Manipolazione del set di cromosomi F
La manipolazione del set cromosomico nei pesci include l’induzione della poliploidia e la produzione di ginogeni e androgeni. Poiché la maggior parte dei pesci e dei crostacei rilasciano le loro uova in acqua prima della fecondazione, possono essere facilmente accessibili per la manipolazione dei livelli di ploidia. Questa tecnica è stata usata principalmente per creare triploidi che sono vantaggiosi nei programmi di produzione e conservazione.
Le triploidi si verificano naturalmente sia nelle popolazioni selvatiche che in quelle di coltura e possono essere facilmente indotte in molte specie commerciali di pesci e molluschi. La triploidia è generalmente indotta da shock fisico o chimico (i trattamenti fisici sono quelli di maggior successo) e sono disponibili protocolli per oltre 30 specie di pesci e molluschi (Dunham, 2004), o in alternativa fecondando uova aploidi normali con sperma diploide di un maschio tetraploide (Flajshans et al., 2010; Piferrer et al., 2009). La produzione di triploidi tramite shock di pressione o di temperatura non è efficace al 100% e i protocolli specifici della specie sono essenziali per ottimizzare i tempi, l’intensità e la durata del trattamento al fine di ottenere la massima resa triploide (Piferrer et al., 2006). L’incrocio tra tetraploidi e diploidi è il metodo più efficiente per produrre 100% triploidi (Dong et al., 2005; Zhou et al., 2010a). Ci sono alcuni dati che indicano che la diploidia dello sperma dovrebbe essere confermata prima della fecondazione, poiché non tutti i maschi tetraploidi producono sperma diploide (Nam e Kim, 2004). La produzione di tetraploidi, tuttavia, è difficile e fattibile, e tetraploidi fertili sono stati ottenuti solo in poche specie di acquacoltura (Yoshikawa et al., 2008).
I pesci triploidi sono di solito effettivamente sterili, il che è desiderato nei programmi di conservazione per prevenire l’introgressione di individui fuggiti dagli stock commerciali, comprese le specie non native, nelle popolazioni naturali e quindi ridurre l’impatto genetico dei fuggitivi di allevamento. La sterilità è anche utile per evitare l’insediamento di specie esotiche introdotte, per esempio, carpe erbivore triploidi per il controllo delle infestanti acquatiche (Pípalová, 2006). Il comportamento migratorio dei pesci triploidi come il salmone è stato studiato e questi studi hanno rivelato che il tasso di ritorno dei pesci triploidi adulti verso la costa e l’acqua dolce era sostanzialmente diminuito rispetto ai diploidi, cioè la triploidizzazione riduce le possibilità di incroci così come il potenziale di altre interazioni negative con i salmoni selvatici indigeni nelle loro aree natali (Cotter et al., 2000; Wilkins et al., 2001). Allo stesso modo, il ripopolamento di tutte le femmine triploidi di trota fario non ha avuto un impatto notevole sulle trote fario selvatiche e i pesci triploidi non hanno partecipato all’attività riproduttiva.161 La triploidia è stata anche utilizzata per aumentare la sterilità negli ibridi fertili (Na-Nakorn et al, 2004), anche se ci sono prove di pesci allotriploidi che producono alcuni discendenti vitali (Castillo et al., 2007).
Siccome gli individui triploidi non dedicano energia alla produzione di gameti, più energia è disponibile per la crescita somatica. La performance dei triploidi è specifica della specie, ma spesso hanno una crescita simile o inferiore a quella dei diploidi da giovani e, dopo la maturazione, la crescita è migliorata, specialmente nei molluschi (Piferrer et al., 2009). Oltre alla maggiore crescita (i triploidi sono il 17% più grandi dei diploidi prima della deposizione delle uova e più del 30% più grandi dopo la deposizione delle uova), le ostriche del Pacifico triploidi possono essere commercializzate durante tutto l’anno grazie alla ridotta gonadogenesi (Rasmussen e Morrissey, 2007). La maturità sessuale nelle ostriche diploidi porta ad una diminuzione della qualità sia del gusto che della consistenza e quindi le triploidi beneficiano di una maggiore accettazione da parte del consumatore (Nell, 2002). Le femmine triploidi di trota iridea sono preferite per la produzione commerciale poiché hanno una migliore resa della carcassa durante la stagione riproduttiva e un maggior peso del corpo e del filetto (Werner et al., 2008). La triploidia può anche alterare il rapporto tra i sessi, per esempio, in alcune specie di pesci e crostacei, verso una maggiore proporzione di femmine, che sono preferite a causa delle loro dimensioni maggiori (Cal et al., 2006).
Nei pesci, le femmine triploidi sono completamente sterili e la sterilità funzionale parziale o totale è stata osservata nei maschi, anche se la prole generata da maschi triploidi prodotti artificialmente non è vitale (Feindel et al., 2010; Manning et al., 2004). Tuttavia, poiché i maschi triploidi possono ancora sviluppare caratteristiche sessuali secondarie, la produzione di popolazioni triploidi tutte femminili (combinando l’induzione della triploidia con la femminilizzazione endocrina) è più desiderabile per ridurre qualsiasi svantaggio legato alla sessualità (Piferrer, 2001). I molluschi triploidi mostrano una diminuzione dello sviluppo delle gonadi rispetto alla completa sterilità. Inoltre, nelle ostriche del Pacifico, la reversione alla diploidia è stata osservata in una proporzione di individui triploidi. La verifica della triploidia è, quindi, cruciale per assicurare la sterilità funzionale in una data specie ed è stato proposto che almeno due cicli riproduttivi consecutivi completi dovrebbero essere monitorati a questo scopo (Piferrer et al., 2006).
La triploidia è applicata commercialmente soprattutto nei paesi sviluppati per numerose specie di pesci come trote, salmoni, salmerini e carpe, così come per specie di molluschi come l’ostrica del Pacifico, capesante, vongole e cozze (Piferrer et al., 2009). Questa tecnologia non è ancora stata commercializzata per i gamberi (Sellars et al., 2010). L’implementazione pratica della triploidia non ha avuto molto successo nei paesi in via di sviluppo a causa dei costi elevati e dell’incapacità del trattamento shock di essere efficace al 100%, un serio impedimento all’applicazione commerciale su larga scala (FAO, 2011d). Inoltre, in molte specie, l’induzione triploide comporta tassi di sopravvivenza iniziale più bassi, prestazioni ridotte in condizioni ambientali avverse e un aumento delle deformità (Maxime, 2008; Piferrer et al., 2009).
La ginogenesi e l’androgenesi comportano una riproduzione uniparentale, cioè il contributo dei cromosomi proviene da un solo genitore. Lo spermatozoo (nella ginogenesi) o l’uovo (nell’androgenesi) viene irradiato per distruggere i cromosomi, seguito dalla fusione con un uovo o uno spermatozoo non trattato, rispettivamente, per formare un embrione aploide e poi la diploidia viene ripristinata inibendo la prima divisione mitotica con uno shock di temperatura o pressione (Dunham, 2004). I DH androgenetici e ginogenetici sono quindi omozigoti al 100% e sono stati indotti con successo in molte specie di pesci, con rese riportate di DH schiuse che vanno dall’1% al 20%, anche se i tassi di sopravvivenza sono spesso bassi e la fertilità è ridotta nelle femmine (Komen e Thorgaard, 2007; Pandian e Kirankumar, 2003; Zhang et al., 2011a). La ginogenesi può essere ottenuta anche attraverso la soppressione delle divisioni meiotiche (meiosi I nei pesci e o meiosi I o II nei molluschi), ma in questo caso, ci sono regioni di eterozigosi dovute alla ricombinazione.
Ginogeni e androgeni possono essere utilizzati per studiare il meccanismo di determinazione del sesso nei pesci. Per esempio, nelle specie con il sistema XX-XY, ci si aspetta che tutti i ginogeni siano XX e, quindi, femmine mentre gli androgeni dovrebbero segregarsi come XX e YY. Tuttavia, in alcuni casi, sono state osservate deviazioni dai rapporti sessuali attesi della progenie a causa di fattori autosomici e/o ambientali (Devlin e Nagahama, 2002; Ezaz et al., 2004). La ginogenesi e l’androgenesi possono anche essere impiegate per creare popolazioni monosessuali, ma a causa dell’alta mortalità delle uova manipolate, questo non è stato fattibile su scala commerciale. In combinazione con la tecnologia di inversione del sesso (per esempio, incrociando progenie ginogenetica XX con maschi XX invertiti), possono essere prodotte quantità su larga scala di pesci monosessuali, ma questo non è ancora di routine negli incubatoi commerciali (Beaumont et al., 2010).
Un secondo ciclo di ginogenesi o androgenesi può dare origine a linee clonali isogeniche, che sono utili per la mappatura genetica e l’analisi QTL. Le linee clonali sono state stabilite con successo in diverse specie commercialmente importanti come la trota iridea, la carpa comune, il salmone amago e la tilapia del Nilo (Komen e Thorgaard, 2007). Inoltre, l’androgenesi può essere applicata per recuperare specie estinte o in pericolo da popolazioni di sperma crioconservato (Babiak et al., 2002; Yasui et al., 2010). La ginogenesi è stata anche suggerita come strumento per accelerare l’eliminazione dei geni deleteri recessivi e per produrre pesci inbred con tratti desiderati come tassi di crescita più elevati e resistenza alle malattie (FAO, 2011d).