Impacts of aging and injuries on Enchytraeus crypticus’ performance: standard tests and gene expression: a mechanistic approach

Abstract

The standard guidelines that are the basis for risk assessment are typically designed for healthy individuals and within homogeneous populations. However, natural populations are not homogeneous. There are animals of variable age and also physical condition (e.g., the presence of injuries or diseases) which influence their overall performance, including the response to other stressors such as chemical exposure. This is not considered in the standard guidelines, which can lead to an underestimation of risks. Among the several factors that can affect animals’ performance, the effects of aging and the presence of injuries were studied here, using the soil ecotoxicology model species Enchytraeus crypticus (Oligochaeta). Enchytraeids are important members of soil fauna and used in ecotoxicity tests for more than 50 years. Further, E. crypticus has a vast array of tools available (from the full life cycle test to several -omics: transcriptomics, proteomics, metabolomics) being advantageous in comparison to other model species. The main goal of this research was to provide understanding on the biology and toxicological response of stressed populations: injured and aged. It was shown that E. crypticus can overcome perforating wounds (using microneedles) without significant effects on their performance (survival and reproduction) over 42 days after wounding. The mechanism for wound closure probably involves the inhibition of Rho GTPase activity, as described for the nematode Caenorhabditis elegans, and confirmed here through the down-regulation of the Rho family GTPase 1 gene (Rho-1). These provide the base procedures for further studies on, for instance, the impacts of chemical exposure on injured animals. Cadmium (Cd) was used to investigate age related sensitivity differences, in animals with synchronized age (young: 18-20 days, old: 91-93, and oldest: 127- 129 days). It was shown that the toxicity of Cd to E. crypticus varied with animals’ age: was higher for young adults and increased with age (from old to oldest). This confirms the importance of testing with animals of synchronized age, which will exclude the age variability factor. Test procedures were provided to the assessment of impacts on a sensitive edge of the population – older animals. These can also be the base for further research on the mechanisms involved in aging and toxicity related responses. Studies that are conducted on vulnerable populations provide researchers a better understanding of the variable performances and mechanisms that can be expected in natural populations, where age or physical condition are not uniform.

As diretrizes padrão que são a base para a avaliação de risco são normalmente projetadas para indivíduos saudáveis e dentro de populações homogéneas. No entanto, as populações naturais não são homogéneas. Existem animais de idade e condição física variável (por exemplo, a presença de lesões ou doenças) que influenciam o seu desempenho geral, incluindo a resposta a outros fatores de estresse, como a exposição química. Isso não é considerado nas diretrizes, o que pode levar a uma subestimação dos riscos. Dentre dos diversos fatores que podem afetar o desempenho dos animais, os efeitos da idade e a presença de lesões foram aqui estudados, utilizando-se a espécie Enchytraeus crypticus (Oligochaeta), espécie modelo em ecotoxicologia terrestre. Os enquitreídeos são membros importantes da fauna do solo e utilizados em testes de ecotoxicidade há mais de 50 anos. Além disso, E. crypticus tem uma vasta gama de ferramentas disponíveis (desde o teste de ciclo de vida completo até à implementação de várias -ómicas: transcriptómica, proteómica, metabolómica) sendo por isso vantajosa em comparação com outras espécies modelo. O principal objetivo desta pesquisa foi fornecer conhecimento sobre a biologia e resposta toxicológica de populações sob pressão: feridas e envelhecidas. Foi demonstrado que E. crypticus pode superar feridas perfurantes (usando micro agulhas) sem efeitos significativos sobre o seu desempenho (sobrevivência e reprodução) ao longo de 42 dias após o ferimento. O mecanismo de cicatrização das feridas envolve, provavelmente, a inibição da atividade da Rho GTPase, como descrito para o nematode Caenorhabditis elegans, e confirmado aqui através da regulação negativa do gene GTPase 1 da família Rho (Rho-1). Os dados obtidos podem fornecer os procedimentos base para estudos futuros sobre, por exemplo, os impactos da exposição química em animais feridos. O cádmio (Cd) foi usado para investigar diferenças de sensibilidade relacionadas com a idade, com base em animais de idade sincronizada (jovens: 18-20 dias, envelhecidos: 91-93 e muito envelhecidos: 127-129 dias). Foi demonstrado que a toxicidade do Cd para E. crypticus variou com a idade dos animais: foi maior para adultos jovens e aumentou com a idade (de envelhecidos para muito envelhecidos). Foi assim confirmada a importância de realizar testes com animais de idade sincronizada, o que excluirá o fator de variabilidade etária. Os procedimentos estabelecidos podem ser usados para a avaliação de impactos em população sensíveis - animais envelhecidos. Estes podem igualmente ser a base para a investigação dos mecanismos envolvidos no envelhecimento e nas respostas de toxicidade em animais envelhecidos. Estudos realizados em populações vulneráveis fornecem aos investigadores uma melhor compreensão das variáveis de desempenho e mecanismos que podem ser esperados em populações naturais, onde a idade ou condição física não são uniformes.