Metabolic interactions between Daphnia and cyanobacteria


 Olivier Troccaz    03/12/2019 : 10:05

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17/12/19 - Soutenance de thèse de Gorenka BOJADZIJA SAVIC

Le jeudi 19 décembre 2019 à 14h00, salle de conférences de l'OSUR, bâtiment 14b, Campus de Beaulieu, UR1

Metabolic interactions between Daphnia and cyanobacteria

Les écosystèmes d'eau douce connaissent fréquemment des proliférations de cyanobactéries, dont beaucoup produisent des métabolites toxiques ou bioactifs qui peuvent affecter les traits de vie du zooplancton. Cependant, il n'est pas clair si la présence de zooplancton a un impact sur la production de métabolites secondaires chez les cyanobactéries, le stress oxydatif et la physiologie des cyanobactéries. Le zooplancton est capable de développer une tolérance en tant que réponse physiologique aux cyanobactéries et à leurs composés bioactifs, grâce à des mécanismes tels que l'augmentation de l'activité des enzymes antioxydants de stress et des enzymes de détoxification. Cependant, cela s'accompagne d'un coût énergétique qui, à son tour, influence les traits de vie des daphnies et peut nuire à leurs populations. L'objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre la complexité de la co-acclimation et de la coexistence mutuelle entre daphnies et cyanobactéries. Nous émettons l'hypothèse que : a) la présence de D. magna induira un mécanisme de défense chez M. aeruginosa par la production de composés bioactifs spécifiques et affectera sa physiologie et b) la présence de M. aeruginosa affectera les réponses physiologiques et les traits de vie chez D. magna. Afin de déconvoluer les interactions mutuelles, M. aeruginosa a été exposé à du filtrat de D. magna, et vice-versa, D. magna a été exposé à du filtrat de M. aeruginosa. Des interactions mutuelles entre M. aeruginosa et D.magna ont été observées dans une chambre de co-culture spécialement construite pour permettre l'échange des métabolites au travers d’une membrane de 0.2 μm sans contact direct entre les organismes. La croissance, l'activité photosynthétique, les ROS et la dynamique des métabolites secondaires intracellulaires et extracellulaires ont été suivis chez M. aeruginosa en présence de daphnies. Parallèlement, des réponses physiologiques et des réponses aux traits de vie de Daphnia ont été suivies, y compris la survie, le stress oxydatif, la biotransformation et la répartition de l'énergie en présence de M. aeruginosa. Les résultats ont montré que le filtrat de Daphnia avait un impact sur la physiologie des cyanobactéries et leur stress oxydatif, mais que la réponse dépendait du type d'exposition, des densités initiales et de la concentration des composés info-chimiques de Daphnia dans le filtrat. La souche M. aeruginosa, qui ne produit pas de microcystin (MC-) a mieux résisté au stress causé par le filtrat de D. magna, que la souche M. aeruginosa qui produit de la microcystin (MC+). Dans l’expérience de co-culture, la souche toxique (MC+) a réussi à s’acclimater aux composés de daphnies diffusant progressivement à travers la membrane. De plus, des concentrations extracellulaires élevées de MC-LR (en co-culture) et de Cyanopeptolin A (expérience de filtrat de Daphnia) pourraient jouer un rôle anti prédation, mais d'autres recherches sont nécessaires pour confirmer cette fonction. M. aeruginosa a affecté négativement la survie de la daphnie dans toutes les configurations d'exposition. La diminution de l'activité de la CAT, de la SOD et de la GST suggère l'épuisement enzymatique dû à la présence de MC-LR et d'autres composés dans le milieu lors de l’exposition en co-culture ou de l’exposition du filtrat de la souche toxique de M. aeruginosa. De plus, dans les deux types de setups expérimentaux, la diminution des paramètres énergétiques chez la Daphnie suggère une allocation d'énergie vers des mécanismes de réponse au stress qui n'ont pas été observés dans cette étude.

 

Freshwater ecosystems name frequently experience cyanobacterial blooms, many of which produce toxic and bioactive metabolites that can affect zooplankton life traits. However if the presence of zooplankton influences the production of cyanobacterial bioactive compounds, oxidative stress and affects physiology in cyanobacteria is unclear. At the same time, zooplankton are able to develop tolerance as a physiological response to cyanobacteria and their bioactive compounds, through mechanisms such as increase of antioxidative stress enzymes and detoxification enzymes activity. However, this comes with energetic cost that in turn influence Daphnia life traits and may impair populations. The main aim of this project is a better understanding of the complexity of mutual acclimations and co-existence between Daphnia and cyanobacteria. The hypothesis are: a) the presence of D. magna will induce a defense mechanism in M. aeruginosa via the production of specific bioactive compounds and affect its physiology; and b) the presence of M. aeruginosa will affect physiological responses and life traits in D. magna. In order to disentangle mutual interactions, M. aeruginosa was exposed to D.magna spent medium, and vice-versa, D.magna was exposed to cell free cyanobacterial medium obtained from axenically grown M. aeruginosa. Mutual interactions between M. aeruginosa and D.magna were observed in a specially built co-culture chamber that allowed exchange of the metabolites via a membrane of 0.2 μm without direct contact of the organisms. Cyanobacterial growth, photosynthetic activity, ROS and the dynamics of intracellular and extracellular cyanobacterial secondary metabolites was monitored in the presence of Daphnia. In parallel, Daphnia physiological and life trait responses were recorded, including, survival, oxidative stress, biotransformation and energy allocation in the presence of M. aeruginosa. Daphnia spent medium impacted on cyanobacterial physiology and oxidative stress, and response depended on the type of exposure set-up (aquaria versus co-culture chamber), initial densities and concentration of Daphnia infochemicals in the spent medium. Non-microcystin (MC-) producing M. aeruginosa dealt better with the stress caused by D.magna spent medium, than microcystin producing (MC+) M. aeruginosa. In the co-culture chamber experiment, microcystin producing (MC+) M. aeruginosa was able to acclimate to D.magna infochemicals slowly diffused through the membrane, maintaining good physiology. Furthermore, elevated concentration of extracellular MC-LR (co-culture exposure), Cyanopeptolin A (exposure to D.magna spent medium) could have anti-grazing role, however, more research is needed to confirm this function. Microcystis negatively affected Daphnia survival in all exposure setups. Decrease of CAT, SOD and GST activity after 7 days of exposure suggests enzyme exhaustibility due to presence of MC-LR and other compounds in the medium in both co-culture chamber exposure, as well as direct exposure to (MC+) M. aeruginosa spent medium. Similarly, in both experimental set-ups, decreasing energetic resources in Daphnia suggest energy allocation towards mechanisms dealing with stress different of those observed in this study.

 

Jury :

Rapporteurs:

Petra Visser Professeure, University Amsterdam

Elisabeth Gross Professeure, Université de Lorraine

 

Examinateurs:

Philippe Vernon Directeur de Recherche CNRS, Université de Rennes 1

Benjamin Marie Chargé de Recherche CNRS, MNHN

Hélène Hegaret Chargée de Recherche CNRS, Université Bretagne Occidentale

Co-encadrants:

Claudia Wiegand Professeure, Université de Rennes 1, directrice de thèse

Linda Lawton Professeure, Robert Gordon University, Aberdeen, co-directrice de thèse

 

Contact : Gorenka BOJADZIJA SAVIC



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