Gene expression in understanding mechanisms of toxicity in amphibians

De uma forma geral os anfíbios são conhecidos como organismos que apresentam uma grande sensibilidade a vários tipos de contaminantes. Contudo existem casos, como o de Pelophylax perezi (rã-verde), em que estes organismos habitam áreas extremamente contaminadas. Este facto verifica-se na mina de urânio desactivada, da Cunha Baixa (Viseu, centro de Portugal), em que uma população destas rãs habita na lagoa de efluente ácido mineiro (M). Estudos ecotoxicológicos anteriores com estes organismos revelaram apenas efeitos de toxicidade ténues levantando algumas questões. Com o objectivo de elucidar quais os mecanismos que permitem a P. perezi permanecer neste local, sem sofrer aparentemente efeitos perniciosos, encetamos este trabalho. Numa primeira abordagem, avaliámos o sistema de defesa antioxidante de rãs adultas, bem como o conteúdo em metais de alguns órgãos. Desta forma verificámos alterações enzimáticas, principalmente no pulmão e acumulação de metais nos vários órgãos. Posteriormente foi realizado um estudo de expressão genética diferencial, também em organismos adultos e desta feita foram sugeridos alguns mecanismos de protecção basal que estarão por detrás da capacidade de suportar este ambiente extremamente contaminado. Numa etapa seguinte abordámos os efeitos em fases larvares, fazendo inicialmente uma exposição in situ, a vários efluentes, caracteristicamente diferentes, do complexo mineiro. Avaliámos o crescimento, a acumulação de metais e a actividade de alguns biomarcadores de stress oxidativo. Como resultado pudemos constatar que nas fases larvares para além de alguma mortalidade existe acumulação de metais bem como algumas alterações a nível de biomarcadores de stress oxidativo. Numa última abordagem realizamos uma exposição crónica dos girinos a efluente da mina com diversos níveis de pH para distinguir os efeitos da toxicidade do pH, dos efeitos da toxicidade pelo conteúdo de metais. Para tal avaliámos novamente biomarcadores de stress oxidativo, crescimento, acumulação de metais e efectuamos ainda um estudo de expressão genética diferencial. Esta última aproximação permitiu verificar que a toxicidade do efluente resulta primariamente do pH ácido, assumindo a contaminação por metais um papel secundário. Contudo o crescimento dos girinos de P. perezi apresenta-se estimulado por pHs mais baixos. São apontados ainda alguns mecanismos, em girinos, para lidar com o stress causado pela contaminação por metais.De uma forma geral pôde-se constatar que quer anfíbios adultos quer girinos expostos ao efluente apresentam valores altos de metais acumulados. Os biomarcadores de stress oxidativo na sua maioria não apresentaram respostas coerentes mediante as várias exposições. Este trabalho apresentase como um contributo importante para a ecotoxicologia de anfíbios, aumentando os níveis actuais de conhecimento sobre o efeito de contaminação proveniente de efluentes mineiros, sugerindo ainda mecanismos de resistência quer em larvas, quer para adultos.

Propriétés anesthésiques et analgésiques de l’eugénol chez la grenouille (Xenopus laevis), le poisson (Oncorhynchus mykiss) et le rat (Rattus norvegicus)

L'eugénol (2-methoxy-4-(2-propenyl) phénol), produit dérivé du clou de girofle (Eugenia aromatica), fut tout d’abord utilisé en application topique à des fins d’analgésie dentaire. Il produit également une anesthésie chirurgicale lorsque administré en immersion chez les poissons. L’eugénol agit sur les récepteurs vanilloïdes, sensibles à la chaleur, aux protons et à certaines molécules lipidiques. Ces récepteurs jouent un rôle important dans le mécanisme de l’inflammation et de l’hyperalgésie. L’eugénol pourrait également produire ses effets par antagonisme des récepteurs glutamaergiques (NMDA) et par son activation des récepteurs GABAergiques. Considérant que l’eugénol produit des effets analgésiques et anesthésiques, des études de pharmacocinétique et de pharmacodynamie furent réalisées chez la grenouille (Xenopus laevis), le poisson (Oncorhynchus mykiss) et le rat (Rattus norvegicus). Les résultats démontrent que l’eugénol administré par immersion à une dose efficace permet d’atteindre une anesthésie chirurgicale chez les grenouilles (350 mg/L) et les poissons (75 mg/L). Suite à des analyses plasmatiques par LC/MS/MS, la pharmacocinétique des grenouilles, des poissons et des rats montre que la drogue est éliminée et qu’il pourrait y avoir une recirculation entérohépathique plus importante chez la grenouille et le rat. La longue demi-vie chez le rat suggère aussi une accumulation dans les tissus après des administrations répétées. Suite à l’administration intraveineuse d’une dose de 20 mg/kg chez le rat, l’eugénol induit une anesthésie chirurgicale pour une très courte période de temps variant autour de 167 s. Les résultats de sensibilité thermique confirment l’efficacité de l’eugénol pour réduire l’hyperalgésie induite chez des rats neuropathiques. L’effet pharmacologique de l’eugénol a démontré une augmentation progressive constante de l’analgésie sur une période de cinq jours de traitements journaliers. En conclusion, l’eugénol possède des propriétés analgésiques et anesthésiques chez la grenouille africaine à griffes (Xenopus laevis), le poisson (Oncorhynchus mykiss) et le rat (Rattus norvegicus).

Sélection et polymorphisme chez des grenouilles mimétiques du Pérou (Dendrobatidae)

La diversification des signaux aposématiques dans un cadre de mimétisme müllérien est un phénomène intrigant. Alors que la théorie relative à l'aposématisme et au mimétisme suggère l'évolution vers un signal aposématique unique, d'impressionnantes variations peuvent être observées entre les populations, et cela à petite échelle spatiale. Il a été supposé que la variation spatiale des pressions de sélection engendrées par différents prédateurs puisse être à l'origine de ce phénomène. Afin de tester cette hypothèse, nous avons étudié la transition entre deux systèmes géographiques caractérisés par des patrons aposématiques distincts chez des grenouilles mimétiques et toxiques du nord du Pérou (Dendrobatidae) en combinant les outils de génétique des populations aux outils écologiques. Dans chacun de ces systèmes, Ranitomeya imitator vit en sympatrie avec R. ventrimaculata ou R. variabilis. Il s'agit du principal exemple empirique suggérant que dans un cadre de mimétisme müllérien, il n'y a pas convergence des signaux aposématiques des deux espèces, mais plutôt convergence unidirectionnelle où R. imitator, étant polymorphe, imite des espèces monomorphes avec lesquelles elle est sympatrique. Premièrement, les résultats réfutent les prémisses qui suggèrent que R. imitator converge vers le signal aposématique d’une autre espèce. La haute similarité génétique entre les espèces modèles suggère qu'elles ont divergé plus récemment que les populations de R. imitator ou qu'elles sont encore connectées par du flux génique. Ces résultats indiquent que ces espèces ont été identifiées à tort comme des espèces différentes. De fait, l'identification de l'espèce imitatrice basée sur la variabilité phénotypique est invalidée dans ce système puisque R. imitator et R. variabilis/ventrimaculata démontrent la même variabilité. Deuxièmement, nos résultats démontrent que la prédation varie spatialement, autant en intensité qu'en direction, créant ainsi un paysage hétérogène de pressions de sélection. Ainsi, de fortes pressions de prédation stabilisatrice permettent le maintien de l'organisation géographique de différents signaux aposématiques et expliquent l'uniformité de ces signaux ainsi que les relations mimétiques. Par contre, le relâchement temporaire des pressions de prédation permet l'apparition de nouveaux phénotypes aposématiques via les processus évolutifs neutres, conduisant à un haut polymorphisme au niveau de ces populations. L'interaction de ces modes sélectifs nous a permis de démontrer pour la première fois comment la théorie évolutive de Wright (shifting balance theory) permet la diversification adaptative dans un système naturel. Pour conclure, cette étude a permis de mettre en évidence à quel point les systèmes de mimétisme müllérien peuvent être dynamiques. L'alternance spatiale entre les processus évolutifs neutres et la sélection naturelle permet l'émergence de nouveaux phénotypes aposématiques à une échelle locale, ainsi que l'apparition d'une organisation géographique des signaux d'avertissement et des relations de mimétisme müllérien.

Organisation et modulation du réseau neuronal de la respiration chez la lamproie.

Les mécanismes neuronaux contrôlant la respiration sont présentement explorés à l’aide de plusieurs modèles animaux incluant le rat et la grenouille. Nous avons utilisé la lamproie comme modèle animal nous permettant de caractériser les réseaux de neurones du tronc cérébral qui génèrent et modulent le rythme respiratoire. Nous avons d’abord caractérisé une nouvelle population de neurones, dans le groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG), une région du tronc cérébral essentielle à la genèse du rythme respiratoire chez la lamproie. Les neurones de cette région sont actifs en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des projections bilatérales vers les groupes de motoneurones du tronc cérébral qui activent les branchies ainsi que des connexions reliant les pTRG de chaque côté du tronc cérébral. Ces résultats montrent que le pTRG contient un groupe de cellules qui active les motoneurones respiratoires des deux côtés et qui pourrait être impliqué dans la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire. Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuronaux par lesquels le rythme respiratoire est augmenté en lien avec l’effort physique. Nous avons montré que la région locomotrice du mésencéphale (MLR), en plus de son rôle dans la locomotion, active les centres respiratoires pendant la nage, et même en anticipation. Les neurones de la MLR projetant vers les centres locomoteurs et respiratoires sont ségrégés anatomiquement, les neurones localisés plus dorsalement étant ceux qui possèdent des projections vers les centres respiratoires. Nous avons aboli la contribution de la partie dorsale de la MLR aux changements respiratoires en injectant des bloqueurs des récepteurs glutamatergiques localement, sur des préparations semi-intactes. Nous avons montré que lors d’épisodes de nage, une majeure partie de l’effet respiratoire est abolie par ces injections, suggérant un rôle prépondérant des neurones de cette région dans l’augmentation respiratoire pendant la locomotion. Nos résultats confirment que le rythme respiratoire est généré par une région rostrolatérale du pons de la lamproie et montrent que des connexions des centres locomoteurs arrivent directement à cette région et pourraient être impliquées dans l’augmentation respiratoire reliée à l’effort physique.

Efficacité et toxicité de l'eugénol administré à des doses anesthésiantes chez des grenouilles Xenopus laevis.

L’eugénol permet d’induire une anesthésie chirurgicale chez la grenouille africaine à griffes (Xenopus laevis) sans causer de lésions chez des grosses grenouilles (90-140g). Le premier objectif de la présente étude était de déterminer la durée de l’anesthésie et d’évaluer la dépression du système nerveux central ainsi que les changements de saturation en oxygène et de fréquence cardiaque chez des petites (7.5 ± 2.1 g) et moyennes (29.2 ± 7.4 g) grenouilles Xenopus laevis en fonction du temps d’exposition à un bain d’eugénol de 350 µL/L. Suite à une immersion de 5 ou 10 minutes, la réponse au test à l’acide acétique, au réflexe de retrait et au réflexe de retournement était absente pendant 1 heure (petites grenouilles) et 0,5 heure (moyennes) et l’anesthésie chirurgicale durait au maximum 15 et 30 minutes chez les petites et moyennes grenouilles respectivement. La saturation en oxygène n’était pas affectée de façon significative, mais la fréquence cardiaque était diminuée jusqu’à 1 heure post-immersion dans les deux groupes. Le deuxième objectif était de déterminer la toxicité de l’eugénol chez des grenouilles de taille moyenne après une ou trois administrations à une dose anesthésique, avec ou sans période de récupération d’une semaine. Histologiquement, il y avait de l’apoptose tubulaire rénale et des membranes hyalines pulmonaires après une administration, et de la nécrose hépatique et des hémorragies dans les tissus adipeux après trois administrations. Ces résultats suggèrent que le poids corporel est un paramètre important à considérer lors de l’anesthésie de grenouilles Xenopus laevis par immersion dans l’eugénol.

Évaluations physiologiques de la tricaïne méthanesulfonate pour l’anesthésie des grenouilles africaines à griffes (Xenopus laevis)

Il existe peu d’études sur les effets physiologiques et pharmacologiques du médicament anesthésiant le plus utilisé chez les anoures, la tricaïne méthanesulfonate, et son utilisation chez la grenouille Xenopus laevis. Notre premier objectif était d’évaluer l’effet de bains d’immersion de 20 minutes de 1 et 2 g/L de tricaïne méthanesulfonate sur la fonction cardiorespiratoire, l’analgésie et les réflexes ainsi que d’étudier la pharmacocinétique. Nos résultats démontrent que des bains de 1 et 2 g/L produisent une anesthésie chirurgicale de 30 et 60 minutes respectivement, sans effet significatif sur le système cardiorespiratoire. À la suite d’une immersion à 2 g/L, on note une demi-vie terminale de 3,9 heures. Cette dose ne produit aucun effet sur l’histologie des tissus 24 heures après l’immersion. Dans une deuxième expérience, nous avons évalué les effets d’une surdose de tricaïne méthanesulfonate en bain d’immersion sur les systèmes cardiorespiratoire et nerveux central grâce à l’électroencéphalographie ainsi que l’effet d’une injection de pentobarbital sodique après 2 heures d’immersion. L’EEG montre un effet dépresseur sur le SNC avec l’utilisation de la tricaïne méthanesulfonate sans voir un arrêt de signal d’EEG sur la période de 2 heures d’enregistrement. Les surdoses à 1 g/L et 3 g/L n’ont pas d’effet significatif sur le rythme cardiaque, et l’injection de pentobarbital suite au bain d’immersion de tricaïne méthanesulfonate est nécessaire pour induire l’euthanasie. Nous avons démontré que le bain de tricaïne méthanesulfonate peut produire une anesthésie de 30 à 60 minutes avec dépression du SNC sans effet cardiovasculaire chez les Xenopus laevis.

Une signature du polymorphisme structural d’acides ribonucléiques non-codants permettant de comparer leurs niveaux d’activités biochimiques

Des évidences expérimentales récentes indiquent que les ARN changent de structures au fil du temps, parfois très rapidement, et que ces changements sont nécessaires à leurs activités biochimiques. La structure de ces ARN est donc dynamique. Ces mêmes évidences notent également que les structures clés impliquées sont prédites par le logiciel de prédiction de structure secondaire MC-Fold. En comparant les prédictions de structures du logiciel MC-Fold, nous avons constaté un lien clair entre les structures presque optimales (en termes de stabilité prédites par ce logiciel) et les variations d’activités biochimiques conséquentes à des changements ponctuels dans la séquence. Nous avons comparé les séquences d’ARN du point de vue de leurs structures dynamiques afin d’investiguer la similarité de leurs fonctions biologiques. Ceci a nécessité une accélération notable du logiciel MC-Fold. L’approche algorithmique est décrite au chapitre 1. Au chapitre 2 nous classons les impacts de légères variations de séquences des microARN sur la fonction naturelle de ceux-ci. Au chapitre 3 nous identifions des fenêtres dans de longs ARN dont les structures dynamiques occupent possiblement des rôles dans les désordres du spectre autistique et dans la polarisation des œufs de certains batraciens (Xenopus spp.).

Alfabetización de la información : recursos electrónicos educativos de la documentación.

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Nitrogen fluxes from treefrogs to tank epiphytic bromeliads: an isotopic and physiological approach

Diverse invertebrate and vertebrate species live in association with plants of the large Neotropical family Bromeliaceae. Although previous studies have assumed that debris of associated organisms improves plant nutrition, so far little evidence supports this assumption. In this study we used isotopic ((15)N) and physiological methods to investigate if the treefrog Scinax hayii, which uses the tank epiphytic bromeliad Vriesea bituminosa as a diurnal shelter, contributes to host plant nutrition. In the field, bromeliads with frogs had higher stable N isotopic composition (delta(15)N) values than those without frogs. Similar results were obtained from a controlled greenhouse experiment. Linear mixing models showed that frog feces and dead termites used to simulate insects that eventually fall inside the bromeliad tank contributed, respectively, 27.7% (+/- 0.07 SE) and 49.6% (+/- 0.50 SE) of the total N of V. bituminosa. Net photosynthetic rate was higher in plants that received feces and termites than in controls; however, this effect was only detected in the rainy, but not in the dry season. These results demonstrate for the first time that vertebrates contribute to bromeliad nutrition, and that this benefit is seasonally restricted. Since amphibian-bromeliad associations occur in diverse habitats in South and Central America, this mechanism for deriving nutrients may be important in bromeliad systems throughout the Neotropics.

Effects of species turnover on reserve site selection in a fragmented landscape

Changes in species composition is an important process in many ecosystems but rarely considered in systematic reserve site selection. To test the influence of temporal variability in species composition on the establishment of a reserve network, we compared network configurations based on species data of small mammals and frogs sampled during two consecutive years in a fragmented Atlantic Forest landscape (SE Brazil). Site selection with simulated annealing was carried out with the datasets of each single year and after merging the datasets of both years. Site selection resulted in remarkably divergent network configurations. Differences are reflected in both the identity of the selected fragments and in the amount of flexibility and irreplaceability in network configuration. Networks selected when data for both years were merged did not include all sites that were irreplaceable in one of the 2 years. Results of species number estimation revealed that significant changes in the composition of the species community occurred. Hence, temporal variability of community composition should be routinely tested and considered in systematic reserve site selection in dynamic systems.

Are corridors, fragment size and forest structure important for the conservation of leaf-litter lizards in a fragmented landscape?

To investigate the implications of forest fragmentation for conservation of leaf-litter lizards the importance of fragment size, corridors and forest structure was examined in 20 forest fragments and six localities within a continuous forest in the Atlantic Plateau of Sao Paulo state, Brazil. The fragments were 2-276 ha in area and had different degrees of connectivity depending on the presence or absence of corridors. Two species of lizards were dominant, Ecpleopus gaudichaudii and Enyalius perditus. Variation in forest structure among sites was important only in explaining the abundance of E. perditus. Regardless of variation in forest structure, lizard species composition, total lizard abundance, number of species and abundance of E. perditus were sensitive to fragmentation per se but not to fragment size or corridor linkage. The inhospitable matrix surrounding fragments is probably what determines the presence and abundance of E. perditus and the high er lizard richness in continuous forests. These conditions may have prevented lizard species from recolonizing the forest fragments. Our results emphasize that the conservation of this leaf-litter fauna depends on the maintenance of large tracts of continuous forests and not on the size of fragments or on the presence of forest connections. Strategies for conservation of leaf-litter lizards in such highly fragmented Atlantic Forest landscapes should consider the enlargement of landscape connectivity between fragments and continuous forest, allowing the latter areas to act as a source of individuals for fragments.

The nested assembly of individual-resource networks

P>1. Much of the current understanding of ecological systems is based on theory that does not explicitly take into account individual variation within natural populations. However, individuals may show substantial variation in resource use. This variation in turn may be translated into topological properties of networks that depict interactions among individuals and the food resources they consume (individual-resource networks). 2. Different models derived from optimal diet theory (ODT) predict highly distinct patterns of trophic interactions at the individual level that should translate into distinct network topologies. As a consequence, individual-resource networks can be useful tools in revealing the incidence of different patterns of resource use by individuals and suggesting their mechanistic basis. 3. In the present study, using data from several dietary studies, we assembled individual-resource networks of 10 vertebrate species, previously reported to show interindividual diet variation, and used a network-based approach to investigate their structure. 4. We found significant nestedness, but no modularity, in all empirical networks, indicating that (i) these populations are composed of both opportunistic and selective individuals and (ii) the diets of the latter are ordered as predictable subsets of the diets of the more opportunistic individuals. 5. Nested patterns are a common feature of species networks, and our results extend its generality to trophic interactions at the individual level. This pattern is consistent with a recently proposed ODT model, in which individuals show similar rank preferences but differ in their acceptance rate for alternative resources. Our findings therefore suggest a common mechanism underlying interindividual variation in resource use in disparate taxa.

Cutaneous Resistance to Evaporative Water Loss in Brazilian Rhinella (Anura: Bufonidae) from Contrasting Environments

Influenced by taxonomic position. For example, bufonids are regarded as exhibiting a permeable skin that seems typical for terrestrial anurans. However, this assumption is supported by information on only four bufonid species; therefore, the enormous ecological diversity of the family remains poorly Investigated. To assess whether variation in R(s) within related bufonids correlates with environmental aridity, we measured area-specific rates of EWL of two Brazilian populations of Rhinella granulosa (previously Bufo granulosus), one from the Atlantic Forest and other from the semi-arid Caatinga, and compared both with the forest species R. ornato. Rhinella granulosa from the Atlantic Forest had higher cutaneous resistance than conspecifics from Caatinga and R. ornata. Rhinella ornato presented the lowest cutaneous resistance values. However, Rs were very close to zero In all three populations. We conclude that enhanced Rs is not part of the suite of traits allowing R. granulosa to exploit the Caatinga, and that variation in R(s) within bufonids may relate to traits other than water conservation. Some Information on microhabitat occupation and ventral skin morphology supports the idea that exceptional abilities for detecting and taking up water may be the key factors enhancing the survival of R. granulosa, and possibly other bufonids, in xeric environments.

The evolution of jumping performance in anurans: morphological correlates and ecological implications

We investigated the evolution of anuran locomotor performance and its morphological correlates as a function of habitat use and lifestyles. We reanalysed a subset of the data reported by Zug (Smithson. Contrib. Zool. 1978; 276: 1-31) employing phylogenetically explicit statistical methods (n = 56 species), and assembled morphological data on the ratio between hind-limb length and snout-vent length (SVL) from the literature and museum specimens for a large subgroup of the species from the original paper (n = 43 species). Analyses using independent contrasts revealed that classifying anurans into terrestrial, semi-aquatic, and arboreal categories cannot distinguish between the effects of phylogeny and ecological diversification in anuran locomotor performance. However, a more refined classification subdividing terrestrial species into `fossorials` and `non-fossorials`, and arboreal species into `open canopy`, `low canopy` and `high canopy`, suggests that part of the variation in locomotor performance and in hind-limb morphology can be attributed to ecological diversification. In particular, fossorial species had significantly lower jumping performances and shorter hind limbs than other species after controlling for SVL, illustrating how the trade-off between burrowing efficiency and jumping performance has resulted in morphological specialization in this group.

Energy substrate utilization during nightly vocal activity in three species of Scinax (Anura/Hylidae)

Anuran amphibians exhibit different patterns of energy substrate utilization that correlate with the intensity of vocal and locomotor activities. Given the remarkable differences among species in breeding and feeding strategies, and the different ways energy is used in the whole animal, the suggested correlations between calling and locomotor behavior and the level of energy substrates in the muscles responsible for such activities are more complex than previously reported. We explored the relationships between calling and locomotor behavior and energy supply to trunk and hindlimb muscles, respectively, within the ecologically diverse tree-frog genus Scinax. Specifically, we measured the relative amount of carbohydrates and lipids in these two groups of muscles, and in the liver of three species of Scinax that differ in vocal and locomotor performance, and compared our results with those of two other species for which comparable data are available. We also compared the contents of lipids and carbohydrates of conspecific males collected at the beginning and after 4 h of calling activity. The stomach content to potential feeding opportunities across species was also assessed in both groups of males. Scinax hiemalis and S. rizibilis exhibit comparatively low and episodic calling during long periods of activity whereas S. crospedospilus calls at higher rates over shorter periods. Male S. hiemalis had highest levels of trunk muscle glycogen followed by those of S. rizilbilis and S. crospedospilus, respectively. There was no correlation between total lipid content in trunk muscle and calling rate among different species, suggesting that other metabolic aspects may be responsible for the energetic support for vocal activity. The levels of lipids and carbohydrates in trunk and hindlimb muscles and liver of males collected at the beginning and 4 h into the calling period were similar across species, so the extent of energetic reserves does not appear to constrain vocal or locomotor activity. Finally, we found exceptionally high levels of carbohydrates and lipids in the liver of S. rizibilis, a trait perhaps related to a long and demanding breeding period.