Stress, Health and Senescence in a long-lived mammal, the roe deer (Capreolus capreolus)
Stress, Santé et Sénescence chez un mammifère longévif, le chevreuil (Capreolus capreolus)
Résumé
The stress response – a suite of physiological and behavioural adjustments – allows organisms to support heightened energy requirements associated with unpredictable environmental challenges (i.e. stressors). The stress response involves the activation of different physiological systems, among which the most studied is the hypothalamic-pituitary-adrenal axis leading to the enhanced production of glucocorticoids (GCs). At baseline levels, the primary role of GCs is energy mobilisation and regulation. These hormones act as mediators of allostasis, the active process of reaching differential homeostatic states according to physiological demands. Following exposure to a short-term, temporary stressor (i.e. acute stress), increased GC levels favour energy allocation towards functions promoting immediate survival at the expense of other non-immediately essential functions (e.g. growth, reproduction), and is therefore adaptive. On the other hand, individuals repeatedly exposed to stressors, or exposed to stressors that last for longer (i.e. days-weeks) can have elevated baseline GC levels. They enter into states of chronic stress during which resources are deviated away from physiological functions such as growth, reproduction or immunity on the long-term, with expected adverse consequences on fitness. Measuring states of chronic stress in the wild is challenging and associations between GCs and fitness-related traits are equivocal due to the influence of life-history and environmental contexts on such relationships.
Throughout my Ph.D., I aimed at evaluating the relationships between baseline GC levels and fitness-related traits reflecting individual health (i.e. body mass, physiological condition, immunity), and their senescence patterns in a long-lived mammal. This work was conducted in two roe deer (Capreolus capreolus) populations experiencing markedly contrasted environmental conditions, and which have been longitudinally followed at the individual-based level.
I evidenced that GCs related to health parameters on the short-term (i.e. when measured at the same sampling event), but that GCs did not have carry-over effects on the senescence of those traits. In a first chapter, I showed that GCs were negatively associated to body mass in adults, but not juveniles, of both populations and both sexes, supporting the idea that it is essential to take into account the life-history stage when evaluating relationships between GCs and life-history traits. I also found that the Neutrophil:Lymphocyte (N:L) ratio – another biomarker increasingly used as a proxy of the stress response – related negatively to body mass on the medium term (i.e. change in individual body mass between two consecutive years) during the late growth phase. This suggests that GCs and N:L ratios describe different components of the stress response and are not interchangeable. In a second part, I showed that GCs positively related to creatinine levels (i.e. a proxy of muscle mass and renal efficacy) on the short-term, suggesting an increased catabolic state in individuals with elevated GCs. I also found a sex-specific association between GCs and albumin, the main blood protein, suggesting that sex hormones can modulate GC-life-history trait relationships. In a third chapter, I found that GCs measured during early-life did not modulate patterns of immunosenescence but were only positively associated to the abundance of lung parasites in adults.
In the last chapter of this thesis, I discuss the relevance of the present work for the field of ecophysiology. I have investigated the associations between GCs and various fitness-related traits at different temporal scales, using longitudinal data on a free-ranging mammal. This allowed to account for much of the sources of variations identified in the literature. I then explore and develop future research perspectives, both for the roe deer program, and for research in general, and I argue that assessments of chronic stress in wild animals should ideally be done through the construction of indices including several biomarkers reflecting the whole stress response. Furthermore, I explore the physiological mechanisms linking GCs and senescence by incorporating recent insights about the link between GCs and telomere attrition. I advocate to develop such mechanistic approaches to identify relevant biomarkers of chronic stress and to better predict its consequences. Finally, I conclude with some recommendations for researchers that aim at evaluating GC-fitness relationships.
La réponse au stress – une série d’ajustements physiologiques et comportementaux – permet aux organismes de répondre aux exigences énergétiques accrues liées aux défis environnementaux imprévisibles (i.e. stresseurs). La réponse au stress implique l'activation de systèmes physiologiques, parmi lesquels le plus étudié est l'axe hypothalamo-pituitaire-surrénalien, qui entraîne une production accrue de glucocorticoïdes (GCs). A niveaux basaux, les GCs ont pour rôle principal la mobilisation et la régulation de l'énergie. Ils agissent comme médiateurs de l'allostasie, le processus actif permettant l’établissement et la réalisation d’états homéostatiques en fonction des exigences physiologiques. Suite à une exposition à un stresseur temporaire et de courte durée (i.e. stress aigu), l’augmentation des niveaux de GCs contribue à mettre à disposition des ressources énergétiques pour des fonctions favorisant la survie immédiate au détriment d'autres fonctions non immédiatement essentielles (comme la croissance ou la reproduction), et est donc adaptatif. En revanche, les individus exposés de manière répétée à des stresseurs ou exposés à des stresseurs de longue durée (i.e. jours-semaines) peuvent présenter des niveaux basaux de GCs élevés et entrer dans des états de stress chronique, au cours desquels les ressources sont détournées des fonctions physiologiques telles que la croissance, la reproduction ou l'immunité sur le long terme, avec des conséquences préjudiciables attendues sur la valeur sélective. Mesurer les états de stress chronique dans la nature pose un problème complexe, et les associations entre les GCs et les traits liés à la valeur sélectives sont équivoques, notamment en raison de l'influence des contextes liés à l'histoire de vie et de l'environnement sur de telles relations.
Pendant ma thèse, j'ai cherché à évaluer les relations entre les niveaux de GCs basaux et des traits liés à la valeur sélective et reflétant la santé des individus (i.e. masse corporelle, condition physiologique, immunité), et la sénescence de ces traits chez un mammifère sauvage longévif. Ce travail a été mené dans deux populations de chevreuils (Capreolus capreolus) présentant des conditions environnementales nettement contrastées, et qui ont été suivies longitudinalement au niveau individuel.
Ce travail a permis de montrer que les GCs étaient liés aux paramètres de santé à court terme (c'est-à-dire mesurés lors de la même prise d'échantillon), mais que les GCs n'avaient pas d’effets durables sur la sénescence de ces traits. Dans un premier chapitre, j'ai démontré que les GCs étaient négativement associés à la masse corporelle chez les adultes, mais pas chez les juvéniles, des deux populations et des deux sexes, ce qui soutient l'idée que le stade de développement est essentiel à prendre en compte lors de l'évaluation des relations entre les GCs et les traits liés à l'histoire de vie. Cependant, j’ai aussi mis en évidence que le ratio Neutrophile:Lymphocyte (N:L) – un autre biomarqueur de plus en plus utilisé comme indicateur de la réponse au stress – était négativement lié à la masse corporelle à moyen terme (i.e. changement de la masse corporelle individuelle entre deux années consécutives) pendant la phase de croissance tardive. Cela suggère que les GCs et les ratios N:L décrivent des aspects différents de la réponse au stress et ne sont pas interchangeables. Dans un second temps, j'ai montré que les GCs étaient positivement liés aux niveaux de créatinine (i.e. un indice de la masse musculaire et du fonctionnement rénal) à court terme, suggérant un état catabolique accru chez les individus présentant des valeurs élevées de GCs. J'ai également trouvé une association sexe-spécifique entre les GC et l'albumine, la principale protéine sanguine, ce qui suggère que les hormones sexuelles peuvent moduler les relations entre GCs et traits d’histoire de vie. Enfin, dans un troisième chapitre, j'ai constaté que les GCs mesurés au début de la vie ne modulaient pas les trajectoires d'immunosenescence mais étaient uniquement positivement associés à l'abondance des parasites pulmonaires chez les adultes.
Dans le dernier chapitre de cette thèse, je discute de la pertinence du présent travail pour le domaine de l'écophysiologie. J’ai étudié les associations entre les GCs et une variété de traits liés à la valeur sélective, à différentes échelles temporelles, et en utilisant des données longitudinales obtenues sur mammifère sauvage, permettant de tenir compte de nombreuses sources de variation identifiées dans la littérature. J’explore et développe également des orientations de recherche futures, tant pour ce programme de recherche sur le chevreuil que pour la recherche en général, et j’insiste sur l’importance d'évaluer le stress chronique chez les animaux sauvages par le biais de la construction d'indices incluant plusieurs biomarqueurs reflétant l'ensemble de la réponse au stress. Dans cette dernière partie, j’explore également les mécanismes physiologiques liant les GC à la sénescence en intégrant des connaissances récentes sur le lien entre GCs et raccourcissement des télomères. Je plaide en faveur du développement de telles approches mécanistiques pour identifier des biomarqueurs pertinents du stress chronique et mieux prédire les conséquences du stress. Enfin, je conclus cette thèse par quelques recommandations pour les chercheurs qui cherchent à évaluer les relations entre les GCs et la valeur sélective.
