Análisis fisiológico y genético del desempeño reproductivo del camarón blanco Litopenaeus vannamei

Durante la reproducción de camarones peneidos en cautiverio se ha observado que las hembras, a pesar de encontrarse bajo las mismas condiciones de maduración y de que provengan de una población homogénea en cuanto a edad y tamaño, presentan un diferente potencial reproductivo. Esto es, se ha observado que un alto porcentaje (75%) de hembras no desova o produce desoves no viables, mientras que un bajo porcentaje de hembras (25%) tienen la capacidad de desovar múltiples veces, produciendo estas la mayoría (50% -70%) de nauplios. Dado que el mantener en producción hembras con nulo o bajo desempeño reproductivo implica altos costos para los productores (alimento y espacio), se ha sugerido usar sólo múltiples desovadoras para incrementar el rendimiento por piscina de maduración. Para poder usar hembras múltiples desovadotas es necesario establecer metodologías que permitan identificar y aumentar en la población la frecuencia de estas hembras, siempre y cuando la condición fisiológica de las hembras y, por lo tanto, la calidad de la progenie que estas producen a lo largo de los desoves consecutivos, no disminuya de niveles óptimos. En este trabajo se establecieron dos estrategias que pueden ser utilizadas con el fin de lograr este objetivo: una de las estrategias fue la búsqueda de características que pudiesen ser utilizadas como criterios predictivos de un alto potencial reproductivo, y la segunda estrategia fue evaluar la determinación y variación genética disponible para esas características, con el fin de definir si podían ser utilizadas en un programa de mejoramiento genético para incrementar la capacidad reproductiva. Como una primera aproximación, se evaluó si los desoves consecutivos tenían un efecto sobre la condición fisiológica de las hembras y la calidad de su progenie (huevos y larvas), utilizando varios indicadores (productivos, bioquímicos, morfológicos e histológicos), ya que de existir un efecto negativo el uso de hembras con múltiples desoves para mejorar la producción no sería adecuado. De manera general, se encontró que las hembras con un mayor número de desoves presentan una menor latencia entre la ablación y el primer desove, así como un mayor peso, longitud e índice de condición. En términos bioquímicos, se observó que la composición de los órganos analizados (hemolinfa, hepatopáncreas y ovarios) no varia. Estos resultados nos indicaron que la condición fisiológica de las hembras no es afectada con relación al número de desoves que presentan, y que las hembras con múltiples desoves pueden satisfacer las demandas energéticas de las gónadas sin la disminución de las reservas. Así mismo, esto indicó que su capacidad de asimilación, acumulación y movilización de reservas es suficiente para sostener la demanda metabólica asociada con la producción de múltiples desoves, ya que se observó que las múltiples desovadoras transfieren adecuadamente sus reservas y producen huevos de alta calidad. Esto es, se encontró que los huevos pertenecientes a un mayor orden de desove presentaron altas concentraciones de proteínas, lípidos, triglicéridos, ácidos grasos y vitelina. Por otra parte, se encontró que la calidad de la progenie (huevos y larvas), evaluada en términos de variables morfológicas (de crecimiento), productivas (porcentaje de fertilización, eclosión, número de huevos y número de nauplios) y de desempeño (supervivencia larvaria en cultivo y supervivencia a pruebas de estrés) no se deterioran a lo largo de los desoves consecutivos que una misma hembra presenta. Sin embargo, los resultados de este trabajo indicaron que es importante separar el efecto del tiempo en producción y el de los desoves consecutivos (“orden desove”), ya que el tiempo en producción sí tiene un efecto negativo sobre la calidad de la progenie producida. Una vez que se determinó que la condición de las múltiples desovadoras y la calidad de su progenie no es afectada negativamente en desoves consecutivos, se evaluó si algunas de las variables analizadas podían ser utilizadas como criterios predictivos de la capacidad de desovar múltiples veces, obteniendo simultáneamente larvas de calidad. Primeramente, se observó que el número de días entre la ablación y el primer desove fue significativamente menor en las hembras con un mayor número de desoves, observando que las hembras que desovan dentro de los primeros 10 días después de la ablación presentan una alta probabilidad de tener más de un desove, y que aquellas que no desovan dentro de estos 10 días no desovan en los siguientes 19 días o sólo presentan un desove. Este fue un primer criterio predictivo, pero debido a que no todas las hembras que desovan dentro de los primeros 10 días después de la ablación son múltiples desovadoras, fue necesario determinar otros caracteres que pudieran ser complementarios. El peso y longitud de las hembras fueron de las primeras características que se evaluaron, y se encontró que las hembras con un mayor número de desoves y huevos presentaron un mayor peso y longitud. Así mismo, en este estudio se estimó un índice de condición (basado en la relación entre el peso y la longitud) observándose que las hembras con múltiples desoves presentaron un mayor índice de condición que las hembras con un solo desove. Adicionalmente, se evaluaron algunas variables asociadas con el nivel de reservas. Si la condición inicial que presentan las hembras y, por tanto, sus niveles de reservas determinan la capacidad de desovar múltiples veces, entonces algunas características en las mismas, así como en su primer desove como son las reservas bioquímicas, podrían ser utilizados como posibles criterios predictivos. Las características productivas, bioquímicas y morfológicas del primer desove de las hembras fueron clasificadas con relación al número total de desoves que presentaron al final del periodo de producción evaluado (aproximadamente 30 d), encontrándose un alto porcentaje de fertilización, mayor tamaño de huevos (diámetro), mayor número de huevos, y niveles más altos de triglicéridos y vitelina en los huevos pertenecientes al primer desove de las hembras múltiples desovadoras en comparación con hembras con pocos desoves. El hecho de encontrar que existen algunas variables predictivas de la capacidad de múltiples desoves fue el primer paso, ya que el objetivo final era conocer si de existir características predictivas, estas presentaban variación genética, lo cual haría factible la posibilidad de mejorar la capacidad reproductiva de las hembras mediante el establecimiento de un programa de mejoramiento genético. Para determinar si existía variación genética y cual era su magnitud, se realizaron estimaciones del parámetro conocido como ‘heredabilidad’ para los diferentes caracteres reproductivos, principalmente para aquellos definidos como caracteres predictivos de la capacidad de desovar múltiples veces: días al primer desove, número y tamaño de huevos pertenecientes al primer desove, y concentración de triglicéridos, vitelina y proteínas en huevos del primer desove. Las estimaciones de heredabilidad fueron obtenidas a partir de hermanos carnales, utilizando dos modelos. En uno se utilizó otro caracter como covariable con base en las relaciones conocidas entre algunos caracteres que fueron confirmadas en este trabajo. En un segundo modelo, las estimaciones fueron realizadas sin el uso de covariables. Independientemente del modelo utilizado, las heredabilidades más altas fueron las obtenidas para los caracteres ‘días al primer desove después de la ablación’ (h2 = 0.41 a 0.54), y concentración de vitelina (h2 = 0.28 a 0.47) y triglicéridos (h2 = 0.20 a 0.35) en huevos del primer desove. Heredabilidades menores fueron obtenidas para la concentración de proteínas (h2 = 0.13 a 0.18) y el número de huevos (h2 = 0.09 a 0.17), mientras que el diámetro de los huevos (h2 = 0 a 0.07) y las concentraciones de lípidos en huevos fueron de cero o insignificantes. En general, las heredabilidades para los caracteres incrementaron con el uso de la covariable excepto para los niveles de lípidos, para los cuales la heredabilidad fue de 0 con o sin el uso de la covariable. Las estimaciones de heredabilidad, así como las de algunas correlaciones fenotípicas y genéticas realizadas en este trabajo, además de proveer con la primera evidencia de la existencia de variación genética para caracteres reproductivos en peneidos, indican que los caracteres previamente definidos como predictivos (días al primer desove, niveles de triglicéridos y vitelina en huevos del primer desove) presentan la suficiente variación genética para ser utilizados en un programa de mejoramiento genético dirigido hacia la mejora de la capacidad reproductiva de las hembras de camarón blanco. La variación genética encontrada para estos caracteres reproductivos a la edad de desove nos llevó a preguntar si ésta variación podía estar asociada con algunas características medidas al inicio de la gametogénesis y por ende a una edad más temprana. El contar con criterios predictivos sujetos a selección para una alta capacidad reproductiva a una menor edad/talla puede resultar en importantes ganancias económicas al reducir el número de organismos mantenidos hasta edad/talla de reproductor. Con este fin, se realizó un estudio en donde se analizaron diferentes caracteres relacionados con la gametogénesis en hembras sub-adultas, de 7 meses de edad y un peso aproximado de 19 g. Primeramente y con el fin de obtener un valor cuantitativo y no sólo descriptivo de la madurez de las hembras al inicio de la gametogénesis, para cada hembra se obtuvo el número total de ovocitos, el número de ovocitos previtelogénicos, el número de ovocitos vitelogénicos, el área total del ovario, el diámetro promedio de los ovocitos, y un índice de madurez que representa el área total ocupada por todos los ovocitos presentes en el ovario. Estos dos últimos caracteres, diámetro medio de los ovocitos (DM) y madurez del ovario (MO), fueron elegidos sobre la base de que en ellos están contenidos tanto él numero como el diámetro de todos los ovocitos presentes en toda la superficie del ovario, y ambos son valores cuantitativos con una distribución normal, permitiendo el análisis genético o de estimación de la heredabilidad. Con el análisis de heredabilidad se determinó que las fases tempranas del desarrollo gonádico están determinadas genéticamente, sustentado por las altas heredabilidades encontradas para los caracteres DM y MO (h2 = 0.57 y h2 = 0.71). Una vez determinado esto, la pregunta que surgió fue: ¿existe alguna asociación entre los caracteres evaluados al inicio de la gametogénesis con los caracteres evaluados en las mismas familias de la población pero en talla reproductiva? A este respecto, encontramos que los caracteres evaluados en sub-adultos de camarón, como el DM y el MO, están positivamente correlacionados con la fecundidad en adultos (número de desoves, número de huevos en el primer desove y número de huevos totales), e inversamente correlacionados con la latencia al primer desove. Estos resultados permiten proponer que la selección para mejorar la capacidad reproductiva en adultos de camarón podría auxiliarse con información obtenida en sub-adultos. Sin embargo, puesto que la evaluación en estadios iniciales de gametogénesis implica el sacrificar organismos y analizar histológicamente la información de madurez del ovario, es importante definir otras características asociadas a la madurez del ovario que puedan ser predictivas de la capacidad de madurar. A este respecto, se evaluó en hembras adultas sin ablación la concentración de diferentes componentes bioquímicos en la hemolinfa con fines de definir si alguno podía ser utilizado como un indicador predictivo del estadio de madurez de las hembras. Se encontró que la concentración de vitelogenina en hemolinfa de hembras no ablacionadas fue mayor en aquellas hembras que posteriormente a la ablación alcanzaron un estadio de madurez mas avanzado. Se propone continuar en un futuro con la evaluación de la vitelogenina en hembras sub-adultas, así como con la estimación de la heredabilidad de ese caracter. En conclusión, dados los resultados obtenidos en este estudio, se puede concluir que las hembras con la capacidad de desovar múltiples veces son adecuadas para incrementar la producción de camarón con la obtención de larvas de calidad, y que los días entre la ablación y el primer desove, combinado con los niveles de vitelina de huevos pertenecientes al primer desove, pueden ser utilizados como criterios predictivos de la capacidad de desovar múltiples veces, y dada la heredabilidad estimada, pueden ser utilizados en un programa de mejoramiento genético dirigido hacia la mejora genética de la capacidad reproductiva de las hembras de camarón blanco.

In shrimp larvae production it has been found that mature females have a different reproductive potential, this in spite of using the same maturation conditions on all females, and of all being of the same age and similar size. A large percentage (75%) of the females never spawns or produce only one and unviable spawn, whereas a small percentage (25%) of the females have the capacity to spawn multiple times and they are responsible for most of the larvae produced (50% - 70%). In a commercial setting, it has been reported that multiple spawners can have up to 25 spawns in a three-month period. Unproductive females have a high cost for producers because of the feeding and space these females utilize without producing quality spawns, reason why it has been suggested that only females with multiple spawning capability should be used to improve production. The use of multiple spawners would result in a larger number of spawns per female per area, increasing thus the yield per tank. However, distinguishing multiple spawners from other females has proven to be difficult, and the establishment of criteria and methodologies that allow for the identification of those females has been identified as a priority in shrimp larvae production. However, because until now the available information on the physiological condition of females with multiple spawning capabilities, and the larvae they produce has been conflicting, it was first necessary to define if the physiological condition of multiple spawners and the quality of the larvae they produce was not affected negatively by that capability. Once that was established, two strategies were proposed to identify multiple spawning capabilities of females. The first one was to find predictive criteria of a good reproductive potential, and the second one was to define if those predictive criteria of a multiple spawning capability were genetically determined, and had sufficient genetic variance such that genetic improvement programs can be applied. To evaluate the effects of multiple spawning on physiological condition of the females and the quality of the offspring they produced, productive, biochemical, morphological, and histological approaches were used. It was found that multiple spawner females have a shorter latency to first spawn after being ablated, have a larger weight, length, and condition index than females never spawning or spawning only once. It was also determined that the biochemical composition of the hemolymph, hepatopancreas, and ovaries is not affected by multiple spawns when compared with single spawns. Therefore, it was concluded that multiple spawners can satisfy their gonads energetic demands without affecting reserves, and that their capacity to assimilate, accumulate, and mobilize reserves is sufficient to sustain the metabolic demand associated with multiple spawning. Most importantly, it was also found that these females can transfer their reserves optimally to the eggs they produce irrespectively of the spawn order. That is, eggs from the fourth or more spawns a multiple spawner female had, had large concentrations of proteins, lipids, triacylglycerides, fatty acids, and vitellin. Furthermore, it was found that the percent fertilization and hatching, the total number of eggs and nauplii, and the survival during larvae culture and that to stress tests did not decrease in progeny produced by consecutive spawns. It was also concluded that contrary to the lack of a negative effect of multiple spawns on progeny quality, there is an effect on shrimp larvae production resulting from what is named ‘time in tanks or production’. This effect is a result of the sampling of females with different reproductive capabilities in a given point of time during reproduction in a hatchery, and does not necessarily indicates reproductive exhaustion of the females, because unproductive females do not even have the opportunity to become ‘reproductively exhausted’ as they never spawn, or spawn only one time during the time kept in the reproductive tanks. Once it was determined that multiple spawners and their progeny were not affected negatively by the consecutive spawning, some of the variables analyzed were evaluated for their predictive capability regarding multiple spawning capacities. It was found that the number of days to first spawn after ablation was significantly shorter for females with four or more spawns, and that females spawning during the first 10 days after ablation were those with a large probability of producing multiple spawns later. However, because not all females spawning within the first 10 days after ablation are in fact multiple spawners, other predictive characteristics were necessary to identify multiple spawners. Total weight and length of females were one of the first characteristics evaluated, finding that those females with the larger number of spawns in approximately 30 d were those females which at ablation were the heaviest, had the largest condition index, and during their first spawn produced the larger number of eggs. It was further questioned if the quality of the first spawn of females differed between multiple spawners as that seen in one or few times spawners. If so, this would provide with additional predictive characteristics to select multiple spawners since an early time in the reproduction tanks. It was found that in fact, the first spawn of multiple spawners had a large percent fertilization, larger egg diameter, a tendency for a larger number of eggs, and larger concentrations of vitellin and triacylglycerides in those eggs. In as much as these predictive criteria can be used immediately by hatcheries to reduce costs associated with the keeping of unproductive females, improvement of the multiple spawning capability can be systematically done through the establishment of a genetic improvement program. However, the question of whether those predictive criteria were genetically determined, or had sufficient genetic variance in the population evaluated had to be answered first. This was achieved through the estimation of the parameter known as ‘heritability’ for those characteristics defined as predictive of a multiple spawning capability; days for first spawn to occur, total number of eggs and their mean diameter, and vitellin, proteins, triacylglycerides, and lipids concentration in first spawned eggs. Moderate to large heritabilities were found for days to first spawn (h2 = 0.41 to 0.54) and for vitellin and triacylglycerides concentration in eggs (h2 = 0.28 to 0.47 and h2 = 0.20 to 0.35, respectively), and insignificant to low heritabilities were found for number and diameter of eggs (h2 = 0.09 to 0.17 and h2 = 0 to 0.07), and for lipids and proteins in eggs (h2 = 0 and h2 = 0.13 to 0.18). In all these estimates, the lower estimate was obtained without the use of covariates, and the larger estimate was obtained after using covariates appropriate to each of those traits. The increase in heritabilities in all cases by the use of the covariate might be a result of the inclusion of the genetic variance (and genetic covariance) of the trait used as a covariate in the genetic variance of the trait being evaluated. Because selection would produce the largest response on traits with the largest heritabilities, these results suggest it will be better to use the traits corrected by their covariate in a selection program. However, because there are also genetic covariances between the direct traits and those used as covariate, it would be important to monitor the correlated responses in the traits used as covariates. Irrespective of which traits are used, these results provide with the first estimates of heritability for reproductive traits in penaeid shrimp, and with the first indication that selection might improve the reproductive quality of shrimp at adult sizes. However, the next question was: given that there is genetic variability present at adult or reproduction age, is there also genetic variability in traits measuring gonad development at the onset of gametogenesis?. If so, the next question was, can the reproductive performance at adult ages can be predicted from females early reproductive stages ?. To answer those questions gonad development was assessed in the same population than before, but at an age of 7 months, when the females weighted between 17 and 21 g. All females were in early developmental stages, with the most advanced type of oocyte being a few vitellogenic ones in some females, and mostly previtellogenic oocytes in all females. Heritabilities were estimated for total numbers of oocytes, numbers of previtellogenic oocytes, number of vitellogenic oocytes, and two derived traits; oocytes mean diameter (the weighted mean of all oocytes types present in the ovary) and ovary maturity (the total area occupied by all the oocytes in the ovary). It was found that both of the derived traits, oocytes mean diameter and ovary maturity had large heritabilities (h2 = 0.71 and h2 = 0.57), whereas the heritabilities for total number of oocytes, numbers of previtellogenic or vitellogenic were all zero. However, even if the heritabilities estimated for numbers of oocytes were all zero, it was found that there was a correlation between the traits measured at early ages with reproductive traits measured in adults. That is, the number of vitellogenic oocytes, the mean oocytes diameter, and the ovary maturity were larger for families which in adult age had the largest fecundity and the largest number of spawns, and that those families with the largest mean oocytes diameter and ovary maturity were those families that in adult age spawned first, that is, had the shortest latency to first spawn. These results indicate that traits measured earlier than the age of spawning can be used to improve the reproductive quality in adult shrimp. However, because this requires sacrificing the organisms, and time-consuming histological analyses, other traits are necessary to be able to predict reproductive performance before actually placing the females in reproductive laboratories. At this respect, one candidate trait is the concentration of vitellogenin in hemolymph of females before ablation, as it was also found in the last study of this thesis that females with the largest vitellogenic concentration in hemolymph before ablation were those that after ablated had the largest gonad maturity. The evaluation of the existence of genetic variation for this last traits is pending, but will be carried on shortly.

CONACYT

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