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Exposition aux herbicides et fertilité femelle chez les oiseaux : effets et mécanismes, réversibilité et stratégies pour limiter les effets néfastes

ABG-98276 Sujet de Thèse
18/05/2021 Contrat doctoral
INRAE Nouzilly
Nouzilly - Centre Val de Loire - France
Exposition aux herbicides et fertilité femelle chez les oiseaux : effets et mécanismes, réversibilité et stratégies pour limiter les effets néfastes
  • Biologie
herbicides, pertubateurs endocriniens, fertilité femelle, oiseaux

Description du sujet

Résumé :

 

En 30 ans, à peu près un tiers des oiseaux des milieux agricoles ont aujourd’hui disparu. Les pesticides pourraient contribuer en partie à ces effets. Chez les mammifères, plusieurs études suggèrent que l'exposition de pesticides à base de glyphosate (PBG) pourrait : -interférer avec les activités hormonales due à ses activités oestrogéniques, -affecter le développement du cerveau, le comportement, le microbiote et la physiologie des vertébrés. Cependant, peu d’études ont été réalisées sur l’impact des PBG ou du glyphosate seul sur les performances de production et la fertilité chez les oiseaux. Chez la poule reproductrice, nos résultats préliminaires montrent qu’une exposition alimentaire au pic de ponte pendant 6 semaines à une dose de 20 mg d’équivalent glyphosate/kg poids/j n’affecte pas le nombre d’œufs mais diminue la fertilité et augmente très fortement la mortalité embryonnaire précoce associée à un stress oxydatif important dans le jaune d’œuf. D’autre part, l’arrêt de cette exposition restaure le développement embryonnaire mais les descendants présentent un très fort taux d’engraissement. Les objectifs la thèse sont d’étudier chez les oiseaux les effets et les mécanismes moléculaires associés in vivo (exposition alimentaire maternelle et suivi du métabolisme, de la fertilité et de la qualité des descendants), in vitro (cellules ovariennes et suivi de la proliferation et de la stéroïdogenèse) et in ovo (injection et suivi du développement embryonnaire) d’une exposition à des herbicides à base de glyphosate et au glyphosate seul. Enfin nous analyserons si une supplémentation en antioxydants pourrait réduire ou abolir les effets néfastes de ces pesticides en utilisant ces trois approches in vivo, in vitro et in ovo.

 

5. Thématique, Domaine, Objectifs, Contexte, Méthodes, Résultats attendus et Références bibliographiques

 

Thématique et domaine:

La thèse se déroulera dans le champ thématique de la physiologie animale, en lien avec les effets des polluants environnementaux.

 

Objectifs:

Les objectifs la thèse sont d’étudier chez les oiseaux les effets et les mécanismes moléculaires associés in vivo (exposition alimentaire maternelle et suivi du métabolisme, de la fertilité et de la qualité des descendants), in vitro (cellules ovariennes et suivi de la proliferation et de la stéroïdogenèse) et in ovo (injection et suivi du développement embryonnaire) d’une exposition à des herbicides à base de glyphosate et au glyphosate seul. Enfin nous analyserons si une supplémentation en antioxydants pourrait réduire ou abolir les effets néfastes de ces pesticides.

 

Contexte: 

En 30 ans, à peu près un tiers des oiseaux des milieux agricoles ont aujourd’hui disparu. Plusieurs raisons peuvent expliquer cette disparition (effets du changement climatique, conséquences des activités humaines sur l'environnement avec en particulier les effets des pesticides). En effet, par exemple plusieurs résidus de pesticides ont été retrouvés dans les œufs de perdrix grises (Etude PEGASE, Bro et al., 2015, 2017). Selon l’agence française pour la biodiversité répertoriant les achats de pesticides, durant l’année 2017, la région Centre-Val de Loire se situe en 5ème position en quantité d’achats et le glyphosate demeure le pesticide le plus utilisé avec plus de 800 tonnes achetées. Chez les mammifères, plusieurs études suggèrent que l'exposition de pesticides à base de glyphosate (PBG) pourrait : -interférer avec les activités hormonales due à ses activités oestrogéniques (Gasnier et al., 2009), -affecter le développement du cerveau (Dechartres et al., 2019), le microbiote (Krause  et al., 2020), le comportement et la physiologie des vertébrés (Zhang et al., 2018).  D’autre part, une exposition au glyphosate-Roundup in utero ou pendant l’allaitement chez la rate conduit à une diminution de la capacité à se reproductive pour les mères et la génération future (Milesi  et al., 2018). Cependant, peu d’études ont été réalisées sur l’impact des PBG ou du glyphosate seul sur les performances de production et la fertilité chez les oiseaux. Seule une récente étude chez la caille montre qu’une exposition alimentaire chronique (160 mg équivalent glyphosate/kg d’aliment correspondant à 12-20 mg glyphosate/kg de poids corporel/jour) de 10j à 52 semaines d’âge affecte le microbiote et diminue les concentrations de testostérone chez les mâles (Ruuskanen et al., 2020). Cette dose qui est 5 fois plus faible que les données de l’EFSA reportant une dose sans effet délétère (NOEL) chez la volaille jusqu’à 100 mg glyphosate/kg poids corporel/jour. Chez la poule reproductrice, nos résultats préliminaires montrent qu’une exposition alimentaire au pic de ponte pendant 6 semaines à une dose de 20 mg d’équivalent glyphosate/kg poids/j n’affecte pas le nombre d’œufs mais diminue la fertilité et augmente très fortement la mortalité embryonnaire précoce associée à un stress oxydatif important dans le jaune d’œuf. D’autre part, l’arrêt de cette exposition restaure le développement embryonnaire mais les descendants présentent un très fort taux d’engraissement. Ainsi, les enjeux de la thèse seront de mieux appréhender les effets des pesticides à base de glyphosate sur la fertilité chez les oiseaux qui ont des conséquences importantes sur la faune sauvage mais aussi sur les animaux de rente (en terme d’effet sur la descendance mais aussi qualité des produits de consommation).

 

 

Méthodes et programme de travail:

Dans un premier temps (M (mois)1-6), nous analyserons les données du protocole in vivo actuellement en cours portant sur l’effet d’une exposition au Round up chez la poule reproductrice au pic de ponte pendant 6 semaines à une dose de 20 mg d’équivalent glyphosate/kg poids/j (une dose 5 fois plus faibles que celle pouvant entrainer des effets délétères selon l’Efsa) puis après arrêt de l’exposition pendant 6 autres semaines. Les données sur le nombre et la qualité des œufs, la fertilité, les mortalités embryonnaires précoces et tardives, le développement embryonnaire par imagerie (CT-Scan et IRM), les concentrations de glyphosate et de son métabolite l’AMPA dans le plasma, les œufs, et différents tissus sera analysée. Ces analyses seront complétées par une étude moléculaire par RTqPCR et Western-blot de plusieurs marqueurs tissulaires (stress oxydatif, prolifération cellulaire, apoptose, métabolisme lipidique…) afin de rédiger un 1er article.  A partir de ces données, une modélisation mathématique de la cinétique de l’accumulation du glyphosate/AMPA dans l’œuf et les tissus sera menée en collaboration avec l’ANSES et permettra de prédire les niveaux d’accumulation ou de disparition du glyphosate à partir de la dose ingérée. Dans un 2ème temps (M6-M12) afin de comprendre les effets sur la fertilité, des cultures in vitro de cellules ovariennes (cellules de la granulosa de poule) seront réalisées afin d’analyser les effets du Round up et du glyphosate seuls combinés ou non à des antioxydants sur la prolifération et la stéroidogenèse.  En effet, chez les mammifères, il a été largement démontré que le stress oxydatif était important dans les tissus, qui ont été exposés au glyphosate (Turkmen et al.2019). Nous avons confirmé ces effets dans le jaune d’œuf, le plasma sanguin et les tissus des poules exposées au Round up par voie alimentaire lors de nos études préliminaires. D’autre part, au cours de la thèse d’A. Barbe, nous avons montré qu’une supplémentation alimentaire en extraits de pépin de raisin (riche en antioxydants) réduisait très fortement le stress oxydatif dans les tissus chez l’adulte et chez les descendants (Barbe et al., 2020).  Dans un 3ème temps (M12-M18), afin de comprendre les effets sur le développement embryonnaire, des injections in ovo avec des doses croissantes de Round up ou de glyphosate combinées ou non à des antioxydants seront effectuées et les mortalités embryonnaires seront étudiées. Enfin, dans un 4ème temps (M19-M32), les effets d’un supplémentation alimentaire en antioxydants in vivo chez des poules exposées au Round up seront analysés sur les paramètres de fertilité et de métabolisme.

 

Résultats attendus:

 

Quatre publications peuvent être au minimum envisagées.

 

1-sur les effets in vivo d’une exposition au Round up chez la poule (la plupart des données sont déjà collectées)

2-sur les effets du Round up et du glyphosate seuls combinés ou non à des antioxydants in vitro sur les cellules ovariennes de poule

3- sur les effets des injections in ovo avec des doses croissantes de Round up ou de glyphosate combinées ou non à des antioxydants

4-sur l les effets d’un supplémentation alimentaire en antioxydants in vivo chez des poules exposées au Round up.

Parallèlement à ces travaux, l’étudiant(e) sera associé(e) à une ou deux revues bibliographiques.

D’autre part ces études permettront de valider le modèle de l’œuf (injections in ovo) pour étudier l’impact des pesticides (voir des perturbateurs endocriniens) sur le développement embryonnaire et de prédire des effets délétères à plus long terme.

 

            Références Bibliographiques:

 

 

-Barbe A, Mellouk N, Ramé C, Grandhaye J, Staub C, Venturi E, Cirot M, Petit A, Anger K, Chahnamian M, Ganier P, Callut O, Cailleau-Audouin E, Metayer-Coustard S, Riva A, Froment P, Dupont J. A grape seed extract maternal dietary supplementation in reproductive hens reduces oxidative stress associated to modulation of plasma and tissue adipokines expression and improves viability of offsprings. PLoS One. 2020 Apr 13;15(4):e0231131.

 

-Bro, E., Millot, F., Delorme, R., Polvé, C., Mangin, E., Godard, A., Tardif, F.,Gouache, C., Sion, I., Brault, X., Durlin, D., Gest, D., Moret, T. & Tabourel, R.2013. PeGASE, bilan synthétique d’une étude perdrix grise « popula-tion-environnement ». Faune sauvage n° 298 : 17-48.

 

-Bro, E., Millot, F., Decors, A. & Devillers, J. 2015. Quantification of potential exposure of grey partridge (Perdix perdix) to pesticide active substances in farmlands. Science of Total Environment 521-522: 315-325.

 

- Dechartres J, Pawluski JL, Gueguen MM, Jablaoui A, Maguin E, Rhimi M, Charlier TD. Glyphosate and glyphosate-based herbicide exposure during the peripartum period affects maternal brain plasticity, maternal behaviour and microbiome.  J Neuroendocrinol. 2019 Sep;31(9):e12731.

 

-Gasnier, C., Dumont, C., Benachour, N., Clair, E., Chagnon, MC., Seralini, GE. 2009. Glyphosate-based herbicides are toxic and endocrine disruptors in human cell lines. Toxicology, 21;262(3):184-91.

 

 

- Krause JL, Haange SB, Schäpe SS, Engelmann B, Rolle-Kampczyk U, Fritz-Wallace K, Wang Z, Jehmlich N, Türkowsky D, Schubert K, Pöppe J, Bote K, Rösler U, Herberth G, von Bergen M. The glyphosate formulation Roundup® LB plus influences the global metabolome of pig gut microbiota in vitro. Sci Total Environ. 2020 Nov 25;745:140932.

 

- Milesi MM, Lorenz V, Pacini G, Repetti MR, Demonte LD, Varayoud J, Luque EH. Perinatal exposure to a glyphosate-based herbicide impairs female reproductive outcomes and induces second-generation adverse effects in Wistar rats. Arch Toxicol. 2018 Aug;92(8):2629-2643.

 

-Ruuskanen S, Rainio MJ, Gómez-Gallego C, Selenius O, Salminen S, Collado MC, Saikkonen K, Saloniemi I, Helander M. Glyphosate-based herbicides influence antioxidants, reproductive hormones and gut microbiome but not reproduction: A long-term experiment in an avian model. Environ Pollut. 2020 Nov;266(Pt 1):115108.

 

-Turkmen  R, Birdane YO, Demirel  HH, Kabu  M, Ince S. Protective effects of resveratrol on biomarkers of oxidative stress, biochemical and histopathological changes induced by sub-chronic oral glyphosate-based herbicide in rats. 2019 Toxicol Res (Camb) Jan 7;8(2):238-245.

 

-Zhang S, Xu J, Kuang  X, Li  S,  Li X, Chen D, Zhao X, Feng X. Biological impacts of glyphosate on morphology, embryo biomechanics and larval behavior in zebrafish (Danio rerio). 2017. Chemosphere Aug;181:270-280.

 

 

6. Title, key words and abstract in english:

 

Title : Exposure to glyphosate-based herbicides (GBH) and female fertility in birds: effects and mechanisms, reversibility and strategies to limit adverse effects?

 

Abstract : In 30 years, about a third of birds in agricultural areas have now disappeared. Pesticides may contribute in part to these effects. In mammals, several studies suggest that exposure to glyphosate-based pesticides (GBH) could: - interfere with hormonal activities due to its estrogenic activities, - affect brain development, behavior, microbiota and physiology of vertebrates. However, few studies have been done on the impact of GBHs or glyphosate alone on production performance and fertility in birds. In the breeding hen, our preliminary results include that dietary exposure at peak lay for 6 weeks at a dose of 20 mg glyphosate equivalent / kg body weight / d does not affect the number of eggs but decreases fertility. and greatly increases early embryonic mortality associated with significant oxidative stress in egg yolk. On the other hand, stopping this exposure restores embryonic development but the offspring show a very high fattening rate. The objectives of the thesis are to study the effects and associated molecular mechanisms in birds in vivo (maternal dietary exposure and monitoring of metabolism, fertility and quality of offspring), in vitro (ovarian cells and monitoring of proliferation and steroidogenesis) and in ovo (injection and monitoring of embryonic development) from exposure to glyphosate-based herbicides and glyphosate alone. Finally, we analyze whether an antioxidant supplementation could reduce or abolish the harmful effects of these pesticides using these three approaches in vivo, in vitro and in ovo.

 

 

 

Key words : glyphosate, hen, embryonic development, fertility

Prise de fonction :

01/10/2021

Nature du financement

Contrat doctoral

Précisions sur le financement

Présentation établissement et labo d'accueil

INRAE Nouzilly

https://www6.val-de-loire.inrae.fr/physiologie_reproduction_comportements

Intitulé du doctorat

Doctorat en Biologie

Pays d'obtention du doctorat

France

Ecole doctorale

Profil du candidat

Avoir des connaissances en Physiologie de la Reproduction

Vouloir apprendre et être motivé(e)

05/06/2021
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