Unravelling the factors determinig the genotoxic responses to pesticides: the crayfish Procambarus clarkii as a model species

Abstract

The way organisms may respond and adapt to the presence of contaminants and the subsequent repercussion on the success of the population are still poorly explored issues in the context of environmental toxicology. Knowing that the integrity of the genetic material (DNA) is vital for living beings, it is important to shed a light on eventual genetic adjustment strategies developed by well-succeeded species, in order to cope with, namely, pesticide environmental contamination. Thus, the major goals of the present study were to understand the influence of factors as “Population” and “Gender” in the genotoxic responses of the crayfish Procambarus clarkii, when exposed to a widely used herbicide (Viper®) and also to a model genotoxicant (ethyl methanesulfonate - EMS) in two distinct populations (one collected from a reference site – P1, and the other from an historically impacted site – P2). It was also sought to identify the damage mechanisms involved in eventual positive adjusts and/or vulnerabilities demonstrated by P. clarkii. Moreover, this study contribute to the evaluation of the environmental risk related to the utilization of pesticides and to contribute to the identification of strategies displayed by the crayfish P. clarkii, in particular, to cope with genotoxic damage. Therefore, crayfish specimens from each population (P1 and P2) were then divided into 4 groups, each with 12 individuals (6 males and 6 females; n=6), corresponding to a negative control, a model genotoxicant (5 mg L-1 EMS) and two environmentally relevant concentrations of the herbicide Viper®, 20 μgL-1 (V1) and 40 μgL-1 (V2). The improved version of the comet assay was used to assess the genetic damage, allowing, this way, the detection of oxidative lesions. The results proved the genotoxicity of the herbicide Viper® to the non-target species Procambarus clarkii. The use of a model genotoxicant (EMS) allowed us to observe an acquisition of a non-specific protection/vulnerability in relation to genetic damage. Organisms from the previously exposed population revealed a higher susceptibly towards the non-specific genotoxic pressure posed by Viper®, while in relation to DNA oxidation the same population showed an increased ability to deal with this type of damage. Furthermore, these effects of the exposure history were only evident in males and in relation to the agent Viper®. Overall, and considering the genotoxic evaluation as a whole, the influence of factors as “Population” and “Gender” was demonstrated, highlighting the importance of consider differences on the organisms’ physiological background for ecogenotoxicological-based environmental health assessment, permitting the elaboration of more plausible and holistic approaches.

Os mecanismos de resposta e adaptação dos organismos à presença de contaminantes, assim como o subsequente reflexo destes no sucesso da população estão ainda pouco estudados no contexto da toxicologia ambiental. Tendo em conta que a integridade do material genético (ADN) é vital para os seres vivos, torna-se importante analisar as eventuais estratégias de ajuste genético desenvolvidas por espécies bem-sucedidas, permitindo-lhes sobreviver num ambiente contaminado, nomeadamente por pesticidas. Deste modo, os principais objetivos do presente estudo baseiam-se na compreensão da influência de fatores como “População” e “Género” nas respostas genotóxicas do lagostim Procambarus clarkii, quando exposto a um herbicida de uso comum (Viper®) e também a um modelo genotóxico (etil metanosulfanato - EMS), em duas populações distintas (uma recolhida num local considerado como referência – P1, e a outra proveniente de um local com historial de contaminação por pesticidas – P2). Tentou-se ainda identificar os mecanismos de dano envolvidos nos eventuais ajustes e/ou vulnerabilidades demonstradas por P. clarkii. Adicionalmente, pretendeu-se contribuir para a avaliação do risco ambiental relacionado com a utilização de pesticidas, contribuindo assim para a identificação das estratégias desenvolvidas pelo lagostim P. clarkii no sentido de melhor lidar com o dano genotóxico. Assim, espécimes de lagostim de cada população (P1 e P2) foram divididos em 4 grupos, cada um com 12 indivíduos (6 machos e 6 fêmeas; n=6), correspondendo a um controlo negativo, a um genotóxico modelo (EMS 5 mg L-1) e a duas concentrações ambientalmente relevantes do herbicida Viper®, 20 μgL-1 (V1) e 40 μgL-1 (V2). A avaliação do dano genético foi feita recorrendo a uma versão melhorada do ensaio cometa, permitindo ainda, desta forma, a deteção de dano do tipo oxidativo. Os resultados mostraram a genotoxicidade do herbicida Viper® para a espécie não-alvo Procambarus clarkii. A utilização de um modelo genotóxico (EMS) permitiu observar uma aquisição de uma proteção/vulnerabilidade não específica em relação a danos genéticos. Os organismos da população previamente exposta revelaram uma susceptibilidade maior à pressão genotóxica não específica posta por Viper®, enquanto que em relação à oxidação do ADN a mesma população mostrou uma maior capacidade para lidar com este tipo de dano. Estes efeitos referentes ao historial de exposição só foram evidentes em machos e em relação ao Viper®. Globalmente, e considerando a avaliação genotóxica como um todo, foi demonstrada a influência de fatores como "População" e "Género", destacando a importância de se considerar as diferenças nos antecedentes fisiológicos dos organismos para a avaliação ecogenotoxicológica, permitindo a elaboração de abordagens de monitorização ambiental mais plausíveis e holísticas.