Il cambiamento climatico in atto causerà nei prossimi decenni sia un complessivo aumento della temperatura (T) ambientale media, sia un aumento della frequenza delle fluttuazioni termiche acute. Tali variazioni avranno un impatto su tutti gli organismi viventi e particolarmente sensibili saranno gli organismi eterotermi, come i pesci teleostei, la cui T corporea dipende direttamente da quella ambientale. La piena comprensione degli effetti delle variazioni termiche acute è di rilevanza a tutti i livelli della vita animale, da quello cellulare a quello di popolazione.
Gli studi svolti finora nei pesci hanno evidenziato che gli effetti della T ambientale dipendono non solo dall'entità delle variazioni ma anche dalla loro scala temporale: la condizione di stress indotta da un'esposizione di breve durata all'aumento di T (acuta, ore/giorni) è seguita dall'adattamento e acclimatazione (cronica, settimane/mesi) alle nuove condizioni ambientali, sempre che lo stress sia compreso entro limiti fisiologici. Esposizioni acute e croniche inducono nelle cellule una differente modulazione dell'espressione genica.
Gli effetti dello stress termico acuto e i meccanismi cellulari che portano all'acclimatazione non sono stati ancora pienamente compresi. Il presente progetto si propone quindi di indagare gli effetti di stress termici acuti sul SNC di esemplari adulti di pesce zebra (Danio rerio, Dr) mediante analisi molecolari del proteoma espresso nell'encefalo a differenti T e test comportamentali atti a valutare il comportamento esplorativo e la memoria spaziale dei pesci sottoposti ai diversi regimi termici di 26°C (controlli), 18°C e 34°C per 4 giorni. Obiettivo del progetto è capire se lo stress termico acuto è in grado di modificare l'espressione proteica nel SNC, e se le eventuali variazioni possono essere associate con alterazioni comportamentali potenzialmente in grado di influenzare le capacità esplorative degli animali.
Il presente progetto, che si propone di indagare gli effetti dello stress indotto dalla variazione termica di breve periodo sul SNC di Danio rerio (Dr) mediante analisi proteomica e studi comportamentali, intende essere fortemente innovativo poiché applica ai pesci teleostei l'approccio multidisciplinare classicamente applicato a topi e ratti [34].
Importante background di questo progetto è costituito dalle competenze sviluppate, dalle informazioni ottenute e dal network di collaborazioni creato nell'ambito dei progetti FIRB 2012, Ateneo 2016 e 2017 in cui il nostro gruppo di ricerca si è dedicato allo studio dello stress ambientale in Dr. In tali studi abbiamo impiegato test comportamentali, analisi di espressione genica mediante Real-Time PCR e analisi proteomica dell'espressione proteica nell'encefalo dei soggetti sperimentali. I risultati ottenuti dimostrano le ampie potenzialità di tale approccio multidisciplinare. Le temperature sperimentali scelte (18°C e 34°C) sono temperature alle quali il Dr può essere esposto nell'ambiente naturale, già testate nell'ambito di studi precedenti [35], e corrispondono a variazioni di ±8°C rispetto alla T di 26°C, utilizzata come condizione di controllo. L'ambiente naturale del Dr è rappresentato, infatti, dai corsi d'acqua poco profondi collegati alle coltivazioni di riso, caratterizzati da fluttuazioni termiche giornaliere di ~ 5°C e stagionali molto ampie, da 6°C (inverno) a più di 38°C (estate) [23]. La letteratura indica che Dr ha un'ampia tolleranza termica nell'intervallo 6.7- 41.7°C [36, 37] pur preferendo temperature comprese tra 24 e 30°C, che sono le più adatte al suo sviluppo, alla crescita e alla riproduzione.
I dati finora ottenuti suggeriscono che l'adattamento per un periodo medio-lungo di 21 giorni agli estremi termici di 18 °C e di 34 °C induce una consistente variazione nell'espressione proteica a livello dell'encefalo rispetto alla condizione di controllo. L'analisi delle proteine differenzialmente espresse suggerisce che l'adattamento termico induce variazioni funzionali e strutturali delle cellule cerebrali che possono impattare sulle capacità cognitive dell'animale e i test comportamentali confermano un'effettiva alterazione di tali capacità evidenziando un indebolimento delle capacità esplorative dell'animale riconducibili ad un peggioramento della memoria spaziale (relazione del Progetto di Ateneo 2016).
Gli scenari predittivi indicano che, a causa del riscaldamento climatico in atto, nei prossimi decenni, i pesci euritermi e stenotermi dovranno affrontare un graduale aumento della T del loro habitat, insieme ad una maggiore frequenza di fluttuazioni termiche acute [38]. Ci si attende, quindi, che nel corso della propria vita, i pesci che vivono in corsi d'acqua poco profondi come Dr dovranno affrontare sempre più spesso lo stress termico indotto dalle rapide variazioni della T ambientale.
Sulla base dell'approccio metodologico sviluppato in precedenza dalla nostra unità di ricerca, il presente progetto si propone di proseguire gli studi analizzando gli effetti indotti dalla variazione termica di breve periodo (4 giorni) alle stesse T testate (34°C e 18°C), che corrispondono alle variazioni di ± 8°C a partire dalla T di controllo (26 °C). I risultati forniranno informazioni utili per identificare i principali eventi molecolari e cellulari coinvolti nella risposta allo stress termico acuto e le performance comportamentali (esplorazione ambientale e memoria spaziale) eventualmente influenzate. I risultati attesi, integrati con quelli già ottenuti nell'ambito del progetto di Ateneo 2016, produrranno un avanzamento importante delle conoscenze nell'ambito della neurobiologia e neuroecologia dello stress, termico attraverso una più approfondita conoscenza dei meccanismi di risposta fisiologica alle variazioni della T ambientale sia a livello cellulare che sistemico.
Tabella 2. Avanzamento delle conoscenze attese
1 Individuazione delle proteine differenzialmente espresse nell'encefalo di esemplari di Dr esposti per 4 gg alle temperature sperimentali (18°C, 34°C) e di controllo (26°C).
2 Individuazione dell'impatto dello stress termico acuto sulle modalità di esplorazione dell'ambiente, sulla manifestazione di interesse per il nuovo ambiente e sulla memoria spaziale di Dr.
3 Individuazione di possibili correlazioni tra le alterazioni dell'espressione proteica cerebrale indotte dallo stress termico acuto e le variazioni comportamentali osservate.
4 Confronto tra le proteine differenzialmente espresse nelle condizioni di stress termico acuto (4 gg) e cronico (adattamento, 21 gg)
5 Confronto delle performance comportamentali degli animali sottoposti all'esposizione breve (4 giorni) o prolungata (21 gg) agli estremi termici (18°C e 34°C).