Osmoregulatory mechanisms in juveniles of the anadromus Persian sturgeon (Acipenser persicus) during Caspian Sea salinity acclimation

Afin de repeupler la mer Caspienne, la propagation artificielle de l’esturgeon Acipenser persicus est maintenant une pratique courante avec rejets annuels de juvéniles directement en mer. Cependant, une forte mortalité est régulièrement observée suite à la libération directe en mer de juvéniles pesant 2-3 g. L'objectif a donc été d'analyser les capacités d’acclimatation de juvéniles de l’eau douce à l’eau saumâtre et d'identifier un moyen possible d’améliorer les taux de survie d’esturgeons de moins de 3 g.Dans une première partie, l'effet de transferts abruptes ou progressifs sur 5 jours de l'eau douce (ED) à une salinité de 11‰ (salinité de la mer Caspienne, CSW) a été étudié chez des juvéniles de 1 à 2 g, 2 à 3 g et de 3 à 5 g. Ont été mesurés les taux de mortalité, l'osmolalité plasmatique, l’expression et la localisation (branchies, reins, valvule spiralée, caecum pylorique) des principales protéines de transport : la Na+, K+-ATPase (NKA), la H+-ATPase vacuolaire (VHA), le Na+, K+, 2Cl- (NKCC) et la ‘Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator’ (CFTR). Une étude des changements d'expression génique et protéique de la NKA au niveau des branchies a également été effectuée. Enfin, une étude ultrastructurale (TEM et SEM) des cellules à chlorure branchiales a été effectuée.Dans une deuxième partie, un traitement hormonal avec le cortisol a été effectué afin d’améliorer la capacité d'acclimatation. Des juvéniles de moins de 2g ont été traités pendant 24h en ED avec des bains de cortisol à 3 concentrations différentes : 3, 5 et 7 mg.l-1. Les poissons ont été ensuite directement transférés de l'eau douce à la CSW et échantillonnés après 1, 4 et 9 jours après transfert en CSW. Les taux de mortalité, l'osmolalité plasmatique, le nombre et l’aire des cellules à chlorure des branchies ont été évalués.Ainsi, les poissons de plus de 3 g sont capables de survivre et s’acclimatent à la CSW. Malgré une augmentation initiale de l'osmolalité plasmatique après transfert de salinité, les juvéniles réduisent ensuite leur osmolalité plasmatique jusqu'à la pression osmotique de la mer Caspienne. Cependant, beaucoup de poissons de moins de 3 g ne peuvent survivre à l’augmentation brutale de salinité et la pression osmotique du sang des poissons survivants reste élevée. L’expression de la NKA et du NKCC, la taille et le nombre des cellules à chlorure des branchies sont également plus élevés. Les juvéniles pesants plus de 2 g augmentent aussi fortement leur activité de NKA branchiale après transfert de salinité. L'étude ultrastucturale a révélé des surfaces apicales similaires pour les cellules à chlorure branchiales des poissons en ED et acclimatés à la CSW. Le cytoplasme de ces cellules dans les poissons pesant plus de 2 g apparait plus dense et gonflé par rapport aux poissons pesant moins de 2 g. Cela pourrait être dû à l'allongement des replis de la membrane basale (réseau tubulo-vésiculaire) et/ou à une densité plus élevée des mitochondries. L’expression branchiale du gène NKA des poissons acclimatés à la CSW est apparue d'abord sur- puis sous-exprimée 4 jours après le transfert de salinité pour atteindre le niveau des poissons en ED. Au niveau intestinal et des reins, aucune différence n'a pu être détectée entre les différents groupes de poids suite au transfert de salinité. Malgré une osmolarité plasmatique réduite, le nombre et la taille des cellules à chlorure des poissons traités avec le cortisol montrent 9 jours après transfert, les mêmes tendances que celles observées pour les poissons non traités.Ainsi, cette étude a révélé que seuls les esturgeons juvéniles de plus de 3 g peuvent être directement rejetés en mer Caspienne. Pour les poissons de 2-3 g, un protocole spécial pendant le transfert de salinité doit être considéré alors que les poissons pesant moins de 2 g ne peuvent tolérer une augmentation de salinité même après un traitement au cortisol.For restocking purposes, artificial propagation of Persian sturgeon (Acipenser persicus) and annual releases into the Caspian Sea are now common practice. However, high mortality is regularly observed following the direct release of 2-3 g juveniles into the Caspian Sea. Therefore, the aim of the study was to analyse the acclamatory capacities of juvenile Persian sturgeons to elevated salinity and to identify a possible way to improve survival rates of juveniles weighting less than 3 grams.In the first part of this study, the effect of abrupt and 5-day gradual salinity transfers from freshwater (FW) to 11‰ Caspian Sea water (CSW) were investigated in juvenile Persian sturgeons with three different weight groups: 1-2 g (1.62 ± 0.27 g), 2-3 g (2.55 ± 0.41 g) and 3-5 g (4.28 ± 0.76 g). Daily mortality rates, plasma osmolality, immunofluorescence localization of the main ion transporter proteins such as Na+, K+-ATPase (NKA), Vacuolar H+-ATPase (VHA), Na+,K+,2Cl–(NKCC) and Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator (CFTR) at the gill, kidney, pyloric caecum and intestinal spiral valve levels, ultrastructural studies (TEM and SEM) of the gills for chloride cell changes and changes of branchial NKA gene and protein expression were measured 4 and 10 days after abrupt transfer to CSW and 9 and 15 days after the initial gradual transfer (i.e. 4 and 10 days after reaching CSW), respectively.In the second part of study, hormonal treatment with cortisol was used to enhance the acclimation capability of fish weighing less than 2g. Fish were treated with a cortisol bathing method using three different concentrations; 3, 5 and 7 mg.l-1 for 24 hours in FW. Fish were then directly transferred from FW to CSW (11‰) and sampled after 1, 4 and 9 days post-transfer to CSW. Daily mortality rate, plasma osmolality and branchial chloride cell number and area were evaluated.The obtained results showed that fish weighing more than 3g are able to survive and could successfully acclimate to CSW. Despite initial plasma osmolality increase after salinity transfer, juveniles could reduce their plasma osmolality down to the CSW osmotic pressure after 15 days of acclimation in CSW. However, fish under 3 g could not survive abrupt salinity increase, and blood osmotic pressure of the remaining surviving fish increased and remained elevated during the whole experimental period. At the gill level, higher chloride cell size and number, with also higher NKA and NKCC content were observed allowing juveniles weighing more than 2 g to sharply increase their NKA activity after salinity transfer. The electron microscopic study revealed similar apical surfaces for branchial chloride cells in FW and CSW-acclimated fish. It also indicated that the cytoplasm of these cells in fish weighing more than 2 g were denser and inflated compared to fish weighing less than 2 g. This could be due to the elongation of the basal membrane infoldings (tubulo-vesicular network) and/or a higher density of mitochondria. Because sequences of NKA and NKCC1 genes were not reported for sturgeon fish, two partial sequences of NKA (632 bp) and NKCC1 (538 bp) were obtained from this present study and were registered in Genbank. Branchial NKA gene of CSW-acclimated fish was firstly upregulated and then downregulated to the level for FW fish after 4 days following salinity transfer. At the kidney and intestinal level, no difference could be detected between the different weight groups during salinity transfer. Despite lower plasma osmolality, number and size of the chloride cells in treated fish with cortisol show the same trends as the untreated control fish after 9-days post transfer. Consequently, this study revealed that only Persian sturgeon juveniles weighing more than 3 g can directly be released into the Caspian Sea. Fish weighting 2-3 g need special care during salinity transfer and fish weighing less than 2 g cannot tolerate Caspian Sea salinity even after cortisol treatment