Metabolism, nitrogen excretion, and heat shock proteins in the central mudminnow (Umbra limi), a facultative air-breathing fish living in a variable environment

Authors: Currie, S.; Bagatto, B.; DeMille, M.; Learner, A.; LeBlanc, D.; Marks, C.; Ong, K.; Parker, J.; Templeman, N.; Tufts, B. L.; Wright, P. A.

Source: Canadian Journal of Zoology, Volume 88, Number 1, January 2010 , pp. 43-58(16)

Publisher: NRC Research Press

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Abstract:

The central mudminnow (Umbra limi (Kirtland, 1841)) is a continuous, facultative air-breathing freshwater fish found in swamps of central Canada and northeastern USA. The first goal of this field and laboratory-based study was to characterize the physicochemical conditions of mudminnow habitat during the summer. Our second goal was to determine the metabolic, stress response, and nitrogen excretion strategies of this fish following variations in water temperature, dissolved oxygen, external ammonia, and short-term periods of air exposure. We report profound diurnal fluctuations in water temperature (13-31 °C), dissolved oxygen (2%-159% air saturation), and ammonia levels (10-240 mol·L−1) in habitat of central mudminnow measured on three dates at six different sites over 24 h. The central mudminnow does not induce urea synthesis as a mechanism of ammonia detoxification, either in response to emersion (6 or 20 h) or elevated external ammonia (10 mmol·L-1). Acute exposure to high temperature (~31 °C), aquatic hypoxia, or air resulted in significant increases in blood glucose and liver heat shock protein (Hsp) 70 and hypoxia also caused an increased reliance on anaerobic metabolism. This is the first description of the heat shock response in a facultative air-breathing fish following either hypoxia or air exposure. These metabolic and molecular responses are part of a strategy that allows the mudminnow to thrive in extremely variable freshwater environments.

L’umbre de vase (Umbra limi (Kirtland, 1841)) est un poisson d’eau douce à respiration aérienne continue mais facultative qui habite les marécages du centre du Canada et du nord-est des États-Unis. Le premier objectif de notre étude de terrain et de laboratoire est de caractériser les conditions physicochimiques de l’habitat des umbres de vase durant l’été. Notre second objectif est de déterminer la réaction métabolique au stress et les stratégies d’excrétion de l’azote chez ce poisson en réaction à des variations de la température de l’eau, de l’oxygène dissous et de l’ammoniaque externe et à des expositions à l’air de courte durée. Nous signalons d’importantes variations journalières de température de l’eau (13-31 °C), d’oxygène dissous (2 % - 159 % de saturation d’air) et de concentrations d’ammoniaque (10-240 µmol·L-1) dans l’habitat d’umbre de vase mesurées à trois dates et à six sites différents pendant 24 h. L’umbre de vase n’induit pas la synthèse d’urée comme mécanisme de détoxification de l’ammoniaque, ni en réaction à l’émersion (6 ou 20 h), ni à une augmentation des concentrations d’ammoniaque (10 mmol·L-1). Des expositions aiguës aux températures élevées (~31 °C), à l’hypoxie aquatique ou à l’air provoquent une augmentation significative du glucose sanguin et de la protéine hépatique du choc (Hsp) 70; l’hypoxie cause aussi une dépendance accrue du métabolisme anaérobie. C’est ici la première mention d’une réaction de choc thermique chez un poisson à respiration aérienne facultative après une hypoxie ou une exposition à l’air. Ces réactions métaboliques et moléculaires font partie d’une stratégie qui permet à l’umbre de vase de se développer avec succès dans des environnements d’eau douce extrêmement variables.

Document Type: Research Article

Publication date: January 1, 2010

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