Optimalizace chromozómových manipulací u jeseterovitých ryb

MSc. Ievgen LEBEDA

Doctoral thesis

Optimization of chromosomal manipulations in Acipenserids.

Abstract:

Vysoce výnosný trh s černým kaviárem a decimování divoce žijících populací jeseterů v následku vedou ke zdokonalování akvakultury těchto druhů. Chromozomové manipulace, a v jejich rámci obzvláště gynogeneze se nachází v centru pozornosti jako způsob, jak změnit poměr samic a samců v potomstvu. Tato studie byla zaměřena na optimalizaci chromozomových manipulací u jeseterů, a to především na gynogenezi. Byly analyzovány důvody nízké míry přežití a optimalizovány zásadní kroky k indukci gynogeneze. Dále byly prozkoumány alternativní způsoby inaktivace DNA spermatu, stejně jako vliv přirozených mechanismů reparace DNA závislých na světle na výsledky indukce gynogeneze. Byly navrženy metody využití mezidruhové gynogeneze pro zjednodušení separace gynogenetického potomstva. Spektrofotometrický výzkum byl použit ke zjištění schopnosti UV světla, jako nejběžnějšího prostředku inaktivace DNA, k proniknutí do vzorku spermatu. Dále, výzkum motility ozářených spermií a výsledky parciální indukce gynogeneze ukázaly, že nízká transparentnost spermií pro UV světlo může způsobit významnou heterogenitu UV ozáření. V důsledku toho bylo navrženo vhodné naředění spermií, jako zásadní krok pro homogenní UV ozáření vzorku. Gynogeneze jesetera malého byla indukována použitím chemických látek, které poškozují DNA spermií jako alternativa k UV ozařování pro účely hromadné produkce gynogenů. Všechny testované substance ukázaly schopnost inaktivovat DNA spermií a produkovat gynogeny. Nicméně byl pozorován negativní dopad ošetření chemickými látkami na motilitu spermií. Následně tyto typy ošetření měly nízkou účinnost indukce gynogeneze. Nejvyšší procento produkovaných gynogenetických larev 19,8 ? 8,9 % bylo získáno při ošetření spermatu aminomethyl-4,5',8-trimethylpsoralenem v koncentraci 50 ?M, následovaném ozářením UV - A (360 nm) o dávce 900 J/m2. Tento typ ošetření by mohl být využíván jako náhrada běžně používaného UV-C záření, například při ošetření velkého objemu spermatu. Podrobný výzkum fotoreaktivace spermií jeseterů odhalil významnou míru na světle závislé reparace DNA spermií ozářených vysokými dávkami UV-C světla. Indukce gynogeneze s použitím spermií ozářených UV-C zářením a vystavených viditelnému světlu měla za následek významné odchylky od typického Hertwigova efektu. Naproti tomu, červené světlo s vlnovou délkou větší než 600 nm nevedlo ke snížení poškození DNA, místo toho byl nalezen mírný nárůst poškození DNA, tzv. že se neindukovala fotoreaktivace. Proto bylo během indukce gynogeneze navrženo použití infračerveného světla k osvětlení pracovních míst. Použití mezidruhové gynogeneze, a to zejména využití gamet jeseterovitých druhů s různou úrovní ploidie bylo navrženo jako způsob jak zjednodušit separaci gynogenů. Kromě toho aplikace této metody umožňuje odděleně zkoumat efektivnost DNA inaktivace a obnovu ploidní úrovně stejně jako při posouzení fitness parametrů a přežití v každé skupině potomstva bez fyzické separace ryb. Rovněž byla provedena optimalizace protokolu tetraploidizace jesetera malého pro budoucí uplatnění tetraploidních jedinců s diploidními jikrami a spermiemi při indukci gynogeneze a androgeneze. Závěrem lze konstatovat, že popsané metody a protokoly dovolují indukovat gynogenezi u jeseterů s dostatečnou mírou přežití pro akvakulturu, s přihlédnutím k jejich vysoké plodnosti, i když je potřeba pokračovat v provádění dalších studií o dalších dopadech tohoto zásahu na rybí organismus.

Abstract:

Highly profitable black caviar market and the depletion of wild sturgeon stocks warrant improvements in sturgeon aquaculture. Therefore, chromosomal manipulations, particularly gynogenesis, are focused on for increasing the ratio of females over males in progeny. The present study focused on optimizing chromosomal manipulations in sturgeons, particularly gynogenesis. The reasons of low survival rates were analyzed and the critical steps of gynogenesis induction processes were optimized. In addition, alternative ways of DNA inactivation in sperms were investigated, as well as the influence of native light-dependent DNA repair mechanisms on gynogenesis induction. Methods of interspecific gynogenesis usage for simplifying gynogenetic progeny separation were also proposed. Spectrophotometry analysis was used to investigate the ability of UV light, as the most common DNA inactivating agent, to penetrate into sperm. In addition, investigation of UV-irradiated sperm motility and results of partial gynogenesis induction showed that low transparency of sperms for UV-light can cause significant heterogeneity of UV-irradiation. As a result, a proper dilution of sperm was suggested as a critical step for homogeneous UV-irradiation of samples. Gynogenesis in sterlet was induced with chemical agents that damage sperm DNA, as an alternative to UV irradiation for applied in large-scale production of gynogenotes. All tested substances showed ability to inactivate DNA in spermatozoa, and thus producing gynogenotes. Negative impact of treatments with chemical agents on the sperm motility was observed. Subsequently, these treatments had a low efficiency of gynogenesis induction. The highest percentage of produced gynogenetic larvae 19.8 ? 8.9% was obtained by treatment with aminomethyl-4,5?,8-trimethylpsoralen (AMT) at 50 ?M followed by UV-A (360 nm) irradiation at dose of 900 J/m2. Therefore, this treatment could be used as a substitute for commonly used UV-C irradiation, e.g., in the case of large volumes of sperm. Detailed investigation of photoreactivation in sturgeon sperm revealed a significant level of light-dependent DNA restoration in sperms irradiated with high doses of UV-C light. Induction of gynogenesis with UV-C irradiation followed by exposure to visible light resulted in significant deviations from the typical Hertwig effect. In contrast, the red light with a wavelength of more than 600 nm did not result in decreased DNA damage, instead a moderate increase in damage was observed, i.e., it did not induce photoreactivation. Therefore, the use of infrared light to illuminate work stations during the induction of gynogenesis is suggested. The use of interspecific gynogenesis, particularly gametes of sturgeon species with different ploidy levels, was suggested as a way to simplify the separation of gynogenotes. In addition, application of this method allowed studying the effectiveness of DNA-inactivation and ploidy restoration treatments separately, as well as evaluation of fitness parameters and survival rates in each group of progeny without the physical separation of fish. Finally, the protocol for tetraploidization in sterlet was optimized for the prospective using tetraploid individuals for the induction of gynogenesis and androgenesis with diploid eggs and sperm. In conclusion, the described methods and protocols allowed gynogenesis induction in sturgeons with a survival rate sufficient for aquaculture, taking into consideration their high fertility, although further studies of the consequences of this treatment on fish is required.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 9. 2014

Accessible from:: 11. 9. 2014

Thesis defence

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery