Dýchání spermií ryb: druhová specifičnost a vliv teploty prostředí

MSc. Deepali RAHI

Doctoral thesis

Fish sperm respiration: species specificity and effect of environmental temperature

Abstract:

The presented studies were designed to investigate the role of mitochondrial respiration, glycolysis, and fatty acid oxidation in the energy supply of spermatozoa in freshwater, externally fertilizing fish species possessing differences in sperm motility duration and spawning temperature. The first study conducted on Siberian sturgeon (Acipenser baerii, Acipenseriformes) revealed that mitochondrial respiration is essential for the energy supply of spermatozoa, while glycolysis and fatty acid oxidation have minor importance at both states - before and after attaining motility. Spermatozoon oxygen consumption rate (OCR) was higher than one detected for coldwater teleosts, such as trout, and lower than in marine species, for example, turbot. The presented study also revealed that sturgeons belong to the group of fishes whose spermatozoa possess the capacity to enhance oxidative metabolism after motility activation and uncoupling of oxidative phosphorylation (OXPHOS). In the second study conducted on spermatozoa of coldwater species burbot (Lota lota, Gadiformes), the functioning of the most important bioenergetic pathways (mitochondrial respiration, glycolysis, and fatty acid oxidation) was investigated at spawning temperature (4 °C) and maximum critical temperature (CTmax, 15 °C). At spawning temperature, similar to the results revealed for Siberian sturgeon spermatozoa, the role of glycolysis and fatty acid oxidation in energy supply was insignificant. Mitochondrial respiration was detectable at both quiescent and motile states, but no inhibition was observed after exposure of sperm to the respiratory inhibitor. Also, the OCR range was the lowest compared to the available data for OCR in teleost spermatozoa at motile or immotile state. Additionally, the OCR was not enhanced after motility activation or after treatment with an uncoupling agent. Contrastingly, at CTmax, the activity of OXPHOS became predominant. The OCR was enhanced, and that could be inhibited by using a respiratory inhibitor. Furthermore, to explore the long-lasting motility of sturgeon spermatozoa, succeeding steps were taken by studying the phosphocreatine-creatine (PCr-Cr) shuttle system apart from the previously studied pathways - OXPHOS, glycolysis, and fatty acid oxidation. The results obtained for sterlet (A. ruthenus, Acipenseriformes) revealed that PCr-Cr shuttle, known for maintaining a homogenous concentration of ATP molecules throughout the flagellar length, plays an active role while spermatozoa are at a quiescent state. No significant contribution of this shuttle in energy supply after sterlet sperm motility activation was detected. In addition to this, presented results also revealed that sturgeon spermatozoa, similar to carp and trout sperm, can be reactivated after the termination of the first motility period, and these secondly activated spermatozoa can successfully fertilize eggs. Moreover, for the first time, it was revealed that OXPHOS and PCr-Cr shuttle systems are the most crucial bioenergetic pathways during the sperm reactivation process. Overall, it was concluded that in the studied fish species, despite taxonomical differences or varying spawning temperature , sperm energy production and utilization strategy remained the same: most of the spermatozoon energy was derived from stored ATP that had been synthesized via OXPHOS during a quiescent but bioenergetically active state. Also, sturgeons are the group of fishes that possess an ability of sperm reactivation, with mitochondrial respiration and PCr-Cr shuttle system being the major contributing pathways for energy supply during reactivation process.

Abstract:

Tyto studie byly navrženy tak, aby zkoumaly roli mitochondriální respirace, glykolýzy, a oxidace mastných kyselin v energetickém zásobování spermatu u sladkovodních druhů ryb s vnějším oplozením lišících se rozdílnou délkou trvání motility spermatu a teplotou tření. První studie provedená na jeseterovi sibiřském (Acipenser baerii, Acipenseriformes) odhalila, že mitochondriální respirace je nezbytná pro zásobování spermatu energií, zatímco glykolýza a oxidace mastných kyselin mají menší význam jak před tak i po dosažení motility. Míra spotřeby kyslíku u spermatu (OCR) byla vyšší než u chladnomilných druhů, jako je např. pstruh, a nižší než u mořských druhů, například kambaly. Předložená studie také odhalila, že jeseteři patří do skupiny ryb, jejichž spermie mají schopnost zvýšit oxidační metabolismus po aktivaci motility a odpojit oxidační fosforylaci (OXPHOS). Ve druhé studii provedené na spermiích chladnomilného druhu mníka (Lota lota, Gadiformes) bylo zkoumáno fungování nejdůležitějších bioenergetických drah (mitochondriální dýchání, glykolýza a oxidace mastných kyselin) za teploty tření (4 °C) a maximální kritické teploty (CTmax, 15 °C). Při teplotě tření, podobně jako u spermií jesetera sibiřského, byla úloha glykolýzy a oxidace mastných kyselin v dodávce energie nevýznamná. Mitochondriální dýchání bylo detekovatelné v klidovém i pohyblivém stavu, ale po expozici spermatu inhibitoru dýchání nebyla pozorována žádná inhibice. Také rozsah OCR byl nejnižší ve srovnání s dostupnými údaji pro OCR u spermií Teleostů v pohyblivém nebo nepohyblivém stavu. Kromě toho nebyl OCR zvýšen po aktivaci motility nebo po ošetření odpojovacím činidlem. Naproti tomu při CTmax se aktivita OXPHOS stala dominantní. Míra spotřeby kyslíku byla zvýšena a mohla být inhibována použitím inhibitoru respirace. Dále, abychom mohli prozkoumat dlouhodobou motilitu spermatu jeseterů, jsme se zaměřili na na studium fosfokreatin-kreatinového (PCr-Cr) shuttle systému vedle předtím dříve studovaných drah - OXPHOS, glykolýzy a oxidace mastných kyselin. Výsledky získané u jesetera malého (A. ruthenus, Acipenseriformes) odhalily, že PCr-Cr kyvadlo, známé pro udržování homogenní koncentrace molekul ATP po celé délce bičíku, hraje aktivní roli, zatímco jsou spermie v klidovém stavu. Nebyl detekován žádný signifikantní příspěvek tohoto kyvadla v dodávání energie po aktivaci motility spermatu. Kromě toho prezentované výsledky také odhalily, že spermie jesetera, podobně jako spermie kapra a pstruha, mohou být po ukončení prvního období motility reaktivovány a tyto podruhé aktivované spermie mohou úspěšně oplodnit jikry. Navíc bylo poprvé odhaleno, že OXPHOS a PCr-Cr shuttle systémy jsou nejdůležitější bioenergetické dráhy během procesu reaktivace spermií. Obecně shrnuto, u studovaných druhů ryb navzdory taxonomickým rozdílům a rozdílné výtěrové teplotě zůstala produkce a využití energie spermatu stejné: většina energie spermií byla dodávána ze skladovaného ATP, který byl syntetizován prostřednictvím OXPHOS během klidového ale bioenergeticky aktivního stavu. Jeseteři jsou také skupinou ryb, která má schopnost reaktivace spermatu, přičemž mitochondriální dýchání a kyvadlový systém PCr-Cr jsou hlavními mechanismy pro dodávku energie během procesu reaktivace

Keywords

fish, sperm, motility, bioenergetics, oxidative phosphorylation, glycolysis, fatty acid oxidation, reactivation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 3. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 30. 3. 2022
• Supervisor: MSc. Viktoriya Dzyuba, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery