Feathers as a matrix to assess stress response in birds and biomonitor environmental pollutants: an integrative approach

Abstract

L'exposició a la contaminació ambiental és una de les principals amenaces per a la salut dels ecosistemes i les poblacions silvestres. L'estrès produït per la contaminació pot causar importants alteracions a la fauna, especialment als depredadors com les aus rapinyaires que, d'altra banda, s'utilitzen com espècies sentinelles del seu ecosistema. Comprendre el mecanisme mitjançant el qual els organismes fan front a l'estrès ambiental i s'adapten a un ambient canviant és crucial per a la seva conservació. Amb aquest propòsit, les hormones d'estrès (corticosterona en aus) s'han utilitzat com a biomarcadors d'estrès ambiental. La corticosterona és l'hormona resultant de l'activació de l'eix hipotalàmic-hipofisari-adrenal (HPA), element clau de la resposta d'estrès. L'activació d'aquest eix i el seu correcte funcionament permet als vertebrats mantenir l'homeòstasi i fer front a les pertorbacions del seu ambient. Per tant, detectar alteracions en el funcionament d'aquest eix (com és l'estrès crònic) pot ser utilitzar com un biomarcador de poblacions en risc i oferir informació valuosa sobre l'estat de l'animal i la seva eficàcia biològica. Les plomes són la única matriu capaç de proporcionar una mesura a llarg termini de corticosterona, i per tant de reflexar l'activitat de l'eix HPA, de manera retrospectiva i integrada en el temps. A més, aquesta matriu pot reflectir l'estat intern de contaminació d'una au, essent una eina molt útil per a la biomonitorització de contaminació ambiental. No obstant, al ser una matriu relativament nova, encara existeixen moltes incògnites metodològiques. A més, tot i que els contaminants tenen el potencial d'alterar l'activitat de l'eix HPA, hi ha molt poca informació al respecte. L'objectiu principal d'aquesta tesi és, per una banda, avaluar l'ús de les plomes per mesurar corticosterona com a biomarcador de la salut i l'eficàcia biològica de les aus, explorant alguns aspectes metodològics d'aquesta matriu, i per l'altra, avaluar l'aplicabilitat de les plomes per biomonitoritzar contaminació ambiental estudiant els efectes dels contaminants en la resposta adrenal d'estrès de les aus. Primer, vam explorar la idoneïtat de diferents tipus de plomes per mesurar corticosterona i contaminants ambientals. Vam comparar nivells de corticosterona entre plomes corporals i plomes primàries de vol, que són les més utilitzades en gairebé tots els estudis previs. Les plomes corporals van mostrar una menor variabilitat en els nivells de corticosterona, indicant que aquest tipus de ploma és més adequat per obtenir informació més específica en el temps i minimitzar factors de confusió. A més, es va descriure per primer cop que les plomes natals dels pollets són útils per biomonitoritzar contaminants, essent un nou mètode de mostreig no invasiu. En segon lloc, vam demostrar que els nivells de corticosterona en plomes cobertores són consistents i estables al llarg de la generació de la ploma, mentre que varien d'un any a l'altre indicant flexibilitat individual. A més, es va validar un protocol optimitzat per extreure corticosterona de les plomes de manera més ecològica i ràpida. En tercer lloc, vam observar que concentracions de corticosterona en ploma podien predir mortalitat i fallada reproductiva en el següent període, demostrant la utilitat potencial d'aquesta eina en programes de maneig d'aus. En quart lloc, es va mostrar com els contaminants més persistents influeixen l'activitat de l'eix HPA en aus de vida lliure, adultes o pollets, però no en aus en captivitat. Tot i la relació positiva entre contaminants i l'activitat adrenal, no es va observar que els contaminants afectessin el creixement dels pollets i, mitjançant l'avaluació de la dehidroepiandrosterona en plomes, vam observar una resposta adaptativa de l'eix HPA en adults. Finalment, es van explorar diferents factors fisiològics i metodològics que potencialment podien crear confusió. En general, aquesta tesi proporciona una evidència important de la solidesa i utilitat de les plomes corporales per avaluar nivells de corticosterona a llarg termini i la seva utilitat com a biomarcador de l'eficàcia biològica en aus, així com un avanç per comprendre els efectes de la contaminació ambiental sobre la resposta adrenal d'estrès en les aus rapinyaires.

La exposición a la contaminación ambiental es una de las principales amenazas para la salud de los ecosistemas y las poblaciones silvestres. El estrés producido por la contaminación puede causar importantes alteraciones en la fauna, especialmente en los depredadores como las aves rapaces, que además son utilizadas como especies centinelas de su ecosistema. Comprender el mecanismo mediante el cual los organismos hacen frente al estrés ambiental y se adaptan a un medioambiente cambiante es crucial para su conservación. Con este propósito, las hormonas de estrés (en aves la corticosterona) se han utilizado como biomarcadores de estrés ambiental. La corticosterona es la hormona resultante de la activación del eje hipotalámico-hipofisario-adrenal (HPA), elemento clave de la respuesta de estrés. La activación de este eje y su buen funcionamiento permite a los vertebrados mantener la homeóstasis y hacer frente a las perturbaciones ambientales. Por lo tanto, detectar alteraciones en el funcionamiento de este eje (como es el estrés crónico) puede ser utilizado como biomarcador de poblaciones en riesgo y ofrecer información valiosa sobre el estado de salud y eficacia biológica de los animales. Las plumas son la única matriz capaz de proporcionar una medición a largo plazo de corticosterona, y por tanto de reflejar la actividad del eje HPA, de manera retrospectiva e integrada en el tiempo. Además, esta matriz puede reflejar el estado interno de contaminación de una ave, siendo una herramienta muy útil para biomonitorizar contaminación ambiental. No obstante, al ser una matriz relativamente nueva, aún existen algunas incógnitas metodológicas. Además, aunque los contaminantes tienen el potencial de alterar la actividad del eje HPA, hay muy poca información al respecto. El objetivo principal de esta tesis es, por un lado evaluar el uso de las plumas para cuantificar corticosterona como biomarcador de la salud y eficacia biológica de las aves, explorando algunos aspectos metodológicos de esta matriz, y por el otro, evaluar la aplicabilidad de las plumas para biomonitorizar contaminación ambiental estudiando los efectos de los contaminantes en la respuesta adrenal del estrés de las aves. Primero, exploramos la idoneidad de diferentes tipos de plumas para medir corticosterona y contaminantes ambientales. Las concentraciones de corticosterona se compararon entre plumas corporales y plumas primarias de vuelo, que son las más utilizadas en casi todos los estudios previos. Las plumas corporales mostraron una menor variabilidad en los niveles de corticosterona, indicando que este tipo de pluma es más adecuado para obtener información específica en el tiempo y minimizar factores de confusión. Además, se describió por primera vez que el plumón natal de los pollos es útil para biomonitorizar contaminantes, siendo un nuevo método de muestreo no invasivo. En segundo lugar, demostramos que los niveles de corticosterona en plumas corporales son consistentes y estables a lo largo de la generación de la pluma, mientras que varían de un año al otro indicando flexibilidad individual. Además, se validó un protocolo optimizado para extraer corticosterona de las plumas de una forma más ecológica y rápida. En tercer lugar, observamos que concentraciones de corticosterona en pluma pueden predecir mortalidad y fallo reproductivo en el siguiente período, demostrando la utilidad potencial de esta herramienta en programas de manejo de aves. En cuarto lugar, mostramos que los contaminantes más persistentes influyen en la actividad del eje HPA en aves de vida libre, adultos o pollos, pero no en aves en cautiverio. Aunque se encontró una relación positiva entre contaminantes y una alta actividad adrenal, no se observó que los contaminantes afectaran el crecimiento de los pollos y, mediante la evaluación de la dehidroepiandrosterona en plumas, observamos una respuesta adaptativa del eje HPA en adultos. Finalmente, se exploraron diferentes factores fisiológicos y metodológicos que potencialmente podían crear confusión. En general, esta tesis proporciona una evidencia importante de la solidez y utilidad de las plumas corporales para evaluar niveles de corticosterona a largo plazo y su utilidad como biomarcador de la eficacia biológica en aves, así como un avance para comprender los efectos de la contaminación ambiental sobre la respuesta adrenal del estrés en las aves rapaces.

Exposure to environmental pollution has been one of the major threats for ecosystems and wildlife populations. Pollution stress can cause important alterations to wildlife, especially to top predators such as birds of prey, which have been widely used as important sentinels of their ecosystem. Understanding the stress-copping mechanism of organisms is crucial for species conservation. To this purpose, stress hormones (i.e. corticosterone in birds) have been used as biomarkers of challenging or stressful environments. Corticosterone is the endpoint of the hormonal cascade along the Hypothalamic-Pituitary-Adrenal (HPA) axis, which is activated under the presence of some stressors. The HPA axis is one of the main regulatory pathways birds use to deal with changes in the environment, and its effective functioning is imperative for maintaining homeostasis. Thus, detecting alterations in the HPA axis activity (i.e. chronic stress) can be used as a biomarker of populations at risk and offer valuable insights regarding population health and fitness. Feathers are the unique matrix able to provide long-term levels of corticosterone as an assessment of long-term adrenal activity with a retrospective insight. Furthermore, feathers can reflect the internal state of contamination, providing a valuable tool for biomonitoring environmental pollutants. However, as a relatively new matrix, feathers still present some methodological issues that need to be addressed for a proper interpretation of data. In addition, very little information exists on the influence of pollutants on the HPA axis activity. The present thesis aimed to evaluate, on one hand the use of feather corticosterone as a biomarker of bird fitness, addressing some methodological issues of this matrix, and on the other, evaluate the applicability of feathers to biomonitor environmental pollution exploring the effects of pollutants on birds adrenal stress response. First, we explored the suitability of different types of feathers to measure corticosterone and environmental pollutants. Corticosterone concentrations were compared between body feathers and flight feathers, which had been used in almost all previous studies. By showing lower variability, body feathers were found to be a more suitable type of feather to sample due to they provide more specific information in time and minimize confounding factors. In addition, nestling down feathers were described as a new non-invasive method for biomonitoring contaminants. Second, we demonstrated consistency and stability of feather corticosterone concentrations in body feathers over the same feather generation, while we found that levels differ from year to year indicating individual flexibility. Furthermore, we validated an optimized protocol for extracting corticosterone from feathers in a more timesaving and ecological way. Third, we observed that high concentrations of feather corticosterone predict mortality rate and reproductive failure the following seasons, demonstrating the potential utility of this metric in bird management programs. Fourth, we showed that the most persistent pollutants influenced the HPA axis activity of free-living birds, either adults or nestlings, but not captive birds. Interestingly, although a positive association was found between these pollutants and high adrenal activity, they were not observed to negatively affect growth development in nestlings, and through assessing dehydroepiandrosterone in feathers, we observed an adaptive response of the HPA axis in adults. Finally, we explored different potential biological and methodological confounding factors. Overall, this thesis provides important evidence for the robustness of body feathers to assess long-term levels of corticosterone and its usefulness as a biomarker of bird fitness, as well as a step forward for understanding the effects of environmental pollution on the adrenal stress response in birds of prey.