Εποχικές, βιοχημικές και φυσιολογικές αποκρίσεις της τσιπούρας ( Sparus aurata ): συσχέτιση με τη θερμοκρασία της θάλασσας και την κλιματική αλλαγή

Abstract

Increased atmospheric levels of CO2 due to human activities and the subsequent Climate Change with effects summarizing except of the world temperature increase, to the ocean acidification, the reduction of the dissolved oxygen in marine ecosystems and the increase of the sea level, trigger a series of physical and chemical alterations that affect all levels of biological organization. Therefore, temperature is an environmental factor of great importance, since it significantly affects organisms’ activity as well as growth and developmental rates. Fish is the main group of aquatic organisms, and as a diet it is one of the main protein sources, in many countries, including Greece. The aim of the present study was to determine the biochemical and metabolic responses of one well studied and commercial species, the gilthead sea bream (Sparus aurata), in different water temperatures with or without the presence of CO2, and the seasonal pattern of these responses. Specifically, in several tissues of the particular species, we determined the induced levels of heat shock proteins Hsp70 and Hsp90, and the phosphorylated levels p38 MAPK, p54/46 JNK, p44/42 MAPK (ERKs), as well as expression levels of the transcriptional factor Hydroxy - Hifα and Ubiquitin. Cell metabolism adjustments were assessed by determining the activity of enzymes such as lactate dehydrogenase (L-LDH), citrate synthetase (CS) and β-hydroxyacyl CoA dehydrogenase (HOAD). Additionally we studied the kinetics of the above mentioned enzymes and antioxidant enzymes such as xanthine oxidase (XO), catalase (CAT), glutathione peroxidise (GPx) and superoxide dismoutase (SOD), as well as the determination of thiobarbituric acid reactive substances (TBARs). Levels of glucose, triglycerides and lactate were determined in blood plasma. A few reports have shown a direct relationship between phosphorylation of p38 MAPK and induction of Hsp70. This evidence is derived only from studies on mammalian tissues. A particular experimental procedure species has also shown the existence of this molecular mechanism in the particular species. Water temperature in the Mediterranean and the northeast Aegean, where gilthead sea bream is usually cultivated, varies from 10oC in the winter to 26oC in the summer. Seasonal biochemical and metabolic variations in Hsps’ induction, MAPKs’ phosphorylation, as well as in the activity of key enzymes and the activation of antioxidant mechanisms, reflect a seasonal temperature impact on the gilthead sea bream’s metabolic and molecular profile. In order to determine whether physiological processes such as reproduction are involved in the specific seasonal pattern, we conducted a study in reproduction parameters, showing a possible involvement in the metabolic mechanisms, as the activity of certain enzymes is reduced, a phenomena known as “energy allocation”. Laboratory studies showed that elevated temperature with/without the presence of CO2 activated cellular response to stress, especially under the simultaneous effect of temperature and hypercapnia. From 17οC to 22οC, gilthead sea bream demonstrates a normal behaviour. Above and below these temperatures, stress responses are activated. The above results are of importance if they could possibly serve in management programmes of this highly commercial species

Το αυξημένο, εξαιτίας των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, CO2 στην ατμόσφαιρα και η επακόλουθη Κλιματική Αλλαγή με κύριες επιπτώσεις εκτός από την αύξηση της μέσης παγκόσμιας θερμοκρασίας, την οξείδωση των ωκεανών και την άνοδο της στάθμης της θάλασσας, ενεργοποιεί μία σειρά φυσικών και χημικών αλλαγών που επηρεάζουν αρκετά επίπεδα βιολογικής οργάνωσης. Η θερμοκρασία είναι ένας κρίσιμος περιβαλλοντικός παράγοντας, θέτοντας τα όρια για επιβίωση, καθώς επηρεάζει σημαντικά τη δραστηριότητα των οργανισμών και τους ρυθμούς αύξησης και ανάπτυξής τους. Τα ψάρια, είναι η κυρίαρχη ζωική ομάδα των θαλάσσιων οικοσυστημάτων και συνάμα αποτελούν μία από τις κυριότερες πηγές πρωτεϊνών. Για το λόγο αυτό, τα αποτελέσματα της θαλάσσιας υπερθέρμανσης στα ψάρια χρήζουν προσεκτικής ανάλυσης. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη των βιοχημικών και μεταβολικών αποκρίσεων της τσιπούρας (Sparus aurata), ενός από τα καλύτερα μελετημένα και μεγάλης εμπορικής αξίας είδη, σε διαφορετικές θερμοκρασίες θαλασσινού νερού με και χωρίς την παρουσία σε αυτό διοξειδίου του άνθρακα και το εποχικό πρότυπο αυτών. Συγκεκριμένα, σε ιστούς του συγκεκριμένου ψαριού, προσδιορίστηκαν οι πρωτεΐνες θερμικού πλήγματος Hsp70 και Hsp90, η φωσφορυλιωμένη p38 MAPK, οι φωσφορυλιωμένες JNKs, οι φωσφορυλιωμένες μορφές τις p44/42 MAPK, ο μεταγραφικός παράγοντας Hydroxy - Hifα και η ουβικουϊτίνη. Η μελέτη του κυτταρικού μεταβολισμού έγινε με τον προσδιορισμό της δραστικότητας ενζύμων όπως η αφυδρογονάση του γαλακτικού οξέος (L-LDH), η συνθετάση του κιτρικού οξέος (CS) και η αφυδρογονάση του β-υδροξυακυλο-CoA (HOAD). Μελετήθηκε και η κινητική των παραπάνω ενζύμων και η δραστικότητα αντιοξειδωτικών ενζύμων όπως η οξειδάση της ξανθίνης (XO), η καταλάση (CAT), η υπεροξειδάση της γλουταθειόνης (GPx) και η δισμουτάση του υπεροξειδίου (SOD), αλλά και η υπεροξείδωση των λιπιδίων με τη μέθοδο TBARs. Στο πλάσμα του αίματος προσδιορίστηκαν η γλυκόζη, τα τριγλυκερίδια και το γαλακτικό οξύ. Προηγούμενες έρευνες έχουν δείξει μια στενή σχέση μεταξύ της φωσφορυλίωσης της p38 MAPK και της επαγωγής της Hsp70, αλλά μόνο σε ιστούς θηλαστικών. Για τον λόγο αυτό διεξήχθη πειραματική διαδικασία η οποία απέδειξε τη σχέση αυτή στο μελετώμενο είδος. Η θερμοκρασία στη Μεσόγειο Θάλασσα και ιδιαίτερα στο Βορειοανατολικό Αιγαίο, όπου και η τσιπούρα εκτρέφεται, κυμαίνεται εποχικά από τους 10oC τον χειμώνα έως τους 26oC το καλοκαίρι. Οι εποχικές βιοχημικές και μεταβολικές αλλαγές, τόσο στις Hsps και στις MAPKs, όσο και στη δραστικότητα ενζύμων, αντικατοπτρίζουν μια εποχική επίδραση της θερμοκρασίας στο μεταβολικό και μοριακό πρότυπο της τσιπούρας. Για να διαπιστωθεί η συμμετοχή ή όχι βασικών φυσιολογικών διαδικασιών όπως είναι η αναπαραγωγή στο συγκεκριμένο εποχικό πρότυπο, διεξήχθη μελέτη των αναπαραγωγικών παραμέτρων, αποδεικνύοντας πιθανή εμπλοκή αυτών στη δραστικότητα βασικών ενζύμων του μεταβολισμού και τελικά μείωση των μεταβολικών μηχανισμών στο είδος αυτό, ενός φαινομένου που είναι γνωστό και ως «μετατόπιση ενέργειας». Σε εργαστηριακές συνθήκες, η επίδραση της θερμοκρασίας με/χωρίς CO2, ενεργοποιεί επίσης τους μηχανισμούς κυτταρικής απόκρισης στο στρες, με εντονότερες μεταβολές κάτω από την ταυτόχρονη επίδραση της θερμοκρασίας και της υπερκαπνίας. Συγκεκριμένα, η τσιπούρα παρουσιάζει φυσιολογική συμπεριφορά από τους 17οC μέχρι και τους 22οC, κάτω και πάνω από τους οποίους αντίστοιχα, αρχίζουν και παρατηρούνται αντιδράσεις στρες. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σημαντικά εφόσον βοηθήσουν σε προγράμματα διαχείρισης αυτού του εμπορικού εκτρεφόμενου είδους