Objectifs scientifiques

Mots-clefs: Stress multiples, interactions hôte-pathogènes, immuno-toxicologie, éco-épidémiologie, mécanismes adaptatifs, surveillance sanitaire.

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Contexte scientifique

Les écosystèmes aquatiques sont soumis à un nombre croissant de stress d’origines anthropique et naturelle qui affectent les capacités d’adaptation des organismes qui les composent (e.g. 1–5). La nature complexe et multi-variée de ces stress multiples rend difficile toute prédiction quant aux capacités de réponse biologique des organismes qui y sont soumis, en raison notamment (i) de la variabilité naturelle des capacités de défense physiologique entre individus et populations d’une même espèce (6,7) (ii) des interactions potentiellement synergiques ou antagonistes entre processus de défense face aux différents stress comme les polluants et les parasites (8,9). Par exemple, de nombreux contaminants organiques et inorganiques comme les pesticides et les métaux lourds peuvent provoquer une altération du système immunitaire qui peut compromettre la capacité des organismes à faire face aux stress parasitaires (e.g. 10,11). Inversement, les parasites, en déclenchant une réponse immunitaire coûteuse et en modifiant l’équilibre physiologique de l’organisme, sont susceptibles d’affecter les capacités de détoxification des contaminants de leurs hôtes (12,13). L’exposition conjointe aux stress chimiques et parasitaires dans les écosystèmes aquatiques est donc susceptible de modifier profondément la dynamique des interactions hôte-pathogènes et d’affecter les émergences d’épidémies dans les écosystèmes d’eau douce contaminés (14,15). De plus, l’exposition à ces stress peut, par des phénomènes de plasticité physiologique ou de modifications de structure génétique, entraîner des disparités importantes de sensibilité inter- et intra-populations (e.g. 2,5), qu’il est important de prendre en compte pour anticiper les conséquences des contaminants sur la viabilité des populations aquatiques, notamment à l’échelle d’un bassin versant.

Fig 2

La Garonne au Pont de la Poudrerie

Cependant, les mécanismes d’évolution de la sensibilité à ces stress multiples et leurs implications pour les interactions hôte-pathogènes sont encore très peu connus en raison de deux verrous scientifiques majeurs. Premièrement, la plupart des études écotoxicologiques sont menées sur des espèces modèles issues de lignées de laboratoire dont la variabilité génétique et phénotypique est réduite (e.g. 16). Or la forte hétérogénéité de structure génétique et de plasticité physiologique entre individus et entre populations sauvages modifie souvent considérablement l’issue des interactions entre les organismes et les facteurs de stress environnementaux comme les polluants (16,17). Il est donc essentiel de prendre en compte la variabilité naturelle de capacités de réponse et d’histoire évolutive des individus exposés dans les études futures en utilisant des populations animales sauvages ayant évolué dans différents contextes de perturbations au sein ou entre bassins versants. Deuxièmement, les capacités d’adaptation des populations, et le rôle respectif de la plasticité physiologique et de l’adaptation génétique pour faire face à ces stress sont encore peu étudiées, en raison des difficultés à implémenter des approches évolutives sur le terrain, et du manque de connaissance quant à la structuration génétique des populations.

Pour répondre à ces nouvelles questions, nous proposons dans ce projet d’utiliser des approches pluridisciplinaires, à l’interface entre la biologie évolutive, la physiologie, et l’écotoxicologie, afin de mieux comprendre les mécanismes évolutifs qui sous tendent la variabilité naturelle de sensibilité aux polluants dans les populations sauvages. De plus, nous tentons d’utiliser une approche intégrative à plusieurs échelles, de la molécule aux interactions biotiques, afin de comprendre la nature antagoniste ou synergique des stress toxiques et parasitaires et de prédire leurs effets sur la viabilité à long terme des populations.

Objectif général et questions de recherche spécifiques

L’objectif général de ce projet est d’identifier les conséquences des stress chimiques et parasitaires sur les capacités d’adaptation et d’acclimatation physiologique des organismes et leurs implications pour les interactions hôte-pathogènes. Pour cela deux espèces sentinelles de poissons d’eau douce, le goujon (Gobio occitaniae), et le chevesne (Leuciscus cephalus) ont été choisies en raison de leur sensibilité à la pollution, et de leur potentiel de réponse évolutive aux perturbations à plusieurs échelles spatiales.

Fig 6

Un goujon Gobio occitaniae

Le projet se déroulera en 3 problématiques correspondant à 3 objectifs.

(O1) Le premier objectif est de caractériser la diversité phénotypique et physiologique (immunité innée, réserves énergétiques, génotoxicité) de ces deux espèces le long d’un gradient de perturbations chimiques sur des sites d’études préalablement identifiés du bassin de la Garonne et rigoureusement caractérisés grâce à une base de données déjà disponible. Cette étude de terrain permettra de tester la validité de bio-marqueurs physiologiques choisis et de comparer de manière rigoureuse les capacités physiologiques et la charge parasitaire des populations ayant évolué dans différents contextes, tout en mettant en place un outil de veille sanitaire des populations exposées (suivis de charge parasitaire). De plus, cette étape permettra de quantifier le potentiel de divergence évolutive des populations, qui fournira une base pour l’étude des capacités d’adaptation des populations (cf., O3).

(O2) Le second objectif est de tester le lien entre le taux de contaminants de l’environnement et des tissus, et les marqueurs immunitaires, afin de tester le lien entre contamination toxique et marqueurs d’état de santé des populations. En comparant le niveau de contamination des différentes populations de poissons et en les mettant en lien avec leurs dommages physiologiques et leur état parasitaire, cette étape permettra d’identifier des zones sensibles caractérisées par des forts taux de contaminations et/ou de dommages parasitaires et de renforcer la veille prospective relative aux contaminations toxiques et aux surveillance épidémiologiques sur l’axe Garonne.

(O3) Le troisième objectif est de caractériser les capacités d’adaptation et de plasticité physiologique (variabilité des réponses physiologiques) des populations les plus divergentes d’une des deux espèces en utilisant des approches de génétique quantitative. Tout d’abord les patrons de divergence phénotypique et physiologiques observés en O1 seront comparées avec les patrons de variabilité génétique neutre afin d’identifier des traits potentiellement soumis à sélection (approches de type Pst/Fst). Puis une approche expérimentale de terrain sera utilisée afin de comprendre le rôle respectif de l’adaptation locale et de la plasticité dans ces divergences. Pour cela, des poissons issus de sites de référence les plus pollués seront exposés pendant des durées de référence in situ dans des cages dans les sites les moins polluées et vice versa. Leur capacité de réponse à un challenge immunitaire mimant une attaque parasitaire durant une période contrôle seront testés.

Voici un exemple de lésion de la nageoire dorsale:

Fig 8

Ce projet permettra de répondre à des questions originales et encore rarement testées sur l’évolution des capacités d’adaptation des organismes sauvages, grâce à la combinaison d’approches physiologiques et évolutives à l’interface entre les disciplines de écotoxicologie et écologie évolutive. Deux facteurs de prise de risque sur ce projet peuvent être identifiés. D’une part, peu de connaissances sont encore disponibles sur les effets biologiques des cocktails de contaminants organiques et inorganiques réalistes en milieu naturel, en particulier leurs effets sur le système immunitaire, et le projet proposé permettra de tester le rôle de ces contaminations multiples réalistes comme facteurs de risque sanitaire et écosystémique. D’autre part, les expérimentations de transplantation in situ proposées sont encore rarement utilisées dans les contextes d’écotoxicologie évolutive, en particulier chez les vertébrés, malgré la puissance potentielle de tels outils pour tester les effets des expositions réelles à des cocktails réalistes de contaminants (e.g. 18).

Le projet proposé permettra donc de tester le potentiel de ces approches de terrain et la pertinence des hypothèses de départ. En levant les verrous traditionnellement associés à ce type de question, ce projet pourra permettre de généraliser l’utilisation d’approches évolutives en écotoxicologie, et d’améliorer notre compréhension et notre capacité d’anticipation des effets des stress chimiques sur les populations animales sauvages soumises aux changements globaux.

Références

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