Development of innovative methods for induction of European eel (Anguilla anguilla) spermatogenesis

Abstract

[ES] Resumen Como pez de gran valor económico, procedente de una de las líneas de teleósteos más antiguas, con un ciclo de vida misterioso, un potencial de acuicultura excepcional, y con importancia cultural y actividades de pesca en casi todos los países de Europa, la anguila europea posee un enorme valor socioeconómico. Este valor se suma a la desgraciada situación actual en peligro crítico de población natural de anguilas europeas. Como el ciclo de vida de la anguila aún no se ha conseguido cerrar en cautiverio, si la especie se extingue en la naturaleza, no seremos capaces de recuperarla. El cierre del ciclo de vida de la anguila europea ha sido, por lo tanto, el objetivo final de varios estudios. Sin embargo, a pesar de una investigación científica sustancial, desde la década de 1930, varios aspectos de la maduración de la anguila, como el mecanismo que bloquea la maduración de la anguila en la etapa prepúber en cautiverio, aún no se conocen bien. Por lo tanto, es necesario ampliar nuestro conocimiento sobre la reproducción de la anguila para inducir mejores hipótesis y lograr un progreso sustancial. Para profundizar en este campo, esta tesis se realizó con el objetivo específico de desarrollar métodos innovadores para la inducción de la maduración de la anguila y aumentar el conjunto de conocimientos sobre los procesos europeos de maduración de la anguila. Los procedimientos hormonales utilizados actualmente para la maduración sexual de la anguila artificial probablemente no induzcan el proceso natural de maduración. Por lo tanto, esta tesis ha evaluado el potencial de las hormonas recombinantes específicas de la anguila para inducir un proceso de maduración más natural. Este estudio específico mostró que la espermatogénesis completa y la espermiación se pueden inducir con gonadotropinas específicas de anguila recombinante; sin embargo, la calidad del gameto resultante es aún inferior a los resultados de los protocolos establecidos. Sin embargo, la utilización de hormonas recombinantes tiene un gran potencial para futuras implementaciones. Además, el experimento de gonadotropina recombinante ha generado nuevos detalles sobre el efecto de las gonadotropinas homólogas en el eje BPG de las anguilas europeas. Trabajos previos han llevado a la hipótesis de que un tratamiento térmico adecuado puede reducir o reemplazar parcialmente los tratamientos hormonales estándar para la maduración sexual de la anguila europea, o puede mejorar la calidad y / o cantidad de gametos. En esta tesis, se probó el efecto de varios regímenes térmicos en el eje BPG de machos de anguila europeos prepúberes, sin administración de hormonas. Los resultados muestran claramente que un tratamiento de agua de mar fría durante 2 semanas (10 ° C) afecta el eje BPG de los machos de anguila europeas. Los resultados específicos incluyeron un aumento en la sincronización de espermatogonias, niveles elevados de testosterona y 11-ketotestosterona en plasma, agrupamiento de muestras de transcriptomas del eje BPG del grupo tratado con agua de mar fría y posiblemente niveles aumentados de la proteína subunidad ß de la hormona luteinizante de la hipófisis. Los genes transcritos diferencialmente incluyeron varios genes, procesos y vías interesantes, que parecen estar involucrados en la maduración "natural" temprana de la anguila y que pueden ser biomarcadores adecuados para las distintas etapas de este proceso. Para un análisis adecuado de los datos transcriptómicos, se creó un transcriptoma de anguila europea de novo. Se demostró que este transcriptoma de novo posee una superior integridad al genoma de anguila europea disponible y, por lo tanto, es una herramienta útil para el análisis adicional de genes específicos. Un análisis de este transcriptoma reveló un gran número de pares de genes parálogos, que mostraron una baja divergencia entre secuencias sinónimas. Entre las hipótesis potenciales sobre e

[CA] Com a espècie de renom culinari que pertany a un dels llinatges teleostis més antics, amb un cicle vital misteriós, un potencial d'aqüicultura excepcional, i una tradició pesquera a gairebé tots els països d'Europa, l'anguila europea posseeix un enorme valor socioeconòmic. No obstant això, aquest valor només fa que augmentar la preocupació de la seva població, que actualment es troba catalogada com "en perill crític d'extinció". Atès que el cicle de vida de les anguiles encara no ha estat tancat en captivitat, l'espècie no serà salvable en el cas que s'extingeixi en estat natural, per la qual cosa tancar el cicle de vida d'aquesta espècie ha estat l'objectiu final de diversos grups d'investigació durant els últims anys.. No obstant això, i malgrat la investigació científica de qualitat duta a terme des de la dècada de 1930, encara hi han diversos aspectes de la maduració de les anguiles -com el mecanisme que bloqueja la maduració sexual de l'anguila a l'etapa pre-puberal en captivitat- que son poc coneguts en l'actualitat. Per tal d'ampliar els coneixements sobre la reproducció de les anguiles i aconseguir un progrés substancial, aquesta tesi es va dur a terme amb l'objectiu específic de desenvolupar mètodes innovadors per a la inducció de la maduració de l'anguila europea, a més de afegir-hi el coneixement en els processos de maduració bàsics d'aquesta espècie. Els procediments hormonals utilitzats actualment per a la maduració artificial de l'anguila europea no acaben d'induir el procés de maduració natural tal i com probablement es dóna a la natura. Doncs, en primer lloc, aquesta tesi va avaluar el potencial d'hormones recombinants específiques d'anguila europea per induir un procés de maduració molt més natural. Aquest estudi específic va mostrar que mitjançant estes gonadotropines específiques d'anguila europea és possible induir l'espermatogènesi i l'espermiació completes. Tot i que els resultats van mostrar que la qualitat dels gamets va ser inferior als resultats que generen els protocols establerts fins ara amb un altre tipus d'hormones (generalment d'origen humà), la utilització d'hormones recombinants específiques es presenta amb un gran potencial per a la seva implementació futura en la inducció de la maduració sexual de l'anguila europea, ja que l'estudi va generar noves idees sobre l'efecte de les gonadotropines l'eix BPG de l'anguila europea. En segon lloc, i treballant amb la hipòtesi que un tractament tèrmic adequat pot reduir o substituir parcialment els tractaments hormonals estàndards per a la maduració sexual de l'anguila europea, en aquesta tesi es va provar l'efecte de diversos règims tèrmics (sense administració d'hormones) en l'eix BPG dels mascles europeus pre-puberals amb l'objectiu de millorar la qualitat i / o quantitat dels gamets. Els resultats mostraren clarament que un tractament d'aigua de mar de 2 setmanes a baixa temperatura (10 °C) va afectar l'eix BPG dels mascles europeus d'anguila. Resultats més específics van mostrar un augment de la sincronització de les espermatogonies, elevats nivells plasmàtics de testosterona i 11-ketotestosterona, una agrupació de mostres de transcriptoma de l'eix BPG del grup tractat amb aigua de mar freda i, possiblement, un augment dels nivells de la proteïna de la subunitat ß de la hormona luteinitzant de la hipofisi. Els gens transcrits diferencials van al·ludir a diversos gens, processos i vies interessants, que semblen estar implicats en la maduració inicial de l'anguila "natural" i podrien resultar biomarcadors adequats per a les etapes d'aquest procés. No obstant això, es necessiten estudis addicionals per avaluar el potencial dels biomarcadors d'aquests gens i, de manera complementària, comprovar si un pre-tractament d'aigua de mar freda pot millorar la resposta de les anguiles europees a un tractament hormonal artificial, com suggereixen els resultats. Finalment, amb l'objectiu

[EN] As an expensive fish from one of the most ancient teleost lineages, with a mysterious life cycle, exceptional aquaculture potential, and cultural associations and fishing activity in almost every country in Europe, the European eel possess huge socioeconomic value. This value only adds to the misfortune of the current critically endangered state of the wild European eel population. As the eel lifecycle has not yet been closed in captivity, the species will not be salvable if it went extinct in the wild. Closing the life-cycle of the European eel has thus been the ultimate objective of several studies. However, despite the substantial scientific investigation, since the 1930s, several aspects of eel maturation, such as the mechanism which blocks eel sexual maturation at the pre-pubertal stage in captivity, is still poorly understood. Therefore, it is necessary to broaden our knowledge of eel reproduction to induce better hypotheses and therethrough achieve substantial progress. In order to further this field, this thesis was conducted with the specific objective of developing innovative methods for induction of eel maturation and add to the pool of knowledge of European eel maturation processes. The hormonal procedures currently used for artificial eel sexual maturation are probably not inducing the natural maturation process. Therefore, this thesis has evaluated the potential of eel specific recombinant hormones to induce a more natural maturation process. This specific study showed that full spermatogenesis and spermiation can be induced with recombinant eel specific gonadotropins; however, the resulting gamete quality is still inferior to the results of established protocols. Nevertheless, the utilization of recombinant hormones holds a large potential for future implementation. Furthermore, the recombinant gonadotropin experiment has generated novel insights into the effect of homologous gonadotropins on the BPG axis of European eels. Previous work has led to the hypothesis that the right thermal environmental treatment may reduce or partially replace the standard hormonal treatments for sexual maturation of European eel, or may improve gamete quality and/or quantity. In this thesis, the effect of various thermal regimes was tested on the BPG axis of pre-pubertal European eel males, without administration of hormones. The results clearly show that a 2 week cold (10 °C) seawater treatment effects the BPG-axis of European eel males. Specific results included an increase in the synchronization of spermatogonial cells, elevated testosterone and 11-ketotestosterone plasma levels, clustering of BPG-axis transcriptome samples from the cold seawater treated group and possibly increased levels of pituitary luteinizing hormone ß-subunit protein. Differentially transcribed genes alluded to several interesting genes, processes, and pathways, which appears to be involved in early "natural" eel maturation and may prove to be suitable biomarkers for the stages of this process. In order for proper analysis of the transcriptomic data, a de novo European eel transcriptome was assembled. This de novo transcriptome was proven to have superior completeness to the available European eel genome and is thus a useful tool for further analysis of specific genes. An analysis of this transcriptome revealed a large number of paralog gene pairs, which showed low synonymous sequence divergence. Among the potential hypothesis regarding the origin of these paralog gene pairs, the hypothesis of a 4R whole genome duplication is among the most parsimonious. Several of these duplicated genes were involved in reproduction and the onset of puberty. Regardless of the origin, further analysis of these genes may reveal eel specific adaptations, which could help to better understand the exceptional reproductive system of eels.