téléostéens. En milieu naturel, ces facteurs sont soumis aux fluctuations des conditions environnementales. En milieu contrôlé, comme son nom l’indique, il incombe aux personnes en charge de l’élevage ou de l’expérimentation, grâce aux infrastructures dédiées, de maintenir les individus dans des conditions proches de leur preferendum afin de leur garantir un état de bien-être.
L’augmentation de la demande pour les produits de la mer et la diminution simultanée des pêcheries naturelles a conduit à une expansion importante de l’aquaculture au cours des dernières décennies (Conte, 2004). L’aquaculture existe sous de multiples formes, l’éleveur peut être fortement dépendant du milieu naturel (cages en mer, pisciculture d’étang) ou maitriser totalement les facteurs du milieu (circuit fermé avec eau recirculée). La production de téléostéens, issue de l’aquaculture, a augmenté d’environ 20 millions de tonnes entre 2009 et 2014 pour atteindre 73,8 millions de tonnes en 2014 (FAO, 2016). Représentant seulement 38 % de la ressource exploitée totale (aquaculture et capture) en 2009, la production liée à l’aquaculture représente plus de 44% en 2014 (Figure 4.A, B).
L’aquaculture est maintenant reconnue comme une importante industrie de production alimentaire. Ainsi, de même que pour l’industrie alimentaire terrestre, les préoccupations concernant la durabilité, les problèmes environnementaux et le bien-être animal en aquaculture sont en constante augmentation (Ashley, 2007; Conte, 2004; Hixson, 2014; Martins et al., 2010, 2012). Parmi ces préoccupations, celles liées au bien-être, notamment les variations de la qualité d’eau en milieu contrôlé (circuit fermé), sont celles qui nous intéressent dans le cadre de cette thèse.

La qualité de l’eau en milieu d’élevage

Dans des conditions d’aquaculture en milieu fermé, la recherche d’une forte productivité, couplée aux contraintes économiques, limitent parfois la présence de personnel et l’apport d’eau neuve. Cela conduit donc à des variations des facteurs de qualité de l’eau tels que la température, l’oxygène (O2), le dioxyde de carbone (CO2), le pH, et/ou l’azote ammoniacal total (AAT ou TAN en anglais) dans les élevages. Ces variations, lorsqu’elles atteignent un certain seuil de concentration et/ou de durée, en fonction des preferendum de l’espèce, peuvent donc devenir un stress pour les téléostéens, altérer leur état de bien être, pour finalement avoir des conséquences économiques négatives pour les éleveurs (Conte, 2004).
L’oxygène est particulièrement important car il joue un rôle vital dans les processus de respiration et dans le métabolisme énergétique des organismes aérobies, incluant les téléostéens. Des variations, diminution mais aussi augmentation, trop importantes en oxygène peuvent donc constituer un stress chimique pour l’organisme (Berschick et al., 1987; Chabot et Claireaux, 2008; Diaz et Breitburg, 2009; Espmark et Baeverfjord, 2009).
L’AAT est la somme de l’ion ammonium (NH4+) et de l’ammoniac (NH3) présents dans le milieu. L’azote ammoniacal est plus toxique sous sa forme non-ionisée (NH3) que sous sa forme ionique (NH4+; Camargo et Alonso (2006)). La présence d’AAT dans les élevages est principalement due au catabolisme des protéines inclues dans les aliments et/ou à l’excès de nourrissage i.e. le gaspillage (Person-Le Ruyet et Boeuf, 1998). De faibles apports d’eau neuve peuvent donc induire le stockage d’AAT, ainsi que l’accumulation de nitrites et nitrates après transformation de l’AAT par les bactéries du système d’élevage, et constituer une source de stress potentielle pour les téléostéens (Dosdat et al., 2003; Gao et al., 2017; Lemarié et al., 2004; Person-Le Ruyet et al., 1995; Shingles et al., 2001).
La concentration en CO2, le pH ou bien encore la quantité de matière en suspension sont également des facteurs très importants suivis par l’éleveur et pouvant également constituer une source de stress chez les téléostéens (Borch et al., 1993; Colson et al., 2015; Sadoul et al., 2017b).

Les manipulations

En plus des stress chimiques présentés dans la section précédente auxquels les téléostéens sont soumis en condition d’aquaculture, ils sont également exposés à de nombreux stress physique. En effet, le stress physique intervient en milieu contrôlé lorsque l’individu est confronté à la manipulation par l’homme (Barton, 2002). En aquaculture, la manipulation est réalisée pour permettre la mesure de véritables d’intérêts comme la croissance ou bien le transfert et/ou le tri des cheptels entre bassins. Elle peut aussi être couplée à un isolement social de l’individu pour cause de risques pathologiques ou de blessures par exemple. Les manipulations peuvent entrainer des blessures chez l’individu et constituer un stress physique mais également avoir des conséquences psychologiques, bien que non catégorisées comme telles par Galhardo et Oliveira (2009), et poser questions en terme de bien-être animal (Ashley, 2007). En effet, l’introduction dans un nouvel environnement, l’isolement social ou le confinement, peuvent être une source très importante de stress chez les téléostéens (Auperin et al., 1997; Rotllant et al., 2003; Shams et al., 2015; Strange, 1992; Young et Cech, 1993).
Même si les manipulations ne constituent pas un facteur de stress dont il était prévu d’étudier les réponses durant ma thèse, elles sont souvent nécessaires à la mise en place d’expérimentations. La réponse des individus à cette source de stress ne constituera donc pas un objet d’étude à part entière mais sera abordée et discutée au cours de cette thèse.
La section suivante vise à présenter plus en détail les différentes réponses physiologiques et comportementales mises en œuvre par les téléostéens pour faire face à divers facteurs de stress et maintenir un état homéostatique compatible avec leurs performances biologiques et/ou leur bien-être.

La régulation du stress, des mécanismes communs mais une variabilité interindividuelle

La régulation moléculaire du stress

Les mécanismes endocriniens liés à la régulation du stress sont fortement conservés chez les vertébrés (Galhardo et al., 2011; Martins et al., 2011a; Øverli et al., 2005; Schjolden et Winberg, 2007). Chez les téléostéens, suite à un stress, le système nerveux central (SNC) active en parallèle l’axe hypothalamus-pituitaire-interrénale (HPI) et le système nerveux sympathique (SNS) aboutissant à la libération d’hormones (Barton, 2002; Sumpter, 1997; Winberg et Nilsson, 1993). Ces hormones vont avoir un rôle de médiateurs afin de permettre à l’individu de faire face et de s’adapter au facteur de stress auquel il est soumis (Barton, 2002).

L’axe hypothalamus-pituitaire-interrénale

L’axe HPI est impliqué dans la réponse au stress avec la production d’hormones glucocorticoïdes et principalement le cortisol chez les téléostéens (Sadoul et Vijayan, 2016; Schreck et Tort, 2016). Brièvement, un stress induit la production de corticolibérine (hormone cortico-releasing, CRH) par l’hypothalamus qui va ensuite entraîner la production d’hormone adreno-cortico-tropin (ACTH) par la glande pituitaire pour finalement aboutir à la libération de cortisol par la glande interrénale (Sumpter, 1997; Wendelaar Bonga, 1997; Figure 5).
Ensuite, les récepteurs à glucocorticoïdes (gr1 et gr2) et minéralocorticoïdes (mr), sont retrouvés dans de nombreux tissus chez les téléostéens (Faught et al., 2016) et connus pour être activés en présence de cortisol (Bury et al., 2003; Colombe et al., 2000; Kiilerich et al., 2018a). Ils sont impliqués dans le rétrocontrôle négatif du cortisol (Alderman et al., 2012; Bernier et al., 2009; Johansen et al., 2011) bien que les mécanismes associés soient encore à déterminer (Kiilerich et al., 2018b; Prunet et al., 2006).

Les systèmes monoaminergiques

D’un autre côté, l’activation du système nerveux sympathique va déclencher la production de catécholamines telles que la dopamine (DA) et de la norépinephrine ou noradrénaline (NE) (Øverli et al., 2007; Reid et al., 1998; Winberg et Nilsson, 1993). Ces deux catécholamines sont synthétisées à partir de tyrosine (TYR). Premièrement, TYR est hydroxylée en 3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA), puis décarboxylée pour former la dopamine. La norépinephrine est alors produite par hydroxylation de la dopamine (Winberg et Nilsson, 1993). Les métabolites majeurs de la dopamine et de la norépinephrine sont respectivement 5-dihydroxyphenylacetic (DOPAC) et 3-methoxy-4-hydroxyphenylglycol (MPHG ; Figure 6).
En plus de la réponse du système nerveux sympathique, le système sérotonergique amenant à la synthèse de la sérotonine (5-HT) apparait également très important dans la régulation du stress (Gesto et al., 2013; Øverli et al., 2007; Winberg et Nilsson, 1993). La sérotonine est synthétisée à partir du tryptophane (TRP). Brièvement, TRP est hydroxylé en 5-hydroxytryptophan (5-HTP). Ensuite, 5-HTP est décarboxylé en sérotonine (5-hydroxytryptamine, 5-HT) dont le métabolite majeur est l’acide 5-hydroxyinoleacetic (5-HIAA, Winberg et Nilsson (1993); Figure 7).

Table des matières

Introduction générale
1. L’environnement, une source de stress
1.1. Le stress et les facteurs de stress
1.1.1. Le stress
1.1.2. Les facteurs de stress
1.2. Les polluants organiques persistants
1.3. Les conditions environnementales en système d’élevage
1.3.1. La qualité de l’eau en milieu d’élevage
1.3.2. Les manipulations
2. La régulation du stress, des mécanismes communs mais une variabilité interindividuelle
2.1. Le régulation moléculaire du stress
2.1.1. L’axe hypothalamus-pituitaire- interrénale
2.1.2. Les systèmes monoaminergiques
2.1.3. L’activité et la plasticité neuronale
2.2. Le comportement
2.2.1. La personnalité animale
2.2.2. Le syndrome comportemental
2.2.3. L a plasticité comportementale
2.3. La théorie des coping styles
3. L’individu face aux facteurs de stress de l’environnement
3.1. Cas d’étude d’un stress chimique : les PCB et les PBDE à dose environnementale
3.1.1. Les réponses physiologiques
3.1.2. Les réponses comportementales
3.2. Cas d’étude d’un stress physico-chimique en système d’élevage
3.2.1. Les réponses physiologiques
3.2.2. Les réponses comportementales
4. Présentation de la thèse
4.1. Inscription de la thèse au sein de projets de recherche
4.1.1. ANR Fish’N’POPs
4.1.2. ERANET-ANIHWA Win- fish
4.2. Les modèles biologiques
4.2.1. Le poisson zèbre, Danio rerio
4.2.2. Le bar européen, Dicentrarchus labrax
4.3. Objectifs et structure de la thèse
Partie 1: Le coping style chez les téléostéens
Chapitre 1: Zebrafish behavioural syndrome is consistent at diffe rent ages from larvae to juveniles but not over time
Présentation
1. Introduction
2. Material and methods
2.1. Fish rearing
2.2. Experimental procedure to monitor behavioural consistency acros s context and age
2.3. Behavioural experiments
2.4. Vital staining using alizarin red S, reading procedure and LPMR test
2.5. Statistical analyses
3. Results
3.1. Validation of alizarin red s marking procedure
3.2. Risk-taking test
3.3. Behavioural consistency across context
3.4. Behavioural consistency across ages
4. Discussion
Conclusions
Chapitre 2: Coping s tyles in European sea bas s: the link between boldness, stress response and neuroge nesis
Présentation
1. Introduction
2. Material and methods
2.1. Fish rearing and pit-tagging
2.2. Group r isk-taking test
2.3. Open field test
2.4. Blood and brain sampling
2.5. Brain monoamines analyses
2.6. Gene transcription analyses
2.7. Statistical analyses
3. Results
3.1. Behavioural consistency across context and time between GRT and OFT
3.2. Open field test
3.3. Plasma cortisol concentration
3.4. Monoamines expression in the brain
3.5. Gene transcript ion in the brain
3.6. Principal component analysis (PCA)
4. Discussion
Conclusions
Supplementary material
Partie 2: Effets d’une expos ition chronique à un mélange de pol luants organiques persistants sur les réponses comportementales et physiologiques des téléostéens et leur descendance
Chapitre 3: Examining multi- and transgenerat ional behavioural and molecular alterat ions resulting from parental exposure to a PCB and PBDE environmental mixture
Présentation
1. Introduction
2. Material and methods
2.1. Fish reproduction and rearing
2.2. MIX diet and F0 exposure and PCB and PBDE analyzes
2.3. Behavioural experiments
2.4. Localization of the habenula
2.5. dnmts and c-fos transcription analyzes
2.6. Statistical analyses
3. Results
3.1. PCB and PBDE concentrations from F0 to F1
3.2. Behavioural experiment
3.3. Localization of the habenula
3.4. dnmts and c-fos transcription analyzes
4. Discussion
Conclusions
Supplementary material
Chapitre 4: Chronic dietary exposure to an environmental mixture of Persistent Organic Pollutants (PCBs, PBDEs) alters boldness and anxiety syndromes over generations in zebrafish (Danio rerio)
Présentation
1. Introduction
2. Material and methods
2.1. Fish reproduction and rearing
2.2. MIX diet and F0 exposure
2.3. Behavioural experiments and HPI responsiveness
2.4. Statistical analyses
3. Results
3.1. PCB and PBDE concentrations from F0 to F1
3.2. Behavioural experiments and HPI responsiveness
4. Discussion
Conclusions
Supplementary material
Partie 3: Effets d’une expos ition aigue à des facteurs de stress retrouvés en aquaculture sur les réponses comportementales et phys iologiques des téléostéens
Chapitre 5: Spatial distribution and activity pat terns as welfare indicators in response to water quality changes in European sea bass, Dicentrarchus labrax
Présentation
1. Introduction
2. Material and methods
2.1. Fish rearing
2.2. Translating and validating the novel tank diving test in European sea bass
2.3. Exposure to stress condition and water quality characterization
2.4. Behavioural procedures
2.4.1. Novel environment in group
2.4.2. Novel tank diving test post-stress condition
2.5. HPI axis response
2.6. Statistical analyses
3. Results
3.1. Validation of novel tank diving test in European sea bass
3.2. Water quality characterization
3.3. Novel environment in group
3.4. Novel tank diving test post-stress condition
3.5. HPI axis response
4. Discussion
Conclusions
Chapitre 6: Divergent behavioural responses to hypoxia for opposed coping styles in European sea bass, Dicentrarchus labrax
Présentation
1. Introduction
2. Material and methods
2.1. Fish rearing and pit-tagging
2.2. Group r isk-taking test
2.3. Hypoxia challenge
2.4. Transcriptomic analyses
2.5. Statistical analyses
3. Results
3.1. Coping style screening
3.2. Hypoxia challenge
4. Discussion
Conclusions
Discussion générale
1. Le coping style chez les téléostéens
1.1. La personnalité et les syndromes comportementaux
1.2. La plasticité vs.la stabilité
1.3. Les mécanismes physiologiques associés
1.3.1. La régulation du stress
1.3.2. L’activité et la plasticité neuronale
2. L’individu face aux facteurs de stress de l’environnement
2.1. Effets d’une exposition chronique à un mélange environnemental de PCB et de PBDE sur le comportement et la physiologie
2.2. Effets d’un stress physico-chimique en système d’élevage sur le comportement et la physiologie
3. L’importance de la personnalité et des coping styles
3.1. Des capacités d’adaptation à l’hypoxie différentes
3.2. Le syndrome du rythme de vie (pace of life syndrom)
4. Conclusions et perspectives
Références bibliographiques
Annexes
Annexe 1: Curriculum vitae
Annexe 2: Horri et al. (2018). Fish life-history traits are affected after chronic dietary exposure to an environmentally realistic marine mixture of PCBs and PBDEs. Sci. Total Environ.. 610-611: 531-545
Annexe 3: Sadoul et al. (2018). Enhanced brain expression of genes related to cell proliferation and neural differentiation is associated with cortisol receptor expression in fishes. Gen. Comp. Endocrinol.. 267: 76–81