Onderzoeksproject P7/31 (Onderzoeksactie P7)
Aquatische organismen ondervinden stress wanneer een externe stressor ze in een fysiologische toestand brengt die afwijkt van de optimale. Enkele stressfactoren die van belang zijn voor aquatische organismen zijn temperatuursveranderingen, suboptimale voeding, toxicanten en infectie. Tijdens de laatste tientallen jaren heeft men kennis vergaard op alle niveaus van biologische organisatie (moleculair tot gemeenschapsniveau) over biologische en ecologische responsen ten opzichte van elk van deze stressfactoren. De focus op enkelvoudige stressoren contrasteert echter sterk met de werkelijkheid, waar het tegelijkertijd inwerken van verschillende stressoren op de aquatische biota eerder regel dan uitzondering is. Helaas is de huidige kennis met betrekking tot de effecten van meerdere stressoren nog te fragmentarisch om een robuuste wetenschappelijke basis te vormen en bovendien heeft men tot nu toe te veel nadruk gelegd op gemakkelijk observeerbare effecten op het niveau van het organisme. Er is een gebrek aan degelijke kennis over de effecten van meervoudige stress op zowel lagere niveaus (moleculaire, cellulaire, immunologische en fysiologische mechanismen) als hogere niveaus van biologische organisatie (populatie, gemeenschap, ecosysteem). De wetenschappelijke hoofddoelstelling van dit onderzoeksvoorstel is dan ook om meervoudige stress in aquatische systemen te bestuderen op verschillende niveaus van biologische organisatie en om na te gaan in hoeverre de effecten van meervoudige stress die voorkomen op hogere niveaus van organisatie kunnen voorspeld en/of verklaard worden op basis van effecten die geobserveerd worden op lagere niveaus.
Twee onderzoeksdisciplines waarin de invloed van stress op aquatische biota een kritische rol spelen zijn aquacultuur (de duurzame productie van aquatisch voedsel dat veilig is voor humane consumptie) en ecotoxicologie (het onderzoek naar de effecten van toxicanten op verschillende levensvormen, en dan vooral op het niveau van populaties, gemeenschappen en ecosystemen). Traditioneel hebben beide disciplines zich naast elkaar ontwikkeld en hebben ze daarbij verschillende benaderingen en methodes toegepast. Wij zijn overtuigd van de innovatieve voordelen voor beide disciplines van een nauwere interactie, met het van elkaar overnemen en/of samen met elkaar ontwikkelen van onderzoeksinstrumenten, zoals het gebruik van gnotobiotische kweektechnieken voor een aantal geselecteerde species (momenteel gebruikt in aquacultuur onderzoek om microbiële interferentie te vermijden), het werken met dezelfde species en het toepassen van dezelfde gestandaardiseerde en inter-gecalibreerde analyses. Dit onderzoeksvoorstel heeft tot doel complementaire expertise van toonaangevende onderzoeksgroepen uit de aquacultuur (P1, P5, P6, INT2) en de ecotoxicologie (P2, P3, P4, P5, P6 and INT1) te integreren (vooral met betrekking tot onderzoeksmethodes en wetenschappelijke benaderingen). Interacties met en tussen beide disciplines zullen verzekerd worden door het inplannen van gemeenschappelijke doctoraatsstudies tussen de verschillende deelnemende laboratoria.
Het probleem van meervoudige stressoren staat momenteel hoog op de agenda voor beide disciplines omdat het een belangrijke invloed heeft op hun wetenschappelijke basis en op hun mogelijkheden om hun maatschappelijke doelstellingen te verwezenlijken. Dit is voornamelijk te wijten aan het feit dat het gecombineerd effect van meerdere stressoren vaak niet gewoon additief is. Het zijn precies deze (momenteel onvoorspelbare) interacties die de besluitvorming in situaties waarbij meervoudige stressoren betrokken zijn, zullen bemoeilijken, en dat zowel voor de aquacultuur als de ecotoxicologie. Aangezien het onmogelijk is om alle mogelijke combinaties van alle mogelijke stressoren te onderzoeken, zullen we in dit voorstel onze aandacht richten op vier binaire combinaties van vier stressoren die zeer relevant zijn voor aquatische systemen omdat ze een bepalende rol spelen voor de gezondheid en productiviteit van aquatische ecosystemen. Deze vier stressoren zijn nutritionele stress, chemische stress (toxicanten), temperatuurstress en infectie stress. Op basis van de kennis die in dit onderzoek vergaard zal worden, zullen we ook onderzoek opstarten naar combinaties van meer dan twee stressoren. De wetenschappelijke hoofddoelstelling van dit voorstel zal gerealiseerd worden door de belangrijkste objectieven binnen de verschillende work packages te verwezenlijken:
- WP1: De gecombineerde effecten van fosfor en metaalstress op primaire producenten bepalen en de mechanistische basis (moleculair en fysiologisch) van de geobserveerde interacties ontrafelen.
- WP2: De gecombineerde effecten van nutritionele kwaliteit (niet de kwantitieit) en metaalstress op zooplankton en de specifieke rol van geselecteerde nutritionele componenten bepalen.
- WP3: De gecombineerde effecten van nutriënten (oligotroof vs. eutroof) en metaalstress op zoetwater micro-algen en op de alg-zoöplankton dynamiek bepalen, en daarin de mogelijke rol van fosfor en metaalstress op primaire producenten en van de effecten van het doorstromen van nutritionele kwaliteit doorheen het voedselweb.
- WP4: De invloed van nutritionele kwaliteit, de lipidenstatus in weefsels en geselecteerde lipiden bepalen op de respons van viscellen, weefsels en individuele organismen op metaalstress.
- WP5: Het effect bepalen van een aantal geselecteerde (nutritionele) componenten op het immunologisch functioneren en op de reactie op infecties van aquatische vertebraten (vissen) en invertebraten (garnaalachtigen).
- WP6: De moleculaire en fysiologische pathways ontrafelen die betrokken zijn bij de reactie op gecombineerde temperatuurstress en metaalstress in een aantal relevante blootstellingsscenario’s (gelijktijdig en sequentieel; acuut en chronisch).
- WP7: Het belang nagaan van transgenerationele effecten van gecombineerde temperatuurstress en metaalstress en de mogelijke rol van epigenetische controlemechanismen daarin.
- WP8: De invloed van temperatuurstress op de gevoeligheid voor infectie nagaan, met inbegrip van mogelijke epigenetische effecten.
- WP9: De gecombineerde effecten bepalen van nutritionele stress (fosfor), temperatuurstress en metaalstress op de structuur en het functioneren van een pelagische zoetwatergemeenschap, gebruik makend van microcosm blootstellingen en ecosysteem modellen en onderzoeken of complexe interacties verklaard en/of voorspeld kunnen worden op basis van observaties op het niveau van het individueel organisme.
- WP10: De effecten van combinaties van meerdere stressoren bepalen op een genetisch volledig gekarakteriseerd modelorganisme (zebravis) in chronische blootstellings-scenario’s en het in kaart brengen en interpreteren van effecten geobserveerd op het niveau van het transcriptoom, proteoom en metaboloom om werkingsmechanismen bloot te leggen en functionele verbanden tussen effecten op moleculair en individueel niveau te verkennen.
Aangezien het onderzoeken van meervoudige stressoren een complex gegeven is, zowel in termen van experimentele methoden als van interpretaties is er nood aan uitstekende en goed gekende, betrouwbare en reproduceerbare modelsystemen en technologieën, zoals (i) het gebruik van modelorganismen waarvan het genoom volledig of bijna volledig in kaart gebracht is, (ii) het gebruik van geavanceerde omics technologieën om een aantal van onze specifieke onderzoeksdoelstellingen te verwezenlijken, (iii) het gebruik van axenische/gnotobiotische testsystemen (het uitschakelen van microbiële interferentie om de variabiliteit te reduceren). Experimentele organismen die geselecteerd werden op basis van de beschikbaarheid van gnotobiotische kweektechnieken en omics technologie en genoomsequentie zijn:
- voor zoetwater: de alg Chlamydomonas, de invertebraat Daphnia en de vertebraten zebravis (Danio rerio) en forel (Oncorhynchus mykiss)
- voor zeewater: de invertebraat Artemia en de vertebraat Europese zeebaars (Dicentrarchus labrax)
Het IAP AquaStress project zal gemanaged worden op twee organisatorische niveaus, netwerk en work package niveau:
- op driemaandelijkse basis zal de IAP coördinator de management commissie samenroepen, bestaande uit de IAP coördinator en de WP coördinatoren, met assistentie van een adviesraad, om de vooruitgang van het project na te gaan, om de interactie tussen WP te bevorderen en om strategische zaken te bespreken.
- elk work package zal uitgevoerd worden onder leiding van 1 (of 2) WP coördinator(en) die de wetenschappelijke activiteiten binnen het WP zullen opvolgen, eventueel bijgestaan door de gemeenschappelijke doctoraatsstudenten die toegewezen werden voor samenwerking tussen WP.
De IAP coördinator zal binnen het kader van het project volgende zaken organiseren:
- een speciale training over het ontwikkelen en gebruiken van gnotobiotische kweeksystemen voor alle doctoraatsstudenten en medewerkers die bij het project betrokken zullen zijn (georganiseerd door P1 in de zomer van 2012) .
- een jaarlijkse informatiedag om de verschillende technologieën te bespreken die beschikbaar zijn bij de verschillende partners of hun netwerken
- een jaarlijkse IAP workshop met vooruitgangsrapporten van alle WP coördinatoren
- een driemaandelijks doctoraatsstudenten-forum om wetenschappelijke en sociale interactie tussen de verschillende disciplines te stimuleren
- een intranet service om communicatie, uitwisseling van vakliteratuur en verslagen te vergemakkelijken
