Manipulation des Chromosomensatzes

Die Manipulation des Chromosomensatzes bei Fischen umfasst die Induktion von Polyploidie sowie die Produktion von Gynogenen und Androgenen. Da die meisten Fische und Schalentiere ihre Eier vor der Befruchtung ins Wasser abgeben, sind sie für die Manipulation der Ploidie leicht zugänglich. Diese Technik wurde hauptsächlich zur Erzeugung von Triploiden eingesetzt, die in Produktions- und Erhaltungsprogrammen von Vorteil sind.

Triploide kommen sowohl in Wild- als auch in Zuchtpopulationen natürlich vor und können bei vielen kommerziellen Fisch- und Schalentierarten leicht induziert werden. Triploidie wird im Allgemeinen durch physikalischen oder chemischen Schock induziert (wobei physikalische Behandlungen am erfolgreichsten sind) und Protokolle sind für mehr als 30 Fisch- und Schalentierarten verfügbar (Dunham, 2004), oder alternativ durch Befruchtung normaler haploider Eier mit diploiden Spermien eines tetraploiden Männchens (Flajshans et al., 2010; Piferrer et al., 2009). Die Triploidenproduktion durch Druck- oder Temperaturschock ist nicht zu 100 % effektiv und artspezifische Protokolle sind unerlässlich, um Zeitpunkt, Intensität und Dauer der Behandlung zu optimieren, um die höchste Triploidenausbeute zu erhalten (Piferrer et al., 2006). Die Kreuzung zwischen Tetraploiden und Diploiden ist die effizienteste Methode, um 100% Triploide zu erzeugen (Dong et al., 2005; Zhou et al., 2010a). Es gibt einige Daten, die darauf hinweisen, dass die Diploidie der Spermien vor der Befruchtung bestätigt werden sollte, da nicht alle tetraploiden Männchen diploide Spermien produzieren (Nam und Kim, 2004). Die Produktion von tetraploiden Fischen ist jedoch schwierig und nur bei einigen wenigen Aquakulturarten wurden fertile tetraploide Fische erhalten (Yoshikawa et al., 2008).

Triploide Fische sind in der Regel effektiv steril, was in Erhaltungsprogrammen erwünscht ist, um die Introgression von entkommenen Individuen aus kommerziellen Beständen, einschließlich nicht heimischer Arten, in natürliche Populationen zu verhindern und somit den genetischen Einfluss von gezüchteten Ausreißern zu reduzieren. Sterilität ist auch nützlich, um die Etablierung eingeführter exotischer Arten zu vermeiden, z. B. triploide Graskarpfen zur Bekämpfung von Wasserunkräutern (Pípalová, 2006). Das Migrationsverhalten triploider Fische wie z.B. Lachse wurde untersucht und diese Studien haben ergeben, dass die Rückkehrrate erwachsener triploider Fische an die Küste und ins Süßwasser im Vergleich zu den Diploiden deutlich geringer war, d.h. die Triploidisierung reduziert die Chancen der Kreuzung sowie das Potenzial für andere negative Interaktionen mit wilden einheimischen Lachsen in ihren Geburtsgebieten (Cotter et al., 2000; Wilkins et al., 2001). In ähnlicher Weise wirkte sich der Besatz aller weiblichen triploiden Bachforellen nicht merklich auf die wilden Bachforellen aus, und die triploiden Fische beteiligten sich nicht an der Laichaktivität.161 Triploidie wurde auch eingesetzt, um die Sterilität in fruchtbaren Hybriden zu erhöhen (Na-Nakorn et al, 2004), obwohl es Hinweise darauf gibt, dass allotriploide Fische einige lebensfähige Nachkommen produzieren (Castillo et al., 2007).

Da triploide Individuen keine Energie für die Gametenproduktion aufwenden müssen, steht mehr Energie für das somatische Wachstum zur Verfügung. Die Leistung von Triploiden ist artspezifisch, aber sie haben als Jungtiere oft ein ähnliches oder geringeres Wachstum als Diploide, und nach der Reifung ist das Wachstum verstärkt, besonders bei Schalentieren (Piferrer et al., 2009). Zusätzlich zum erhöhten Wachstum (Triploide sind vor dem Laichen 17 % größer als Diploide und nach dem Laichen mehr als 30 % größer) können triploide Pazifische Austern aufgrund der reduzierten Gonadogenese das ganze Jahr über vermarktet werden (Rasmussen und Morrissey, 2007). Die Geschlechtsreife führt bei diploiden Austern zu einer Qualitätsminderung sowohl des Geschmacks als auch der Textur, so dass triploide Austern von einer höheren Verbraucherakzeptanz profitieren (Nell, 2002). Triploide Regenbogenforellenweibchen werden für die kommerzielle Produktion bevorzugt, da sie während der Fortpflanzungszeit eine bessere Karkassenausbeute und höhere Körper- und Filetgewichte aufweisen (Werner et al., 2008). Triploidie kann auch das Geschlechterverhältnis verschieben, z. B. bei bestimmten Fisch- und Schalentierarten, hin zu einem höheren Anteil an Weibchen, die aufgrund ihrer größeren Größe bevorzugt werden (Cal et al., 2006).

Bei Fischen sind triploide Weibchen vollständig steril und bei Männchen wurde teilweise bis vollständige funktionelle Sterilität beobachtet, obwohl Nachkommen von künstlich erzeugten triploiden Männchen nicht lebensfähig sind (Feindel et al., 2010; Manning et al., 2004). Da triploide Männchen dennoch sekundäre Geschlechtsmerkmale entwickeln können, ist die Erzeugung rein weiblicher triploider Populationen (durch Kombination von Triploidie-Induktion mit endokriner Feminisierung) am wünschenswertesten, um jegliche geschlechtsspezifischen Nachteile zu reduzieren (Piferrer, 2001). Triploide Muscheln zeigen eine Abnahme der Gonadenentwicklung im Gegensatz zur vollständigen Sterilität. Außerdem wurde bei pazifischen Austern bei einem Teil der triploiden Individuen eine Reversion zur Diploidie beobachtet. Die Überprüfung der Triploidie ist daher von entscheidender Bedeutung, um die funktionelle Sterilität bei einer bestimmten Art sicherzustellen, und es wurde vorgeschlagen, dass zu diesem Zweck mindestens zwei vollständige aufeinanderfolgende Reproduktionszyklen überwacht werden sollten (Piferrer et al., 2006).

Die Triploidie wird hauptsächlich in den Industrieländern für zahlreiche Fischarten wie Forelle, Lachs, Saibling und Karpfen sowie für Muschelarten wie Pazifische Auster, Jakobsmuscheln, Venusmuscheln und Miesmuscheln kommerziell eingesetzt (Piferrer et al., 2009). Für Garnelen wurde diese Technologie noch nicht kommerzialisiert (Sellars et al., 2010). Die praktische Umsetzung der Triploidie war in Entwicklungsländern aufgrund der hohen Kosten und der Unfähigkeit der Schockbehandlung, zu 100 % effektiv zu sein, nicht sehr erfolgreich, was ein ernsthaftes Hindernis für eine groß angelegte kommerzielle Anwendung darstellt (FAO, 2011d). Darüber hinaus führt die triploide Induktion bei vielen Arten zu geringeren frühen Überlebensraten, verminderter Leistung unter ungünstigen Umweltbedingungen und vermehrten Missbildungen (Maxime, 2008; Piferrer et al., 2009).

Gynogenese und Androgenese beinhalten uniparentale Fortpflanzung, d.h. der Beitrag der Chromosomen stammt von nur einem Elternteil. Das Spermium (bei der Gynogenese) oder die Eizelle (bei der Androgenese) wird bestrahlt, um die Chromosomen zu zerstören, gefolgt von der Verschmelzung mit einer unbehandelten Eizelle bzw. einem unbehandelten Spermium, um einen haploiden Embryo zu bilden, und dann wird die Diploidie wiederhergestellt, indem die erste mitotische Teilung durch Temperatur- oder Druckschock gehemmt wird (Dunham, 2004). Androgenetische und gynogenetische DHs sind somit zu 100 % homozygot und wurden bei vielen Fischarten erfolgreich induziert, wobei die gemeldete Ausbeute an geschlüpften DHs zwischen 1 % und 20 % liegt, obwohl die Überlebensraten oft niedrig sind und die Fruchtbarkeit der Weibchen reduziert ist (Komen und Thorgaard, 2007; Pandian und Kirankumar, 2003; Zhang et al., 2011a). Gynogenese kann auch durch die Unterdrückung von meiotischen Teilungen erreicht werden (Meiose I bei Fischen und entweder Meiose I oder II bei Mollusken), aber in diesem Fall gibt es Regionen der Heterozygotie aufgrund von Rekombination.

Gynogene und Androgene können verwendet werden, um den Mechanismus der Geschlechtsbestimmung bei Fischen zu untersuchen. Zum Beispiel wird bei Arten mit dem XX-XY-System erwartet, dass alle Gynogene XX und damit weiblich sind, während Androgene als XX und YY segregieren sollten. In einigen Fällen wurden jedoch Abweichungen von den erwarteten Geschlechtsverhältnissen der Nachkommenschaft aufgrund von autosomalen und/oder Umweltfaktoren beobachtet (Devlin und Nagahama, 2002; Ezaz et al., 2004). Gynogenese und Androgenese können auch eingesetzt werden, um monosexuelle Populationen zu erzeugen, aber aufgrund der hohen Sterblichkeit der manipulierten Eier ist dies im kommerziellen Maßstab nicht machbar. In Kombination mit der Technologie der Geschlechtsumkehrung (z. B. Kreuzung von XX gynogenetischen Nachkommen mit XX geschlechtsumgekehrten Männchen) können große Mengen an monosexuellen Fischen erzeugt werden, aber dies ist noch keine Routine in kommerziellen Brütereien (Beaumont et al., 2010).

Ein zweiter Zyklus der Gynogenese oder Androgenese kann zu isogenen klonalen Linien führen, die für die genetische Kartierung und QTL-Analyse nützlich sind. Klonale Linien wurden erfolgreich in mehreren kommerziell wichtigen Arten wie Regenbogenforelle, Karpfen, Amago-Lachs und Nil-Tilapia etabliert (Komen und Thorgaard, 2007). Zusätzlich kann die Androgenese eingesetzt werden, um ausgestorbene oder gefährdete Arten aus gelagerten Populationen mit kryokonserviertem Sperma wiederherzustellen (Babiak et al., 2002; Yasui et al., 2010). Die Gynogenese wurde auch als Werkzeug vorgeschlagen, um die Eliminierung rezessiver schädlicher Gene zu beschleunigen und Inzuchtfische mit gewünschten Merkmalen wie höheren Wachstumsraten und Krankheitsresistenz zu erzeugen (FAO, 2011d).