Écologie du dinoflagellé toxique Alexandrium tamarense dans l'estuaire maritime du Saint-Laurent : facteurs environnementaux affectant l'initiation et le développement des efflorescences

L'accumulation de phycotoxines paralysantes chez les mollusques liée aux proliférations estivales du dinoflagellé toxique Alexandrium tamarense et les fermetures de secteurs coquilliers qui en résultent sont des évènements récurrents dans l'estuaire maritime du Saint-Laurent (EMSL). Les facteurs qui contrôlent l'initiation et le développement des efflorescences d'A. tamarense dans l'EMSL sont toutefois à ce jour méconnus. De plus, le rôle des interactions entre la biologie d'A. tamarense et les facteurs environnementaux propres à L'EMSL, notamment son hydrodynamisme complexe, n'a pas encore été exploré. L'objectif de cette étude est donc d'améliorer nos connaissances sur les facteurs environnementaux qui influencent la dynamique des efflorescences d'A . tamarense dans l'EMSL et d'intégrer ces nouvelles connaissances dans un premier modèle couplé physique-biologie de développement des efflorescences d'A . tamarense pour l'EMSL. La première partie de cette étude avait pour objectif de mesurer le taux de croissance d'A. tamarense lors de la marée rouge qui a eu lieu dans l'EMSL durant l'été 1998 et d' évaluer les facteurs qui influencent les variations de croissance. Les taux de croissance, estimés lors d'incubations en conditions in situ de température et de lumière, variaient entre 0 et 0.55 jouf l. Bien que l' on ait retrouvé des cellules d'A . tamarense dans des eaux de salinités très différentes (20.8 à 29.5), les plus fortes concentrations et surtout les taux de croissance positifs n 'ont été mesurés que dans les eaux de plus faible salinité (inférieure à 24.5). Dans ces conditions, les variations du taux de croissance semblaient contrôlées par la disponibilité en phosphates. Les résultats des expériences d' incubations nous ont amenés à formuler deux hypothèses: (1) les cellules d'A. tamarense effectuent des migrations verticales nocturnes vers les couches profondes riches en nitrates de l'EMSL et (2) cette capacité migratoire des cellules d'A. tamarense entraîne une limitation en phosphates de leur croissance dans la couche de surface. Ces hypothèses ont été testées lors d'une mission menée dans l'EMSL durant l' été 2000. Une population d'A. tamarense a été suivie pendant 48 h à l'aide d' une bouée dérivante afin d 'étudier les capacités migratoires de cette espèce. Une série d'expériences d' incubations ont aussi permis d'évaluer la condition nutritionnelle de la population d'A. tamarense au début du suivi. Les résultats de cette étude montrent que les cellules effectuent deux types de migrations ayant des buts différents: (1) des migrations nocturnes entre la couche euphotique et les couches profondes riches en nitrates permettant probablement aux cellules d' accumuler les réserves d 'azote nécessaires à leur croissance, et (2) des migrations diurnes dans la couche euphotique leur permettant d'éviter les fortes intensités lumineuses potentiellement dommageables près de la surface. Les résultats des expériences d'enrichissement supportent l' hypothèse issue de la première partie de notre étude selon laquelle la capacité des cellules à acquérir des nitrates en profondeur lors de migrations nocturnes entraîne une limitation de la croissance par les phosphates dans les eaux de surface. Ces résultats, ainsi que ceux de la première partie de cette étude nous amènent à aborder la problématique de la sensibilité des efflorescences de dinoflagellés au vent et à la turbulence sous un angle nouveau, celui des migrations verticales. Cette sensibilité pourrait, en fait, être en partie liée à un effet indirect de la turbulence via une inhibition des migrations verticales. Cette inhibition pourrait affecter les efflorescences d'A. tamarense dans l'EMSL en empêchant les cellules de se concentrer durant le jour à la profondeur correspondant à leur intensité lumineuse optimale et d'avoir accès aux couches profondes riches en nitrates la nuit. Dans la troisième partie de cette étude, nous avons développé un premier modèle couplé physique-biologie des efflorescences d'A. tamarense dans l'EMSL, à partir des observations recueillies précédemment. En bref, le modèle biologique prend en compte la distribution des kystes de dormance d'A . tamarense, la germination de ces kystes et la croissance des cellules d'A . tamarense limitée par la température et la salinité. L'évolution temporelle de l'efflorescence d'A. tamarense, la coïncidence de cette efflorescence avec le panache d' eau douce des rivières Manicouagan et aux-Outardes (M-O), ainsi que les variations temporelles dans les gradients nord-sud de concentrations d'A. tamarense générées par le modèle sont globalement en accord avec les observations récoltées lors de la marée rouge de 1998. Les simulations révèlent que la coïncidence entre les efflorescences d'A . tamarense et le panache d'eau douce M-O pourrait être, en partie, le résultat d'une inoculation préférentielle des eaux de surface le long de la côte nord par les cellules nouvellement germées, en particulier dans la région influencée par ce panache. De plus, nos résultats suggèrent que l'évolution spatio-temporelle de l'efflorescence est dominée par des cycles de rétention-advection des eaux de surface du panache M-O. Ces cycles, influencés par le régime des vents, contrôlent le transport des populations d'A. tamarense de la partie nord de l'EMSL où ils se développent vers la côte sud. La dynamique du panache d'eau douce M-O, et donc les vents, pourraient aussi affecter le succès des efflorescences d'A. tamarense en influençant leur temps de résidence dans l'estuaire. Par conséquent, il est possible que des variations du régime des vents puissent être en partie responsables de l'importante variabilité interannuelle des efflorescences d'A . tamarense dans l'EMSL

Inter and intra-specific growth and domoic acid production in relation to nutrient ratios and concentrations in Pseudo-nitzschia : phosphate an important factor

The factors responsible for inducing the synthesis of toxins and responses from toxic phytoplankton blooms remain unclear. In this study we compare the influence of genotypic (at both the intra and interspecific levels) and environmental factors (nutrient concentration and ratio) on growth (in terms of cell densities) and domoic acid (DA) production in three Pseudo-nitzschia species: P. australis, P.pungens and P.fradulenta. A strong phosphate effect was detected. More precisely, a low initial concentration in phosphate, even at high initial nitrogen and silicate concentrations, induced the highest DA concentrations and the lowest cell densities in all strains/species studied. In contrast, a low initial concentration of nitrogen and silicate combined, with a higher phosphate concentration resulted in low cell densities, but without high DA production. Inter-species effects were also observed in DA production, where P. australis represented the most toxigenic species of all. Intra-specific variations were only moderate, except for a recently isolated P. australis strain, suggesting the influence of time since isolation on the physiology and DA production of Pseudo-nitzschia species. Overall, the lack of strong interaction between environmental and genotypic factors showed that the various genotypes investigated did not extensively diverge in their ability to respond (in terms of DA production and cell densities) to contrasting nutrient supply

Physiological conditions favorable to domoic acid production by three Pseudo-nitzschia species

International audiencewenty-six species of the cosmopolitan genus Pseudo-nitzschia can produce domoic acid (DA), a neurotoxin responsible for amnesic shellfish poisoning (ASP). To improve knowledge on this issue, we studied the physiological conditions favorable to DA production and accumulation by three Pseudo-nitzschia species from French coastal waters: P. australis, P. pungens, and P. fraudulenta. They were grown in batch cultures under silicate limitation to characterize their physiological traits and calculate their DA production rates. Three strains were studied per species to consider intraspecific diversity and better characterize interspecific differences. DA production was not influenced by growth or silicate limitation in any of the three species. In contrast, silicate limitation in the stationary phase led to DA accumulation by inhibiting cell division, while DA production was still active. The maximum cellular DA (cDA) production rate was 2.95 pg cell−1 d−1 for P. australis, 0.07 pg cell−1 d−1 for P. pungens, and 0.03 pg cell−1 d−1 for P. fraudulenta. The physiological conditions favorable to cDA production and accumulation by P. australis and P. pungens differed. The three species presented similar growth rates, but P. australis had higher photosynthetic capacities that could partly explain its higher DA production potential. The cDA production and the net dissolved DA (dDA) production in the culture medium were favored by different growth conditions. The cDA production to net dDA production ratio was species specific, with P. pungens excreting proportionally more of its produced DA. These laboratory results on cultures imply that cDA production and net dDA production can occur during all phases of P. australis, P. pungens, and P. fraudulenta blooms. The interactions between the species composition of the bloom, the species-specific capacity for DA production, and the effect of silicate limitation – among other factors – on DA cell quotas drive the toxigenicity of Pseudo-nitzschia blooms

Inter and intra-specific growth and domoic acid production in relation to nutrient ratios and concentrations in Pseudo-nitzschia : phosphate an important factor

International audienc

Differential Influence of Life Cycle on Growth and Toxin Production of three Pseudo‐nitzschia Species (Bacillariophyceae)

International audienceWe used a multistrain approach to study the intra‐ and interspecific variability of the growth rates of three Pseudo‐nitzschia species – P. australis, P. fraudulenta, and P. pungens – and of their domoic acid (DA) production. We carried out mating and batch experiments to investigate the respective effects of strain age and cell size, and thus the influence of their life cycle on the physiology of these species. The cell size – life cycle relationship was characteristic of each species. The influence of age and cell size on the intraspecific variability of growth rates suggests that these characteristics should be considered cautiously for the strains used in physiological studies on Pseudo‐nitzschia species. The results from all three species do not support the hypothesis of a decrease in DA production with time since isolation from natural populations. In P. australis, the cellular DA content was rather a function of cell size. More particularly, cells at the gametangia stage of their life cycle contained up to six times more DA than smaller or larger cells incapable of sexual reproduction. These findings reveal a link between P. australis life cycle and cell toxicity. This suggest that life cycle dynamics in Pseudo‐nitzschia natural populations may influence bloom toxicity

Interactions between Filter-Feeding Bivalves and Toxic Diatoms: Influence on the Feeding Behavior of Crassostrea gigas and Pecten maximus and on Toxin Production by Pseudo-nitzschia

International audienceAmong Pseudo-nitzschia species, some produce the neurotoxin domoic acid (DA), a source of serious health problems for marine organisms. Filter-feeding organisms—e.g., bivalves feeding on toxigenic Pseudo-nitzschia spp.—are the main vector of DA in humans. However, little is known about the interactions between bivalves and Pseudo-nitzschia. In this study, we examined the interactions between two juvenile bivalve species—oyster (Crassostrea gigas) and scallop (Pecten maximus)—and two toxic Pseudo-nitzschia species—P. australis and P. fraudulenta. We characterized the influence of (1) diet composition and the Pseudo-nitzschia DA content on the feeding rates of oysters and scallops, and (2) the presence of bivalves on Pseudo-nitzschia toxin production. Both bivalve species fed on P. australis and P. fraudulenta. However, they preferentially filtered the non-toxic Isochrysis galbana compared to Pseudo-nitzschia. The presence of the most toxic P. australis species resulted in a decreased clearance rate in C. gigas. The two bivalve species accumulated DA in their tissues (up to 0.35 × 10−3 and 5.1 × 10−3 µg g−1 for C. gigas and P. maximus, respectively). Most importantly, the presence of bivalves induced an increase in the cellular DA contents of both Pseudo-nitzschia species (up to 58-fold in P. fraudulenta in the presence of C. gigas). This is the first evidence of DA production by Pseudo-nitzschia species stimulated in the presence of filter-feeding bivalves. The results of this study highlight complex interactions that can influence toxin production by Pseudo-nitzschia and accumulation in bivalves. These results will help to better understand the biotic factors that drive DA production by Pseudo-nitzschia and bivalve contamination during Pseudo-nitzschia blooms

Inter- and Intra-Specific Transcriptional and Phenotypic Responses of Pseudo-nitzschia under Different Nutrient Conditions

International audienceUntangling the functional basis of divergence between closely related species is a step toward understanding species dynamics within communities at both the evolutionary and ecological scales. We investigated cellular (i.e., growth, domoic acid production, and nutrient consumption) and molecular (transcriptomic analyses) responses to varying nutrient concentrations across several strains belonging to three species of the toxic diatom genus Pseudo-nitzschia. Three main results were obtained. First, strains from the same species displayed similar transcriptomic, but not necessarily cellular, responses to the experimental conditions. It showed the importance of considering intraspecific diversity to investigate functional divergence between species. Second, a major exception to the first finding was a strain recently isolated from the natural environment and displaying contrasting gene expression patterns related to cell motility and domoic acid production. This result illustrated the profound modifications that may occur when transferring a cell from the natural to the in vitro environment and asks for future studies to better understand the influence of culture duration and life cycle on expression patterns. Third, transcriptomic responses were more similar between the two species displaying similar ecology in situ, irrespective of the genetic distance. This was especially true for molecular responses related to TCA cycle, photosynthesis, and nitrogen metabolism. However, transcripts related to phosphate uptake were variable between species. It highlighted the importance of considering both overall genetic distance and ecological divergence to explain functional divergence between species

Le projet ANR-COMANCHE 2010-STRA-010. Interactions écosystémiques et impacts anthropiques dans les populations de COquilles Saint-Jacques (Pecten maximus) de la MANCHE. Rapport scientifique final

The King scallop Pecten maximus constitutes the first landed species in terms of tonnage and the second or third one in terms of value for the French fisheries. More than 90% of these landings come from the English Channel indicating that its exploitation is essential to local fleets. The COMANCHE project (Ecosystem Interactions and anthropogenic impacts on King scallops populations in the English Channel) proposed to improve the knowledge of the scallop within the Channel, through an ecosystem-based approach for fisheries, appealing to a wide range of scientific disciplines (physics, chemistry, genetics, ecology, geostatistics, modeling, economics ....). Researches on the spatial location of scallop beds, connectivity by larval dispersal between beds, life history and recruitment variability, dynamics of plankton communities and determinism of toxic algal blooms, place of this bivalve in the food web, development of invasive species like the American slipper limpet, impact of dredging on seabed and also analysis of the main market supplies for this species, have been conducted. The aim of this project was to contribute to a sustainable development of a fishery, supported by government, local authorities and stakeholders’ associations. According to the research activities, different conceptual approaches and tools, as numerical modeling methods, mapping, molecular biology techniques, use of genetic markers, laboratory cultivations of algae, etc ... have been used. For this, the COMANCHE project was built on the use of in situ data, but also on biological data time-series collected during scientific sea surveys conducted for more than 30 years by Ifremer or on data collected during the project. Data coming from the declarative flow (fisheries statistics) of fishing vessels have also been used. A map of the connectivity between the different scallop populations has been proposed, highlighting three major functional units (Bay of Seine, Normand-Breton Gulf and Southwestern coast of England). It was shown that the influence of the sea surface temperature and related climatic indexes could explain inter-annual fluctuations of the recruitment for the stock in the Bay of Seine, probably because of the role of temperature on the gametogenesis and the early life stages. Significant progresses have been made in understanding the emergence of harmful algal blooms which affect the scallop fisheries. Over 70 strains of 4 different species of Pseudo-nitzschia were isolated from samples taken in the Bay of Seine and were kept in culture. A biochip for the rapid identification of different species of Pseudo-Nitzschia was developed and could be used for the biomonitoring of toxic phytoplankton. An ecosystem model coupled with a biogeochemical model and a population dynamics model was developed for English Channel scallop populations. The economic analysis of fisheries raises the question of the adequacy of the management measures and the operation of the market in a global context of the King scallop production increase.La coquille Saint-Jacques européenne Pecten maximus constitue pour les pêcheries françaises la première espèce débarquée en tonnage, et la deuxième ou troisième en valeur. La Manche représente plus de 90% de ces débarquements : l’exploitation de cette espèce y est donc vitale pour les flottilles riveraines. Le projet COMANCHE (Interactions écosystémiques et impacts anthropiques dans les populations de COquilles Saint-Jacques de la MANCHE) se proposait d’améliorer la connaissance de la coquille Saint-Jacques à l’échelle de l’ensemble de la Manche, à travers une approche écosystémique des pêcheries, en faisant appel à un large éventail de disciplines scientifiques (physique, chimie, génétique, écologie, géostatistique, modélisation, économie….) : localisation spatiale des gisements, connectivité entre gisements par dérive larvaire, variabilité des traits de vie et du recrutement, dynamique des communautés planctoniques et déterminisme des efflorescences d’algues toxiques, place de ce filtreur dans le réseau trophique, développement des espèces invasives, dont la crépidule, impact de son exploitation sur le substrat et enfin analyse des principaux circuits d’approvisionnement de cette espèce. Ce projet s’inscrit dans une logique de développement durable d’une pêcherie, soutenue par l’administration, les collectivités territoriales et les associations professionnelles. Selon les différentes actions de recherche entreprises, des méthodes numériques de modélisation, de la cartographie, des techniques de biologie moléculaire, l’utilisation de marqueurs génétiques, des mises en culture en laboratoire, etc … ont été utilisées. Pour cela, le projet COMANCHE s’est appuyé à la fois sur l’utilisation de données in situ, à partir de séries chronologiques de données biologiques acquises soit lors de campagnes scientifiques à la mer menées depuis plus de 30 ans par l’Ifremer, soit obtenues directement dans le cadre du projet, mais également sur des données issues du flux déclaratif (statistiques de pêche) des navires de pêches. Une carte de la connectivité entre les différents gisements a été proposée, mettant en évidence trois unités fonctionnelles majeures (baie de Seine, golfe normano-breton et côtes sud-ouest de l’Angleterre). Par ailleurs, il a été montré que l’influence de la température de surface et des grands cycles climatiques explique les fluctuations inter-annuelles du recrutement du stock de la baie de Seine, vraisemblablement en raison de l’effet de la température sur la gamétogénèse et les premiers stades du cycle de vie. Des avancées significatives ont été réalisées pour la compréhension de l’apparition des phénomènes algaux toxiques qui influencent grandement la stratégie d’exploitation de l’espèce : plus de 70 souches de 4 espèces de Pseudo-nitzschia différentes ont été identifiées à partir d’échantillons prélevés en baie de Seine et ont été mises en culture. Une biopuce permettant l’identification rapide des différentes espèces de Pseudo-Nitzschia a été mise au point et pourra constituer un outil majeur de surveillance de ces espèces toxiques. Un modèle d’écophysiologie individuel ainsi qu’un modèle de dynamique des populations de l’espèce ont été mis au point. Ces modèles ont été couplés à un modèle d’écosystème afin d’être spatialisés à l’échelle de la Manche. L’analyse économique des pêcheries pose la question de l’adéquation entre les mesures de gestion et le fonctionnement du marché dans un contexte global de progression importante de la production de coquilles en Manche