Efecto de mezclar semen de zánganos sobre la calidad espermática
Prefacio
Tras el apareamiento, los espermatozoides de varios zánganos de Apis mellifera se mezclan en la espermateca de la reina. Su comportamiento en ese medio es importante para su supervivencia a largo plazo y para la fecundación. El sistema de apareamiento poliándrico de la abeja melífera también podría permitir que la elección críptica de la hembra y la competencia espermática favorezcan ciertos rasgos útiles para la reproducción. La elección críptica comprende los mecanismos por los que una hembra puede influir después del apareamiento en el uso del semen de distintos machos, por ejemplo, al retener o expulsar diferentes proporciones de sus eyaculados.
Este estudio preliminar evaluó varios indicadores de calidad espermática en mezclas de semen de zánganos. Los investigadores recogieron 31 eyaculados y los dividieron para preparar muestras de uno, dos o tres zánganos. Analizaron los espermatozoides mediante un sistema informático al inicio y a los 60 minutos. La motilidad total disminuyó significativamente en las mezclas de dos zánganos (p = 0,004). Las mezclas de tres zánganos tendían a mostrar menor motilidad y valores cinemáticos más bajos al inicio, sin diferencias iniciales significativas entre los grupos. Transcurrida una hora, solo en ese grupo aumentaron la motilidad progresiva, la velocidad de nado y los parámetros cinemáticos. La concentración de espermatozoides se correlacionó con la mayoría de las variables funcionales, a diferencia de las medidas morfométricas. Los cambios observados podrían reflejar los efectos combinados de la mezcla, la concentración y el tiempo disponible para las interacciones entre espermatozoides.
Introducción
En los insectos poliándricos, la hembra se aparea con varios machos y recibe semen de cada uno. Entre los himenópteros, esto puede aumentar la diversidad genética y favorecer la salud y la aptitud biológica de la colonia. La abeja melífera (Apis mellifera) es un ejemplo de poliandria extrema. En algunas poblaciones, una reina puede aparearse con hasta 77 zánganos (Withrow y Tarpy 2018; Delaplane et al. 2021). La poliandria se ha asociado a un mejor desempeño y una mayor productividad de las obreras, un pecoreo más eficiente, mayor supervivencia de la cría y colonias más pobladas (Mattila y Seeley 2007; Delaplane et al. 2021). Los apareamientos múltiples también pueden reducir el riesgo de que la reina agote su reserva de espermatozoides (Delaplane et al. 2021) y proporcionar una cantidad suficiente de células con rasgos favorables para la fecundación a largo plazo. En la abeja del Cabo, A. m. capensis, los zánganos son más pequeños y producen menos espermatozoides, mientras que las reinas tienen una espermateca mayor que las de subespecies europeas como A. m. carnica. Por ello, podrían necesitar más apareamientos para reunir una reserva suficiente para toda la vida (Kraus et al. 2004).
Recibir numerosos espermatozoides de varios machos puede ayudar a garantizar una reserva suficiente de células viables. A diferencia de las reinas, los zánganos se aparean una sola vez. Después, la supervivencia de sus espermatozoides depende de las condiciones en el aparato reproductor de la reina (den Boer et al. 2010). Entre 4 y 6 millones de espermatozoides alcanzan la espermateca y quedan almacenados. Según las estimaciones citadas, representan aproximadamente el 3–5 % del total transferido y el 5–10 % del aporte de un solo zángano. El resto se expulsa a través de la bolsa copulatriz (Baer 2005; Gençer y Kahya 2020; Liu et al. 2020; Gençer et al. 2014). Se estima que entre 1 y 1,6 millones se utilizan para fecundar óvulos en los años siguientes (Baer 2005). La necesidad de que sigan siendo viables durante ese periodo hace que su calidad sea importante (Baer 2003; Stürup et al. 2013). Por ello se ha estudiado la competencia espermática en abejas melíferas (Moritz 1986; Woyciechowski y Król 1996; Shafir et al. 2009). La competencia entre machos y la elección críptica de la hembra pueden influir en el éxito reproductivo antes o después del apareamiento.
Tras el apareamiento, se ha planteado que existe competencia espermática tanto en los oviductos como en la espermateca (Gençer y Kahya 2020). También podría ocurrir cuando los espermatozoides salen de la espermateca, atraviesan su conducto y alcanzan el óvulo (Harbo 1990). En las especies poliándricas, esta competencia puede favorecer rasgos útiles para la fecundación (Pearcy et al. 2014). Entre ellos están la motilidad progresiva, la velocidad de nado, la viabilidad, la morfología y dimensiones como la longitud de la cabeza, del flagelo o de la célula completa (Fitzpatrick y Lüpold 2014; Pearcy et al. 2014). La cinemática espermática de los insectos todavía se conoce poco. Entre las medidas habituales se incluyen la velocidad curvilínea (VCL), la velocidad rectilínea (VSL), la velocidad de la trayectoria media (VAP), la linealidad (LIN), la rectitud (STR), el índice de oscilación (WOB), la amplitud del desplazamiento lateral de la cabeza (ALH) y la frecuencia de cruce de la trayectoria media (BCF) (Lu et al. 2014; OMS 2021). Los sistemas de análisis de semen asistido por ordenador (CASA) suelen seguir la cabeza del espermatozoide y se utilizan ampliamente en mamíferos (Hook y Fisher 2020; OMS 2021). Las cabezas mucho más pequeñas y los flagelos largos dificultan el seguimiento en insectos.
Tras la cópula, los espermatozoides de la abeja melífera se mezclan (Borsuk et al. 2018) y forman haces densos en la espermateca (Wegener et al. 2014). Al cabo de varias horas pueden formar grupos que nadan en círculos (Tofilski et al. 2018). Estos cambios podrían reflejar interacciones o cooperación entre espermatozoides, que pueden contribuir a la fecundación en insectos (Lüpold et al. 2012; Pearcy et al. 2014). En algunos insectos, la cooperación puede modificar la motilidad y la velocidad y facilitar el desplazamiento por el tracto reproductor (Pizzari y Foster 2008; Lüpold et al. 2012; Pearcy et al. 2014; Liberti et al. 2018). El aumento de la motilidad y de la velocidad podría reducir la viabilidad, importante para el almacenamiento prolongado.
El movimiento de los espermatozoides requiere energía y se asocia a una mayor actividad metabólica. Las mitocondrias producen trifosfato de adenosina (ATP) y especies reactivas de oxígeno (ERO), que pueden intervenir en la regulación del movimiento. Si la producción de ERO supera la capacidad antioxidante, el estrés oxidativo puede alterar la estructura y la función de los espermatozoides y causar su muerte (Reinhardt 2007; Abdelkader et al. 2018). Por ejemplo, la exposición a insecticidas de zánganos adultos in vivo y de espermatozoides de abeja in vitro aumentó la actividad metabólica, como indicó la mayor producción de ATP. En ambos estudios también aumentó la mortalidad y disminuyó la viabilidad de los espermatozoides (Abdelkader et al. 2015, 2018).
La mayoría de los estudios in vitro sobre mezclas de semen de zánganos no han hallado un efecto aparente sobre la viabilidad (Shafir et al. 2009; Tofilski et al. 2012; Gençer et al. 2014). La viabilidad también pareció similar en los oviductos laterales y en la espermateca durante las primeras cuatro horas, cuando más espermatozoides migran a la espermateca en reinas inseminadas instrumentalmente (Gençer y Kahya 2011). La investigación sobre la mezcla de semen de varios zánganos durante y después del apareamiento se ha centrado principalmente en los patrones de nado y la viabilidad. Aún se desconoce qué rasgos estructurales y funcionales son más favorables para la fecundación.
En himenópteros monándricos, como la mayoría de los abejorros y las abejas solitarias, la hembra se aparea con un solo macho (Baer 2003). En algunas especies, el macho forma un tapón de apareamiento que reduce la probabilidad de una nueva cópula. Así, los espermatozoides de un solo macho pueden llegar a la espermateca sin entrar en contacto con los de otros machos, lo que reduce la probabilidad de competencia en el aparato reproductor femenino (Baer et al. 2006; Strobl et al. 2019).
Este estudio preliminar examinó la calidad espermática en zánganos de A. m. capensis y cómo la mezcla del semen de varios zánganos podría influir en su comportamiento y calidad. Se compararon muestras individuales y mezcladas in vitro. El primer objetivo fue determinar si la mezcla alteraba la motilidad y los parámetros cinemáticos. El segundo fue examinar si las medidas estructurales se asociaban con la función o el comportamiento observado.
Materiales y métodos. Véase el artículo original.
Resultados
El estudio examinó rasgos funcionales y estructurales de los espermatozoides tras mezclar semen de zánganos in vitro. Tofilski et al. (2018) habían descrito cambios en el movimiento de los espermatozoides a lo largo del tiempo en la espermateca de las reinas tras la inseminación instrumental o el apareamiento natural. En las primeras ocho horas apenas se observó movimiento hacia delante, aunque una pequeña fracción avanzaba rápidamente. Al cabo de 16 horas se observaron movimientos circulares coordinados y grupos que nadaban lentamente en círculos. El experimento actual terminó a los 60 minutos. La mayoría de los espermatozoides de las mezclas se movían despacio y sin progresar, y algunos grupos nadaban en círculos. Al inicio, la motilidad total era mayor en las muestras individuales y en las de dos zánganos. Disminuyó notablemente a los 60 minutos en las de dos zánganos y en menor medida en las de tres.
Borsuk et al. (2011) observaron que al mezclar semen de dos zánganos maduros de A. m. carnica los espermatozoides eran muy activos al principio, pero su actividad disminuía después. Los autores no indicaron el intervalo entre observaciones. En la hormiga cortadora de hojas Acromyrmex echinatior, el líquido seminal del propio macho aumentó la motilidad en menor medida, lo que podría preservar la viabilidad. Al mezclarlo con el líquido seminal de un rival, la motilidad aumentó más (Liberti et al. 2018). La motilidad total incluye los espermatozoides con motilidad progresiva (PR) y no progresiva (NP). En las muestras de dos zánganos, la proporción de espermatozoides no progresivos y lentos disminuyó sin un aumento equivalente de los progresivos o rápidos. En cambio, la proporción de inmóviles aumentó más de un 50 % respecto al valor inicial mientras disminuía la motilidad total. La mezcla del semen de dos zánganos emparentados pudo perjudicar su calidad en este experimento. Los daños en la membrana podrían facilitar la pérdida de sustancias necesarias para el movimiento, como el ATP. Una menor disponibilidad de ATP podría reducir la motilidad o dejar inmóviles a los espermatozoides.
La superóxido dismutasa (SOD) actúa como antioxidante y contribuye a la supervivencia y la motilidad de los espermatozoides. Por tanto, si el exceso de especies reactivas de oxígeno supera las defensas antioxidantes del semen, el estrés oxidativo puede perjudicar la función de los espermatozoides (Reinhardt 2007; Abdelkader et al. 2014, 2018). El estrés oxidativo pudo afectar a los espermatozoides en las mezclas de dos zánganos. Como no se midió la viabilidad a lo largo del tiempo, el aumento de la proporción de células inmóviles no demuestra que murieran más espermatozoides. Den Boer et al. (2010) estudiaron espermatozoides extraídos de las vesículas seminales de seis especies de insectos, entre ellas la abeja melífera y las hormigas cortadoras de hojas Atta colombica y Acromyrmex echinatior. Los espermatozoides sobrevivieron mejor en el líquido seminal del propio macho y peor en el de otro macho de la misma especie, emparentado o no.Los autores sugirieron que el líquido seminal podría contener sustancias con efectos opuestos, unas perjudiciales para los espermatozoides de machos rivales y otras favorables para su supervivencia. Shafir et al. (2009) mezclaron semen de dos zánganos no emparentados y conservaron las muestras durante cuatro días a 25 °C. La viabilidad fue ligeramente mayor en las mezclas, aunque la diferencia no fue estadísticamente significativa. Tofilski et al. (2012) no hallaron diferencias de viabilidad al evaluar el semen tras la recogida.
Otros estudios observaron una viabilidad considerablemente menor en las mezclas de semen de cuatro zánganos (inferior al 50 %) que en las muestras individuales (Collins 2004). En cambio, al mezclar semen de cinco a ocho zánganos (Collins 2003) o de ocho a diez zánganos (Gençer et al. 2014), la viabilidad se mantuvo. Tofilski et al. (2012) también hallaron más partículas en muestras de dos zánganos y plantearon un posible papel de la competencia espermática, por la que el líquido seminal de un macho podría provocar coagulación e inmovilizar los espermatozoides de otro. En este experimento no se observó coagulación. Las diferencias entre estudios podrían deberse a los métodos de recogida, almacenamiento y preparación, que pueden dañar los espermatozoides (Collins 2004; Shafir et al. 2009; Gençer et al. 2014).
La viabilidad también puede variar entre zánganos individuales (Collins 2004). Se han asociado otros factores con una menor viabilidad, entre ellos la edad de los zánganos. La estación, la disponibilidad de recursos florales y la exposición a parásitos o plaguicidas también podrían influir considerablemente (Rangel y Fisher 2019; Yániz et al. 2020; Morais et al. 2022).El nivel de infestación de las colonias por Varroa y los acaricidas utilizados para controlar el ácaro también podrían afectar a la viabilidad de los espermatozoides de los zánganos (Collins 2004; Rinderer et al. 1999). En este estudio no se midió el nivel de infestación. La mayor viabilidad en la espermateca que en los eyaculados sugiere que la viabilidad podría influir en qué espermatozoides se almacenan (Lodesani et al. 2004).
La viabilidad es importante tanto en el zángano como en la reina, pero los mecanismos que la preservan parecen distintos. Por ejemplo, las concentraciones de proteínas relacionadas con el metabolismo, incluidas las enzimas, difieren notablemente entre el líquido de la espermateca y el líquido seminal. El primero contiene más sustancias que favorecen la supervivencia de los espermatozoides (Collins et al. 2006; Baer et al. 2009). Su alta densidad en la espermateca podría contribuir a conservar la viabilidad al limitar la dilución y, con ello, reducir el estrés osmótico y la respiración endógena. Esto puede reducir la actividad metabólica de los espermatozoides agrupados (Reinhardt 2007). En la espermateca, una motilidad reducida podría contribuir a preservar la viabilidad. Las concentraciones de sodio y potasio son mucho mayores en el líquido de la espermateca que en el semen del zángano, lo que podría reducir la motilidad (Verma 1973). Los espermatozoides inmóviles parecen más frecuentes en reinas de mayor edad, cuando disminuyen el recuento y la hipertonicidad (Al-Lawati et al. 2009). Sin embargo, una menor viabilidad en las mezclas de semen podría ser especialmente relevante para la inseminación instrumental, ya que la viabilidad puede disminuir más rápido en reinas inseminadas que en reinas apareadas de forma natural (Tarpy y Olivarez 2014; Lodesani et al. 2004). La pérdida de espermatozoides viables puede perjudicar la reproducción y llevar a que la reina ponga huevos no fecundados, de los que nacen zánganos. Aun así, un estudio mostró que las reinas inseminadas con semen con un 42,6 % de viabilidad todavía podían poner suficientes huevos fecundados en las condiciones del ensayo (Collins 2000).
A diferencia de lo observado en las mezclas de dos zánganos, mezclar semen de tres zánganos pareció mejorar el movimiento de los espermatozoides con el tiempo. En este grupo disminuyeron los porcentajes de espermatozoides lentos y no progresivos, mientras que aumentaron los porcentajes de los rápidos y progresivos. La mayoría de los valores resultantes fueron mayores que en las muestras individuales y en las mezclas de dos zánganos. También fue el único grupo en el que todos los parámetros cinemáticos medidos aumentaron con el tiempo, aunque sin significación estadística. Los aumentos fueron más claros en VSL, LIN y STR. LIN se calcula a partir de VSL y VCL, y STR, a partir de VSL y VAP. En abejas melíferas, una mayor motilidad total se ha asociado con más espermatozoides progresivos y rápidos y con valores más altos de VCL, VSL, VAP, LIN y STR en muestras individuales de vesículas seminales y eyaculados (Inouri-Iskounen et al. 2020; Murray et al. 2022). Los autores sugieren que la concentración, la posible cooperación entre espermatozoides y el tiempo transcurrido pudieron contribuir a los cambios observados en las mezclas de tres zánganos. Estas tenían una concentración espermática mayor, correlacionada positivamente con los parámetros funcionales.
Una concentración espermática mayor podría aumentar la viscosidad y modificar el movimiento, como sugieren las observaciones en la espermateca (Tofilski et al. 2018). Al-Lawati et al. (2009) propusieron que la hipertonicidad del líquido de la espermateca podría contribuir al nado circular. Los autores plantean que la hipertonicidad pudo ser mayor en las mezclas más concentradas de tres zánganos. En una mosca fórida y una hormiga del desierto se observaron mayores velocidades de nado en medios más viscosos (Curtis y Benner 1991; Pearcy et al. 2014). Una concentración mayor también podría favorecer las interacciones entre espermatozoides. En la hormiga eusocial del desierto Cataglyphis savignyi, decenas de espermatozoides forman haces que nadan un 50 % más rápido que las células aisladas. Esa cooperación podría aumentar la contribución de un macho al conjunto de espermatozoides que llegan a la espermateca y se almacenan allí (Pearcy et al. 2014).
Los cambios en el movimiento de los espermatozoides de zángano también se han atribuido al tiempo transcurrido entre observaciones, que puede permitir que se estabilicen las trayectorias (Tofilski et al. 2018; Yániz et al. 2019). Las condiciones del aparato reproductor y la espermateca de la reina difieren de las del eyaculado.Tras un apareamiento o una inseminación exitosos, solo se almacena una fracción de los espermatozoides. Woyciechowski y Król (1996) observaron que el número almacenado no dependía de cuántos zánganos aportaron semen a la inseminación instrumental. En las reinas de A. m. capensis, los recuentos parecen oscilar entre 3 y 11 millones de espermatozoides en una espermateca de aproximadamente 1 µL. Las concentraciones de todos los grupos del ensayo se situaron dentro de ese intervalo. Se desconoce cómo afecta esa variación al movimiento en la espermateca. La variabilidad de las concentraciones concuerda con observaciones anteriores en la misma subespecie (Murray et al. 2022). Los espermatozoides de A. m. capensis parecen más cortos que los de otras subespecies como A. m. carnica, lo que podría afectar a su movimiento (Gontarz et al. 2016). En la espermateca están expuestos al líquido de ese órgano y dependen más del metabolismo anaerobio que en el eyaculado (Liu et al. 2020). En los insectos, la longitud de los espermatozoides puede influir en su función y motilidad (Fitzpatrick y Lüpold 2014). En Drosophila, por ejemplo, los espermatozoides largos nadan más despacio que los cortos, pero resisten mejor la expulsión del aparato reproductor de la hembra (Lüpold et al. 2012).
En este experimento, las dimensiones de los espermatozoides no difirieron entre los tres grupos ni se correlacionaron con las medidas de motilidad. En la avispa Dahlbominus fuscipennis hay cinco tipos de espermatozoides en las vesículas seminales de los machos, mientras que las espermatecas tienen un tamaño uniforme (Lee y Wilkes 1965). En las abejas melíferas se han descrito variaciones estacionales en las dimensiones de los espermatozoides (Gontarz et al. 2016). Aún queda por describir un posible polimorfismo entre los que llegan a la espermateca y permanecen allí tras el apareamiento. Los espermatozoides más cortos de A. m. capensis podrían moverse de forma distinta a los de otras subespecies. Una limitación del estudio es que no se midió el tamaño corporal de los zánganos. Estudios anteriores lo relacionaron con la concentración o el número de espermatozoides por eyaculado (Schlüns et al. 2003; Bratu et al. 2022) y con la presencia de espermatozoides anómalos (Bratu et al. 2022). Los ensayos anteriores de los autores, sin embargo, no apuntaban a un efecto adverso del peso corporal sobre la concentración.
Conclusiones
Las diferencias en la motilidad y la cinemática podrían reflejar los efectos combinados de la mezcla, la concentración y los cambios en la disposición de los espermatozoides con el tiempo. El estudio no estableció una causa genética. La mezcla in vitro también excluye la posible influencia de la reina sobre el uso de los espermatozoides tras el apareamiento, incluida la elección críptica de la hembra. Tras el apareamiento natural, solo una fracción de los espermatozoides recibidos se almacena en la espermateca. Junto con los factores ambientales, la calidad del semen de los zánganos podría influir en la salud y reproducción de la reina mediante cambios posteriores al apareamiento, con consecuencias para la salud y el rendimiento de la colonia (Brutscher et al. 2019).
Los resultados podrían interesar a los apicultores y a los programas de inseminación instrumental. La concentración, la motilidad y la viabilidad ayudan a evaluar la calidad del semen mezclado antes de la inseminación. Queda por estudiar su utilidad como indicadores de la salud posterior de la reina y de la colonia. Para aclarar los mecanismos que explican los cambios tras la mezcla, los autores proponen estudiar distintas concentraciones, medir las especies reactivas de oxígeno y la función mitocondrial, y examinar los espermatozoides en la espermateca de la reina. Su evaluación habitual en apicultura también requeriría métodos sencillos y asequibles.
Autores
Retha CM Kotzé (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Sudáfrica)
Gerhard van der Horst (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Sudáfrica)
Janice F Murray (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Sudáfrica)
Anja Duminy (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Sudáfrica, y Applied Research Centre, Langara College, Vancouver, Canadá)
Mike Allsopp (Honey Bee Research Section, ARC-Plant Protection Research Institute, Stellenbosch, Sudáfrica)
African Entomology, 2024 · Adaptación del artículo citado bajo licencia CC BY 4.0 https://doi.org/10.17159/2254-8854/2024/a17135
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