nutrition et hydrodynamique: effets sur la reproduction

FABRICE PERNET

NUTRITION ET HYDRODYNAMIQUE: EFFETS SUR LA REPRODUCTION ET LA PERFORMANCE LARVAIRE DES MOLLUSQUES BIVALVES

Thèse présentée à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval pour l‟obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.)

Département de biologie FACULTE DES SCIENCES ET DE GENIE UNIVERSITE LAVAL QUEBEC SEPTEMBRE 2003

© Fabrice Pernet, 2003

Résumé Nous avons étudié (1) le lien entre le succès d'embryogenèse et de fixation des larves et le contenu lipidique des gonades, des œufs et des larves de mollusque et (2) les effets de l'hydrodynamique sur la fixation larvaire. Les résultats obtenus montrent l'importance des triglycérides (TAG) dans les processus de maturation des œufs, d'embryogenèse et de métamorphose. Le contenu en TAG pendant la vittelogenèse est positivement corrélé avec la maturité sexuelle et diminue abruptement pendant l'embryogenèse au profit des lipides de structure. Par ailleurs, bien que le contenu en TAG des larves soit positivement corrélé avec la croissance, il est négativement corrélé avec le succès de fixation. L'analyse du comportement des larves compétentes suggère que les larves riches en TAG retardent la fixation en réponse à des conditions hydrodynamiques défavorables. En effet, le succès de fixation est positivement corrélé avec la turbulence alors que la distribution des larves fixées semble être gouvernée par la vélocité et résulte du comportement actif de sélection du substrat.

ii

Résumé Le recrutement larvaire des mollusques bivalves dépend entre autres de la qualité des gamètes émis, de la survie des larves planctonique et de l'hydrodynamique. Nous avons étudié le lien entre le contenu en classes de lipide des gonades, des œufs et des larves de Pétoncle géant Placopecten magellanicus avec le succès d'embryogenèse et de fixation des larves. L‟accumulation des triglycérides (TAG) pendant la vittelogenèse est positivement corrélée avec la maturité et la taille des œufs. Les TAG semblent être utilisés pendant l‟embryogenèse et au début du développement larvaire au profit des stérols et phospholipides. Nous avons étudié l'effet des TAG sur le développement et la fixation larvaire. La production de larves compétentes repose partiellement sur la capacité d'accumulation des réserves de TAG après l‟embryogenèse. Le niveau de TAG dans l'alimentation est reflété dans les larves compétentes. Le contenu en TAG des larves compétentes est négativement corrélé avec le taux de fixation, suggérant que les larves riches en TAG retardent la métamorphose afin de trouver un meilleur site de fixation. L'étude du comportement des larves à la fixation supporte cette hypothèse en témoignant d'une sélectivité accrue du substrat de fixation chez les larves riches en TAG. L'addition d'émulsion pure de TAG extrait du phytoplancton dans l'alimentation confirme un effet bénéfique sur le contenu en TAG et la croissance des larves de moule Mytilus sp. De plus, on observe un effet positif des émulsions sur la survie des larves pendant la période de fixation malgré l'absence d'effet significatif sur le succès de fixation. Finalement, vu l'importance de l'hydrodynamique et l'interaction possible de ce facteur avec la condition physiologique des larves au cours des expériences précédentes, nous avons évalué l'effet de la vélocité, de la turbulence et de l'orientation du courant sur le succès de fixation, la distribution et le comportement des larves de moule Mytilus sp. Le succès de fixation est positivement corrélé avec la turbulence, et, dans une moindre mesure, avec la vélocité. Les larves choisissent activement des microhabitats caractérisés par un faible gradient de vélocité et une forte advection lorsque le débit varie de 0 à 40 L h-1. Au-delà de cette limite, les larves deviennent plus passives et perdent partiellement leur sélectivité.

iii

Abstract Larval recruitment of bivalve molluscs depends to a large extent on gamete quality, planktonic larval survival and hydrodynamics. We studied the relationship between the contents of the major classes of lipids of gonads, eggs and larvae with success during embryogenesis and settlement of giant scallop Placopecten magellanicus. The triacylglycerol (TAG) content during vitellogenesis was highly correlated with maturity and egg size. Presumably, TAG were utilised during embryogenesis to fuel growth. We also studied the effect of TAG on larval development and settlement. The survival at competency was correlated with TAG content of eight-day-old larvae. Adding TAG to the diet of larvae produced higher TAG contents and growth rates of larvae. In turn, settlement success was negatively correlated with TAG content, suggesting that larvae with high TAG content were able to delay metamorphosis to encounter better settlement sites. Behavioral studies confirmed this hypothesis since high TAG larvae displayed greater selectivity than larvae with low TAG levels. Adding TAG emulsion to the diet confirmed its positive effect on TAG content and growth of mussel larvae (Mytilus sp.). A positive effect of the TAG emulsion on larval survival during settlement was noticed but there was no effect on settlement success per se. Finally, due to the potential effect of hydrodynamics on settlement and its possible interaction with larval quality in previous experiments, settlement success, larval distribution and behavior were examined in relation to current velocity, turbulence and orientation. The settlement success of mussel larvae (Mytilus sp.) was positively correlated with turbulence and to a lesser extent, with velocity. Mussel larvae actively select microhabitats characterised by low shear stress and high advection when water flow in the sieves ranged from 0 to 40 L h-1. At higher water flow, mussel larvae became more passive and lost some of their selectivity.

Avant-Propos Cette thèse comprend six chapitres: une introduction générale, quatre chapitres de résultats et une conclusion générale. Les chapitres de résultats sont écrits sous la forme d'articles scientifiques et sont actuellement soumis pour publication: Pernet, F., Tremblay, R. and Bourget, E. Biochemical indicator of giant scallop (Placopecten magellanicus) quality based on lipid class composition. Part I: Broodstock conditioning and young larvae performance. J. Shellfish Res. 22, 000-000. Pernet, F., Tremblay, R. and Bourget, E. Biochemical indicator of giant scallop (Placopecten magellanicus) quality based on lipid class composition. Part II: larval rearing, competency and settlement. J. Shellfish Res. 22, 000-000. Pernet, F., Tremblay, R., Langdon, C. and Bourget, E. Effect of additions of dietary triglyceride microspheres on growth, survival and settlement of mussel (Mytilus sp.) larvae. Mar. Biol, accepted. Pernet, F., Tremblay, R. and Bourget, E. Settlement success, spatial pattern and behavior of mussel larvae Mytilus sp. in experimental 'down-welling' systems of varying velocity and turbulence. Mar. Ecol. Prog. Ser., In Press. D'autre part, les résultats furent l'objet de plusieurs présentations: Pernet, F., R. Tremblay et E. Bourget. 2002. Biochemical indicator of giant scallop larvae Placopecten magellanicus quality: larval gowth, competency and settlement. National Shellfisheries Association 94th Annual Meeting, Mystic, Connecticut, USA Pernet, F., R. Tremblay et E. Bourget. 2002. Biochemical indicator of giant scallop larvae Placopecten magellanicus quality: larval gowth, competency and settlement. Laboratoire de Physiologie des Mollusques IFREMER, Brest, France Pernet, F., R. Tremblay , E. Bourget et M. Roussy. 2001. Biochemical indicator of quality of giant scallop larvae Placopecten magellanicus: from broodstock conditioning to larval settlement. Larvi’01 – Fish and shellfish larviculture symposium. Ghent, Belgique

v Pernet, F., R. Tremblay, E. Bourget et M. Roussy. 2001. Biochemical indicator of quality of giant scallop larvae Placopecten magellanicus. 18e Atelier d’Aquaculture Canada, Halifax, Nouvelle-Écosse Pernet, F., R. Tremblay, E. Bourget et M. Roussy. 2000. Biochemical indicator of quality of giant scallop larvae Placopecten magellanicus. Affiche présentée au FORUM québécois en sciences de la mer, Rimouski, Canada J'exprime ici toute ma gratitude envers le prof. Edwin Bourget qui a initié, dirigé, et corrigé ce travail. Je remercie le Dr Réjean Tremblay, qui fut mon co-directeur de thèse, un copain de plongée, mais aussi un poteau et des béquilles lorsque je tombais de haut. Je remercie également le prof. Helga Guderley, pour avoir assumé la pré-lecture de cette thèse et réorienté certains aspects, et le prof. Jacques Larochelle, du département de Biologie de l'Université Laval, pour ses commentaires au moment du dépôt. Je suis très reconnaissant au Dr Jean-François Samain de l'Institut Français pour la Recherche et l'Exploration de la Mer (IFREMER) qui m'a généreusement fait part de son expertise. Je remercie le prof. Chris Langdon pour m'avoir reçu à Oregon State University (OSU) et enseigné les techniques d'alimentation artificielle. A cet égard, je suis particulièrement reconnaissant au Dr Umur Onäl pour avoir partagé ses connaissances sur le sujet. Je remercie également Eric Demers et Marie-Elise Carbonneau, du Centre de Transformation des Produits Aquatiques (CTPA), qui m'enseignèrent les techniques de chromatographie en phase gazeuse, et Réal Fournier de l'Institut des Sciences de la mer (ISMER), qui me permit d'utiliser gracieusement son sytème de production et de concentration du phytoplancton. Je suis gré à Gaetan Daigle, du département de Mathématique de l'Université Laval, pour son aide lors du traitement des données, mais surtout pour avoir été un professeur de statistique hors pair. Je suis reconnaissant au prof. Louis Fortier, du département de Biologie, pour m'avoir permis d'utiliser son Iatroscan ainsi qu'à Marlène Rousseau du département de Génie des matériaux qui a fourni les particules inertes de PVC. Par ailleurs, ce travail impliqua une aide technique considérable et indispensable. Aussi, je remercie tout d'abord ma supère woman, Eve-Julie Arsenault, qui fut à l'origine de nombreux succès en matière d'élevages larvaires et prodigua, par sa disponibilité sans limite et ses soins constants et minutieux, la matière première des expériences décrites dans ce travail. J'exprime toute ma reconnaissance à Sonia Belvin qui réalisa des coupes histologiques de

vi grandes qualités dans des délais records! Je remercie également Eric Hamelin, pour les nombreuses heures d'analyse vidéo et qui, par son enthousiasme et son implication, sut donner un second souffle à notre équipe lorsqu'elle en eut le plus besoin. Je remercie Suzanne Bourget, du centre aquacole marin de Grande-Rivière (CAMGR) au Ministère de l'Agriculture, des Pêcheries et de l'Alimentation du Québec (MAPAQ), pour avoir satisfait en tout temps des demandes souvent exigeantes et imprévisibles en phytoplancton. Je suis infiniment reconnaissant envers l'équipe des systèmes du CAMGR, Réjean Boudreau, Jacques Fournier, Charles Rochefort et John Beaudin, pour leur savoir-faire, particulièrement lorsqu'il s'agit de construire une micro-nurserie en 28 jours… Merci également à Ghislain Chapados du centre de documentation du MAPAQ pour trouver l'introuvable! Merci à George, du club nautique de Percé, pour les bons moments passés sous l'eau en quête de pétoncles et les merveilleuses pizzas du café Atlantique… Finalement, je remercie les stagiaires qui sont passés au CAMGR. Parmi eux, je suis gré à Tanguy Fandeur pour son excellent travail de cartographie hydrodynamique, ainsi qu'à Céline Fanzy, Romain Noël, Sylvain Picot, Violaine Jolly, Alexandra Poisson et Gween Tanguy pour leur participation active aux échantillonnages et aux dosages biochimiques. Je remercie également les deux amis qui m'ont suivi dans ce travail: Valérie Moreau et Mathieu Cusson. Merci aux organismes subventionnaires, le Conseil des Recherches en Pêche et en Agroalimentaire du Québec (CORPAQ), le MAPAQ, le Centre Aquacole de la Côte-Nord (CACN), la Technopole maritime et le Groupe Interuniversitaire de Recherche Océanographique du Québec (GIROQ). Merci aux papas et mamans pétoncles et moules du golfe du Saint-Laurent pour avoir donnés de beaux bébés… Merci à Pomme qui m'offre de belles promenades au grand air… Merci à mes parents qui m'ont donné le goût du grand air…

Aux grenouilles qui font le bonheur des crapauds…

Table des matières CHAPITRE 1. INTRODUCTION GENERALE

1

Généralité

1

Gamétogenèse Cycle reproducteur Nutrition et gamétogenèse Métabolisme reproducteur

2 2 5 8

Développement larvaire Cycle vital de l'œuf à la compétence larvaire Nutrition et développement larvaire Métabolisme larvaire

15 15 17 19

Fixation, métamorphose et recrutement Cycle vital de la compétence larvaire au recrutement Nutrition et recrutement Environnement et recrutement

23 23 25 27

Plan de la thèse et objectifs

35

CHAPITRE 2. BIOCHEMICAL INDICATOR OF GIANT SCALLOP (PLACOPECTEN MAGELLANICUS) QUALITY BASED ON LIPID CLASS COMPOSITION. PART I: BROODSTOCK CONDITIONING AND YOUNG LARVAE PERFORMANCE 36 Abstract

37

Introduction

38

Material and methods Animal maintenance Experimental design Laboratory analysis Data analysis

39 39 40 42 44

Results 45 Lipid class and fatty acid composition of diet 45 Gonad lipid class content and maturation 48 Lipid class composition and histological analyses 53 Lipid class content, growth and survival during embryonic and early larval development 54 Discussion 60 Gonad lipid class content and maturation 60 Lipid class content, growth and survival during embryonic and early larval development 62

ix

CHAPITRE 3. BIOCHEMICAL INDICATOR OF GIANT SCALLOP (PLACOPECTEN MAGELLANICUS) QUALITY BASED ON LIPID CLASS COMPOSITION. PART II: LARVAL GROWTH, COMPETENCY AND SETTLEMENT

64

Abstract

65

Introduction

66

Materials and methods Rearing procedures Experimental design Laboratory analysis Data analysis

67 67 68 69 70

Results Lipid class and fatty acid composition of larval diet Larval growth and survival Lipid class composition during larval cycle Larval quality Larval behavior during settlement

71 71 74 76 79 84

Discussion Lipid composition of larvae Effects of dietary triglyceride enrichment Larval quality

86 86 87 88

CHAPITRE 4. EFFECT OF ADDITIONS OF DIETARY TRIGLYCERIDE MICROSPHERES ON GROWTH, SURVIVAL AND SETTLEMENT OF MUSSEL (MYTILUS SP.) LARVAE 91 Abstract

92

Introduction

93

Materials and methods Rearing procedures Experimental design Preparation of TAG microspheres Lipid analyses Data analysis

94 94 95 97 98 99

Results Lipid classes and fatty acid composition of larval diets Microsphere ingestion by mussel larvae (Experiment 1) Effect of additions of TAG microspheres during larval development (Experiment 2) Effect of TAG microspheres on eyed larvae (Experiment 3)

100 100 100 105 110

x Discussion

113

CHAPITRE 5. SETTLEMENT SUCCESS, SPATIAL PATTERN AND BEHAVIOR OF MUSSEL LARVAE MYTILUS SP. IN EXPERIMENTAL ‘DOWNWELLING’ SYSTEMS OF VARYING VELOCITY AND TURBULENCE 117 Abstract

118

Introduction

119

Materials and methods Larval culture Experimental conditions Experimental design Larval behavior Statistical analysis and graphical representation

120 120 121 125 127 128

Results Hydrodynamic characterisation of flow Hydrodynamics and larval settlement Larval behavior

130 130 137 142

Discussion Hydrodynamic characterisation of flow Hydrodynamic effect on settlement Application of the experimental nursery

147 147 147 151

CHAPITRE 6. CONCLUSION GENERALE

152

Contributions aux connaissances acquises

152

Perspectives

155

BIBLIOGRAPHIE

157

Liste des tableaux Table 2.1. Fatty acid mass (mg g-1 dry mass) and % (relative to the sum of fatty acid mass) in adult diets A (Isochrysis sp., Pavlova lutheri and Skeletonema costatum 40/40/20), B (Isochrysis sp., P. lutheri, S. costatum and Chaetoceros muelleri 25/25/25/25) and C (Isochrysis sp. and C. muelleri 25/75) (n=5). ................................................................. 47 Table 2.2. Stepwise multiple regression analyse using lipid class composition of female ovaries as explanatory variables and maturity, atresia and size of eggs in gonad as response variables (n=49). .............................................................................................. 55 Table 2.3. Effect of broodstock treatment (diet A, B, C, site S2 and site S2 fed diet B since mid-July [S2B]) on number of eggs and survival (% determined from day 0 to 4 and 4 to 8) and size of egg and larvae (± SD when replicated). ................................................... 57 Table 2.4. (a) Results of lipid class composition (ng larvae-1), size (m) and survival (% determined from day 4 to 8) of larvae aged 8 days depending on diet (a, b and c), (b) summary of MANOVA and (c) multiple comparisons. Results are arranged in increasing order of estimated means from left to right. Groups underlined are not significantly different. Significant probabilities are in bold (p