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Señalización de detección de nutrientes y respuestas metabólicas en el camarón Litopenaeus vannamei en condiciones de estrés agudo por amoníaco

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El amoníaco es el principal factor ambiental que afecta el crecimiento y la salud de los crustáceos. Sin embargo, se dispone de poca información acerca de sus efectos en el metabolismo de los principales nutrientes, así como de las vías de señalización de detección de nutrientes, por lo que profundizar en su estudio permite comprender el rendimiento del crecimiento y las respuestas fisiológicas en camarones sometidos a estrés por amoníaco.

El amoníaco es un factor ambiental primario, en el sistema de cultivo acuático, que afecta al crecimiento y la salud de los organismos (Yan et al., 2021). En general, se mantuvo por debajo de 1.0 mg/L para la mayoría de los cultivos, pero podría acumularse rápidamente debido al exceso de alimento y a los excrementos de los animales.

El exceso de amoníaco ha mostrado efectos adversos sobre el crecimiento, la cría y la supervivencia (Cong et al., 2018). Los crustáceos también resultaron altamente susceptibles al estrés por amoníaco (Zhao et al., 2020b). La exposición a 0.5 mg/L de amoníaco podría provocar una mortalidad de un 30% mayor en el langostino de río (Naqvi et al., 2007).

Sin embargo, las modificaciones del metabolismo de los nutrientes en crustáceos sometidos a estrés por amoníaco son poco conocidas.

La proteína de la dieta es el nutriente más crucial y costoso en el alimento del camarón, y los aminoácidos son las principales fuentes de amoníaco endógeno. En esta investigación, se expuso al camarón blanco Litopenaeus vannamei a estrés agudo por amoníaco y se le inyectó una solución de aminoácidos para determinar las respuestas fisiológicas, la regulación metabólica integrada y las principales vías de señalización implicadas en el metabolismo de los nutrientes.

Los resultados permitieron profundizar en la comprensión del mecanismo molecular de respuesta al estrés por amoníaco en L. vannamei.

Materiales y métodos

Se seleccionaron 600 camarones blancos, L. vannamei sanos, con un peso medio de 10.04 ± 0.35 g, en una granja comercial (Fujian, China). Se preparó una solución de cloruro amónico (1,000 mg/L) como solución madre de amoníaco. Se distribuyeron 360 camarones sanos en la fase de intermuda en nueve tanques.

Tres tanques sin amoníaco se utilizaron como grupo de control (grupo A1). Se fijaron dos niveles de amoníaco a 5 mg/L (grupo A2) y 25 mg/L (grupo A3), según el nivel de amoníaco en estanques de cultivo con cambios frecuentes de agua (Chang et al., 2015) y estanques de cultivo intensivo (Lin y Chen, 2001).

Las concentraciones reales de nitrógeno amoniacal se controlaron, cada 4 h, mediante el método del ácido salicílico con espectrofotómetro. La concentración de amoníaco se ajustó con la solución madre para mantener los valores experimentales.

Resultados

Tras ser sometidos a estrés por amoníaco durante 24 h, las tasas de supervivencia de los camarones no se vieron afectadas entre los grupos (Figura 1a). En el grupo de control, la concentración de amoníaco en la hemolinfa fue de 0.15 ± 0.02 μmol/ mL, mientras que fue significativamente mayor en los grupos A2 (0.63 ± 0.03 μmol/mL) y A3 (0.76 ± 0.02 μmol/mL, Figura 1b).

Señalización de detección de nutrientes y respuestas metabólicas en el camarón Litopenaeus vannamei en condiciones de estrés agudo por amoníaco

El contenido de glutatión (GSH) disminuyó significativamente en los grupos A2 y A3, mientras que los niveles de malondialdehído (MDA) fueron significativamente superiores en los grupos amoniacales en comparación con el grupo de control (Figura 1c-d).

Se observaron actividades significativamente mayores de superóxido dismutasa (SOD) y catalasa (CAT) bajo estrés por amoníaco (Figura 1e-f).

Tras la inyección, el nivel de aminoácidos esenciales totales libres (TEAA, por sus siglas en inglés) en el grupo A1 aumentó rápidamente y alcanzó su punto máximo a las 2 h, para luego descender de forma gradual hasta la línea de base a las 8 h (Figura 2a).

Señalización de detección de nutrientes y respuestas metabólicas en el camarón Litopenaeus vannamei en condiciones de estrés agudo por amoníaco

Los niveles de TEAA en los grupos de estrés por amoníaco fueron significativamente inferiores a los del grupo A1 y la inhibición fue más intensa cuanto mayor fue el tratamiento con amoníaco. Mientras tanto, el aumento postprandial de aminoácidos libres en la hemolinfa de los grupos con amoníaco fue mucho más leve que en el grupo A1.

Bajo estrés por amoníaco, los niveles de arginina (Arg) en los grupos con amoníaco fueron significativamente superiores a los del grupo A1 y la cinética fue similar a la de TEAA.

En los grupos de amoníaco, las actividades de la glutamina sintetasa (GS) se mantuvieron en niveles elevados y se observaron diferencias significativas en todos los puntos temporales, excepto a las 4 h. Sin embargo, las actividades de la glutamato deshidrogenasa (GDH) en los grupos de amoníaco mostraron un perfil opuesto al del grupo de control.

El contenido de urea en la hemolinfa de los grupos con amoníaco aumentó de manera gradual y fue significativamente superior al del grupo de control.

En cuanto a la homeostasis energética, se encontraron diferencias significativas en los niveles de glucosa entre el grupo A3 y el grupo A1 a las 4 h y posteriormente.

Discusión

La producción de especies reactivas del oxígeno (ROS, por sus siglas en inglés) estaría muy inducida en organismos sometidos a estrés ambiental. En el estudio, el MDA, producto de la peroxidación lipídica, se acumuló en los grupos amoniacales, lo que indica que los camarones de estos grupos estaban sometidos a estrés oxidativo.

Además, las actividades de SOD y CAT se redujeron en los grupos con amoníaco, lo que concuerda con estudios anteriores (Meng et al., 2021).

“Los resultados indican que las actividades de GDH y GS fueron mayores bajo estrés por amoníaco a las 0 h, lo que concuerda con los resultados en L. vannamei reportados por Qiu et al. (2018).”

Las mayores actividades de GDH y GS mejoraron la capacidad de conversión de glutamato y amoníaco en glutamina (Gln). Se observaron niveles significativamente más bajos de glutamato y más altos de Gln en los grupos de amoníaco.

Además, otra estrategia de desintoxicación consiste en convertir el exceso de amoníaco en urea a través del ciclo ornitina-urea. En Penaeus japonicus, el nivel de urea en la hemolinfa fue mayor cuando se exponía al amoníaco, similar a los resultados del presente estudio (Chen et al., 1994).

“La proteína es el principal nutriente limitante para el crecimiento de los camarones y se cataboliza en metabolitos nitrogenados, cuando se utiliza como fuente de energía. La aspartato aminotransferasa (AST) y la alanina aminotransferasa (ALT) podrían catalizar las reacciones de transaminación para formar oxaloacetato y piruvato, respectivamente.”

En el estudio, las actividades de AST y ALT se redujeron significativamente bajo estrés por amoníaco, indicando que se catabolizaron más aminoácidos para la producción de energía, lo que compensará la mayor demanda energética para la desintoxicación del amoníaco.

Los aminoácidos son los precursores de la síntesis de proteínas y su aumento postprandial en el sistema circulante promoverá la síntesis de proteínas musculares. La vía de señalización de la diana mecánica de la rapamicina (mTOR) es el principal regulador que detecta la disponibilidad de aminoácidos y promueve la síntesis de proteínas.

Señalización de detección de nutrientes y respuestas metabólicas en el camarón Litopenaeus vannamei en condiciones de estrés agudo por amoníaco

Como mostraron los resultados, los aminoácidos libres postprandiales fueron inferiores en los grupos expuestos al amoníaco, lo que provocó una activación inadecuada de la vía mTOR. La síntesis proteica significativamente deprimida podría ser una integración de la señalización mTOR y otras.

“El menor crecimiento de los organismos sometidos a estrés por amoníaco también podría deberse a la inhibición de la señalización mTOR.”

La autofagia es un proceso esencial para el crecimiento y la supervivencia celular en respuesta a la privación de nutrición y el estrés ambiental. En el estudio, la abundancia proteica de Beclin1, así como la expresión de ARNm de múltiples genes relacionados con la autofagia (ATGs) (atg101, atg13, atg3, atg12 y atg9) se incrementó en camarones bajo estrés por amoníaco, lo que indica el elevado nivel de autofagia.

Estudios recientes también han demostrado que el microARN está implicado en la autofagia causada por el amoníaco (Xing et al., 2019).

“El estrés podría conducir a una cascada de cambios de metabolitos sanguíneos como la glucosa y el lactato, que se han utilizado como indicadores de estrés para especies de crustáceos (Shan et al., 2019).”

Podría deberse al transporte de glucosa desde el hepatopáncreas o el músculo. Mientras tanto, la producción de lactato fue inducida por una mayor demanda de energía.

Los niveles de glucosa y lactato en los grupos con amoníaco obtenidos fueron significativamente superiores, indicando que se produjo más energía cuando se expusieron al amoníaco. Sin embargo, el nivel de adenosín trifosfato (ATP) fue inferior en la exposición al amoníaco y el sensor de energía cinasa activada por AMP (AMPK, por sus siglas en inglés) estaba muy fosforilado.

Conclusiones

Se caracterizaron las respuestas metabólicas integradas y la señalización de nutrientes al estrés por amoníaco en los camarones.

La exposición aguda al amoníaco provocó estrés oxidativo en los camarones y potenció las enzimas que eliminan el amoníaco. Bajo estrés por amoníaco, los niveles de aminoácidos libres en la hemolinfa fueron más bajos, así como la activación de la señalización mTOR y, en consecuencia, menos síntesis de proteínas.

La autofagia fue inducida por el amoníaco y la vía AMPK se activó cuando se expuso al amoníaco. Mientras tanto, el amoníaco aumentó la glucólisis y la lipogénesis, pero inhibió la lipólisis.

Estos resultados proporcionan claves fundamentales para entender el rendimiento del crecimiento y las respuestas fisiológicas en camarones bajo estrés por amoníaco.

Esta es una versión resumida desarrollada por el equipo editorial de Panorama Acuícola Magazine del artículo “NUTRIENT SENSING SIGNALING AND METABOLIC RESPONSES IN SHRIMP LITOPENAEUS VANNAMEI UNDER ACUTE AMMONIA STRESS” escrito por SUI, Z., WEI, C., WANG, X., ZHOU, H., LIU, C., y MAI, K. – Ocean University of China., HE, G. – Ocean University of China y Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology.
La versión original, incluyendo tablas y figuras, fue publicada en FEBRERO de 2023 en ECOTOXICOLOGY AND ENVIRONMENTAL SAFETY.
Se puede acceder a la versión completa a través de https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2023.114672

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