Imunoekologické studium vztahů mezi reprodukcí, imunitou a parazitismem u sladkovodních ryb

Mgr. Karolína Rohlenová, Ph.D.

Doctoral thesis

Immunoecological study of relationships among reproduction, immunity and parasitism in cyprinid fish

Abstract:

Životní funkce poikilotermních obratlovců jsou přímo ovlivňovány abiotickým prostředím, ve kterém se tyto organismy nacházejí; přičemž jejich fyziologický a imunitní systém může být současně ovlivňován parazitickými organismy. Mezi jednotlivými složkami fyziologického a imunitního systému potenciálního hostitelského organismu rovněž existuje velmi složitý systém interakcí. Předložená dizertační práce je věnována studiu těchto interakcí z několika různých úhlů pohledu. V první části dizertační práce (studie 1) byly studovány sezónní změny vybraných fyziologických, imunitních parametrů a parasitismu u jelce tlouště (Leuciscus cephalus). Dále byly analyzovány potenciální vztahy mezi fyziologií, imunokompetencí a parazitismem. Sezónní změny významně ovlivnily dynamiku hlavních skupin mnohobuněčných cizopasníků (Monogenea, Acanthocephala a Cestoda). Statisticky významný vliv sezóny byl zaznamenán i pro fyziologické (gonado-somatický index, počet erytrocytů) a imunitní parametry (slezino-somatický index, oxidativní vzplanutí, počet leukocytů). Potvrzeny byly významné asociace mezi složkami imunity a fyziologíe hostitele, které podpořily hypotézu kompromisů v alokaci energie mezi životně důležitými složkami. Negativní vztah byl zaznamenán mezi kondičním faktorem a slezino-somatickým indexem a dále pak u samců vztah mezi gonado-somatickým indexem a imunitními parametry (slezino-somatický index a počet leukocytů). Získané výsledky naznačují význam interakcí parazitů s imunitním a fyziologickým systémem hostitele. Negativní vztah byl také zaznamenán mezi oxidativním vzplanutím a skupinou Monogenea. Navíc byla zjištěna pozitivní asociace mezi gonado-somatickým indexem a parazitickými skupinami Monogenea a Acanthocephala, která může být výsledkem imunosupresivní role steroidních hormonů, investice do nákladné reprodukce na úkor imunokompetence, či může naznačovat synchronizaci životních cyklů parazitů s reprodukčním cyklem hostitele. Na tuto práci tematicky navazovala studie 3, jejímž cílem byla analýza vztahů mezi fyziologií, imunokompetencí a parazitismem u kapra obecného (Cyprinus carpio). Dalším cílem bylo analyzovat, zda je imunokompetence u ryb jako zástupců poikilotermních obratlovců větší mírou ovlivněna sezónními změnami nebo jsou změny imunokompetence spojené s parazitární infekcí. V této studii byla testována hypotéza imunosupresivního vlivu 11-ketotestosteronu. Získané výsledky ukázaly, že sezónní změny velmi významně ovlivňují složky fyziologického a imunitního systémů poikilotermních obratlovců a rovněž dynamiku parazitární infekce. Vzájemné korelace mezi celkovou mírou investice do fyziologie a imunity byly zaznamenány rovněž po korekci pro efekt sezóny, co naznačuje potenciální existenci kompromisů mezi imunitou a fyziologií rybího hostitele. Při analýze jednotlivých fyziologických a imunitních parametrů vztah mezi imunitou a fyziologií potvrzen nebyl. Investice do jednotlivých složek fyziologického systému naznačují rozdělení na základě kompromisů, tj. negativní vztahy byly zaznamenány mezi kondičním a hepato-somatickým indexem na jedné straně a indexem gonado-somatickým na straně druhé. Tento výsledek naznačuje, že kondice ryb v průběhu reprodukce, kdy je energie přednostně akumulovaná do tkáně gonád, může klesat. Dále byla potvrzena imunosupresivní role 11-ketotestosteronu, tento steroidní hormon negativně ovlivňoval aktivitu komplementu. Výsledky studie také naznačují souvislost mezi rozmanitými životními strategiemi parazitů a jednotlivými složkami fyziologického a imunitního systému hostitele. V rámci studie 2, která zahrnovala hodnocení reprodukčních investic u samců jelce tlouště (Leuciscus cephalus) v pre-repro

Abstract:

dukčním, reprodukčním a post-reprodukčním období, bylo zjištěno, že energie je alokována mezi životně důležité složky (kondice, fyziologie a imunokompetence) na principu kompromisů. Tato energie je investována do životně důležitých složek v závislosti na aktuálních potřebách, které jsou v pre-reprodukčních, reprodukčních a post-reprodukčních periodách odlišné. V pre-reprodukčním období byl zaznamenán nejvyšší gonado-somatický a kondiční index. V následující reprodukční periodě byl zjištěn významný pokles obou těchto indexů. Tyto výsledky naznačují, že tření je pro ryby fyzicky velmi vyčerpávající a stresující období, a proto je tendencí ryb akumulovat jejich energetické rezervy. V reprodukční periodě byly zaznamenány nejvyšší hodnoty většiny analyzovaných imunitních parametrů (oxidativní vzplanutí, počet leukocytů a leukokrit). Statisticky významné rozdíly mezi pre-reprodukčním, reprodukčním a post-reprodukčním obdobím byly zaznamenány u tří skupin nejvíce početných skupin mnohobuněčných cizopasníků (Monogenea, Digenea a Cestoda). Abundance těchto skupin však dosahovala v reprodukčním období nižších hodnot, což spíše naznačuje, že zvýšené hodnoty imunitních parametrů zjištěné v tomto období byly pravděpodobně indukovány stresem spojeným s třením ryb, nebo byly asociovány s infekcí jiného původu než s mnohobuněčnými parazity. Na základě vztahů mezi kvalitou spermatokritu, exprese sekundárních pohlavních znaků (tj. třecích vyrážek) a parazitace byly v této studii nepřímo potvrzeny hypotézy „imunokompetenčního handicapu“ a „sperm protection“. V souvislosti s hormonální stimulací a chromozomální manipulací spojenou s modifikací hladiny ploidie a způsobu reprodukce u lína obecného (Tinca tinca) (studie 4) byly studovány změny ve vybraných parametrech imunitního a fyziologického systému ryb. Hormonální stimulace za účelem indukce ovulace a spermiace vyvolala významné změny v koncentraci glukózy a hemoglobinu a rovněž dvou imunitních parametrů (oxidativní vzplanutí a koncentrace lysozymu), které mohou být spojeny s tzv. sekundární stresovou reakcí či jinak indukovány (např. zvýšenou teplotou, manipulací apod.). Ploidní stav, navozený chromozomální manipulací, se projevil především v rozdílných počtech krevních elementů. Statisticky významné rozdíly v počtu erytrocytů, leukocytů a fagocytů byly zaznamenány mezi amfimiktickými diploidními a indukovanými triploidními jedinci.

Abstract:

The life functions of poikilothermic vertebrates are directly influenced by the abiotic environment in which these organisms are found. Furthermore, physiological and immune system of poikilothermic vertebrates can be affected by parasites. The interactions between the individual components of immune and physiological systems of a potential host organism are very complicated. This Ph.D. thesis is focused on the study of that kind of interactions from different points of view. The seasonal changes of certain physiological and immunological parameters and parasitism in chub (Leuciscus cephalus) were studied in the first part of the thesis (study 1). Moreover, in the study, the potential relations between physiology, immunocompetence and parasitism were analyzed. It was recorded that seasonal changes significantly influenced dynamics of the main groups of metazoan parasites (Monogenea, Acanthocephala a Cestoda). Furthermore, there was noted a statistically significant effect even for physiological (gonad-somatic index, number of erythrocytes) and immunological parameters (spleen-somatic index, respiratory burst, number of leukocytes). There were confirmed important associations between components of immunity and physiology of host organism which supported the existence of potential trade off in energy allocation between important life traits. In addition to a negative relation between condition factor and spleen-somatic index, there was also indicated a negative implication in males between gonado-somatic index and immunological parameters (spleen-somatic index and leukocyte count). The results suggest an important role of interactions of parasites with the immune and physiological system of the host. A negative correlation was also discovered between the respiratory burst and Monogenea group. Above all, a positive association of gonado-somatic index and parasite abundance of Monogenea and Acanthocephala was recorded, which can be considered either a result of immunosuppressive role of steroid hormones, investment in demanding reproduction at the expense of immunocompetence, or synchronisation of parasite life cycles with the reproduction cycle of the host. The following study 3 was focused on the analysis of the relations between physiology, immunocompetence and parasitism of common carp (Caprinus carpio). As well as that, this part of study was concerned with the immunocompetence of poikilothermic vertebrates and its susceptibility to seasonal changes in relation to parasite infection. Furthermore, the hypothesis of immunosuppressive effect of 11-ketotestosterone was tested. According to obtained results, seasonal changes significantly influence the components of physiological and immune systems of poikilothermic vertebrates, as well as dynamics of parasite infection. After a correction for seasonal effect, a correlation between a total investment into physiology and immunity was noted, which indicates a potential existence of compromises between immunity and physiology of fish host. When studying the individual immunological and physiological parameters, the relation between immunity and physiology was not found. The investments into the individual components of physiological system suggest the distribution based on trade-off, i. e. negative relations were recorded between condition and hepato-somatic index on the one hand and gonado-somatic index on the other. This suggests the decrease of fish condition during the reproduction process when the energy is preferentially accumulated into gonad tissues. Moreover, the immunosuppressive role of 11-ketotestosterone was confirmed. This steroid hormone negatively affected the activity of complement. On top of that, the results indicate a connection between different strategies of parasites and individual components of physiological and immune system of the host. In terms of the study 2, which included the evaluation of reproduction investments in chub (Leuciscus cephalus) during its

Abstract:

pre-reproduction, reproduction and post-reproduction periods, it was found that the principle of trade-off decides in which important life traits components (condition, physiology and immunocompetence) the energy is allocated. The energy investments into vitally important components depend on current needs which are in pre-reproduction, reproduction and post-reproduction periods different. During the pre-reproduction period, the highest gonado-somatic and condition index was noted. In the following reproduction period, there was recorded a significant decrease of both these indexes which indicates that spawning is physically very exhausting and stressful period, which is the reason why the fish tend to accumulate energetic reserves. During the reproduction period, the level of most analyzed immunological parameters (respiratory burst, leukocyte count and leukocrit) increased. There were noted statistically significant differences between pre-reproduction, reproduction and post-reproduction periods in three numerous groups of metazoan parasites (Monogenea, Digenea a Cestoda). Nevertheless, abundance of all the mentioned groups reached lower values during the reproduction period, which indicates that the increased immunological parameters in this period were either induced by a stress connected with spawning of the fish, or were associated with infection which resulted from a different pathogen and not from metazoan parasites. Based on the spermatocrit quality, the expression of secondary sex characteristics (i.e. spawning tubercles), and parasitism, the hypotheses of “immunocompetence handicap” and “sperm protection” were indirectly confirmed in this study. In connection with hormonal stimulation and chromosomal manipulation joined with modification of ploidy level and a way of reproduction in Tinca tinca (study 4), there were studied the changes in selected parameters of immunological and physiological systems of fish. The hormonal stimulation aimed to induction of ovulation and spermiation induced significant changes in glucose and haemoglobin concentration, as well as in two immunological parameters (respiratory burst and lysozyme concentration) that can be connected with so called secondary stress reaction or can be induced in a different way, such as increased temperature, manipulation etc. Ploidy state, induced by a chromosomal manipulation, revealed different blood elements, which statistically differed between amphimictic diploid and induced triploid individuals

Keywords

immunocompetence, parasitism, seasonal changes, trade-off, 11-ketotestosterone, ploidity level, stimulation, Cyprinidae, imunokompetence, parazitismus, sezónní změny, kompromis, 11-ketotestosteron, ploidie, stimulace, kaprovité ryby

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 10. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 4. 11. 2011
• Supervisor: doc. RNDr. Andrea Vetešníková Šimková, PhD.
• Reader: prof. RNDr. Petr Horák, Ph.D., prof. MVDr. Břetislav Koudela, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Parasitology