Exposure to an environmentally relevant concentration of chlorpyrifos induces transcriptional changes and neurotoxicity in Poecilia gillii without clear behavioral effects

Abstract

Overusing chlorpyrifos (CPF) in tropical countries such as Costa Rica poses a potential risk to freshwater ecosystems. This study investigated the effects of transient exposure to an environmentally relevant CPF concentration on the native fish species Poecilia gillii, employing a comprehensive approach that evaluated multiple levels of biological organization. Using RT-qPCR, we quantified transcript changes in genes involved in various biological processes, including inflammation and apoptosis; annexin A1 (anxa1b), cytokine regulation; cytokine-inducible SH2-containing protein (cish), redox reactions; NADH oxidoreductase subunit A2 (ndufa2), protein translocation; Sec61 gamma subunit (sec61g), and biotransformation; glutathione S-transferase rho (gstr). Additionally, we measured biochemical biomarkers such as phase I; 7-ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) and phase II; glutathione S-transferase (GST) biotransformation enzymes, oxidative stress markers; catalase (CAT) and lipid peroxidation (LPO), and conducted behavioral tests to assess swimming fitness and antipredator reactions. Neurotoxicity was assessed by measuring brain and muscle tissue cholinesterase (ChE) activity. Following 48 h of exposure to 5.5 µg/L CPF, we observed significant downregulation of the sec61g and gstr genes, decreased CAT activity, and neurotoxic effects, as indicated by reduced ChE activity in muscle. Although no significant behavioral changes were detected, our results suggest that short-term exposure to environmentally relevant CPF concentrations can disrupt gene expression, compromising biotransformation and protein synthesis in P. gillii juveniles. Moreover, the observed neurotoxicity, which is consistent with the mechanism of action of CPF, may lead to subtle behavioral changes. This study provides evidence of the sublethal effects of CPF on nontarget organisms, highlighting the importance of considering gene expression changes when assessing CPF toxicity.El uso excesivo de clorpirifos (CPF) en países tropicales como Costa Rica supone un riesgo potencial para los ecosistemas de agua dulce. Este estudio investigó los efectos de la exposición transitoria a una concentración de CPF ambientalmente relevante en la especie de pez nativo Poecilia gillii, empleando un enfoque integral que evaluó múltiples niveles de organización biológica. Mediante RT-qPCR, se cuantificaron los cambios en la transcripción de genes implicados en varios procesos biológicos, como la inflamación y la apoptosis. procesos biológicos, incluyendo inflamación y apoptosis; anexina A1 (anxa1b), regulación de citoquinas; proteína SH2 inducible por citoquinas (cish), reacciones redox; subunidad A2 de la NADH oxidorreductasa (ndufa2), translocación de proteínas; subunidad gamma Sec61 (sec61g), y biotransformación; glutatión S-transferasa rho (gstr). Además, medimos biomarcadores bioquímicos como la fase I; 7-etoxiresorufina-O-deetilasa (EROD) y la fase II; enzimas de biotransformación de la glutatión S-transferasa (GST), marcadores de estrés oxidativo; catalasa (CAT) y peroxidación lipídica (LPO), y se realizaron pruebas de comportamiento para evaluar la aptitud para nadar y las reacciones contra los depredadores. La neurotoxicidad se evaluó midiendo la actividad de la colinesterasa (ChE) en el tejido cerebral y muscular. Tras 48 h de exposición a 5,5 μg/L de CPF, observamos una regulación a la baja significativa de los genes sec61g y gstr, una disminución de la actividad de la CAT y efectos neurotóxicos, como indicaba la reducción de la actividad de la ChE en el músculo. Aunque no se detectaron cambios significativos en el comportamiento, nuestros resultados sugieren que la exposición a corto plazo a concentraciones de CPF relevantes para el medio ambiente puede alterar la expresión génica, comprometiendo la biotransformación y la síntesis de proteínas en los juveniles de P. gillii. Además, la neurotoxicidad observada, que concuerda con el mecanismo de acción del CPF, puede provocar cambios sutiles en el comportamiento. Este estudio aporta pruebas de los efectos subletales del CPF sobre organismos no diana, destacando la importancia de tener en cuenta los cambios en la expresión génica a la hora de evaluar la toxicidad del CPF.