Relation entre production d’énergie, balance oxydative et taille corporelle – Article 1, en préparation

En milieu naturel, des femelles de grenouilles rousses, Rana temporaria, ont été prélevées dans des étangs voisins, dans lesquels on distingue deux patrons d’histoire de vie. Une population présente des individus de taille plus élevée que les individus de l’autre population.

L’analyse de la taille des animaux ramenée à l’âge a permis de mettre en évidence que la taille élevée des grenouilles était bien due à un taux de croissance supérieure, et non pas à une durée de croissance plus importante. Chez les amphibiens, des pontes issues de femelles de taille élevée ont un nombre d’œufs supérieurs et / ou des œufs de taille plus élevée, comme cela a déjà été mesuré au cours de travaux sur cette espèce (Joly, 1991 ; Augert et Joly, 1993). L’élevage de têtards issus de pontes provenant chacune des deux populations étudiées nous a permis de mettre en évidence que les têtards issus de grosses femelles sont plus gros et se métamorphosent plus rapidement (données non présentées ici).

Deux hypothèses non exclusives ont été testées :

- les grenouilles de grande taille produisent beaucoup d’énergie pour la croissance mais au détriment d’une production élevée de radicaux libres, ce qui représente le cas de mitochondries à fort rendement énergétique.

- Les grenouilles de grande taille allouent beaucoup d’énergie à la croissance au détriment d’une allocation plus faible dans les défenses anti-oxydantes.

Etudes expérimentales

Au cours de cette étude, les paramètres des balances oxydative et énergétique ont été mesurés. Les consommations d’oxygène des organismes entiers, ainsi qu’au niveau mitochondrial, sont équivalentes entre les deux populations de grenouilles. Alors que la production mitochondriale de ROS est similaire entre les deux populations, l’efficacité de conversion énergétique mitochondriale (mesurée comme le rapport ATP/O) varie du simple au triple entre mitochondries de petites et grandes grenouilles. Par ailleurs, la globalité de la balance oxydative (les pro-oxydants, les anti-oxydants et les dégâts oxydatifs) a été prise en compte. Les grenouilles à croissance lente avaient au niveau hépatique, pour une même production de ROS, plus de dégâts oxydatifs en dépit d’une activité SOD (défense anti-oxydante) plus élevée et GPx équivalente. Nos résultats confortent l’idée d’estimer la complexité de la balance oxydative en tenant compte de tous les paramètres de cette balance (défenses anti-oxydantes, production de pro-oxydant et dégâts oxydatifs). De plus, cette étude montre qu’une forte efficacité mitochondriale, certainement à l’origine d’un apport élevé en énergie, est associée à une croissance rapide.

Mitochondrial plasticity in relation to body size and oxidative stress in frogs

By

Salin Karine¹*, Rey Benjamin², Grolet Odile¹, Luquet Emilien¹, Devaux Alain⁴, Bony Sylvie⁴,

Hemmer Claire⁵, Teulier Loic³, Roussel Damien³and Voituron Yann¹

1.Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés (U.M.R. CNRS 5023) 43 Bvd 11 Novembre 1918, F-69622 Villeurbanne Cedex, France.

2. Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive (U.M.R. CNRS 5558) 43 Bvd 11 Novembre 1918, F-69622 Villeurbanne Cedex, France.

3. Laboratoire de Physiologie Intégrative, cellulaire et moléculaire (U.M.R. CNRS 5123) 43 Bvd 11 Novembre 1918, F-69622 Villeurbanne Cedex, France.

4. Laboratoire d'Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés (U.M.R. CNRS 5023) 3 rue Maurice Audin 69518 Vaulx en Velin, France

5. Laboratoire d’écosystème des lacs (Cemagref-HYAX)

3275 Route de Cézanne CS 40061 13182 Aix en Provence Cedex 5, France.

Keywords: ATP/ROS ratio; energy allocation; growth rate; mitochondria activity; oxidative stress.

* To whom correspondence should be addressed: karine.salin@univ-lyon1.fr; Tel: +33 4 72 43 15 20; FAX: +33 4 72 43 11 41.

Etudes expérimentales

ABSTRACT

The relation within a species between energy metabolism and fitness components (growth, maintenance and reproduction) has been extensively studied and results have showed very different patterns. Depending on the environmental resources, cellular energy metabolism is produced by the mitochondrial ATP synthesis, before to be allocated in the different life history traits. However, as a by-product of the normal aerobic ATP-producing processes mitochondria generate Radical Oxygen Species (ROS), that also affect life history traits. Study the both sides of the mitochondrial functioning (ATP vs. ROS productions) appears a relevant way to understand the relation between environmental resources, energy metabolism and a life history traits.

Using two neighboring wild populations of female common frog (Rana temporaria) exhibiting dissimilar body size, we showed a clear relation between growth rate and mitochondrial functionning. Frog population exhibiting high growth rate (HGR) revealed 3-fold higher mitochondrial energy synthesis efficiency (higher ATP synthesized per Oxygen consumed) than low growth rate frog population (LGR). The inter-population plasticity of the ATP/O ratio is surprisingly not associated with higher ROS-mediated cost for larger frogs, weighted by the mitochondrial density and the animal metabolic rate. Regarding oxidative balance, the growth rate seems negatively impact investment in antioxidant capacities.

We thus support that ATP/O ratio could be the physiological mechanism occuping a pivotal position between energy metabolism and growth rate. In addition, we support the acceptance of a new eco-physiological index (ATP/ROS) taking into account both characteristics of the mitochondrial functioning which could reflect animal performances.

INTRODUCTION

For the last ten years, a large number of studies allowed the emergence of the “oxidative stress ecology” concept addressing the role of reactive oxygen species (ROS) production as a biochemical basis of life history trade-offs (Dowling and Simmons, 2009; Metcalfe and Alonzo-Alvarez 2010, Marko et al. 2011). This highly reactive molecules known to affect lipids, proteins, and nucleic acids can lead to cellular damages and ultimately to a disruption of the cell structures that directly and/or indirectly impact individual performances. Because the ROS production is linked to the different components of animal life history as (i) the cost of sustained growth (Metcalfe and Monaghan, 2003; Alonso-Alvarez et al. 2007, De Block and Stoks, 2008; Costantini et al. 2010; Kim et al. 2011), (ii) a proximate cost of reproduction (Alonzo-Alvarez et al. 2004; Metcalfe and Alonzo-Alvarez, 2010) and (iii) affecting lifespan (Speakman, 2005; Neretti et al. 2009), oxidative stress is supposed to be a key fitness component of an organism (Dowling and Simmons, 2009; McGraw et al. 2010; Monaghan et al. 2009).

The oxidative stress results from an imbalance between pro-oxidant molecules and battery of oxidative scavenging systems also called antioxidant defenses (Monaghan et al. 2009, Salmon et al. 2011). Cellular protection against the harmful effects of ROS includes prevention (decrease ROS production), interception and repair (increase anti-oxidant system) and several markers are available for the evaluation of the resultant, the oxidative stress status (Costantini, 2008). Whereas antioxidant capacities depend upon both diet and organism energy allocation, ROS are mainly generated by mitochondrial respiratory chain activity as a by-product of oxidation/phosphorylation reactions, during the normal aerobic ATP-producing process (Korshunov, 1997; Jezek and Hlavata, 2005). As mitochondria, the major ATP cell generator, regulates ATP homeostasis (Lehninger et al. 1993), its activity depends upon the cellular energy needs and constitutes the link organic between environmental resources and animal performances (Seebacher et al. 2010). When the needs increase, organisms can regulate the ATP production by increasing the oxidative phosphorylation rate with concomitant increased oxygen consumption (VO2) by modulating the tissue mitochondrial density and/or the mitochondrial efficiency (ATP/O), all these changes also potentially impacting the mitochondrial ROS generation (Korshunov, 1997; Brand, 2005; Barja 2007).

Etudes expérimentales

In this study, we used an integrative approach in evaluating a panel of physiological variables, ranging from cellular to whole-organism levels in the common frog (Rana

temporaria) stemming from two neighboring populations with dissimilar life-history patterns

and particularly different mean body sizes and age (Joly, 1991; Augert and Joly, 1993). Combining the mitochondrial ATP synthesis, with the analysis of oxidative balance may allow a better understanding of the physiological and biochemical basis of life history strategies. We thus propose to describe the implication of mitochondria functions (ATP synthesis and ROS production) according the body size, a key life history parameter that plays a central role in determining the time-scale of animal’s life history; almost all life-history parameters being correlated with body size (Calder, 1984, Arendt, 1997). In addition, regarding the oxydative balance, this study also allows to test if rapid growth is associated with decrease resistance to oxydative stress and/or increase oxidative attack in vertebrate wild populations, potentially providing an proximate cost of growth (Brand, 2000; Metcalfe and Monaghan, 2003; Alonso-Alvarez et al. 2007, De Block and Stoks, 2008; Costantini et al. 2010; Kim et al. 2011).

We thus described the variation in three components of the oxidative balance (oxidative damage, antioxidant capacity and mitochondrial pro-oxidant production), developed in conjunction with the mitochondria efficiency, calculated as the ratio between ATP production and oxygen consumed (ATP/O ratio) weighted by the mitochondrial density and the animal metabolism rate.