Hur blandning av drönarsperma påverkar spermiekvaliteten
Förord
Efter parningen blandas spermier från flera drönare av Apis mellifera i drottningens spermateka. Deras beteende där är viktigt för långvarig överlevnad och lyckad befruktning. Honungsbiets polyandri kan också ge utrymme för kryptiskt honval och spermiekonkurrens som kan gynna egenskaper av betydelse för fortplantningen. Kryptiskt honval innebär att honan efter parningen kan påverka hur spermier från olika hanar används, exempelvis genom att behålla eller stöta ut olika andelar av deras ejakulat.
I denna förstudie undersöktes flera mått på spermiekvalitet i blandad drönarsperma. Forskarna samlade in 31 ejakulat och delade dem för att bereda prover med sperma från en, två eller tre drönare. Spermierna analyserades med datorstöd vid start och efter 60 minuter. Den totala rörligheten minskade signifikant i prover från två drönare (p = 0,004). Prover från tre drönare tenderade att ha lägre rörlighet och kinematiska värden vid start, utan signifikanta skillnader mellan grupperna. Efter en timme var det den enda gruppen med ökningar i progressiv rörlighet, simhastighet och kinematiska mått. Spermiekoncentrationen samvarierade med de flesta funktionsmåtten, medan de morfometriska måtten inte gjorde det. Förändringarna kan bero på en kombination av blandning, koncentration och den tid spermierna haft att samverka.
Inledning
Hos polyandriska insekter parar sig honan med flera hanar och får sperma från var och en. Hos steklar kan detta öka den genetiska mångfalden och gynna kolonins hälsa och biologiska fitness. Honungsbiet (Apis mellifera) är ett exempel på extrem polyandri. I vissa populationer kan en drottning para sig med upp till 77 drönare (Withrow och Tarpy 2018; Delaplane et al. 2021). Polyandri har kopplats till bättre prestation och högre produktivitet hos arbetarna, effektivare födosök, högre överlevnad hos ynglet och större bisamhällen (Mattila och Seeley 2007; Delaplane et al. 2021). Flera parningar kan också minska risken att spermieförrådet tar slut (Delaplane et al. 2021) och ge tillräckligt med spermier med egenskaper som gynnar befruktning på lång sikt. Kaphonungsbiets (A. m. capensis) drönare är mindre och producerar färre spermier, medan drottningarna har en större spermateka än hos europeiska underarter som A. m. carnica. De kan därför behöva fler parningar för att bygga upp ett spermieförråd som räcker livet ut (Kraus et al. 2004).
Många spermier från flera hanar kan bidra till ett tillräckligt förråd av livskraftiga spermier. Till skillnad från drottningen parar sig drönaren bara en gång. Därefter beror spermiernas överlevnad på förhållandena hos drottningen (den Boer et al. 2010). Omkring 4–6 miljoner spermier når spermatekan och lagras där. Enligt de citerade uppskattningarna motsvarar det cirka 3–5 % av alla överförda spermier och 5–10 % av en enskild drönares bidrag. Resten stöts ut via parningssäcken, bursa copulatrix (Baer 2005; Gençer och Kahya 2020; Liu et al. 2020; Gençer et al. 2014). Uppskattningsvis används 1–1,6 miljoner spermier till att befrukta ägg under de följande åren (Baer 2005). Spermiernas förmåga att överleva under den tiden gör deras kvalitet viktig (Baer 2003; Stürup et al. 2013). Därför har forskare undersökt spermiekonkurrens hos honungsbin (Moritz 1986; Woyciechowski och Król 1996; Shafir et al. 2009). Konkurrens mellan hanar och kryptiskt honval kan påverka fortplantningen före eller efter parningen.
Spermiekonkurrens efter parningen har föreslagits förekomma både i äggledarna och i spermatekan (Gençer och Kahya 2020). Den kan även uppstå när spermier lämnar spermatekan, passerar dess gång och når ett ägg (Harbo 1990). Hos polyandriska arter kan spermiekonkurrens gynna egenskaper som bidrar till befruktningen (Pearcy et al. 2014). Exempel är progressiv rörlighet, simhastighet, livskraft, morfologi och längden på huvudet, flagellen eller hela spermien (Fitzpatrick och Lüpold 2014; Pearcy et al. 2014). Insektsspermiers kinematik är ännu ofullständigt känd. Vanliga mått är hastighet längs den faktiska banan (VCL), rätlinjig hastighet (VSL), hastighet längs medelbanan (VAP), linjäritet (LIN), rakhet (STR), vobblingskvot (WOB), huvudets sidoutslagsamplitud (ALH) och frekvensen med vilken den faktiska banan korsar medelbanan (BCF) (Lu et al. 2014; WHO 2021). Datorstödd spermieanalys (CASA) följer vanligen spermiehuvudet och används ofta hos däggdjur (Hook och Fisher 2020; WHO 2021). Hos insekter försvåras detaljerad spårning av de små huvudena och de långa flagellerna.
Efter parningen blandas spermierna (Borsuk et al. 2018) och bildar täta buntar i spermatekan (Wegener et al. 2014). Efter några timmar kan de bilda grupper som simmar i cirklar (Tofilski et al. 2018). Det kan tyda på samverkan mellan spermier, vilket kan bidra till befruktningen hos insekter (Lüpold et al. 2012; Pearcy et al. 2014). Hos vissa insekter kan samverkan påverka rörlighet och simhastighet och underlätta förflyttningen genom fortplantningsorganen (Pizzari och Foster 2008; Lüpold et al. 2012; Pearcy et al. 2014; Liberti et al. 2018). Ökad rörlighet och hastighet kan dock påverka den livskraft som krävs för långtidslagring.
Spermiernas rörelse kräver energi och är förenad med ökad ämnesomsättning. Mitokondrierna bildar adenosintrifosfat (ATP) och reaktiva syreföreningar (ROS), som kan delta i regleringen av rörelsen. Om ROS-produktionen överstiger det antioxidativa försvarets kapacitet kan oxidativ stress skada spermiernas struktur och funktion och till slut orsaka celldöd (Reinhardt 2007; Abdelkader et al. 2018). Exponering för insektsmedel hos vuxna drönare in vivo och hos spermier in vitro ökade ämnesomsättningen, mätt som ökad ATP-produktion. I båda studierna ökade också spermiedödligheten och livskraften minskade (Abdelkader et al. 2015, 2018).
De flesta in vitro-studier fann ingen tydlig effekt av blandning av drönarsperma på spermiernas livskraft (Shafir et al. 2009; Tofilski et al. 2012; Gençer et al. 2014). Livskraften verkade också vara likartad i de laterala äggledarna och spermatekan under de första fyra timmarna, då flest spermier vandrar till spermatekan hos instrumentellt inseminerade drottningar (Gençer och Kahya 2011). Forskningen om vad som händer när sperma från flera drönare blandas vid och efter parningen har främst gällt simmönster och livskraft. Vilka strukturella och funktionella egenskaper som gynnar befruktningen mest är fortfarande oklart.
Hos monandriska steklar, som de flesta humlor och solitära bin, parar sig honan med en enda hane (Baer 2003). Hos vissa arter bildar hanen en parningsplugg som minskar sannolikheten för ytterligare parning. Spermier från en hane kan därför nå spermatekan utan att möta spermier från andra hanar, vilket minskar sannolikheten för spermiekonkurrens i honans fortplantningsorgan (Baer et al. 2006; Strobl et al. 2019).
Förstudien undersökte spermiekvaliteten hos drönare av A. m. capensis och hur blandning av sperma från flera drönare kan påverka spermiernas beteende och kvalitet. Enskilda och blandade prover jämfördes in vitro. Det första målet var att avgöra om blandningen ändrade spermiernas rörlighet och kinematik. Det andra var att undersöka om strukturella mått hade samband med den observerade funktionen eller beteendet.
Material och metoder. Se originalartikeln.
Resultat
Studien undersökte spermiernas funktionella och strukturella egenskaper efter blandning av drönarsperma in vitro. Tofilski et al. (2018) hade tidigare beskrivit hur spermiernas rörelser förändrades med tiden i drottningarnas spermatekor efter instrumentell insemination och naturlig parning. Under de första åtta timmarna syntes knappt någon framåtrörelse, även om en liten andel spermier rörde sig snabbt framåt. Efter 16 timmar sågs samordnade cirkelrörelser och grupper som simmade långsamt i cirklar. Det aktuella försöket avslutades efter 60 minuter. De flesta spermierna i blandproverna rörde sig långsamt och utan tydlig framåtrörelse. Vissa grupper simmade i cirklar. Den totala rörligheten var från början störst i proverna från en och två drönare. Efter 60 minuter hade den minskat tydligt i prover från två drönare och mindre i prover från tre.
Borsuk et al. (2011) fann att blandning av sperma från två könsmogna drönare av A. m. carnica först gav mycket aktiva spermier, men att aktiviteten senare avtog. Tiden mellan observationerna angavs inte. Hos bladskärarmyran Acromyrmex echinatior ökade hanens egen sädesvätska spermiernas rörlighet i mindre grad, vilket kan bidra till att bevara livskraften. När vätskan blandades med en rivals ökade rörligheten mer (Liberti et al. 2018). Den totala rörligheten omfattar progressivt (PR) och icke-progressivt (NP) rörliga spermier. I prover från två drönare minskade andelen långsamma och icke-progressiva spermier utan en motsvarande ökning av snabbare eller progressiva spermier. Andelen orörliga spermier ökade i stället med mer än 50 % från startvärdet när den totala rörligheten sjönk. Blandning av sperma från två besläktade drönare kan alltså ha försämrat kvaliteten i försöket. Skador på spermiernas membran kan leda till förlust av ämnen som behövs för rörelsen, till exempel ATP. Minskad tillgång till ATP kan göra spermier mindre rörliga eller helt orörliga.
Superoxiddismutas (SOD) fungerar som antioxidant och bidrar till spermiernas överlevnad och rörlighet. Därför kan oxidativ stress försämra spermiernas funktion när produktionen av reaktiva syreföreningar överstiger spermans antioxidativa kapacitet (Reinhardt 2007; Abdelkader et al. 2014, 2018). Oxidativ stress kan alltså ha påverkat spermierna i proverna från två drönare. Eftersom livskraften inte mättes över tid går det inte att avgöra om ökningen av andelen orörliga spermier också innebar fler döda spermier. Den Boer et al. (2010) undersökte spermier från sädesblåsor hos sex insektsarter, bland annat honungsbin och bladskärarmyrorna Atta colombica och Acromyrmex echinatior. Spermierna överlevde bättre i hanens egen sädesvätska och sämre i vätska från en annan hane av samma art, oavsett släktskap.Författarna föreslog att sädesvätskan kan innehålla ämnen med motsatta effekter, där vissa hämmar rivalers spermier och andra främjar spermiernas överlevnad. Shafir et al. (2009) blandade sperma från två obesläktade drönare och förvarade proverna fyra dagar vid 25 °C. Livskraften var något högre i blandproverna än i de enskilda proverna, men skillnaden var inte statistiskt signifikant. Tofilski et al. (2012) fann ingen skillnad när de undersökte proverna efter insamlingen.
Andra studier fann betydligt lägre livskraft i blandningar av sperma från fyra drönare (under 50 %) än i enskilda prover (Collins 2004). När sperma från fem till åtta drönare (Collins 2003) eller åtta till tio drönare (Gençer et al. 2014) blandades, förändrades däremot inte livskraften. Tofilski et al. (2012) fann också fler partiklar i prover från två drönare och föreslog ett möjligt samband med spermiekonkurrens, där en drönares sädesvätska skulle kunna orsaka koagulering och göra en annan drönares spermier orörliga. Ingen koagulering observerades i det aktuella försöket. Skillnaderna mellan studierna kan bero på metoder för insamling, förvaring och provberedning som kan skada spermierna (Collins 2004; Shafir et al. 2009; Gençer et al. 2014).
Livskraften kan också variera mellan enskilda drönare (Collins 2004). Flera faktorer har förknippats med lägre livskraft, bland annat drönarnas ålder. Årstid, tillgång till blomresurser och exponering för parasiter eller bekämpningsmedel kan också ha betydelse (Rangel och Fisher 2019; Yániz et al. 2020; Morais et al. 2022).Graden av varroaangrepp i bisamhällena och de kvalstermedel som används mot Varroa kan också påverka drönarspermiernas livskraft (Collins 2004; Rinderer et al. 1999). Graden av angrepp mättes inte i den aktuella studien. Att livskraften är högre i spermatekan än i ejakulat tyder på att livskraften kan påverka vilka spermier som lagras (Lodesani et al. 2004).
Spermiernas livskraft är viktig både hos drönaren och hos drottningen, men mekanismerna som bevarar den tycks skilja sig åt. Till exempel skiljer sig halterna av proteiner som medverkar i ämnesomsättningen, däribland enzymer, mellan spermatekans vätska och sädesvätskan. Spermatekans vätska innehåller fler ämnen som främjar spermiernas överlevnad (Collins et al. 2006; Baer et al. 2009). Den täta packningen i spermatekan kan bidra till att bevara livskraften genom att begränsa utspädningen och därmed minska osmotisk stress och endogen cellandning. Det kan sänka ämnesomsättningen hos tätt packade spermier (Reinhardt 2007). I spermatekan kan begränsad rörlighet bidra till att bevara spermiernas livskraft. Halterna av natrium och kalium i spermatekans vätska är betydligt högre än i drönarsperma, vilket kan bidra till lägre rörlighet (Verma 1973). Orörliga spermier verkar vara vanligare hos äldre drottningar när spermieantalet och hypertoniciteten är lägre (Al-Lawati et al. 2009). Samtidigt kan lägre livskraft i blandad drönarsperma vara särskilt viktig vid instrumentell insemination, eftersom spermiernas livskraft kan minska snabbare hos instrumentellt inseminerade än hos naturligt parade drottningar (Tarpy och Olivarez 2014; Lodesani et al. 2004). Färre livskraftiga spermier kan försämra fortplantningen och till slut göra att drottningen lägger obefruktade ägg, som utvecklas till drönare. En studie visade ändå att drottningar som inseminerats med sperma där 42,6 % av spermierna var livskraftiga kunde lägga tillräckligt många befruktade ägg under de undersökta förhållandena (Collins 2000).
Till skillnad från vad som observerades i prover från två drönare verkade blandning av sperma från tre drönare förbättra spermiernas rörelse med tiden. I den gruppen minskade andelarna långsamma och icke-progressiva spermier, medan andelarna snabba och progressiva spermier ökade. De flesta värdena blev högre än i prover från en eller två drönare. Det var också den enda gruppen där alla uppmätta kinematiska mått ökade, även om ökningarna inte var statistiskt signifikanta. Ökningarna var tydligast för VSL, LIN och STR. LIN beräknas från VSL och VCL och STR från VSL och VAP. Högre total rörlighet hos honungsbiets spermier har kopplats till större andelar progressiva och snabba spermier samt högre VCL, VSL, VAP, LIN och STR i prover från enskilda drönares sädesblåsor och ejakulat (Inouri-Iskounen et al. 2020; Murray et al. 2022). Författarna föreslår att koncentration, eventuell samverkan mellan spermier och den tid som gått tillsammans kan ha bidragit till förändringarna i prover från tre drönare. Dessa prover hade högre koncentration, som samvarierade positivt med funktionsmåtten.
En högre spermiekoncentration skulle kunna öka viskositeten och påverka rörelsen, vilket observationer i spermatekan antyder (Tofilski et al. 2018). Al-Lawati et al. (2009) föreslog att hypertonicitet i spermatekan kan bidra till cirkelsimning. Författarna menar att hypertoniciteten kan ha varit högre även i de mer koncentrerade proverna från tre drönare. Hos en puckelfluga och en ökenmyra har högre simhastighet uppmätts i mer viskösa medier (Curtis och Benner 1991; Pearcy et al. 2014). Högre koncentration skulle också kunna gynna samverkan mellan spermier. Hos den eusociala ökenmyran Cataglyphis savignyi bildar tiotals spermier buntar som simmar 50 % snabbare än enskilda spermier. Sådan samverkan kan öka en hanes andel av spermierna som når och lagras i spermatekan (Pearcy et al. 2014).
Förändringar i drönarspermiernas rörelser har även kopplats till tiden mellan observationerna, då rörelsemönstren kan stabiliseras (Tofilski et al. 2018; Yániz et al. 2019). Förhållandena i drottningens fortplantningsorgan och spermateka skiljer sig från dem i ejakulat.Efter en lyckad parning eller insemination lagras bara en del av spermierna. Woyciechowski och Król (1996) fann att antalet som lagrades inte berodde på hur många drönare som bidrog med sperma till den instrumentella inseminationen. Hos drottningar av A. m. capensis verkar spermatekan rymma 3–11 miljoner spermier i en volym på omkring 1 µL. Koncentrationerna i alla försöksgrupper låg inom detta intervall. Hur variationen påverkar rörelsen i spermatekan är okänt. Variationen i koncentration stämmer med tidigare fynd för samma underart (Murray et al. 2022). Spermierna hos A. m. capensis verkar vara kortare än hos andra underarter, till exempel A. m. carnica, vilket kan påverka rörelsen (Gontarz et al. 2016). I spermatekan kommer spermierna i kontakt med dess vätska och förlitar sig mer på anaerob ämnesomsättning än i ejakulatet (Liu et al. 2020). Hos insekter kan spermiernas längd påverka funktionen och rörligheten (Fitzpatrick och Lüpold 2014). Hos Drosophila simmar till exempel längre spermier långsammare än korta men har större chans att bli kvar i honans fortplantningsorgan när spermier stöts ut (Lüpold et al. 2012).
I det här försöket skilde sig spermiernas mått inte mellan de tre grupperna och samvarierade inte med rörligheten. Hos stekeln Dahlbominus fuscipennis finns fem spermietyper i hanarnas sädesblåsor, medan honornas spermatekor är lika stora (Lee och Wilkes 1965). Årstidsvariation i honungsbins spermiemått har rapporterats (Gontarz et al. 2016). Eventuell polymorfism bland de spermier som når och blir kvar i spermatekan efter parning återstår att beskriva. De kortare spermierna hos A. m. capensis kan röra sig annorlunda än de längre hos andra underarter. En begränsning var att drönarnas kroppsstorlek inte mättes. Tidigare studier har kopplat den till koncentrationen eller antalet spermier per ejakulat (Schlüns et al. 2003; Bratu et al. 2022) och förekomsten av avvikande spermier (Bratu et al. 2022). Författarnas tidigare laboratorieförsök tydde dock inte på att kroppsvikten hade någon negativ effekt på koncentrationen.
Slutsatser
Skillnaderna i rörlighet och kinematik kan bero på en kombination av blandning, spermiekoncentration och hur spermiernas gruppering ändras över tid. Studien fastställde ingen genetisk orsak. Vid blandning in vitro kan drottningen inte påverka vilka spermier som används efter parningen genom exempelvis kryptiskt honval. Vid naturlig parning lagras bara en del av de mottagna spermierna. Utöver miljöfaktorer kan drönarspermans kvalitet påverka drottningens hälsa och fortplantning genom förändringar efter parningen, vilket i sin tur kan påverka bisamhällets hälsa och prestation (Brutscher et al. 2019).
Resultaten kan vara relevanta för biodlare och program för instrumentell insemination. Koncentration, rörlighet och livskraft kan användas för att bedöma kvaliteten hos blandad sperma före insemination. Deras värde som indikatorer på drottningens och bisamhällets senare hälsa behöver undersökas ytterligare. För att förstå mekanismerna bakom förändringarna efter blandning föreslår författarna försök med olika spermiekoncentrationer, mätningar av reaktiva syreföreningar och mitokondriernas funktion samt studier av spermier i drottningens spermateka. Rutinmässiga undersökningar inom biodlingen skulle även kräva enkla och billiga metoder för att bedöma drönarsperma.
Författare
Retha CM Kotzé (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Sydafrika)
Gerhard van der Horst (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Sydafrika)
Janice F Murray (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Sydafrika)
Anja Duminy (Department of Medical Bioscience, University of the Western Cape, Bellville, Sydafrika, och Applied Research Centre, Langara College, Vancouver, Kanada)
Mike Allsopp (Honey Bee Research Section, ARC-Plant Protection Research Institute, Stellenbosch, Sydafrika)
African Entomology, 2024 · Bearbetning av den citerade artikeln under CC BY 4.0 https://doi.org/10.17159/2254-8854/2024/a17135
Kommentarer