Η μητρική κατανομή καροτενοειδών αυξάνει την ανοχή στη βακτηριακή μόλυνση στην καστανή πέστροφα
Τα ποτάμια και οι λίμνες στις Άλπεις φιλοξενούν πολλά υδρόβια ασπόνδυλα και ψάρια. Ωστόσο, πολλοί άνθρωποι δεν τα έχουν δει ποτέ γιατί αυτά τα νερά είναι κρύα και τα περισσότερα από τα υδρόβια πλάσματα κρύβονται καλά. Βασικό μέλος και κορυφαίος θηρευτής στο υδάτινο σύστημα γλυκού νερού είναι η καφετιά πέστροφα (Salmo trutta) .
Η καστανή πέστροφα φαίνεται να είναι, όπως υποδηλώνει το όνομα, κυρίως καφέ ή γκρι. Ο κρυπτικός χρωματισμός του σώματός τους τα βοηθά να λιώσουν με το περιβάλλον τους για να κρυφτούν από τα επίγεια αρπακτικά όπως τα αρπακτικά πουλιά ή τις αρκούδες. Ωστόσο, εάν έχετε την ευκαιρία να κοιτάξετε πιο προσεκτικά, θα συνειδητοποιήσετε ότι η καφετιά πέστροφα δεν είναι μόνο καφέ, αλλά και διακοσμημένη με έντονα μπλε, πορτοκαλί και κόκκινα σχέδια σε όλο το σώμα της, συμπεριλαμβανομένων όμορφων κηλίδων στα πλευρά και τα πτερύγια τους. Επιπλέον, τα θηλυκά γεννούν αυγά που μπορεί να ποικίλουν σε χρώμα από ανοιχτό κίτρινο έως πολύ έντονο κόκκινο.
Αυτά τα χρώματα οφείλονται σε μόρια χρωστικής ουσίας, που ονομάζονται επίσης καροτενοειδή, που βρίσκονται συνήθως στην πάπρικα, τα καρότα, τα φύλλα του φθινοπώρου και τα καρκινοειδή. Η πέστροφα αποκτά καροτενοειδή μέσω της τροφής της, δεν μπορεί να τα συνθέσει μόνη της. Στη συνέχεια, αυτά τα μόρια χρωστικής κατανέμονται σε διαφορετικά μέρη του σώματος. Η πέστροφα αποθηκεύει καροτενοειδή κυρίως στους μυς της καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Αυτό τους δίνει το τυπικό πορτοκαλί χρώμα που βλέπετε συχνά ως κρέας στα παντοπωλεία. Κατά τη διάρκεια της αναπαραγωγικής περιόδου τα καροτενοειδή ανακατανέμονται στο δέρμα και στα αυγά του ψαριού. Αυτό έχει αποδειχθεί υποδειγματικά από τον Garner και τους συνεργάτες του στον σολομό Chinook (Oncorhynchus tshawytscha ), συγγενικό είδος στην ίδια οικογένεια ψαριών.
Οι ρόλοι των καροτενοειδών
Τα καροτενοειδή παίζουν πολυάριθμους ευεργετικούς ρόλους για τα ζώα. Δρουν ως αντιοξειδωτικά για την προστασία των ιστών από τις ελεύθερες ρίζες, βελτιώνουν το ανοσοποιητικό σύστημα και τον πολλαπλασιασμό των αντισωμάτων, ενισχύουν την όραση και είναι σημαντικά για την ανάπτυξη του εμβρύου των σπονδυλωτών. Επιπλέον, αυτά τα μόρια χρωστικής μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για ενδοειδική σηματοδότηση. Τα ψάρια μπορούν να επικοινωνούν μέσω του κόκκινου χρωματισμού τους. Αυτό συμβαίνει για παράδειγμα κατά την περίοδο ζευγαρώματος, όταν τα άτομα σηματοδοτούν την ποιότητά τους μέσω της διακόσμησης του σώματος.
Θα μπορούσε να αποδειχθεί στα εκκολαπτήρια ότι τα ψάρια που τρέφονταν με καροτενοειδή είχαν μεγαλύτερη επιτυχία γονιμοποίησης. Ωστόσο, τέτοιες μελέτες συμπληρωμάτων μας δίδαξαν επίσης ότι οι υψηλές συγκεντρώσεις καροτενοειδών μπορεί να γίνουν τοξικές. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο επιλέξαμε να εργαστούμε με έναν φυσικό πληθυσμό καφέ πέστροφας και να μετρήσουμε τα καροτενοειδή που τα θηλυκά είχαν κατανείμει στα αυγά τους πριν από την ωοτοκία. Αντί να χρησιμοποιούμε αυθαίρετες συγκεντρώσεις καροτενοειδών και να τα προσθέτουμε στην τροφή των ψαριών, μετρήσαμε τις συγκεντρώσεις καροτενοειδών σε οικολογικά συναφείς συνθήκες.
Γνωρίζαμε ήδη από μια προηγούμενη μελέτη ότι τα φυσικά αποκτηθέντα καροτενοειδή είναι σημαντικά για τα έμβρυα κατά τη διάρκεια του στρες της περιβαλλοντικής ρύπανσης. Αυτή η προηγούμενη μελέτη αποκάλυψε επίσης ποιοι τύποι καροτενοειδών έχουν σημασία. Σε αυτή τη μελέτη εδώ, στοχεύσαμε αυτά τα σημαντικά καροτενοειδή (ασταξανθίνη, καψανθίνη, λουτεΐνη και ζεαξανθίνη) και δοκιμάσαμε εάν η περιεκτικότητά τους στα αυγά βοηθά τα έμβρυα της πέστροφας κατά τη διάρκεια της μόλυνσης με ένα παθογόνο. Επειδή τα ψάρια μπορούν να ανακατανείμουν τα καροτενοειδή σε διαφορετικούς ιστούς, μετρήσαμε και συγκρίναμε επίσης την ερυθρότητα του δέρματος της μητέρας (ως μέτρο των καροτενοειδών που αποθηκεύονται στο δέρμα) με την κατανομή των καροτενοειδών στους συμπλέκτες για να συμπεράνουμε τις μητρικές στρατηγικές.
Το πείραμά μας
Για το πείραμά μας, βγήκαμε στο χωράφι και πιάσαμε άγρια καφέ πέστροφα κατά τη διάρκεια της αναπαραγωγικής περιόδου στα σημεία ωοτοκίας τους. Φέραμε όλα τα ψάρια σε ένα εκκολαπτήριο, τα μετρήσαμε, βγάλαμε φωτογραφίες μέσα σε ένα κουτί με τεχνητό φως και μαζέψαμε τους γαμέτες τους (ωάρια και σπέρμα). Αυτοί οι γαμέτες στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για in vitro γονιμοποιήσεις. Η καστανή πέστροφα έχει ένα εξωτερικό σύστημα γονιμοποίησης, επομένως, τα ωάρια και το σπέρμα μπορούν να αναμειχθούν και να γονιμοποιηθούν στο εργαστήριο.
Δημιουργήσαμε 185 οικογένειες. Οι γονείς αφέθηκαν ελεύθεροι στη φύση μετά το πείραμα. Τα 2.960 έμβρυα που προέκυψαν (16 αντίγραφα ανά οικογένεια) ανατράφηκαν μεμονωμένα σε μικρά δοχεία και είτε υποβλήθηκαν σε ψευδή επεξεργασία με νερό είτε επωάστηκαν με το ευκαιριακό βακτηριακό παθογόνο ψαριών Pseudomonas fluorescens (8 αντίγραφα εμβρύου ανά θεραπεία και οικογένεια). Αυτό το ζωύφιο είχε απομονωθεί στο παρελθόν από αυγά καστανής πέστροφας που γεννήθηκαν φυσικά και διατηρήθηκε ως απόθεμα στο εργαστήριό μας. Προηγούμενες μελέτες στο εργαστήριο Wedekind έδειξαν ότι αναπτύσσει λοιμώδη χαρακτηριστικά προς το έμβρυο του ψαριού.
Η πειραματική μας οργάνωση είναι πολύ ισχυρή γιατί μας επιτρέπει να μετράμε τα αποτελέσματα του πατέρα, της μητέρας, της θεραπείας (εδώ με P. fluorescens ), και τις ενώσεις στα αυγά στις αποκρίσεις ή τα χαρακτηριστικά των εμβρύων. Παρακολουθήσαμε όλα τα έμβρυα μέχρι 10 ημέρες μετά την εκκόλαψη και καταγράψαμε την ατομική τους επιβίωση, τον χρόνο μέχρι την εκκόλαψη, το μέγεθος κατά την εκκόλαψη και την ανάπτυξη μετά την εκκόλαψη. Αυτά τα κρίσιμα χαρακτηριστικά φυσικής κατάστασης συνδέθηκαν στη συνέχεια με τις αρχικές συγκεντρώσεις καροτενοειδών στα αυγά πριν από την ωοτοκία και η ομάδα θεραπείας τέθηκε σε αντίθεση με την ομάδα ελέγχου. Οι συνεργάτες μας στην École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Ελβετία χρησιμοποίησαν ποσοτική υγρή χρωματογραφία-φασματοσκοπία μάζας υψηλής ευκρίνειας για να μετρήσουν τις ποσότητες καροτενοειδών στα αυγά της καστανής πέστροφας.
Η ασταξανθίνη έχει σημασία για τα έμβρυα πέστροφας κατά τη διάρκεια μόλυνσης από παθογόνο
Οι λοιμώξεις με P. φθορισμού μειωμένη επιβίωση των εμβρύων, αύξηση του χρόνου μέχρι την εκκόλαψη και οδήγησε σε μικρότερα εκκολάπτοντα. Μάθαμε ότι η καροτενοειδής ένωση ασταξανθίνη καθόριζε σε μεγάλο βαθμό την ερυθρότητα των αυγών. Ούτε το βάρος του αυγού ούτε το θηλυκό μέγεθος συσχετίστηκαν με τις συγκεντρώσεις ασταξανθίνης στα αυγά. Ωστόσο, αυτό το καροτενοειδές συσχετίστηκε θετικά με την ανάπτυξη μετά την εκκόλαψη και βελτίωσε την ανοχή έναντι του παθογόνου παράγοντα των ψαριών.
Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι οι συγκεντρώσεις ασταξανθίνης σε μη γονιμοποιημένα ωάρια σε οικολογικά σχετικές συγκεντρώσεις ήταν ευεργετικές για τα έμβρυα κατά τη διάρκεια μόλυνσης από παθογόνο. Η ασταξανθίνη μετρίασε τις αρνητικές επιπτώσεις του παθογόνου, λειτουργούσε σαν ασπίδα για την προστασία των εμβρύων. Δεν γνωρίζουμε λεπτομερώς τους μηχανισμούς, αλλά έχουμε δύο κύριες εξηγήσεις:(i) Όταν τα έμβρυα εκκολάπτονται ξαφνικά εκτίθενται σε πολύ υψηλότερες συγκεντρώσεις οξυγόνου που μπορεί να προκαλέσουν υπεροξείδωση των ιστών τους. Με την έναρξη της αναπνοής μετά την εκκόλαψη, οι προνύμφες εμφανίζουν αυξημένο μεταβολισμό με συσχετισμένο κίνδυνο οξειδωτικού στρες. Η ασταξανθίνη μπορεί να λειτουργήσει ως αντιοξειδωτικό για τα έμβρυα κατά τη διάρκεια αυτής της ευαίσθητης φάσης. (ii) Η ασταξανθίνη μπορεί να ενισχύσει την ανοσολογική απόκριση στο στρες των παθογόνων. Υποστηρίζει τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων του ανοσοποιητικού και των αντισωμάτων. Η ασταξανθίνη μπορεί να βοηθήσει τα έμβρυα να δημιουργήσουν μια πρώιμη ανοσολογική απόκριση ενάντια στο P. fluorescens (και οι δύο εξηγήσεις αναλύονται λεπτομερέστερα εδώ.
Ωστόσο, αν και η ασταξανθίνη βοήθησε τα έμβρυα κάτω από το στρες των παθογόνων, είδαμε επίσης ότι δεν φαινόταν όλα τα θηλυκά να μεγιστοποιούν τις ποσότητες καροτενοειδών που διέθεταν στα ωάρια τους. Ο αριθμός των καροτενοειδών που διέθεταν τα θηλυκά στα αυγά τους συσχετίστηκε αρνητικά με την ερυθρότητα του δέρματός τους. Πιστεύουμε ότι τα θηλυκά κάνουν ένα συμβιβασμό μεταξύ των δικών τους αναγκών σε καροτενοειδή και της υποστήριξης των απογόνων τους. Η καστανή πέστροφα είναι ετερότοκη, που σημαίνει ότι μπορεί να γεννήσει αρκετές φορές κατά τη διάρκεια της ζωής της. Τα νεότερα θηλυκά μπορεί να επενδύσουν λιγότερα καροτενοειδή στα αυγά τους επειδή τα χρειάζονται για τη δική τους επιβίωση. Όλα αυτά αναφέρονται στο περιοδικό Oecologia . Εξετάζουμε τώρα τους μηχανισμούς κατανάλωσης καροτενοειδών κατά την ανάπτυξη του εμβρύου. Την επόμενη φορά που θα πάτε για κάμπινγκ, ψάρεμα ή καταδύσεις κοντά σε ένα κρύο ποτάμι, προσέξτε το ένδυμα των ειδών ψαριών που μπορεί να δείτε. Εάν είναι κόκκινο, πιθανότατα προκαλείται από καροτενοειδή και προορίζεται για κάποιο σκοπό.
Η μελέτη, η μητρική κατανομή των καροτενοειδών αυξάνει την ανοχή στη βακτηριακή μόλυνση στην καφετιά πέστροφα δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Oecologia .
