Effet du mélange du sperme de faux-bourdons sur la qualité des spermatozoïdes
Préface
Après l’accouplement, les spermatozoïdes de plusieurs faux-bourdons d’Apis mellifera se mélangent dans la spermathèque de la reine. Leur comportement dans cet environnement importe pour leur survie à long terme et la réussite de la fécondation. Le système d’accouplement polyandre de l’abeille mellifère pourrait aussi permettre au choix cryptique de la femelle et à la compétition spermatique de favoriser certains caractères utiles à la reproduction. Le choix cryptique désigne les mécanismes par lesquels une femelle peut influer, après l’accouplement, sur l’utilisation du sperme de différents mâles, par exemple en retenant ou en expulsant des proportions différentes de leurs éjaculats.
Cette étude préliminaire a évalué plusieurs paramètres de qualité dans des mélanges de sperme de faux-bourdons. Les chercheurs ont prélevé 31 éjaculats et les ont répartis pour constituer des échantillons provenant d’un, de deux ou de trois mâles. Ils ont analysé les spermatozoïdes par ordinateur au début de l’expérience et après 60 minutes. La motilité totale a diminué significativement dans les mélanges de deux mâles (p = 0,004). Les mélanges de trois mâles tendaient à présenter une motilité et des valeurs cinématiques initiales plus faibles, sans différence initiale significative entre les groupes. Après une heure, seuls ces mélanges ont montré une augmentation de la motilité progressive, de la vitesse de nage et des paramètres cinématiques. La concentration en spermatozoïdes était corrélée à la plupart des mesures fonctionnelles, contrairement aux mesures morphométriques. Les changements observés pourraient résulter des effets combinés du mélange, de la concentration et du temps laissé aux interactions entre spermatozoïdes.
Introduction
Chez les insectes polyandres, une femelle s’accouple avec plusieurs mâles et reçoit le sperme de chacun. Chez les hyménoptères, cela peut accroître la diversité génétique et favoriser la santé et la valeur adaptative des colonies. L’abeille mellifère (Apis mellifera) illustre une polyandrie extrême. Dans certaines populations, une reine peut s’accoupler avec jusqu’à 77 faux-bourdons (Withrow et Tarpy 2018 ; Delaplane et al. 2021). La polyandrie a été associée à de meilleures performances et à une productivité accrue des ouvrières, à un butinage plus efficace, à une meilleure survie du couvain et à des colonies plus peuplées (Mattila et Seeley 2007 ; Delaplane et al. 2021). Les accouplements multiples peuvent aussi réduire le risque d’épuisement des réserves de sperme de la reine (Delaplane et al. 2021). Ils peuvent fournir suffisamment de spermatozoïdes possédant des caractères favorables à la fécondation à long terme. Chez l’abeille du Cap, A. m. capensis, les mâles sont plus petits et produisent moins de spermatozoïdes, et les reines ont une spermathèque plus grande que celles de sous-espèces européennes comme A. m. carnica. Davantage d’accouplements pourraient donc être nécessaires pour constituer une réserve suffisante pour toute la vie de la reine (Kraus et al. 2004).
Recevoir de nombreux spermatozoïdes de plusieurs mâles peut contribuer à constituer une réserve suffisante de cellules viables. Contrairement aux reines, les faux-bourdons ne s’accouplent qu’une fois. Après l’accouplement, la survie des spermatozoïdes dépend des conditions dans l’appareil reproducteur de la reine (den Boer et al. 2010). Environ 4 à 6 millions de spermatozoïdes atteignent la spermathèque et y sont stockés. Selon les estimations citées, cela représente environ 3 à 5 % de l’ensemble des spermatozoïdes transférés et 5 à 10 % de l’apport d’un mâle. Les autres sont expulsés par la bourse copulatrice (Baer 2005 ; Gençer et Kahya 2020 ; Liu et al. 2020 ; Gençer et al. 2014). On estime que 1 à 1,6 million de spermatozoïdes servent à féconder les ovules au cours des années suivantes (Baer 2005). Leur aptitude à rester viables pendant cette période rend leur qualité déterminante (Baer 2003 ; Stürup et al. 2013). Plusieurs études ont donc examiné la compétition spermatique chez l’abeille mellifère (Moritz 1986 ; Woyciechowski et Król 1996 ; Shafir et al. 2009). La compétition entre mâles et le choix cryptique de la femelle peuvent influer sur la reproduction avant ou après l’accouplement.
Après l’accouplement, une compétition spermatique a été proposée dans les oviductes et la spermathèque (Gençer et Kahya 2020). Elle pourrait aussi se produire lorsque les spermatozoïdes quittent la spermathèque, traversent son canal et atteignent un ovule (Harbo 1990). Chez les espèces polyandres, cette compétition peut favoriser des caractères utiles à la fécondation (Pearcy et al. 2014). Les caractères étudiés comprennent la motilité progressive, la vitesse de nage, la viabilité, la morphologie et les longueurs de la tête, du flagelle et du spermatozoïde entier (Fitzpatrick et Lüpold 2014 ; Pearcy et al. 2014). La cinématique des spermatozoïdes d’insectes reste peu étudiée. Les mesures courantes comprennent la vitesse curvilinéaire (VCL), la vitesse en ligne droite (VSL), la vitesse sur la trajectoire moyenne (VAP), la linéarité (LIN), la rectitude (STR), l’indice d’oscillation (WOB), l’amplitude du déplacement latéral de la tête (ALH) et la fréquence de croisement de la trajectoire moyenne (BCF) (Lu et al. 2014 ; OMS 2021). Les systèmes d’analyse du sperme assistée par ordinateur (CASA) suivent généralement la tête du spermatozoïde et sont très utilisés chez les mammifères (Hook et Fisher 2020 ; OMS 2021). Chez les insectes, les têtes beaucoup plus petites et les longs flagelles compliquent ce suivi.
Après l’accouplement, les spermatozoïdes se mélangent (Borsuk et al. 2018) et forment des faisceaux denses dans la spermathèque (Wegener et al. 2014). Après plusieurs heures, certains forment des groupes qui nagent en cercle (Tofilski et al. 2018). Ces changements pourraient refléter des interactions ou une coopération entre spermatozoïdes, susceptibles de contribuer à la fécondation chez les insectes (Lüpold et al. 2012 ; Pearcy et al. 2014). Chez certains insectes, cette coopération peut modifier la motilité et la vitesse de nage et faciliter la progression dans les voies génitales (Pizzari et Foster 2008 ; Lüpold et al. 2012 ; Pearcy et al. 2014 ; Liberti et al. 2018). Une motilité et une vitesse accrues pourraient toutefois réduire la viabilité, importante pour le stockage à long terme.
Le déplacement des spermatozoïdes exige de l’énergie et s’accompagne d’une activité métabolique accrue. Les mitochondries produisent de l’adénosine triphosphate (ATP) et des espèces réactives de l’oxygène (ERO), qui peuvent participer à la régulation du mouvement. Si la production d’ERO dépasse les capacités antioxydantes, le stress oxydant peut altérer la structure et la fonction des spermatozoïdes et entraîner leur mort (Reinhardt 2007 ; Abdelkader et al. 2018). Par exemple, l’exposition aux insecticides de faux-bourdons adultes in vivo et de spermatozoïdes d’abeilles in vitro a augmenté l’activité métabolique, comme l’indiquait la production accrue d’ATP. Les deux études ont également relevé une mortalité accrue et une viabilité réduite des spermatozoïdes (Abdelkader et al. 2015, 2018).
La plupart des études in vitro sur le mélange de sperme de faux-bourdons n’ont pas mis en évidence d’effet sur la viabilité (Shafir et al. 2009 ; Tofilski et al. 2012 ; Gençer et al. 2014). La viabilité semblait aussi comparable dans les oviductes latéraux et la spermathèque au cours des quatre premières heures, période durant laquelle la migration vers la spermathèque est la plus importante chez les reines inséminées par voie instrumentale (Gençer et Kahya 2011). Les travaux sur le mélange du sperme de plusieurs mâles pendant et après l’accouplement ont surtout porté sur les trajectoires de nage et la viabilité. Les caractères structurels ou fonctionnels les plus favorables à la fécondation restent à déterminer.
Chez les hyménoptères monandres, comme la plupart des bourdons et des abeilles solitaires, la femelle s’accouple avec un seul mâle (Baer 2003). Chez certaines espèces, le mâle forme un bouchon d’accouplement qui réduit la probabilité d’un nouvel accouplement. Le sperme d’un seul mâle peut ainsi atteindre la spermathèque sans rencontrer celui d’autres mâles. La compétition spermatique dans les voies génitales femelles est alors moins probable (Baer et al. 2006 ; Strobl et al. 2019).
Cette étude préliminaire a examiné la qualité des spermatozoïdes des faux-bourdons d’A. m. capensis et l’influence possible du mélange de sperme de plusieurs mâles sur le comportement et la qualité des spermatozoïdes. Des échantillons individuels et mélangés ont été comparés in vitro. Le premier objectif était de déterminer si le mélange modifiait la motilité et les paramètres cinématiques. Le second était d’examiner si les mesures structurelles étaient associées à la fonction ou au comportement observé.
Matériel et méthodes. Voir l’article original.
Résultats
L’étude a examiné les caractères fonctionnels et structurels des spermatozoïdes après mélange in vitro du sperme des faux-bourdons. Tofilski et al. (2018) avaient décrit l’évolution des mouvements des spermatozoïdes dans la spermathèque des reines après insémination instrumentale ou accouplement naturel. Au cours des huit premières heures, peu de mouvements vers l’avant étaient visibles, même si une petite fraction de spermatozoïdes se déplaçait rapidement. Après 16 heures, les auteurs ont observé des mouvements circulaires coordonnés et des groupes de spermatozoïdes nageant lentement en cercle. La présente expérience a pris fin après 60 minutes. La plupart des spermatozoïdes des mélanges se déplaçaient lentement et sans progression nette, et certains groupes nageaient en cercle. La motilité totale était initialement la plus élevée dans les échantillons d’un ou de deux mâles. Elle a nettement baissé après 60 minutes dans les mélanges de deux mâles, et moins fortement dans ceux de trois mâles.
Borsuk et al. (2011) ont également constaté que le mélange du sperme de deux faux-bourdons matures d’A. m. carnica entraînait d’abord une forte activité des spermatozoïdes, qui diminuait ensuite. Le délai entre observations n’a pas été indiqué. Chez la fourmi coupeuse de feuilles Acromyrmex echinatior, le liquide séminal du mâle lui-même augmenterait plus faiblement la motilité, ce qui pourrait préserver la viabilité. L’ajout de liquide séminal d’un rival augmentait davantage la motilité (Liberti et al. 2018). La motilité totale comprend les spermatozoïdes à motilité progressive (PR) et non progressive (NP). Dans les mélanges de deux mâles, la proportion de spermatozoïdes lents et non progressifs a diminué sans hausse correspondante des nageurs rapides ou progressifs. La proportion de spermatozoïdes immobiles a augmenté de plus de 50 % par rapport à la valeur initiale, tandis que la motilité totale baissait. Le mélange de sperme de deux mâles apparentés a donc pu altérer la qualité du sperme dans cet essai. Une membrane endommagée pourrait réduire la capacité du spermatozoïde à retenir les substances nécessaires au mouvement, comme l’ATP. Une baisse de l’ATP pourrait réduire la motilité, voire rendre les spermatozoïdes immobiles.
La superoxyde dismutase (SOD) agit comme antioxydant et contribue à la survie et à la motilité des spermatozoïdes. Par conséquent, si la production d’espèces réactives de l’oxygène dépasse les capacités antioxydantes du sperme, le stress oxydant peut altérer la fonction des spermatozoïdes (Reinhardt 2007 ; Abdelkader et al. 2014, 2018). Le stress oxydant pourrait donc avoir affecté les spermatozoïdes des mélanges de deux mâles. La viabilité n’ayant pas été mesurée au fil du temps, l’augmentation de la proportion de spermatozoïdes immobiles ne suffit pas à établir que davantage de cellules sont mortes. À partir de spermatozoïdes prélevés dans les vésicules séminales, den Boer et al. (2010) ont étudié six espèces d’insectes, dont l’abeille mellifère et les fourmis coupeuses de feuilles Atta colombica et Acromyrmex echinatior. La survie des spermatozoïdes augmentait au contact du liquide séminal du même mâle et diminuait au contact de celui d’un autre mâle de la même espèce, apparenté ou non.Les auteurs ont suggéré que le liquide séminal pouvait contenir des substances aux effets opposés, certaines nuisant aux spermatozoïdes des rivaux et d’autres favorisant leur survie. Shafir et al. (2009) ont mélangé le sperme de deux mâles non apparentés et conservé les échantillons quatre jours à 25 °C. La viabilité était légèrement supérieure dans les mélanges, mais la différence n’était pas statistiquement significative. Tofilski et al. (2012) n’ont relevé aucune différence de viabilité lors de l’évaluation après le prélèvement.
D’autres études ont trouvé une viabilité sensiblement plus faible dans les mélanges de sperme de quatre faux-bourdons (moins de 50 %) que dans les échantillons individuels (Collins 2004). En revanche, dans les mélanges de sperme de cinq à huit faux-bourdons (Collins 2003) ou de huit à dix faux-bourdons (Gençer et al. 2014), la viabilité est restée inchangée. Tofilski et al. (2012) ont aussi relevé davantage de particules dans les mélanges de deux mâles et ont évoqué un rôle possible de la compétition spermatique, dans laquelle le liquide séminal d’un mâle pourrait provoquer une coagulation et immobiliser les spermatozoïdes d’un autre. Les chercheurs n’ont observé aucune coagulation dans cette expérience. Les écarts entre études pourraient s’expliquer par les méthodes de prélèvement, de stockage et de préparation, qui peuvent endommager les spermatozoïdes (Collins 2004 ; Shafir et al. 2009 ; Gençer et al. 2014).
La viabilité varie aussi d’un faux-bourdon à l’autre (Collins 2004). Plusieurs autres facteurs ont été associés à une viabilité réduite, dont l’âge du mâle. La saison, la disponibilité des ressources florales et l’exposition aux parasites et aux pesticides pourraient également avoir une influence importante (Rangel et Fisher 2019 ; Yániz et al. 2020 ; Morais et al. 2022).Le niveau d’infestation des colonies par Varroa et les acaricides utilisés pour lutter contre cet acarien pourraient aussi influer sur la viabilité des spermatozoïdes (Collins 2004 ; Rinderer et al. 1999). Le niveau d’infestation n’a pas été mesuré dans cette étude. La viabilité plus élevée dans la spermathèque que dans les éjaculats suggère que la viabilité pourrait influer sur les spermatozoïdes qui y sont stockés (Lodesani et al. 2004).
La viabilité des spermatozoïdes est importante chez le faux-bourdon comme chez la reine. Les mécanismes qui la préservent semblent toutefois différents. Par exemple, les concentrations de protéines impliquées dans le métabolisme, dont les enzymes, diffèrent considérablement entre le liquide spermathécal et le liquide séminal. Le liquide spermathécal contient davantage de substances favorisant la survie des spermatozoïdes (Collins et al. 2006 ; Baer et al. 2009). Leur forte densité dans la spermathèque pourrait préserver leur viabilité en limitant la dilution et en réduisant ainsi le stress osmotique et la respiration endogène. Cela peut réduire l’activité métabolique des spermatozoïdes ainsi regroupés (Reinhardt 2007). Dans la spermathèque, une motilité limitée pourrait contribuer à préserver la viabilité. Les concentrations de sodium et de potassium y sont bien plus élevées que dans le sperme des faux-bourdons, ce qui pourrait contribuer à réduire la motilité (Verma 1973). Les spermatozoïdes immobiles semblent plus fréquents chez les reines âgées, lorsque leur nombre et l’hypertonicité diminuent (Al-Lawati et al. 2009). Toutefois, une moindre viabilité du sperme mélangé pourrait avoir une importance particulière pour l’insémination instrumentale, car la viabilité pourrait diminuer plus vite chez les reines inséminées que chez celles accouplées naturellement (Tarpy et Olivarez 2014 ; Lodesani et al. 2004). La perte de spermatozoïdes viables peut compromettre la reproduction et amener la reine à pondre des œufs non fécondés, qui donnent des mâles. Une étude a néanmoins montré que les reines inséminées avec du sperme dont la viabilité était de 42,6 % pouvaient encore pondre suffisamment d’œufs fécondés dans les conditions de l’essai (Collins 2000).
Contrairement aux changements observés dans les mélanges de deux mâles, le mélange du sperme de trois faux-bourdons a semblé améliorer le déplacement des spermatozoïdes au fil du temps. Dans ce groupe, les proportions de spermatozoïdes lents et non progressifs ont diminué, tandis que les proportions de spermatozoïdes rapides et progressifs ont augmenté. La plupart des valeurs obtenues étaient plus élevées que dans les échantillons individuels et les mélanges de deux mâles. C’était aussi le seul groupe dans lequel toutes les valeurs cinématiques mesurées ont augmenté, bien que les hausses ne soient pas statistiquement significatives. Les augmentations étaient les plus nettes pour VSL, LIN et STR. LIN est calculée à partir de VSL et VCL, et STR à partir de VSL et VAP. Chez l’abeille mellifère, une motilité totale plus élevée a été associée à davantage de spermatozoïdes progressifs ou rapides et à des valeurs plus élevées de VCL, VSL, VAP, LIN et STR dans des échantillons individuels provenant de vésicules séminales ou d’éjaculats (Inouri-Iskounen et al. 2020 ; Murray et al. 2022). Les auteurs supposent que la concentration, une éventuelle coopération entre spermatozoïdes et le temps écoulé ont contribué ensemble aux changements observés dans les mélanges de trois mâles. La concentration en spermatozoïdes y était plus élevée et présentait une corrélation positive avec les mesures fonctionnelles.
Une concentration plus élevée en spermatozoïdes pourrait augmenter la viscosité et modifier leur déplacement, comme le suggèrent les observations dans la spermathèque (Tofilski et al. 2018). Al-Lawati et al. (2009) ont proposé que l’hypertonicité du liquide spermathécal puisse contribuer à la nage circulaire. Les auteurs envisagent une hypertonicité accrue dans les mélanges de trois mâles, où la concentration était plus élevée. Des expériences chez une mouche phoride et une fourmi du désert ont montré une vitesse de nage supérieure en milieu plus visqueux (Curtis et Benner 1991 ; Pearcy et al. 2014). Une concentration plus élevée pourrait aussi favoriser les interactions entre spermatozoïdes. Chez la fourmi eusociale du désert Cataglyphis savignyi, des dizaines de spermatozoïdes forment des faisceaux qui nagent 50 % plus vite que les cellules isolées. Cette coopération pourrait accroître la contribution d’un mâle aux spermatozoïdes qui atteignent la spermathèque et y sont stockés (Pearcy et al. 2014).
Les variations de mouvement des spermatozoïdes des faux-bourdons ont aussi été attribuées au temps écoulé entre les observations, qui peut permettre aux trajectoires de se stabiliser (Tofilski et al. 2018 ; Yániz et al. 2019). Les conditions dans les voies génitales et la spermathèque de la reine diffèrent de celles d’un éjaculat.Après un accouplement ou une insémination réussis, seule une fraction des spermatozoïdes est stockée. Woyciechowski et Król (1996) ont constaté que le nombre stocké ne variait pas selon le nombre de mâles dont le sperme servait à l’insémination instrumentale. Chez les reines d’A. m. capensis, la spermathèque semble contenir 3 à 11 millions de spermatozoïdes dans un volume d’environ 1 µL. Les concentrations de tous les groupes expérimentaux se situaient dans cette plage. L’effet de cette variation sur le déplacement dans la spermathèque demeure inconnu. Les différences de concentration correspondent aux observations antérieures pour cette sous-espèce (Murray et al. 2022). Les spermatozoïdes d’A. m. capensis semblent plus courts que ceux d’autres sous-espèces comme A. m. carnica, ce qui pourrait modifier leur déplacement (Gontarz et al. 2016). Dans la spermathèque, ils sont au contact du liquide spermathécal et dépendent davantage du métabolisme anaérobie que dans les éjaculats (Liu et al. 2020). Chez les insectes, la longueur des spermatozoïdes peut influer sur leur fonction et leur motilité (Fitzpatrick et Lüpold 2014). Chez les drosophiles, les spermatozoïdes les plus longs nagent par exemple plus lentement que les plus courts, mais résistent mieux à l’expulsion des voies génitales de la femelle (Lüpold et al. 2012).
Dans cet essai, les dimensions des spermatozoïdes ne différaient pas entre les trois groupes et ne présentaient pas de corrélation avec les paramètres de motilité. Chez la guêpe Dahlbominus fuscipennis, cinq types de spermatozoïdes coexistent dans les vésicules séminales des mâles, alors que la taille des spermathèques est uniforme (Lee et Wilkes 1965). Des variations saisonnières des dimensions des spermatozoïdes ont été observées chez l’abeille mellifère (Gontarz et al. 2016). Un éventuel polymorphisme des spermatozoïdes qui atteignent la spermathèque et y restent après l’accouplement demeure à décrire. Les spermatozoïdes plus courts d’A. m. capensis pourraient se déplacer différemment de ceux d’autres sous-espèces. Une limite de l’étude tient à l’absence de mesure de la taille des mâles. Des travaux antérieurs ont associé la taille corporelle à la concentration ou au nombre de spermatozoïdes par éjaculat (Schlüns et al. 2003 ; Bratu et al. 2022) ainsi qu’à la présence de spermatozoïdes anormaux (Bratu et al. 2022). Les expériences antérieures des auteurs ne suggéraient toutefois pas d’effet défavorable de la masse corporelle sur la concentration.
Conclusions
Les différences de motilité et de cinématique pourraient résulter des effets combinés du mélange de sperme, de la concentration et de l’évolution de la disposition des spermatozoïdes au fil du temps. L’étude n’a pas établi de cause génétique. Le mélange in vitro exclut aussi l’influence éventuelle de la reine sur l’utilisation des spermatozoïdes après l’accouplement, notamment le choix cryptique de la femelle. Lors de l’accouplement naturel, seule une fraction des spermatozoïdes reçus est stockée dans la spermathèque. En plus des facteurs environnementaux, la qualité du sperme des faux-bourdons pourrait influer sur la santé et la reproduction de la reine par les changements qui suivent l’accouplement, avec des conséquences sur la santé et les performances de la colonie (Brutscher et al. 2019).
Ces résultats pourraient intéresser les apiculteurs et les programmes d’insémination instrumentale. La concentration, la motilité et la viabilité peuvent aider à évaluer un mélange de sperme avant l’insémination. Leur intérêt comme indicateurs de la santé ultérieure de la reine et de la colonie reste à étudier. Pour mieux comprendre les changements consécutifs au mélange, les auteurs proposent de tester différentes concentrations de spermatozoïdes, de mesurer les espèces réactives de l’oxygène et la fonction mitochondriale et d’étudier les spermatozoïdes dans la spermathèque de la reine. Leur évaluation courante en apiculture nécessiterait aussi des méthodes simples et abordables.
Auteurs
Retha CM Kotzé (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Afrique du Sud)
Gerhard van der Horst (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Afrique du Sud)
Janice F Murray (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Afrique du Sud)
Anja Duminy (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Afrique du Sud, et Applied Research Centre, Langara College, Vancouver, Canada)
Mike Allsopp (Honey Bee Research Section, ARC-Plant Protection Research Institute, Stellenbosch, Afrique du Sud)
African Entomology, 2024 · Adaptation de l’article cité sous licence CC BY 4.0 https://doi.org/10.17159/2254-8854/2024/a17135
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