Etude transgénérationelle des altérations de l'ADN et de leurs conséquences sur les traits d'histoire de vie et le budget énergétique de Daphnia magna exposé à l'uranium appauvri.

This PhD work explored how depleted uranium alters DNA and affects life history traits (survival, growth and reproduction) of an aquatic invertebrate, Daphnia magna. An experimental study is performed to evaluate DNA accumulation and transmission during an uranium exposure over two successive generations (F0 and F1). Different exposures scenarios are achieved to test the specific sensitivity of several life stages to uranium. Genotoxic effects are estimated using random amplified DNA technique combined with PCR. In continuous and post-hatching exposure scenarios, results highlighted an accumulation and a transmission of DNA damage across generations with an increase in effect severity. DNA alterations are reported at hatching of F1 at 2 µg L-1. Effects on growth and reproduction are stronger when the embryo stage is exposed and remain visible at 9.9 µg L-1 despite a return in a clean medium at hatching. Results suggest that DNA damage could be used as early indicators of future effects on life history traits. A mechanistic analysis of experimental results is conducted using a DEBtox model to better understand the causes of the increase in effect severity across generations. A model with two stress factors (one correlated to external concentration and another correlated to a damage level) is developed. Results of fits suggest the involvement of one second mode of action (increase in costs for growth and maturation) to explain immediate effects of uranium on nutrition and consequences of cumulated damage across generations.Ce travail a pour objectif d’explorer les altérations de l’ADN et leurs conséquences potentielles pour les traits d’histoire de vie (survie, croissance et reproduction) d’un invertébré aquatique, Daphnia magna exposé à l’uranium appauvri. La démarche expérimentale vise à évaluer l’accumulation et la transmission des altérations de l’ADN suite à une exposition sur deux générations successives (F0 et F1). Différents scénarios d’exposition mis en place pour tester la sensibilité spécifique de divers stades de vie. Lors d’expositions continue et post-éclosion, les résultats mettent en évidence une accumulation et une transmission des dommages à l’ADN au fil des générations en parallèle de la sévérité des effets. Les altérations de l’ADN sont reportées dès l’éclosion de F1 dès 2 µg.L 1. Les effets sur la croissance et la reproduction sont plus sévères lorsque le stade embryonnaire est exposé et restent visibles dès 9,9 µg.L-1 malgré un retour en milieu non contaminé à l’éclosion. Les résultats suggèrent que les dommages à l’ADN pourraient être des indicateurs précoces de futurs effets sur les traits d’histoire de vie. Une analyse mécanistique des résultats expérimentaux est conduite à l’aide du modèle DEBtox afin de mieux cerner les causes de l’aggravation des effets au cours des générations. Un modèle à deux facteurs de stress (l’un corrélé à la concentration d’exposition et l’autre à un niveau de dommages) est développé. Les ajustements suggèrent l’implication d’un second mode d’action (une augmentation des coûts de croissance et de maturation) pour expliquer les effets immédiats de l’uranium sur la nutrition et les conséquences des dommages accumulés au fil des générations

Etude transgénérationelle des altérations de l'ADN et de leurs conséquences sur les traits d'histoire de vie et le budget énergétique de Daphnia magna exposé à l'uranium appauvri.

This PhD work explored how depleted uranium alters DNA and affects life history traits (survival, growth and reproduction) of an aquatic invertebrate, Daphnia magna. An experimental study is performed to evaluate DNA accumulation and transmission during an uranium exposure over two successive generations (F0 and F1). Different exposures scenarios are achieved to test the specific sensitivity of several life stages to uranium. Genotoxic effects are estimated using random amplified DNA technique combined with PCR. In continuous and post-hatching exposure scenarios, results highlighted an accumulation and a transmission of DNA damage across generations with an increase in effect severity. DNA alterations are reported at hatching of F1 at 2 µg L-1. Effects on growth and reproduction are stronger when the embryo stage is exposed and remain visible at 9.9 µg L-1 despite a return in a clean medium at hatching. Results suggest that DNA damage could be used as early indicators of future effects on life history traits. A mechanistic analysis of experimental results is conducted using a DEBtox model to better understand the causes of the increase in effect severity across generations. A model with two stress factors (one correlated to external concentration and another correlated to a damage level) is developed. Results of fits suggest the involvement of one second mode of action (increase in costs for growth and maturation) to explain immediate effects of uranium on nutrition and consequences of cumulated damage across generations.Ce travail a pour objectif d’explorer les altérations de l’ADN et leurs conséquences potentielles pour les traits d’histoire de vie (survie, croissance et reproduction) d’un invertébré aquatique, Daphnia magna exposé à l’uranium appauvri. La démarche expérimentale vise à évaluer l’accumulation et la transmission des altérations de l’ADN suite à une exposition sur deux générations successives (F0 et F1). Différents scénarios d’exposition mis en place pour tester la sensibilité spécifique de divers stades de vie. Lors d’expositions continue et post-éclosion, les résultats mettent en évidence une accumulation et une transmission des dommages à l’ADN au fil des générations en parallèle de la sévérité des effets. Les altérations de l’ADN sont reportées dès l’éclosion de F1 dès 2 µg.L 1. Les effets sur la croissance et la reproduction sont plus sévères lorsque le stade embryonnaire est exposé et restent visibles dès 9,9 µg.L-1 malgré un retour en milieu non contaminé à l’éclosion. Les résultats suggèrent que les dommages à l’ADN pourraient être des indicateurs précoces de futurs effets sur les traits d’histoire de vie. Une analyse mécanistique des résultats expérimentaux est conduite à l’aide du modèle DEBtox afin de mieux cerner les causes de l’aggravation des effets au cours des générations. Un modèle à deux facteurs de stress (l’un corrélé à la concentration d’exposition et l’autre à un niveau de dommages) est développé. Les ajustements suggèrent l’implication d’un second mode d’action (une augmentation des coûts de croissance et de maturation) pour expliquer les effets immédiats de l’uranium sur la nutrition et les conséquences des dommages accumulés au fil des générations

Transgenerational study of DNA alterations and their consequences on life history traits and energy budget of Daphnia magna exposed to depleted uranium

Ce travail a pour objectif d’explorer les altérations de l’ADN et leurs conséquences potentielles pour les traits d’histoire de vie (survie, croissance et reproduction) d’un invertébré aquatique, Daphnia magna exposé à l’uranium appauvri. La démarche expérimentale vise à évaluer l’accumulation et la transmission des altérations de l’ADN suite à une exposition sur deux générations successives (F0 et F1). Différents scénarios d’exposition mis en place pour tester la sensibilité spécifique de divers stades de vie. Lors d’expositions continue et post-éclosion, les résultats mettent en évidence une accumulation et une transmission des dommages à l’ADN au fil des générations en parallèle de la sévérité des effets. Les altérations de l’ADN sont reportées dès l’éclosion de F1 dès 2 µg.L 1. Les effets sur la croissance et la reproduction sont plus sévères lorsque le stade embryonnaire est exposé et restent visibles dès 9,9 µg.L-1 malgré un retour en milieu non contaminé à l’éclosion. Les résultats suggèrent que les dommages à l’ADN pourraient être des indicateurs précoces de futurs effets sur les traits d’histoire de vie. Une analyse mécanistique des résultats expérimentaux est conduite à l’aide du modèle DEBtox afin de mieux cerner les causes de l’aggravation des effets au cours des générations. Un modèle à deux facteurs de stress (l’un corrélé à la concentration d’exposition et l’autre à un niveau de dommages) est développé. Les ajustements suggèrent l’implication d’un second mode d’action (une augmentation des coûts de croissance et de maturation) pour expliquer les effets immédiats de l’uranium sur la nutrition et les conséquences des dommages accumulés au fil des générations.This PhD work explored how depleted uranium alters DNA and affects life history traits (survival, growth and reproduction) of an aquatic invertebrate, Daphnia magna. An experimental study is performed to evaluate DNA accumulation and transmission during an uranium exposure over two successive generations (F0 and F1). Different exposures scenarios are achieved to test the specific sensitivity of several life stages to uranium. Genotoxic effects are estimated using random amplified DNA technique combined with PCR. In continuous and post-hatching exposure scenarios, results highlighted an accumulation and a transmission of DNA damage across generations with an increase in effect severity. DNA alterations are reported at hatching of F1 at 2 µg L-1. Effects on growth and reproduction are stronger when the embryo stage is exposed and remain visible at 9.9 µg L-1 despite a return in a clean medium at hatching. Results suggest that DNA damage could be used as early indicators of future effects on life history traits. A mechanistic analysis of experimental results is conducted using a DEBtox model to better understand the causes of the increase in effect severity across generations. A model with two stress factors (one correlated to external concentration and another correlated to a damage level) is developed. Results of fits suggest the involvement of one second mode of action (increase in costs for growth and maturation) to explain immediate effects of uranium on nutrition and consequences of cumulated damage across generations

Etude transgénérationelle des altérations de l'ADN et de leurs conséquences sur les traits d'histoire de vie et le budget énergétique de Daphnia magna exposé à l'uranium appauvri.

This PhD work explored how depleted uranium alters DNA and affects life history traits (survival, growth and reproduction) of an aquatic invertebrate, Daphnia magna. An experimental study is performed to evaluate DNA accumulation and transmission during an uranium exposure over two successive generations (F0 and F1). Different exposures scenarios are achieved to test the specific sensitivity of several life stages to uranium. Genotoxic effects are estimated using random amplified DNA technique combined with PCR. In continuous and post-hatching exposure scenarios, results highlighted an accumulation and a transmission of DNA damage across generations with an increase in effect severity. DNA alterations are reported at hatching of F1 at 2 µg L-1. Effects on growth and reproduction are stronger when the embryo stage is exposed and remain visible at 9.9 µg L-1 despite a return in a clean medium at hatching. Results suggest that DNA damage could be used as early indicators of future effects on life history traits. A mechanistic analysis of experimental results is conducted using a DEBtox model to better understand the causes of the increase in effect severity across generations. A model with two stress factors (one correlated to external concentration and another correlated to a damage level) is developed. Results of fits suggest the involvement of one second mode of action (increase in costs for growth and maturation) to explain immediate effects of uranium on nutrition and consequences of cumulated damage across generations.Ce travail a pour objectif d’explorer les altérations de l’ADN et leurs conséquences potentielles pour les traits d’histoire de vie (survie, croissance et reproduction) d’un invertébré aquatique, Daphnia magna exposé à l’uranium appauvri. La démarche expérimentale vise à évaluer l’accumulation et la transmission des altérations de l’ADN suite à une exposition sur deux générations successives (F0 et F1). Différents scénarios d’exposition mis en place pour tester la sensibilité spécifique de divers stades de vie. Lors d’expositions continue et post-éclosion, les résultats mettent en évidence une accumulation et une transmission des dommages à l’ADN au fil des générations en parallèle de la sévérité des effets. Les altérations de l’ADN sont reportées dès l’éclosion de F1 dès 2 µg.L 1. Les effets sur la croissance et la reproduction sont plus sévères lorsque le stade embryonnaire est exposé et restent visibles dès 9,9 µg.L-1 malgré un retour en milieu non contaminé à l’éclosion. Les résultats suggèrent que les dommages à l’ADN pourraient être des indicateurs précoces de futurs effets sur les traits d’histoire de vie. Une analyse mécanistique des résultats expérimentaux est conduite à l’aide du modèle DEBtox afin de mieux cerner les causes de l’aggravation des effets au cours des générations. Un modèle à deux facteurs de stress (l’un corrélé à la concentration d’exposition et l’autre à un niveau de dommages) est développé. Les ajustements suggèrent l’implication d’un second mode d’action (une augmentation des coûts de croissance et de maturation) pour expliquer les effets immédiats de l’uranium sur la nutrition et les conséquences des dommages accumulés au fil des générations

A toxicokinetic–toxicodynamic model with a transgenerational damage to explain toxicity changes over generations (in Daphnia magna exposed to depleted uranium)

International audienceWe used a toxicokinetic–toxicodynamic (TKTD) model to analyze chronic effects, in Daphnia magna exposed to waterborne depleted uranium (DU) for two or three successive generations (F0, F1 and F2). Our aim was to understand how DU toxicity for growth and reproduction increased across generations. For the first time in a TKTD model, we introduced a novel transgenerational damage compartment, whose level was transmitted from parents to progeny upon egg deposition. Various exposure regimes took account of differences in exposure among generations. We used a simplified dynamic energy budget applied to toxicology (DEBtox) including two independent physiological modes of action (pMoA). The first pMoA, a reduction in assimilation linked to internal concentration, was previously confirmed by complementary analyses (direct measurements of carbon assimilation, histological observations of gut epithelium alterations). The second pMoA, an increase in costs for growth and maturation linked to transgenerational damage, was the most likely among three possible pMoA affecting both growth and reproduction. Modelling results showed that internal concentration and transgenerational damage followed strongly different kinetics across generations, suggesting that the two pMoA played very contrasting roles in long-term DU toxicity for D. magna. Internal concentration only increased between generations F0 and F1, showing no further difference between generations F1 and F2. Our model was able to correctly describe and predict DU toxicity data, in all tested generations and concentrations, and provided a mechanistic explanation for the increase in DU toxicity across generations

Comparative analysis of the sensitivity of metagenomic sequencing and PCR to detect a biowarfare simulant (Bacillus atrophaeus) in soil samples.

To evaluate the sensitivity of high-throughput DNA sequencing for monitoring biowarfare agents in the environment, we analysed soil samples inoculated with different amounts of Bacillus atrophaeus, a surrogate organism for Bacillus anthracis. The soil samples considered were a poorly carbonated soil of the silty sand class, and a highly carbonated soil of the silt class. Control soil samples and soil samples inoculated with 10, 103, or 105 cfu were processed for DNA extraction. About 1% of the DNA extracts was analysed through the sequencing of more than 108 reads. Similar amounts of extracts were also studied for Bacillus atrophaeus DNA content by real-time PCR. We demonstrate that, for both soils, high-throughput sequencing is at least equally sensitive than real-time PCR to detect Bacillus atrophaeus DNA. We conclude that metagenomics allows the detection of less than 10 ppm of DNA from a biowarfare simulant in complex environmental samples

Sensitivity of the TaqMan real-time PCR assay.

<p>Serial dilutions of a <i>Bacillus atrophaeus</i> genomic DNA extract were analysed in triplicates. The amount of DNA introduced in the assay ranged between 9 and 19,683 genome copies.</p

GEPPA soil texture triangle diagram.

<p>Grain size distribution data are plotted for raw and decarbonated soil A and soil B samples. Inserts show pictures of soils A and B.</p

Metagenome data for control soils.

<p>(A) Proportion of DNA for Bacteria, Eukaryota, Archaea, and viruses detected in a random subset of 10⁶ reads from each soil sample. Only DNA reads that display an E-value lower than 0.01 for BLAST alignment to the <i>nt/nr</i> database were considered. This corresponds to 19.0 and 23.7% of all reads for soils A and B, respectively. In soil A, Bacteria, Eukaryota, Archaea, and viruses correspond to 91.2%, 7.6%, 1.1% and 0.1% of assigned reads. In soil B, Bacteria, Eukaryota, Archaea, and viruses correspond to 92.3%, 6.4%, 1.2% and 0.1% of assigned reads. (B) Organism classes detected through a minimum of 1,000 DNA reads in at least one soil sample.</p

Grain size distribution and parameters for soil A and soil B.

<p>Grain size distribution and parameters for soil A and soil B.</p