Effects of increasing allostatic load in stress physiology of Sea bass (Dicentrarchus labrax L.) and Sea bream (Sparus aurata L.)

Abstract

Throughout their existence on Earth, fish survived many great catastrophes but never went extinct, becoming an example among vertebrates of adaptation and evolution and becoming widely used on scientific studies concerning physiology of adaptation to stressful conditions. Also, the development of aquaculture raised the concern the welfare of the farmed fish. Sea bass (Dicentrarchus labrax L.) and Sea bream (Sparus aurata L.) are two of the most popular fish in Mediterranean aquaculture and were the species studied. The objective of this study was to evaluate the main parameters of the Hypothalamic-pituitary-interrenal (HPI) axis of Sea bass and Sea bream upon increasing allostatic and its capacity to deal with a following acute stress. For it, plasma and brain were sampled. In Sea bass, plasma cortisol levels increased with increasing stress load, whereas the capacity of response to the additional stressor decreases. In parallel, a shift in the ratio between the expression of glucocorticoid receptor and mineralocorticoid receptor (gr/mr) in the POA was found, suggesting a breakdown of the HPI axis. However, plasma osmoregulation did not alter. The resilience of Sea bass to high cortisol levels suggested the existence of a yet unknown binding protein with affinity for cortisol. On the other hand, Sea bream showed a difference capacity that in response to an additional stress on after a high stress load. Contrarily to Sea bass, a shift on gr/mr did not occur. Remarkably, an opposite variation of corticotrophin-releasing factor (crf) and corticotrophin-releasing factor binding protein (crf-bp) expression with the increasing allostatic load in telencephalon and POA appeared to be an advantage for HPI axis to cope a future stress. Due to the affinity of CRF-BP for CRF it is able to regulate the HPI axis, suggesting the POA as the main site for starting cortisol synthesis and telencephalon to prevent a negative feedback regulation of the HPI axis. Additionally, an experiment was made to access the capacity of Sea bass and Sea bream to predict a stress after a light signal after experienced that event on the day before. Sea bass interpreted the light signal as a stressor itself and change its behaviour rapidly. Sea bream showed an increased crf-bp expression after a light signal-only on the second day, confirming CRF-BP as a key regulatory protein in response to stress, controlled by a machinery yet unknown. These results show a primarily capacity of Sea bream to predict the stress for its previous experience. A good understanding of stress physiology of Sea bass and Sea bream is essential for a just evaluation of welfare and production.

Ao longo da sua existência na Terra, os peixes superaram várias catástrofes naturais nunca se extinguindo, tornando-se num exemplo de adaptação e evolução entre os vertebrados, sendo amplamente utilizados em estudos científicos sobre a adaptação a condições de stresse. Todavia, o desenvolvimento da aquacultura tem gerado preocupação com o bem-estar dos peixes de viveiro. O robalo (Dicentrarchus labrax L.) e a dourada (Sparus aurata L.) são dois dos peixes mais populares em aquacultura e foram as espécies estudadas. O objetivo deste foi avaliar parâmetros-chave do eixo hipotálamo-pituitária-interrenal (HPI) do robalo e da dourada após um aumento da intensidade de stresse e a sua capacidade de lidar com um stress adicional. Plasma e cérebro de cada peixe foram analisados. No robalo, os níveis de cortisol aumentaram com o aumento da intensidade do stress, enquanto que a capacidade de resposta ao stress adicional diminuiu. Paralelamente, o rácio de expressão entre recetores de glucocorticóides e recetores de mineralocorticóides (gr/mr) na área préóptica aumentou, sugerindo uma disfunção do eixo HPI. No entanto a osmorregulação plasmática não se alterou. A flexibilidade do robalo aos altos níveis de cortisol sugeriu a hipótese de existência de uma proteína de ligação ainda desconhecida. Por outro lado, na dourada, os resultados demonstraram uma diferente capacidade de resposta ao stress adicional. Ao contrário do robalo, uma mudança do rácio gr/mr não se verificou. Foi observada uma variação oposta da expressão do factor de libertação de corticotrofina (crf) e proteína de ligação de factor de libertação de corticotrofina (crfbp), com o aumento da intensidade do stress, no telencéfalo e na área pré-óptica, aparentando ser uma vantagem para lidar hipotético stresse adicional. Assim, a área pré-óptica aparenta ser o principal local de início da síntese de cortisol, enquanto que o telencéfalo impede a regulação por feedback negativo do eixo HPI. Também foi realizada outra experiência para observar a capacidade as duas espécies em prever um stress após um sinal, depôs de ter experienciado esse evento no dia anterior. O robalo interpretou o próprio sinal de luz como stresse, mudando visivelmente o seu comportamento. Na dourada verificou-se um aumento da expressão do crf-bp após o sinal de luz no segundo dia, confirmando o CRF-BP como uma proteína chave na regulação da resposta ao stresse, controlado por um mecanismo ainda desconhecido. Estes resultados mostram a capacidade da dourada para prever a situação de stresse.