Détermination des contraintes métaboliques en fonction du niveau d'hypoxie chez des espèces commercialement exploitées dans le Saint-Laurent : mécanismes biochimiques et génomiques

RÉSUMÉ: L'hypoxie est un phénomène ayant de nombreux impacts sur les espèces aquatiques, allant parfois jusqu'à menacer leur survie. Dans la couche d'eau profonde de l'estuaire et du Golfe du Saint-Laurent, les niveaux d'oxygène dissous sont très faibles tout au long de l'année et peuvent atteindre 18% de saturation. Les populations de crevettes nordiques et de flétans du Groenland, deux espèces d'intérêt commercial, y restent cependant très abondantes, notamment dans les différents chenaux (Laurentien, Esquiman et Anticosti) où les conditions d'oxygène sont les plus faibles. Le but de cette recherche était d'étudier les contraintes métaboliques chez ces deux espèces, en utilisant des indicateurs biochimiques et génomiques. En observant les impacts de la diminution en oxygène dissous sur ces deux espèces, j'ai amélioré la compréhension des mécanismes d'acclimatation mis en place face à cette contrainte. J'ai étudié des indicateurs du métabolisme aérobie et anaérobie chez la crevette nordique (mâles et femelles) et chez le flétan du Groenland (adultes et juvéniles) sous différentes intensités et durées d'hypoxie, en se basant sur l'hypothèse qu'à partir d'un certain niveau d'oxygène, les organismes allaient passer progressivement de l'utilisation du métabolisme aérobie à celle du métabolisme anaérobie. Les niveaux de défenses antioxydantes ont été analysés en se basant sur l'hypothèse selon laquelle l'hypoxie engendre une diminution du stress oxydatif et que des mécanismes de défense vont s'ajuster à l'intensité de celui-ci. Finalement, j'ai essayé de comprendre l'implication des différents gènes intervenant dans la transcription des indicateurs enzymatiques étudiés pour vérifier si des modifications de transcription étaient corrélées aux modifications d'activité enzymatique Pour ce travail, deux expériences ont été réalisées: 1) les organismes ont été exposés à une hypoxie aigüe pendant quelques heures ; 2) les organismes ont été exposés à l'hypoxie chronique pour une durée d'une semaine, à des niveaux d'oxygène de 40%, 30% et 20% de saturation. Ces expériences ont été réalisées sur des crevettes nordiques mâles et femelles et des flétans du Groenland juvéniles et, pour la première, des flétans du Groenland adultes ont aussi été utilisés. Suite à ces expériences, la capacité maximale aérobie, anaérobie et antioxydante a été analysée en mesurant l'activité d'enzymes impliquées dans le métabolisme aérobie (citrate synthase et cytochrome c oxydase), anaérobie (lactate déshydrogénase, pyruvate kinase et phosphoénolpyruvate carboxykinase) et dans les défenses antioxydantes (glutathion peroxydase, catalase et superoxyde dismutase) dans le muscle et ['hépatopancréas des crevettes nordiques et dans le muscle et le foie des flétans du Groenland. Chez les flétans du Groenland juvéniles, des mesures de l'expression des gènes codant pour ces mêmes enzymes ont aussi été réalisées. Dans le muscle, l'hypoxie aigüe et chronique provoquent des réponses variées mais entrainent so it une absence de réponse, soit une diminution de l'activité enzymatique étudiée. Chez les crevettes nordiques, bi en que les mâles et les feme lles répondent de la même façon à l'hypoxie chronique (diminution des capacités maximales aérobie et anaérobie et augm entation des défenses antioxydantes), les mâles semblent plus résistants que les femelles à l'hypoxie aigüe car on observe beaucoup moins de modifications enzymatiques chez ces derniers. Chez les flétans du Groenland, les adultes et les juvéniles répondent différemment à l'hypoxie aigüe. Bien que tout deux conservent leur capacité maximale aérobie et que la capacité maximale anaérobie diminue dans le muscle, les adultes augmentent leur capacité antioxydante, contrairement aux juvéniles. En hypoxie chronique, les capacités maximales aérobie et anaérobie diminuent chez les juvéniles et leur capacité antioxydante est maintenue. La comparaison des résultats d'activité enzymatique et d'expression génique montre que les réponses à ces deux niveaux sont différentes ; soit l'h ypoxie inhibe la traduction, soit la différence de temps de réponse des deux processus empêche de mesurer un effet au niveau enzymatique. D'autres analyses seraient nécessaires pour vérifier ces hypothèses. En conclusion, mes résultats montrent que ces deux organismes sont résistants à l'hypoxie, ce qui explique leur présence et leur abondance dans l'estuaire et le golfe du Saint-Laurent malgré les baisses d'oxygène dissous enregistrées entre les années 30 et 80. Cependant, si les niveaux d'oxygène diminuent encore dans les années à venir, ce que laissent présager les changements climatiques anticipés, la survie des crevettes nordiques femelles et des flétans du Groenland juvéniles pourrait être affectée, ainsi que celle des deux populations dans leur ensemble. -- Mots clefs : hypoxie, crevette nordique, flétan du Groenland, métabolisme, aérobie, anaérobie, antioxydant, enzymes, gènes. --ABSTRACT: Hypoxia is a phenomenon known to have many impacts on aquatic species, sometimes threatening their survival. Dissolved oxygen levels in the deep water layer of the Estuary and Gulf of St.-Lawrence are very low all year long, and can reach 18% of saturation. Northern shrimp and Greenland halibut, two species of commercial interest, are abundant in this area, including the Laurentian, Esquiman and Anticosti channels, where oxygen levels are the lowest. This research aims to study the metabolic constraints imposed by low dissolved oxygen levels on these two species using biochemical and genomic indicators, in order to enhance our understanding of their acclimation mechanisms allowing them to cope with such environmental conditions. Aerobic and anaerobic metabolism indicators were studied in the northern shrimp (males and females), and the Greenland halibut (adults and juveniles) under several intensity and durations of hypoxia. This was based on the assumption that organisms would gradually used anaerobic metabolism instead of aerobic metabolism when oxygen levels decreased. The antioxidant defense levels were analyzed under the same hypoxic conditions, based on the assumption that hypoxia would decrease oxidative stress, and that the antioxidant defense levels will be adjusted to the intensity of the stress. Finally, to check if the transcription modifications were linked to the enzymatic activity variations, the different genes involved in the transcription of these enzymatic indicators were also analyzed. Two experiments were conducted. In the first one, organisms were exposed to acute hypoxia for several hours. In the second one, they were exposed to chronic hypoxia for one week, with 40%, 30% and 20% of oxygen saturation. The second experiment used male and female northern shrimp and juvenile Greenland halibut, and the first also used adult Greenland halibut. At the end of the experiments, maximal metabolic capacities were measured using enzymes involved in the aerobic metabolism (citrate synthase and cytochrome c oxydase), in the anaerobic metabolism (lactate dehydrogenase, pyruvate kinase and phosphoenolpyruvate carboxykinase) and in the antioxidant defenses (glutathione peroxidase, catalase and superoxide dismutase) in the northern shrimp muscle and hepatopancreas and in the muscle and liver of Greenland halibut. The expression of genes coding for these enzymes was also analyzed in juvenile Greenland halibut. In muscle tissue, the response to acute and chronic hypoxia was variable but it was characterized either by the absence or a decrease in enzymatic activity. Male and female northern shrimp respond similarly to chronic hypoxia (a decrease in the maximal aerobic and anaerobic capacities, and an increase in the antioxidant defense). Less modifications of enzymatic activity were observed in males, suggesting they are more tolerant to hypoxia than females. Adult and juvenile Greenland halibuts had different responses facing acute hypoxia. They maintained similar level of maximal aerobic capacity but their maximal anaerobic capacity decreased in muscle. Adults enhanced their antioxidant capacity unlike the juveniles. Facing chronic hypoxia, maximal aerobic and anaerobic capacities of juveniles decreased while their antioxidant capacity was stable. The comparison between enzymatic activity and genomic expression results shows different responses for theses two levels of analysis. These results can be explained by the fact that hypoxia inhibited translation; or the time response of these two processes is different. Further analyzes would be needed to test these hypothesis. To conclude, our results show that both organisms are resistant to hypoxia, explaining their presence and abundance in the Estuary and Gulf of St. Lawrence, despite the decrease of oxygen levels between the 1930s and the 1980s. However, if oxygen levels fall fmther in the future due to climate changes, the survival of fema le northem shrimp and Greenland halibut juveniles could be affected, as well as their who le population. -- Keywords: hypoxia, northem shrimp, Greenland halibut, metabolism, aerobic, anaerobic, antioxidant, enzymes, genes