Development and Application of Techniques for the Control of Captive Breeding in Elasmobranchs

Abstract

[ES] Los tiburones y rayas aparecieron hace 420 millones de años, conformando el antiguo y ecológicamente diverso, grupo de vertebrados acuáticos conocido como elasmobranquios. Este variado grupo posee unas estrategias vitales que los hace muy vulnerables a los cambios rápidos del entorno, como los derivados de la acción antrópica. Pese a ser elementos clave en la regulación de los ecosistemas en los que habitan, en la actualidad, se trata de uno de los grupos vertebrados más amenazados del planeta. Paralelamente a la conservación in situ, los programas de conservación ex situ se pueden utilizar para mejorar la situación de algunas especies sensibles. Entre estos programas, los planes de cría en cautividad aumentarían la sostenibilidad de acuarios públicos y centros de investigación, además de permitir el desarrollo de estrategias de conservación en estado salvaje. Sin embargo, para que sean efectivos, estos planes deberían incluir el uso de técnicas de reproducción asistida. Desafortunadamente, estas técnicas apenas se han desarrollado en el pasado, por lo que su utilidad no se ha demostrado adecuadamente. Esta tesis aborda el uso de técnicas de reproducción en elasmobranquios, con énfasis en la obtención y preservación del esperma. Inicialmente, se centró en dos especies modelo, Scyliorhinus canicula y Raja radula, pero luego se incluyeron otras especies. Esto reveló variabilidad en las estructuras reproductivas, lo que puede afectar la eficacia y calidad de las técnicas. Los capítulos 1 y 2 se enfocaron en catalogar y describir estas estructuras en diversas especies, destacando las mejores prácticas de obtención de gametos e inseminación. La conservación a corto, medio y largo plazo del esperma es esencial para planes ex situ, reduciendo el transporte de machos, conflictos durante el cortejo y endogamia. El Capítulo 3 detalla fórmulas para mantener el esperma fresco y un medio para su supervivencia por más de 30 días. Luego, se describe la criopreservación del esperma de varias especies de rayas y tiburones mediante crioprotectores. El Capítulo 4 aborda desafíos en la manipulación de espermatozoides elasmobranquios debido a su morfología helicoidal y la formación de agregaciones llamadas espermatozeugma. Se resalta la importancia de la viscosidad en las técnicas de reproducción asistida. En la Discusión, se compara la eficacia de los métodos y se exploran nuevas oportunidades al tener acceso a diversas especies. Esto incluye descripciones detalladas con análisis de imagen, evaluación de viscosidad y agregados en la preservación, y la consideración de inseminaciones artificiales.

[CA] Els taurons i les ratjades van aparèixer fa 420 milions d'anys, formant el grup conegut com a elasmobranquis. Aquest grup divers posseeix estratègies vitals que els fan molt vulnerables als canvis ràpids de l'entorn. Malgrat ser elements clau en la regulació dels ecosistemes on habiten, actualment són un dels grups més amençats del planeta. Els programes de conservació ex situ es poden utilitzar per millorar la situació d'algunes espècies. Entre aquests programes, els plans de cria en captivitat augmentarien la sostenibilitat dels aquaris públics i els centres de recerca, a més de permetre el desenvolupament d'estratègies de conservació a l'estat salvatge. No obstant això, aquests plans haurien d'incloure l'ús de tècniques de reproducció assistida. Desafortunadament, aquestes tècniques gairebé no s'han desenvolupat en el passat.

Davant d'aquesta situació, aquesta tesi pretén omplir certes mancances en el coneixement sobre l'ús d'aquestes tècniques en diverses espècies d'elasmobranquis. La nostra investigació va començar centrant-se especialment en dues espècies model, el tauró gat Scyliorhinus canicula i la ratjada peluda Raja radula, però al llarg de l'estudi es va aconseguir tenir accés a altres espècies. Aquest accés ens va permetre ser conscients de la gran variabilitat en la disposició de les estructures del sistema reproductor. Malgrat que en la literatura hi ha descripcions generals i, en ocasions, detallades dels sistemes reproductors de certes espècies, aquestes descripcions mai s'han centrat en l'aplicació pràctica de les tècniques de reproducció assistida. Per aquest motiu, els capítols 1 i 2 es van centrar en la catalogació i descripció de les diferents estructures d'espècies que abasten un ampli espectre taxonòmic. La conservació de l'esperma juga un paper clau per poder desenvolupar plans de conservació en condicions ex situ. Disposar d'esperma de qualitat permet limitar el transport de mascles entre institucions, minimitzar problemes derivats de la manca de sincronia entre adults reproductors, reduir conflictes durant èpoques d'aparellament i reduir l'endogàmia. El tercer capítol es centra en com es van desenvolupar i provar diferents fórmules per aconseguir el manteniment en fresc de l'esperma, fins a aconseguir un medi on diluir l'esperma capaç de mantenir-lo amb vida durant més de 30 dies. Posteriorment, mitjançant l'addició de diversos crioprotectors (ou, DMSO i metanol) en diverses concentracions, s'explica com es va aconseguir la criopreservació de l'esperma de diverses espècies de ralles i, per primer cop, la criopreservació de l'esperma de diverses espècies de taurons. Un dels primers obstacles que es van detectar en treballar amb els espermatozoides es va deure a la morfologia d'aquestes cèl·lules en comparació amb les d'altres espècies. El cap dels espermatozoides presenta una forma helicoidal, amb un nombre variable de voltes en funció de l'espècie. A més, en moltes ocasions les cèl·lules no apareixen lliures en el fluid seminal, sinó que formen agregacions estructurades anomenades espermatotzeugma. Al llarg del capítol 4 s'explora com aquestes dues característiques sorgeixen com a resultat de la fecundació interna i les característiques mecàniques del medi en què han de realitzar la seva funció. Per primer cop, es pot observar com les cèl·lules reaccionen davant mitjans amb diferents propietats, posant de relleu la importància de la viscositat en l'aplicació de tècniques de reproducció assistida. Finalment, a la discussió, es compara l'eficàcia dels mètodes emprats i s'explora nous camins d'acció sorgits de tenir accés a més individus de diferents espècies. Això inclou la possibilitat de fer descripcions detallades mitjançant tècniques d'anàlisi d'imatge, avaluar la importància de la viscositat i els agregats en els processos de preservació i la possibilitat de realitzar inseminacions artificials.

[EN] Sharks and rays emerged 420 million years ago, forming the ancient and ecologically diverse group of aquatic vertebrates known as elasmobranchs. This diverse group possesses vital strategies that make them highly vulnerable to rapid environmental changes, such as those resulting from human activities. Despite being key elements in the regulation of the ecosystems they inhabit, they are currently one of the most threatened vertebrate groups on the planet. In parallel with in-situ conservation efforts, ex-situ conservation programs can be used to improve the status of some sensitive species. Among these programs, captive breeding plans would enhance the sustainability of public aquariums and research centers, as well as enable the development of conservation strategies in the wild. However, for these plans to be effective, they should include the use of assisted reproduction techniques. Unfortunately, these techniques have been scarcely developed in the past, and their utility has not been adequately demonstrated. This thesis addresses the use of reproduction techniques in elasmobranchs, with an emphasis on sperm retrieval and preservation. Initially, it focused on two model species, Scyliorhinus canicula and Raja radula, but later, other species were included. This revealed variability in reproductive structures, which can affect the effectiveness and quality of the techniques. Chapters 1 and 2 focused on cataloging and describing these structures in various species, highlighting best practices for gamete retrieval and insemination. The short, medium, and long-term conservation of sperm is essential for ex-situ plans, reducing the need for transporting males, conflicts during courtship, and inbreeding. Chapter 3 details formulas for maintaining sperm freshness and a medium for its survival for over 30 days. Subsequently, sperm cryopreservation in several species of rays and sharks is described using cryoprotectants. Chapter 4 addresses challenges in handling elasmobranch sperm due to its helical morphology and the formation of aggregates called spermatozeugma. The importance of viscosity in assisted reproduction techniques is emphasized. In the Discussion, the effectiveness of the methods is compared, and new opportunities are explored by having access to various species. This includes detailed descriptions with image analysis, viscosity assessment, and aggregate preservation, as well as the consideration of artificial inseminations.