Published November 27, 2013 | Version v1
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Mechanistic modeling analysis of micro-evolutive responses from a Caenorhabditis elegans population exposed to a radioactive metallic stress

Description

The evolution of toxic effects at a relevant scale is an important challenge for the ecosystem protection. Indeed, pollutants may impact populations over long-term and represent a new evolutionary force which can be adding itself to the natural selection forces. Thereby, it is necessary to acquire knowledge on the phenotypics and genetics changes that may appear in populations submitted to stress over several generations. Usually statistical analyses are performed to analyse such multi-generational studies. The use of a mechanistic mathematical model may provide a way to fully understand the impact of pollutants on the populations' dynamics. Such kind of model allows the integration of biological and toxic processes into the analysis of eco-toxicological data and the assessment of interactions between these processes. The aim of this Ph.D. project was to assess the contributions of the mechanistic modelling to the analysis of evolutionary experiment assessing long-term exposure. To do so, a three step strategy has been developed. Foremost, a multi-generational study was performed to assess the evolution of two populations of the ubiquitous nematode Caenorhabditis elegans in control conditions or exposed to 1.1 mM of uranium. Several generations were selected to assess growth, reproduction, and dose-responses relationships, through exposure to a range of concentrations (from 0 to 1.2 mM U) with all endpoints measured daily. A first statistical analysis was then performed. In a second step, a bio-energetic model adapted to the assessment of eco-toxicological data (DEBtox) was developed on C. elegans. Its numerical behaviour was analysed. Finally, this model was applied to all the selected generations in order to infer parameters values for the two populations and to assess their evolutions. Results highlighted an impact of the uranium starting from 0.4 mM U on both C. elegans' growth and reproduction. Results from the mechanistic analysis indicate this effect is due to an impact on the assimilation of energy from food. Both the mechanistic and the classic approaches highlighted individuals' adaptation to environmental conditions. Despite this, differential evolutions of the individuals from the uranium-selected population were also highlighted. All these results were more in-depth described by the mechanistic analysis. Overall, this work contributes to our knowledge on the effects of pollutants on population dynamics, and demonstrates the contributions of mechanistic modelling which can be applied in other contexts to achieve in fine a better assessment of environmental risks of pollutants. (author)

Abstract (French)

L'evaluation des effets toxiques a des echelles pertinentes est un challenge important pour la protection des ecosystemes. En effet, les polluants peuvent impacter les populations sur le long terme et representer une nouvelle force evolutive qui peut s'ajouter aux autres forces de selection. Il est par consequent necessaire d'acquerir des connaissances sur les changements phenotypiques et genetiques apparaissant dans une population exposee a un stress durant plusieurs generations. En general les etudes multi-generations sont analysees a partir d'approches purement statistiques. La modelisation mecanistique a le potentiel de comprendre pleinement les effets des polluants sur la dynamique des populations. Ce type de modele permet d'integrer des processus biologiques et toxiques a l'analyse de donnees d'ecotoxicologie et d'etudier les interactions entre ces processus. L'objectif de ce doctorat etait d'etudier les apports de la modelisation mecanistique, par rapport a une analyse statistique classique, dans l'analyse de donnees d'evolution experimentale suite a l'exposition sur le long terme a un contaminant. Pour ce faire, une strategie en trois temps a ete menee. Tout d'abord, une experience multigenerationnelle a ete realisee sur deux populations de C. elegans (controle et exposee a 1,1 mM U) derivees d'une population ancestrale presentant une forte diversite genetique. Toutes les trois generations, des individus ont ete extraits des populations et soumis a une gamme de concentrations en uranium (de 0 a 1,2 mM U). Une premiere analyse statistique classique a alors ete menee. Dans un second temps, un modele bioenergetique adapte a l'analyse de donnees d'ecotoxicologie (DEBtox) a ete mis au point pour C. elegans et son comportement numerique a ete analyse. Enfin, ce modele a ete applique a l'ensemble des generations etudiees afin d'inferer les valeurs des parametres pour les deux populations et d'etudier leur evolution. Les resultats obtenus ont mis en evidence un impact de l'uranium a la fois sur la croissance et la reproduction de C. elegans a partir de 0,4 mM U. Les resultats de l'analyse mecanistique indiquent que cet effet est la resultante d'un impact sur l'assimilation d'energie depuis la nourriture. Les deux approches, tant mecanistique que classique, ont mis en evidence une adaptation des individus des deux populations aux conditions experimentales. Malgre cela, les analyses ont egalement mis en evidence une evolution differentielle des individus de la population soumise a l'uranium par rapport a ceux de la population temoin. Ces resultats ont ete plus finement decrits par l'analyse mecanistique. Globalement, ce travail contribue a accroitre nos connaissances sur les effets des polluants sur la dynamique des populations, et demontre les apports de la modelisation mecanistisque qui pourra etre appliquee dans d'autres contextes afin de realiser in fine une meilleure evaluation des risques ecologiques des polluants. (auteur)

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Original title (French)
Analyse par modelisation mecanistique des reponses microevolutives d'une population de Caenorhabditis elegans exposee a un stress metallique radioactif

Publishing Information

Imprint Pagination
225 p.
Report number
FRNC-TH--8931

Optional Information

Notes
341 refs.; Available online at: https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-01012072; also available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/