Cuantificación y análisis de la transferencia de espermatozoides en Ceratitis capitata (Diptera: Tephritidae): Aplicaciones en programas de la Técnica del Insecto Estéril

Abstract

[ES] La familia Tephritidae constituye un grupo de dípteros de gran interés económico debido a que incluye especies consideradas plagas en casi todas las áreas frutícolas del mundo. Entre las especies de tefrítidos citadas en España, se encuentra Ceratitis capitata, la mosca de la fruta del Mediterráneo, plaga de gran relevancia económica en el país. La gestión de esta plaga requiera de actuaciones en grandes áreas frutícolas y con integración de diversas tecnologías y herramientas de control, siendo las actuaciones principales los tratamientos químicos, el trampeo masivo y la aplicación de la técnica del insecto estéril (TIE). Conocer la biología reproductiva de C. capitata es de gran importancia para desplegar nuevos métodos de control y mejorar los ya existentes, especialmente la TIE. En este sentido, y haciendo uso de los avances biotecnológicos, se desarrolló un método molecular de cuantificación, basado en la aplicación de una PCR en tiempo real mediante el uso de marcadores del cromosoma Y, para estimar la cantidad de espermatozoides contenidos en las espermatecas (capítulo 2). Este método fue validado satisfactoriamente como medio de cuantificación de la cantidad de esperma almacenado en las espermatecas después del apareamiento para dos cepas de C. capitata, la cepa silvestre y la cepa Vienna-8, empleada internacionalmente en la producción masiva de machos estériles para el programa TIE. Además, los resultados obtenidos mostraron detecciones positivas de esperma en apareamientos de corta duración (10 minutos) y se confirmó la transferencia efectiva de esperma en el 78 % de los casos evaluados. Una vez obtenido un método más eficaz para cuantificar el esperma almacenado en las espermatecas, éste se empleó para estudiar (Capítulo 3) la influencia de la edad del macho y la duración de la cópula en la cantidad de esperma trasferido durante la misma, en ambas cepas. Estos aspectos que se han relacionado con el rendimiento de los machos estériles empleados en los programas TIE. Además de observarse un efecto de la cepa, se determinó una influencia positiva de la duración de la cópula en la cantidad de esperma recibido por las hembras. Los resultados mostraron un patrón gradual de transferencia no lineal que aumenta con la duración del apareamiento en ambas cepas. En cuanto a la edad de los machos no se observó una influencia en la cantidad de esperma transferido dentro del rango de edad evaluado. Por último, se estudió la capacidad de los machos Vienna-8 estériles para volver a aparearse e inseminar a las hembras (Capítulo 4). El fenómeno del apareamiento múltiple, relacionado con la eficacia reproductiva de C. capitata, ha sido observado en las poblaciones naturales, tanto en hembras (poliandria) como en machos (poliginia), pero ha sido poco estudiada en machos irradiados. Los resultados mostraron que el 57 % de los machos estériles recopularon hasta en tres ocasiones y el 73 % al menos en una ocasión y que en estos reapareamientos hubo transferencia efectiva de esperma en el 99 % de los casos. En cuanto a la cantidad de espermatozoides transferidos en las recópulas producidas, se observó una tendencia a disminuir respecto a la primera cópula, pero no se detectó una situación de aspermia. En conclusión, esta tesis desarrolla un nuevo método molecular basado en la detección del cromosoma Y para evaluar el esperma almacenado en las espermatecas de hembras en C. capitata. Este método ha sido validado para estimar los espermatozoides de las cepas silvestre y Vienna-8 de esta especie, y podría servir como modelo base para la cuantificación de gametos en otras especies de tefrítidos. Se han mejorado los patrones de transferencia del esperma con relación al tiempo de apareamiento para ambas cepas, y se ha determinado, por primera vez, el potencial de recópula de los machos estériles Vienna-8 y su capacidad para transferir esperma no viable a lo largo de múltiples apareamientos.

[CA] La família Tephritidae constituïx un grup de dípters de gran interés econòmic pel fet que inclou espècies considerades plagues en quasi totes les explotacions frutícoles del món, especialment les conegudes com a mosques de la fruita. Entre les espècies de tefrítids citades a Espanya, es troba Ceratitis capitata, la mosca de la fruita del Mediterrani, plaga de gran rellevància econòmica al país. La gestió d'aquesta plaga requerisca d'actuacions en grans àrees frutícoles i amb integració de diverses tecnologies i ferramentes de control, sent les actuacions principals els tractaments químics, el trampeig massiu i l'aplicació de la tècnica de l'insecte estèril (TIE). Conéixer la biologia reproductiva de C. capitata és de gran importància per a desplegar nous mètodes de control i millorar els ja existents, especialment la TIE. En este sentit, i fent ús dels avanços biotecnològics, en primer lloc (capítol 2) es va desenvolupar un mètode molecular de quantificació, basat en l'aplicació d'una PCR en temps real mitjançant l'ús de marcadors del cromosoma Y, per a estimar la quantitat d'espermatozoides continguts en les espermateques. Este mètode va ser validat satisfactòriament com a mitjà de quantificació dels espermatozoides emmagatzemats en les espermateques després de l'aparellament per a dos soques de C. capitata, la soca silvestre i la soca Vienna-8, empleada internacionalment en la producció massiva de mascles estèrils per al programa TIE. A més, els resultats obtinguts van mostrar deteccions positives d'esperma en aparellaments de curta duració (10 minuts) i es va confirmar la transferència efectiva d'esperma en el 78% dels casos avaluats. Una vegada obtingut un mètode més eficaç per a quantificar l'esperma emmagatzemat en les espermateques, aquest es va emprar per a estudiar (capítol 3) la influència de l'edat del mascle i la duració de la còpula en la quantitat d'esperma transferit durant esta, en ambdues soques. Estos aspectes s'han relacionat amb el rendiment dels mascles estèrils empleats en els programes TIE. A més d'observar-se un efecte de la soca, es va determinar una influència positiva de la durada de l'acoblament en la quantitat d'esperma rebut per les femelles. Els resultats van mostrar un patró gradual de transferència no lineal que augmenta amb la duració de l'aparellament en ambdues soques. Quant a l'edat dels mascles, no es va observar una influència en la quantitat d'esperma transferit dins del rang d'edat avaluat. Finalment, es va estudiar la capacitat dels mascles Vienna-8 estèrils per a tornar a emparellar-se i inseminar a les femelles (capítol 4). El fenomen de l'aparellament múltiple, relacionat amb l'eficàcia reproductiva de C. capitata, ha sigut observat en les poblacions naturals, tant en femelles (poliàndria) com en mascles (poligínia), però ha sigut poc estudiada en mascles irradiats. Els resultats van mostrar que el 57% dels mascles estèrils van recopular fins a tres ocasions i el 73% almenys en una ocasió i que en estos reaparellaments va haver-hi transferència efectiva d'esperma en el 99% dels casos. Quant a la quantitat d'espermatozoides transferits en les récopulas produïdes, es va observar una tendència a disminuir respecte a la primera còpula, però no es va detectar una situació d'aspèrmia. En conclusió, esta tesi desenvolupa un nou mètode molecular basat en la detecció del cromosoma Y per a avaluar l'esperma emmagatzemat en les espermateques de femelles en C. capitata. Este mètode ha sigut validat per a estimar els espermatozoides de les soques silvestre i Vienna-8 d'esta espècie, i podria servir com a model base per a la quantificació de gàmetes en altres espècies de tefrítids. S'han millorat els patrons de transferència de l'esperma en relació amb el temps d'aparellament per ambdues coques, i s'ha determinat, per primera vegada, el potencial de recòpula dels mascles estèrils Vienna-8 i la seua capacitat per a transferir esperma no viable al llarg de múltiples aparellaments.

[EN] Tephritidae family constitutes a great interest group of dipterans as it includes species considered pests in almost all fruit-growing areas around the world, especially those known as fruit flies. The Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata, is among the recorded tephritids species in Spain and it is recognized as a pest of great economic importance by Spanish government. The ability to adapt to different environmental conditions of each of its development stages and its polyphagy are two of the key aspects to become such a harmful pest. C. capitata has the largest host range known among tephritids. These biological and adaptative traits make management of this pest require actions in large fruit-growing areas and the integration of various technologies and control tools. The integrated pest management programme includes chemical treatments, mass trapping and the application of the sterile insect technique (SIT). The study of the reproductive biology of C. capitata is relevant for deploying new control methods and improving existing ones, especially SIT. Taking it into consideration, and making use of biotechnological advances, in chapter 2, we develop a molecular quantification method, based on the application of real-time PCR using Y-chromosome markers, to estimate the amount of sperm contained in spermathecae. This method was successfully validated to quantify the amount of spermatozoa stored in the spermathecae after mating for two strains of C. capitata, wild-type strain and Vienna-8 strain, used internationally in the mass production of sterile males in TIE programmes. Positive sperm detections were obtained in short-term matings (10 minutes) and effective sperm transfer was confirmed in 78% of the cases evaluated. Once obtained this effective method to quantify the sperm stored in the spermathecae, it was used to study in chapter 3 the influence of male age and copula duration on the amount of sperm transferred during mating in both strains. These aspects have been related to the performance of sterile males used in TIE programmes. In addition to observing a strain effect, it was determined a positive influence of copula duration on the amount of sperm received by females. The results showed a gradual pattern of non-linear transfer that increases with mating duration in both strains. Regarding the age of the males, no influence was observed on the amount of sperm transferred within the evaluated age range. Finally, the ability of sterile Vienna-8 males to remate and inseminate females was studied in chapter 4. The phenomenon of multiple mating, related to the reproductive efficiency of C. capitata, has been observed in natural populations, both in females (polyandry) and males (polygyny), but it has been barely studied in irradiated males. The results of this chapter showed that 57% of the sterile males recopulated up to three times and 73% at least once, and there was effective sperm transfer in 99% of these rematings. Regarding the amount of sperm transferred along the remating occasions, a tendency to decrease was observed with respect to the first copulation, but a situation of aspermia was not detected. In conclusion, this thesis develops a new molecular method based on the detection of the Y-chromosome to estimate the sperm stored in the spermathecae of females in C. capitata. This method has been validated to estimate spermatozoa from wild-type and Vienna-8 strains of this tephritid and it could be used as a model for the quantification of gametes in other fruit fly species. Sperm transfer patterns have been improved in relation to mating time for both strains, and the remating potential of sterile Vienna-8 males and their ability to transfer non-viable sperm over multiple matings have been determined for the first time in a period of their lifetime.