Vliv polyploidizace a hybridizace na fyziologii reprodukce u ryb

Mgr. Tomáš TICHOPÁD

Doctoral thesis

The effect of polyploidization and hybridization on reproductive physiology in fish

Abstract:

Sexual reproduction is one of the most common traits of eukaryotes and one of the most debated topics in biology. It involves complicated gene regulatory networks coordinating meiotic division, recombination, and the production of haploid gametes. Although these pathways are highly conserved, they have been repeatedly modified in many ways throughout the evolution of life forms. Interspecific hybridization and polyploidization are well known to alter the reproductive potential of an individual, and both phenomena are commonly linked with the so-called asexuality, i.e., the production of (partly) clonal gametes. Asexuality has attracted considerable attention as an excellent model to study the evolutionary dis/advantages of sex. Because of numerous associations with polyploidy, asexuals have also been considered as potential missing links in the formation of polyploid species. Nevertheless, asexual eukaryotic lineages are not an easily definable group. They are distributed throughout the tree of life and employ a broad spectrum of independently arisen mechanisms for gamete production. These mechanisms can noticeably differ even between closely related taxa, ranging from entirely ameiotic processes to those involving distorted meiotic divisions, which have different evolutionary consequences for each asexual lineage. It is therefore vital to understand whether there are any general rules followed in the processes leading to the abandonment of sexual reproduction or induction of sterility. This thesis investigates the effect of hybridization and polyploidy on reproductive modifications in several fish taxa. The first investigation was focused on the regulation of unreduced gamete production in asexual allotriploid females of Cobitis elongatoides-taenia-taenia. Naturally, it is accomplished via premeiotic endoreduplication (PMER) and followed by the pairing of sister chromatids. It has been discovered that the regulation of PMER is a female's exclusive trait, but the PMER execution depends on germ cell hybrid origin. Therefore, the asexuality phenotype in Cobitis is linked to phenotypic sex differentiation. Secondly, the spermatozoa characteristics of F1 hybrids of common carp and gibel carp were examined to evaluate morphological malfunctions. Males showed classical hybrid dysgenesis as their reproductive potential was negatively affected by the hybridization event, probably due to the high divergence between species. Although most of the spermatozoa were aneuploid or polyploid, a small fraction of spermatozoa was capable of fertilization and gave rise to F2 hybrid offspring. Thirdly, germ cells of ancestral hybrid Poecilia formosa were examined to confirm the PMER pathway; however, it was discovered that this species only initiates first meiotic genes, but meiosis itself is skipped. Therefore, P. formosa represents a rare exception to apomixis in fish taxa. Finally, a successful and effective protocol for triploid zebrafish production was established. Although the primary goal of this protocol was the establishment of sterile recipients for transplantation purposes, it represents an excellent opportunity for research of autopolyploidization effect on sex differentiation as all produced triploid zebrafish were confirmed as males.

Abstract:

Pohlavní rozmnožování je jedním z nejběžnějších rysů eukaryot a také jedním z nejdiskutovanějších témat v biologii. Zahrnuje komplikované genové regulační sítě koordinující meiotické dělení, rekombinaci a produkci haploidních gamet. Ačkoli jsou tyto dráhy vysoce konzervované, byly v průběhu evoluce opakovaně mnoha způsoby modifikovány. Je dobře známo, že mezidruhová hybridizace a polyploidizace mění reprodukční potenciál jedince a oba jevy jsou běžně spojeny s asexualitou, tj. produkce klonálních gamet. Asexualita přitáhla značnou pozornost jako vynikající model pro studium evolučních výhod a nevýhod sexuálního rozmnožování a kvůli četným asociacím s polyploidií byly asexuální organismy také považováni za potenciální chybějící články při tvorbě polyploidních druhů. Nicméně asexuální eukaryotické linie nejsou snadno definovatelnou skupinou. Jsou distribuovány po celém stromu života a využívají široké spektrum nezávisle vzniklých mechanismů pro produkci klonálních gamet. Tyto mechanismy se mohou znatelně lišit i mezi blízce příbuznými taxony, od zcela ameiotických procesů po procesy zahrnující signifikantní modifikace v meiotickém dělení, které mají různé evoluční důsledky pro každou asexuální linii. Je proto důležité porozumět tomu, zda existují nějaká obecná pravidla v procesech vedoucích k opuštění sexuálního rozmnožování nebo indukci sterility. Tato práce zkoumá vliv hybridizace a polyploidie na modifikace gametických buněk u několika taxonů ryb. První výzkum byl zaměřen na regulaci produkce neredukovaných gamet u asexuálních allotriploidních samic Cobitis elongantoides-taenia-taenia. Přirozeně je toho dosaženo prostřednictvím premeiotické endoreduplikace (PMER) a následným párováním sesterských chromatid. Bylo zjištěno, že regulace PMER je výlučným znakem samic, ale provedení PMER závisí na hybridním původu zárodečných buněk. Z tohoto důvodu je fenotyp asexuality u sekavců spojen s fenotypovou diferenciací pohlaví. Za druhé byly zkoumány charakteristiky spermií F1 hybridů kapra obecného a karase stříbřitého za účelem vyhodnocení morfologických poruch spermií. Samci vykazovali klasickou hybridní dysgenezi, protože jejich reprodukční potenciál byl negativně ovlivněn hybridizací pravděpodobně kvůli velké divergenci mezi druhy. Ačkoli většina spermií byla aneuploidní nebo polyploidní, malá část spermií byla schopna oplození a dala vzniknout F2 generaci. Za třetí byly zkoumány zárodečné buňky ancestrálního hybrida Poecilia formosa za účelem popsání PMER dráhy, nicméně bylo zjištěno, že tento druh pouze exprimuje počáteční meiotické geny, ale samotná meióza neprobíhá. Proto P. formosa představuje vzácnou výjimku apomixie u ryb. Nakonec byl publikován protokol zaměřený na produkci triploidních zebřiček Danio rerio. Přestože hlavním cílem této práce bylo vytvoření sterilních recipientů pro účely transplantace zárodečných buněk, triploidní zebřičky rovněž představují vynikající příležitost pro studium vlivu autopolyploidizace na sexuální diferenciaci, neboť všechny triploidní zebřičky byly potvrzeny jako samci.

Keywords

reprodukce, sterilita, asexualita, meióza, endoreduplikace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 8. 2022

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Martin Pšenička, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery