F Chromosoom set manipulatie
Chromosoom set manipulatie bij vissen omvat het induceren van polyploïdie en het produceren van gynogenen en androgenen. Aangezien de meeste vissen en schaaldieren hun eieren in water vrijlaten vóór de bevruchting, kunnen ze gemakkelijk worden bereikt voor de manipulatie van ploïdie niveaus. Deze techniek wordt vooral gebruikt om triploïden te creëren die voordelig zijn voor productie- en instandhoudingsprogramma’s.
Triploïden komen van nature voor bij zowel wilde als gekweekte populaties en kunnen gemakkelijk worden geïnduceerd bij veel commerciële vis- en schaaldiersoorten. Triploïdie wordt over het algemeen geïnduceerd door een fysische of chemische schok (waarbij fysische behandelingen het meest succesvol zijn) en er zijn protocollen beschikbaar voor meer dan 30 vis- en schaaldiersoorten (Dunham, 2004), of door bevruchting van normale haploïde eieren met diploïd sperma van een tetraploïde mannetje (Flajshans et al., 2010; Piferrer et al., 2009). Triploïde productie door druk- of temperatuurschok is niet 100% effectief en soortspecifieke protocollen zijn essentieel om timing, intensiteit en duur van de behandeling te optimaliseren om de hoogste triploïde opbrengst te verkrijgen (Piferrer et al., 2006). Kruisen tussen tetraploïden en diploïden is de meest efficiënte methode om 100% triploïden te produceren (Dong et al., 2005; Zhou et al., 2010a). Er zijn gegevens die erop wijzen dat de diploïdie van sperma vóór de bevruchting moet worden bevestigd, aangezien niet alle tetraploïde mannetjes diploïde sperma produceren (Nam en Kim, 2004). Tetraploïde productie is echter moeilijk en levensvatbaar, en vruchtbare tetraploïden zijn slechts in enkele aquacultuursoorten verkregen (Yoshikawa et al., 2008).
Triploïde vissen zijn meestal effectief steriel, wat gewenst is in beschermingsprogramma’s om introgressie van ontsnapte individuen uit commerciële bestanden, inclusief uitheemse soorten, in natuurlijke populaties te voorkomen en zo de genetische impact van gekweekte ontsnapte exemplaren te verminderen. Steriliteit is ook nuttig om de vestiging van geïntroduceerde exoten te voorkomen, bijvoorbeeld triploïde graskarpers voor de bestrijding van aquatische onkruiden (Pípalová, 2006). Het migratiegedrag van triploïde vissen zoals zalm is onderzocht en uit deze studies is gebleken dat de terugkeer van volwassen triploïde vissen naar de kust en het zoete water aanzienlijk verminderde in vergelijking met de diploïde vissen, m.a.w. triploïdisatie vermindert de kans op kruisingen alsook de kans op andere negatieve interacties met wilde inheemse zalm in hun geboortegebieden (Cotter et al., 2000; Wilkins et al., 2001). Evenzo had het uitzetten van alle vrouwelijke triploïde beekforel geen merkbaar effect op de wilde beekforel en namen de triploïde vissen niet deel aan de paaiactiviteit.161 Triploïdie is ook gebruikt om de steriliteit in vruchtbare hybriden te verhogen (Na-Nakorn et al., 2004), hoewel er bewijzen zijn dat allotriploïde vissen enkele levensvatbare nakomelingen voortbrengen (Castillo et al., 2007).
Doordat triploïde individuen geen energie besteden aan de productie van gameten, is er meer energie beschikbaar voor somatische groei. De prestaties van triploïden zijn soortspecifiek, maar als juvenielen groeien ze vaak even sterk of minder sterk dan diploïden, en na rijping neemt de groei toe, vooral bij schelpdieren (Piferrer et al., 2009). Naast de toegenomen groei (triploïden zijn 17% groter dan diploïden vóór het kuitschieten en meer dan 30% groter na het kuitschieten), kunnen triploïde Japanse oesters het hele jaar door op de markt worden gebracht als gevolg van de verminderde gonadogenese (Rasmussen en Morrissey, 2007). Seksuele rijpheid bij diploïde oesters leidt tot een vermindering van de kwaliteit van zowel smaak als textuur, zodat triploïde oesters profiteren van een hogere aanvaarding door de consument (Nell, 2002). Triploïde vrouwtjes van de regenboogforel genieten de voorkeur voor de commerciële productie omdat ze een betere karkasopbrengst hebben tijdens het voortplantingsseizoen en een hoger lichaamsgewicht en filetgewicht hebben (Werner et al., 2008). Triploïdie kan ook de geslachtsverhoudingen scheeftrekken, bijvoorbeeld bij bepaalde soorten vis en schaaldieren, in de richting van een hoger aandeel vrouwtjes, die de voorkeur krijgen vanwege hun grotere afmetingen (Cal et al., 2006).
Bij vissen zijn triploïde vrouwtjes volledig steriel en bij mannetjes is gedeeltelijke tot volledige functionele steriliteit waargenomen, hoewel nakomelingen van kunstmatig geproduceerde triploïde mannetjes niet levensvatbaar zijn (Feindel et al., 2010; Manning et al., 2004). Aangezien triploïde mannetjes echter nog steeds secundaire geslachtskenmerken kunnen ontwikkelen, is de productie van volledig vrouwelijke triploïde populaties (door triploïdie-inductie te combineren met endocriene feminisatie) het meest wenselijk om eventuele geslachtsgebonden nadelen te verminderen (Piferrer, 2001). Triploïde schelpdieren vertonen een afname in de ontwikkeling van de gonaden, in tegenstelling tot volledige steriliteit. Bovendien is bij Japanse oesters de terugkeer naar diploïdie waargenomen bij een deel van de triploïde individuen. Verificatie van triploïdie is daarom cruciaal om functionele steriliteit in een bepaalde soort te verzekeren en er is voorgesteld dat ten minste twee volledige opeenvolgende voortplantingscycli voor dit doel moeten worden gecontroleerd (Piferrer et al., 2006).
Triploïdie wordt voornamelijk in ontwikkelde landen commercieel toegepast voor talrijke vissoorten zoals forel, zalm, charr, en karper, alsook voor schelpdiersoorten zoals Japanse oester, sint-jakobsschelpen, kokkels, en mosselen (Piferrer et al., 2009). Deze technologie is nog niet gecommercialiseerd voor garnalen (Sellars et al., 2010). De praktische toepassing van triploïdie is niet erg succesvol geweest in ontwikkelingslanden vanwege de hoge kosten en het onvermogen van de schokbehandeling om 100% effectief te zijn, een ernstige belemmering voor grootschalige commerciële toepassing (FAO, 2011d). Bovendien resulteert triploïde inductie bij veel soorten in lagere vroege overlevingspercentages, verminderde prestaties onder ongunstige milieuomstandigheden en meer misvormingen (Maxime, 2008; Piferrer et al., 2009).
Gynogenese en androgenese omvatten uniparentale voortplanting, d.w.z. dat de bijdrage van chromosomen slechts van één ouder afkomstig is. Het sperma (bij gynogenese) of de eicel (bij androgenese) wordt bestraald om de chromosomen te vernietigen, gevolgd door fusie met respectievelijk een onbehandelde eicel of eicel om een haploïd embryo te vormen, waarna de diploïdie wordt hersteld door remming van de eerste mitotische deling met behulp van temperatuur- of drukschok (Dunham, 2004). Androgenetische en gynogenetische DH’s zijn dus 100% homozygoot en zijn met succes geïnduceerd in vele vissoorten, met gemelde rendementen van uitgekomen DH’s tussen 1% en 20%, hoewel de overlevingspercentages vaak laag zijn en de vruchtbaarheid bij vrouwtjes verminderd is (Komen en Thorgaard, 2007; Pandian en Kirankumar, 2003; Zhang et al., 2011a). Gynogenese kan ook worden bereikt door de onderdrukking van meiose-delingen (meiose I bij vissen en ofwel meiose I of II bij weekdieren), maar in dit geval zijn er regio’s van heterozygositeit als gevolg van recombinatie.
Gynogenen en androgenen kunnen worden gebruikt om het geslachtsbepalingsmechanisme bij vissen te bestuderen. Bij soorten met het XX-XY-systeem wordt bijvoorbeeld verwacht dat alle gynogenen XX en dus vrouwelijk zijn, terwijl androgenen zouden moeten segregeren als XX en YY. In sommige gevallen zijn echter afwijkingen van de verwachte geslachtsverhoudingen bij nakomelingen waargenomen als gevolg van autosomale en/of omgevingsfactoren (Devlin en Nagahama, 2002; Ezaz et al., 2004). Gynogenese en androgenese kunnen ook worden gebruikt om monosex populaties te creëren, maar wegens de hoge mortaliteit van de gemanipuleerde eieren is dit niet haalbaar op commerciële schaal. In combinatie met geslachtsreversale technologie (bijvoorbeeld het kruisen van XX gynogenetische nakomelingen met geslachtsreversibele XX mannetjes) kunnen grootschalige hoeveelheden monosex vis worden geproduceerd, maar dit is nog geen routine in commerciële broedhuizen (Beaumont et al., 2010).
Een tweede cyclus van gynogenese of androgenese kan leiden tot isogene klonale lijnen, die nuttig zijn voor genetische kartering en QTL-analyse. Klonale lijnen zijn met succes tot stand gebracht in verschillende commercieel belangrijke soorten zoals regenboogforel, gewone karper, amago zalm en Nijltilapia (Komen en Thorgaard, 2007). Daarnaast kan androgenese worden toegepast om uitgestorven of bedreigde soorten te herstellen uit opgeslagen populaties van gecryopreserveerd sperma (Babiak et al., 2002; Yasui et al., 2010). Gynogenese is ook voorgesteld als een instrument voor het versnellen van de eliminatie van recessieve schadelijke genen en voor het produceren van inteeltvissen met gewenste eigenschappen zoals hogere groeisnelheden en ziekteresistentie (FAO, 2011d).