Polyploidizační schopnost jeseterů a její vliv na fitness

Ing. Martin HUBÁLEK

Doctoral thesis

Polyploidization capacity of sturgeons and its influence on fitness

Abstract:

Jeseteři (řád Acipenseriformes) jsou považováni za jedny z nejstarobylejších ryb dosud žijících na planetě Zemi. Evoluce těchto "živoucích fosilií" je neodmyslitelně spjata s polyploidizačními událostmi. U chovaných populací mnoha jeseteřích druhů byla navíc pozorována spontánně vznikající polyploidie, která se dle dostupných důkazů náhodně vyskytuje i ve volné přírodě. Přetrvávající sklony jeseterů vytvářet polyploidní genomy zdůrazňují genomovou plasticitu těchto ryb a činí z nich vhodné kandidáty pro výzkum polyploidie. Vlivem indukované nebo spontánně vznikající polyploidie na fitness a fyziologii jeseterů se však doposud zabývalo pouze pár studií. Rozšiřování znalostí v této oblasti má zvláštní význam, neboť může pomoci objasnit, jak neopolyploidní jeseteři prosperují v akvakultuře nebo v přírodě, odhalit vliv současných polyploidizací na chov a konzervaci jeseterů, a prohloubit vědecké poznání důsledků polyploidie pro ryby. Druhá kapitola předkládané práce přináší optimalizovaný protokol pro vytváření biologicky triploidních populací jesetera malého (Acipenser ruthenus) pomocí retence druhého pólového tělíska (RDPT) hydrostatickým tlakem. S výjimkou této práce byla doposud aplikace tohoto typu šoku u jeseterů publikována pouze u jesetera krátkorypého (Acipenser brevirostrum). Na základě zjištění naší studie lze usoudit, že šok hydrostatickým tlakem může být pro produkci 100 % triploidů vhodnější než konvenčně používaný teplý šok, a zároveň vést k dosažení vyšší líhnivosti. S jeho použitím by tedy mohlo být triploidizované potomstvo jeseterů získáváno efektivněji. Měření relativního obsahu DNA v buněčných jádrech průtokovou cytometrií patří mezi nejběžnější metody určování ploidní úrovně jeseterů, její využití bylo však doposud omezeno na analýzu nativního materiálu. Výsledkem práce, popsané ve třetí kapitole, jsou ověřené metody pro desetidenní uchování různých typů jeseteřích vzorků. Navrhované protokoly jsou jednoduše využitelné, neobsahují centrifugace a umožňují terénní vzorkování. Ve čtvrté kapitole byla zkoumána životaschopnost a růst raných vývojových stádií autopolyploidních jeseterů malých v optimální (16 °C) teplotě a teplotách suboptimálních (10 a 20 °C). Její výsledky naznačují, že biologicky triploidní jeseteři malí se od jedinců běžné ploidie (normoplodi) neliší v přežití ani růstu, a to bez ohledu na teplotu. Životaschopnost embryí získaných tetraploidizací prostřednictvím zadržení prvního mitotického dělení (ZPMD) byla naproti tomu výrazně snížena už při inkubaci v optimální teplotě, a ještě výrazněji v teplotách suboptimálních. Biologicky tetraploidní prelarvy nebyly v suboptimálních teplotách schopné přežít, což poukazuje na jejich nižší teplotní toleranci v porovnání s normoploidy a biologickými triploidy. Biologická hexaploidie je u jeseterů zřejmě letální, neboť jedinci získaní z kombinované indukce RDPT a ZPMD nepřežili prelarvální periodu v žádné z testovaných teplot. V páté kapitole této práce byl popsán zkoumaný vliv polyploidie indukované prostřednictvím RDPT na kritickou rychlost plavání, fyziologii a hematologii devítiměsíčních juvenilů dvou čistých jeseteřích druhů, jesetera malého a jesetera sibiřského (Acipenser baerii) a jejich reciprokých hybridů. Z výsledků měření kritické rychlosti plavání vyplynulo, že se RDPT-indukovaní polyploidi obou čistých druhů a hybridů ve své výkonnosti nelišili od normoploidů. Hematologická analýza odhalila, že polyploidi získaní indukcí RDPT byli z hlediska úrovní krevního hemoglobinu a hematokritu schopni plně kompenzovat nižší počet erytrocytů v porovnání s normoploidy

Abstract:

Sturgeons (order Acipenseriformes) are considered one of the most ancient groups of fish still present on Earth. The evolution of these 'living fossils' is inherently connected to polyploidization events. Moreover, spontaneously arisen polyploidy has been widely reported in farmed populations of many sturgeon species, and there is also evidence that it randomly occurs in the wild. The persistence of sturgeons for creating polyploid genomes underlines the genome plasticity of these fishes and makes them suitable candidates for polyploid research. However, only a few studies have ever investigated the effects of newly formed polyploidy on fitness or physiology of sturgeons. Broadening the scope of research is of particular interest, since it may shed light on how sturgeon neopolyploids perform in aquaculture and nature, uncover the impact of contemporary polyploidization on sturgeon farming and conservation, and contribute to scientific knowledge regarding the consequences of polyploidy on fish. The second chapter of this thesis introduced an optimized protocol for the creation of biologically triploid populations of sterlet (Acipenser ruthenus) via the second polar body retention (SPBR) achieved by hydrostatic pressure shock. Apart from the presented study, the application of this type of shock in sturgeons has only ever been reported in shortnose sturgeon (Acipenser brevirostrum). Our findings suggested that hydrostatic pressure shock can be more reliable at producing 100% triploids and yield better hatching rates than conventionally used heat shock. Its utilization may thus improve the efficiency in obtaining triploidized progeny of sturgeons. Flow cytometric analysis of relative DNA content in cell nuclei is among the most preferred techniques for the measurement of ploidy levels in sturgeons, but its application has so far been limited to the examination of fresh material. The third chapter of this thesis provided the verified methods for 10-day storage of various types of sturgeon samples - blood, finclip and larva tail tissue. The protocols proposed are easy to use, do not contain centrifugation steps and allow field sampling. The viability and growth of early developmental stages of autopolyploid sterlet kept at both optimal (16 °C) and suboptimal temperatures (10 and 20 °C) were investigated in fourth chapter. The results suggested that irrespective of temperature, biologically triploid sterlet arising from SPBR do not differ from individuals of normal ploidy (normoploids) in terms of survival and growth. The viability of embryos obtained from tetraploidization via the first mitotic division suppression (FMDS) was considerably reduced at optimal temperature and even more so at suboptimal conditions. Biologically tetraploid prelarvae were not able to survive at suboptimal temperatures, assuming their lower thermal tolerance when compared to normoploids or biological triploids. Biological hexaploidy seemed to be lethal, since the individuals obtained from the combined treatment causing both SPBR and FMDS were unable to survive the prelarval period at any temperature. In the fifth chapter of this thesis, the effects of SPBR-induced polyploidy on critical swimming speed, physiology and haematology were investigated using nine-month-old juveniles of two pure sturgeon species, sterlet and Siberian sturgeon (Acipenser baerii), and their reciprocal hybrids. SPBR-induced polyploids of both purebreds and hybrids did not differ from their normoploid counterparts in swimming performance, and the haematological analysis revealed that they were able to fully compensate for having fewer erythrocytes than normoploids in blood haemoglobin and haematocrit. Likewise, the study did not provide any evidence for SPBR-induced polyploidy affecting stress response. These results may indicate that sturgeon polyploids arising from SPBR do not suffer from any substantial physiological limitation and are as fit as their counterparts of normal p

Abstract:

. Studie rovněž nepotvrdila, že by RDPT-indukovaná polyploidie ovlivňovala stresovou odpověď. Tyto výsledky naznačují, že polyploidi jeseterů vzniklí z RDPT netrpí žádnou významnou fyziologickou limitací a po stránce fyzické zdatnosti jsou srovnatelní s jejich protějšky běžné ploidní úrovně.

Keywords

Chondrostei, polyploidie, triploidie, tetraploidie, hexaploidie, průtoková cytometrie

Language used: English

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

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Martin Flajšhans, Dr. rer. Agr.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery