Departamentul de Afiliere pentru Știința Animalelor, Universitatea din California Davis, Davis, California, Statele Unite ale Americii

salinității

Departamentul de Afiliere pentru Știința Animalelor, Universitatea din California Davis, Davis, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de Afiliere pentru Știința Animalelor, Universitatea din California Davis, Davis, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere pentru știința animalelor, Universitatea din California Davis, Davis, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere pentru știința animalelor, Universitatea din California Davis, Davis, California, Statele Unite ale Americii

Departamentul de afiliere pentru viața sălbatică, peștele și biologia conservării, Universitatea din California Davis, Davis, California, Statele Unite ale Americii

  • Pedro G. Vaz,
  • Ermias Kebreab,
  • Silas S. O. Hung,
  • James G. Fadel,
  • Seunghyung Lee,
  • Nann A. Fangue

Cifre

Abstract

Citare: Vaz PG, Kebreab E, Hung SSO, Fadel JG, Lee S, Fangue NA (2015) Impactul modificărilor nutriționale și de salinitate asupra performanțelor biologice ale sturionului verde și alb. PLOS ONE 10 (4): e0122029. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0122029

Editor academic: Michael L. Fine, Virginia Commonwealth Univ, STATELE UNITE

Primit: 10 decembrie 2014; Admis: 10 februarie 2015; Publicat: 1 aprilie 2015

Disponibilitatea datelor: Autorii confirmă că toate datele care stau la baza constatărilor sunt pe deplin disponibile fără restricții. Datele au fost depuse la Dryad Digital Repository (http://dx.doi.org/10.5061/dryad.1d0f3).

Finanțarea: Acest studiu a fost finanțat de Departamentul California pentru Pești și Sălbatici, Programul de Restaurare a Ecosistemelor sub numărul contractului E1183017 (http://www.dfg.ca.gov/erp/). Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Modificări semnificative ale salinității și ale modelelor nutriționale sunt prognozate în zona de distribuție a sturionului verde (Mexic până la Marea Bering) și a sturionului alb (Mexic până în Golful Alaska), în special în zonele de estuar [15]. Sistemul Delta Bay din San Francisco (SFBD) este deosebit de relevant, deoarece ambele specii de sturioni sunt native și sunt susceptibile de a fi cel mai afectat de schimbările globale. SFBD este foarte afectat de modificările condițiilor oceanice, cu o multitudine de modificări abiotice și biotice bine documentate care apar pe o gamă variată de scale de timp [16-17]. Efectele schimbărilor climatice globale în SFBD includ creșterea salinității ca urmare a creșterii nivelului mării și a intrării apei de mare în Deltă, schimbări în tiparele de precipitații și un pachet de zăpadă mai mic, contribuind la o scurgere mai mică de apă dulce de primăvară și substanțe nutritive. De o importanță deosebită pentru sturion, se preconizează că salinitatea se va schimba în magnitudine, timp și spațiu în SFBD [18-21].

În plus, rețelele alimentare se schimbă la nivel global și local. Creșterea temperaturii apei scade producția globală de fitoplancton la o rată proiectată de 1% pe an [22] perturbând sincronia dintre fitoplancton și zooplancton [23]. Dinamica rețelei alimentare în Oceanul Pacific și SFBD a fost în transformare extinsă în ultimele decenii din cauza schimbărilor în comunitățile de fitoplancton și zooplancton, precum și a creșterii dominanței speciilor exotice. În timp ce rețelele alimentare din sistemul SFBD se schimbă [24-26], dietele de sturioni se pot schimba pentru a reflecta disponibilitatea și abundența prăzilor. Tendința recentă a sturionului alb care consumă în principal specii de scoici introduse pe coasta de vest a SUA este un exemplu în acest sens [27].

Schimbările climatice pot avea efecte fiziologice și biochimice asupra sturionului prin provocări legate de nutriție și salinitate, care la rândul lor reduc performanțele de creștere sau condiția fizică [28]. Evaluarea intervalelor și pragurilor de toleranță fiziologică la factorii de stres poate determina dacă sturionul are suficientă rezistență pentru a răspunde schimbărilor climatice [29]. Trebuie pus accentul pe etapele timpurii ale vieții animalelor, care pot fi mai sensibile la factorii de stres ai mediului decât adulții [30]. Stadiile de sturioni tineri sunt slab înțelese, iar succesul peștilor tineri pe măsură ce se deplasează prin SFBD depinde probabil de starea lor nutrițională și de momentul dezvoltării mecanismelor fiziologice corelate cu habitatele lor de migrație.

Studiile anterioare au examinat efectul stării nutriționale asupra unor variabile de osmoreglare la pești. De exemplu, somonul Atlantic (Salmo salar) a prezentat o creștere a ionilor plasmatici și reducerea activităților enzimatice după perioade de deprivare alimentară de șase și opt săptămâni [31-32], în timp ce somonul coho (Oncorhynchus kisutch) și somonul chinook (O. tshawytscha ) osmoregularea nu a fost afectată după 16 săptămâni de lipsă de alimente [33]. Răspunsurile la osmoreglare au fost examinate și la speciile de sturioni [34-44], sugerând că costul metabolic al osmoregulării poate varia în funcție de salinitate, în special în timpul etapelor juvenile [45-47]. Recent, a fost evaluat efectul stării nutriționale asupra mai multor variabile de osmoreglare la sturionul juvenil verde [48]. Până în prezent s-au realizat progrese considerabile în determinarea răspunsurilor unice ale variabilelor fiziologice la starea nutrițională și salinitatea.

Materiale și metode

Sursa de pește

Sturionul juvenil verde a fost obținut de la puietul F1 captiv, crescut din râul Klamath capturat în sălbăticie și a fost reprodus în 1999-2000 [50] și a avut loc la Centrul de biologie acvatică și acvacultură de la Universitatea din California, Davis, SUA. Femela (clasa 1999 ani) a fost creată cu doi bărbați din clasa 2000 ani [51]. Sturionul alb juvenil a fost donat de un fermier local care i-a dat naștere unei femele domesticite (

46 kg, 12 ani) și patru masculi domestici

28 kg, 8 ani). Descendenții celor două specii au fost crescuți în două fluxuri prin sisteme de apă subterană degazate și au fost hrăniți cu aceeași dietă comercială inițială cu salmonide, incluzând o varietate de furaje de salmonide până când au atins dimensiunea dorită pentru experiment. Cele două specii au fost hrănite conform unui model de viteză optimă de hrănire (OFR) pentru sturionul verde [52] și alb [53].

Prima fază - provocare nutrițională

Această fază de experiment a fost inițiată la 214 și 189 de zile după eclozare în sturionul verde și, respectiv, și a fost reprodusă în mod similar pentru cele două specii. Pentru fiecare specie, 840 de sturioni juniori (verzi: 174,0 ± 0,4 g, albi: 173,2 ± 0,6 g; medie ± SE) au fost aleați aleatoriu și eliberați în 12 circulare, care curg prin fibră de sticlă

Rezervoare de 787 L, rezultând 70 de pești pe rezervor (Fig. 1). Peștii au fost aclimatizați în tancuri timp de 8 zile și hrăniți la OFR (peletă de scufundare de 2,0 mm, Skretting, Tooele, UT, SUA). Furajele au fost date folosind un alimentator cu curea de 24 de ore pentru a asigura disponibilitatea continuă a alimentelor [54]. Rezervoarele de reținere erau amplasate în aer liber și aveau un capac din fibră de sticlă cu o trapă care permite accesul la hrană și la lumina soarelui a fotoperiodei naturale. Un spray-bar unghiular a furnizat apă degajată din fântână (8-10 L min -1) pentru a crește circulația și dispersia alimentării. Temperatura apei (18,1 până la 18,7 ° C), oxigenul dizolvat (7,5 până la 9,0 mg L -1) și amoniac (0,1 până la 0,2 mg L -1) au fost menținute pe tot parcursul procesului.

Prima fază (sus): Patru niveluri ale unui singur tratament, rata de hrănire (12,5, 25, 50, 100%). A doua fază (jos): Patru niveluri ale salinității tratamentului (0, 8, 16, 24/32 ppt) și trei niveluri ale timpului de expunere la nivelurile de salinitate (12, 72, 120 h). Designul experimental a fost același pentru cele două specii, cu excepția faptului că salinitatea maximă a fost diferită pentru sturionul alb (W) și verde (G).

La sfârșitul perioadei de aclimatizare, greutatea corporală inițială medie (BWi) pe rezervor de sturion a fost măsurată pentru a ajusta cantitatea de furaje înainte de inițierea unui studiu de provocare nutrițională de patru săptămâni. Douăsprezece tancuri experimentale pe specie au fost apoi repartizate aleatoriu la unul dintre cele patru niveluri de tratament cu viteză de hrănire (FR) (12,5%, 25%, 50%, 100% OFR; [53, 55]), rezultând trei rezervoare pe tratament pe specie (Fig. 1, sus). Compozițiile următoare ale dietei pentru perioada de aclimatizare și studiul provocării nutriționale au fost de 8,7% umiditate, 42% proteine ​​brute, 26,7% lipide brute și 9,9% cenușă, așa cum este determinat de metoda Asociației Chimiștilor Analitici Oficiali (AOAC; [56]).

După provocarea nutrițională de patru săptămâni, variabilele de performanță ale creșterii, compoziția corpului și metaboliții plasmatici au fost determinate după cum urmează. O unitate de date per variabilă a fost determinată pentru fiecare tanc. În primul rând, greutatea corporală finală (BWf) pe rezervor a fost derivată din media tuturor peștilor din rezervor. S-au determinat lungimea totală a peștilor (cm) și greutatea ficatului (g) (precizie: ± 0,01, în ambele măsurători) din șase pești pe rezervor care au fost eutanasiați.

Valorile performanței creșterii au fost calculate ca:

  • Rata de creștere specifică (SGR) = 100 × (ln (BWf/BWi)/Dt);
  • Eficiența alimentării (FE) = 100 × (BWf - BWi)/Ft; unde BWi și BWf au fost greutatea corporală medie inițială și finală (g), Dt a fost lungimea încercării în zile (26), iar Ft a fost greutatea medie totală a furajelor (g) acordate fiecărui rezervor pe parcursul procesului.
  • Factor de condiție (CF) = BWf/L 3; unde L a fost lungimea totală a corpului (cm);
  • Indicele hepato-somatic (HSI) = 100 × greutatea ficatului (g)/BWf; calculat după eutanasierea peștilor.

Compoziția corpului și metaboliții plasmatici după provocarea nutrițională au fost determinați din cei șase pești eutanasiați pe rezervor. Trei dintre acești pești au fost grupați și eșantionați pentru compoziția apropiată a întregului corp (metoda AOAC, [56]) pentru a determina lipidele brute, proteinele brute și umiditatea. Restul de trei pești au fost eșantionați individual pentru evaluarea concentrațiilor metaboliților plasmatici (glucoză, trigliceride și proteine) urmate de un calcul mediu pe metabolit. Sângele a fost colectat din vena caudală folosind un tub de colectare a sângelui de 6 ml cu heparină de litiu uscată și un ac hipodermic cu gabaritul 21 și a fost centrifugat la 1500 g timp de cinci minute la temperatura camerei. Plasma a fost transferată în tuburi de microcentrifugă de 1,5 m1, congelată rapid în azot lichid și stocată la -80 ° C pentru analiză ulterioară. Concentrațiile de glucoză plasmatică au fost determinate cu un kit de testare disponibil în comerț. Trigliceridele plasmatice au fost măsurate printr-o măsurare enzimatică cantitativă folosind un kit de determinare a trigliceridelor serice (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, SUA). Concentrația totală de proteine ​​plasmatice a fost determinată prin metoda de modificare Sigma Aldrich Micro-Lowry, Onishi și Barr.

A doua fază - provocarea salinității

În urma studiului provocării nutriționale, a fost efectuată ulterior o provocare a salinității cu timpi de expunere diferiți și reprodusă în mod similar pentru sturionul verde și alb (Fig 1 jos). Au fost selectate patru salinități pentru ambele studii de specii, diferind doar la cel mai înalt nivel, adică 0, 8 și 16 ppt pentru ambele specii și 24 sau 32 ppt pentru sturionul alb și respectiv, respectiv. Nivelurile de salinitate au fost selectate pe baza istoricelor de viață ale sturionului alb și verde juvenil [57-59]. Cele patru niveluri de salinitate au fost aplicate în patru sisteme separate pentru fiecare specie, fiecare constând din patru rezervoare (97 cm diametru, 160 L): un sistem de curgere a apei dulci (0 ppt) și trei sisteme separate de recirculare (8, 16 și 32 sau 24 ppt) unde salinitatea a fost manipulată folosind sare de mare sintetică.

Fiecare dintre cele patru rezervoare pe nivel de salinitate a fost apoi atribuit unuia dintre cele patru FR (12,5%, 25%, 50% sau 100% din OFR) și ocupat cu 18 pești din acel FR (Fig 1 jos). Peștii au fost expuși acut la diferite niveluri de salinitate și nu au fost hrăniți cu o zi înainte de expunerea la salinitate și pe tot parcursul studiului. Calitatea apei (de exemplu, temperatura, oxigenul dizolvat, amoniacul) a fost menținută în condiții optime în timpul procesului. Variabilele osmoregulării, incluzând caeca pilorică și activitățile Na +/K + -ATPase branhiale (PCNKA, respectiv GNKA), umiditatea musculară, hematocritele, osmolalitatea plasmatică, lactatul și glucoza au fost apoi determinate la 12, 72 și 120 h după salinitate expunere (Fig 1 jos). Detalii suplimentare (de exemplu, proceduri analitice) sunt furnizate în [48].

Declarație de etică

Acest studiu a fost realizat în strictă conformitate cu recomandările din protocolul aprobat de Comitetul pentru îngrijirea și utilizarea animalelor din campusul Universității din California, Davis (numărul protocolului: 16541). Comitetul a aprobat acest studiu și a verificat dacă condițiile de viață ale animalelor erau adecvate pentru specie, că utilizarea medicamentelor care ameliorează durerea era adecvată și că numărul de animale era minimul necesar pentru finalizarea proiectului. Eutanasierea peștilor a fost efectuată sub o supradoză de MS-222 tamponat (6 g NaCI, 420 mg NaHCO3 și 500 mg tricaină metansulfonat/L, Argent Inc., Redmond, WA, SUA).

Analiza datelor

Răspunsuri biologice la schimbările nutriționale

Pentru compararea răspunsurilor biologice din sturionul verde și alb la modificările nutriționale, metrica pentru fiecare variabilă a fost standardizată între 0 și 1 folosind ecuația v ’= (vi - vmin)/(vmax - vmin); unde vi este fiecare valoare (netransformată) și vmin și vmax sunt minimul și maximul pentru variabila respectivă.

Înainte de analiză, unele variabile au fost transformate pentru a aborda ipotezele de normalitate și homoscedasticitate. HSI, lipide, proteine ​​corporale și umiditate au fost transformate în arcsin√ (x). Folosind ecuația v '= (vi λ -1)/λ, a fost utilizată familia de transformări Box-Cox pe fiecare valoare i pentru a găsi cea mai bună transformare [60-61] pe glucoză (λ = -1,43), trigliceride λ = 0,02) și proteină (λ = -1,55). Principalele efecte și interacțiuni ale FR și ale speciilor asupra SGR și CF au fost testate folosind un ANOVA cu doi factori per răspuns. O versiune de permutare a testului cu 5000 de randomizări a fost efectuată pentru alte răspunsuri, folosind pachetul lmPerm în R [62].

Predictori ai performanței de creștere la sturioni confruntați cu modificări nutriționale și de salinitate

Factorul de condiție a fost utilizat ca răspuns pentru două modele separate asupra efectului salinității asupra performanței de creștere pentru cele două specii. Calculat din relația dintre greutate și lungime, CF este utilizat pe scară largă în pescuit și în studiile de biologie a peștilor ca un excelent indicator al gradului de disponibilitate a surselor de hrană și a bunăstării generale [63-64]. Relația dintre CF și variabilele explicative a fost explorată folosind Modele aditive generalizate (GAM; [65-66]) cu legătură de identitate pentru a explica potențialele neliniarități în răspunsurile CF. Câteva valori aberante clare au fost determinate și permise după analiza inițială a datelor exploratorii folosind boxplots și Cleveland dotplots [67]. Pentru sturionul verde, s-au permis cinci valori aberante, trei pentru CF și două pentru umezeala musculară (N = 277). Pentru sturionul alb, 12 valori aberante au fost permise pentru CF (N = 276). Corelațiile lui Spearman între variabilele din modele au fost toate 0,05) variabile [66] pentru a elimina la rândul lor fiecare termen principal. Semnificația fiecărui termen parametric și neted a fost evaluată utilizând teste Wald (pachetul mgcv; [69-70]). Adecvarea modelului a fost evaluată prin trasarea reziduurilor comparativ cu valorile ajustate și variabilele explicative și potrivirea modelului prin procentul de devianță explicat.

Legături între cei mai buni predictori ai performanței creșterii

Modelarea ecuației structurale (SEM; [71-72]) a fost utilizată pentru a examina separat legăturile dintre termenii semnificativi din GAM legați de CF. În plus, SEM a evidențiat efecte indirecte nedivulgate de GAM. Folosind software-ul IBM SPSS Amos, a fost construită mai întâi o diagramă de cale pe baza teoriei folosind variabilele exogene pentru CF. Termenii de eroare au fost adăugați după cum este necesar [71], iar greutățile de regresie au fost examinate pentru a adăuga iterativ (pe baza indicilor de modificare) sau a elimina (pe baza valorilor p) legături din model. Odată realizată o potrivire bună a modelului, bazată atât pe discrepanța minimă [73], cât și pe eroarea pătrată medie de rădăcină de aproximare, CF a fost adăugat ca o variabilă endogenă cu legături de la toate celelalte variabile. Estimarea bayesiană a fost apoi utilizată pe căile reținute pentru a se potrivi modelului, iar legăturile cu CF au fost înlăturate iterativ pe baza distribuțiilor posterioare ale greutăților de regresie. Legăturile au fost eliminate dacă intervalul lor credibil de 80% a inclus zero (considerat susținând un model derivat din proceduri de maximă probabilitate).

Rezultate

Răspunsuri biologice ale sturionului verde și alb la modificările nutriționale

Sturionul verde și alb a avut în general rezultate contrastante în ceea ce privește factorii măsurați ai performanței de creștere, compoziția corpului și metaboliții plasmatici (Fig. 2). Umiditatea corpului a fost singura variabilă clar mai mare pentru verde decât pentru sturionul alb, independent de rata de hrănire. În ceea ce privește performanța de creștere, CF a fost răspunsul fără suprapuneri între specii la nivelurile FR.