Ritmos diarios de reproducción, desarrollo temprano y metabolismo lipídico en peces teleósteos : influencia de los ciclos de luz y de alimentación

Abstract

La presente tesis doctoral revela la existencia de una progresión armoniosa ambientalmente sincronizada en ambos sexos de toda la maquinaria neuroendocrina que controla la reproducción: desde la activación del eje BPG, gametogénesis, desove para concluir con la fertilización del huevo. En el capítulo 1-2 encontramos ritmos en el eje cerebro-pituitario-gonadal (BPG) y la influencia de la luz y la temperatura en la activación / inhibición de este eje de reproducción neuroendocrino. En el capítulo 3, revelamos por primera vez los ritmos de fertilización in vitro que pueden ayudar a mejorar los protocolos de fertilización al considerar la hora del día para obtener las mejores tasas de fertilización de acuerdo con una regulación génica arriba / abajo del ovocito. En el capítulo 4, revelamos ritmos diarios en el mecanismo por el cual los factores ambientales se transducen en una respuesta fisiológica en las gónadas: mecanismos epigenéticos de metilación y desmetilación. En el capítulo 5-6, informamos la importancia del tiempo de luz / alimentación en los ritmos de metabolismo de los lípidos, que pueden actuar como factores críticos que influyen en la reproducción. Finalmente, en el capítulo 7, revisamos la influencia de los ciclos de luz y temperatura en el crecimiento, el desarrollo, la maduración sexual, la reproducción y los tiempos de eclosión. El objetivo general de esta tesis doctoral fue dilucidar el impacto de las señales de tiempo, como la luz, la temperatura y el tiempo de las comidas, en la sincronización de los ritmos diarios de reproducción en los peces, considerando la producción de gametos, la fertilización, el desarrollo de embriones / larvas y el metabolismo de los lípidos. Sobre esta base, destacamos la importancia de los ritmos biológicos en el establecimiento de la progresión armoniosa de los procesos reproductivos y de desarrollo temprano, incluida la activación del eje Brain-Pituitary-Gonad (BPG), las variaciones diarias de los gametos, las tasas de fertilización in vitro, los ritmos del mecanismo epigenético de las gónadas. y variaciones genéticas lipídicas en el hígado. Los objetivos específicos siguen: Revela la existencia de ritmos diarios en la expresión de genes clave en el eje BPG-hígado del pez cebra. Investigue la influencia de las variaciones estacionales (luz y temperatura) como condiciones reproductivas favorables o inhibitorias en genes clave involucrados en el eje BPG de medaka. Describa los ritmos diarios de fertilización in vitro en el pez cebra para mejorar los protocolos considerando las variaciones diarias de los gametos. Busque mecanismos de conversación cruzada que transduzcan factores ambientales en respuestas fisiológicas observando los ritmos diarios en el mecanismo epigenético de metilación y desmetilación en las gónadas del pez cebra. Evaluar los ritmos diarios en la expresión de genes metabólicos lipídicos en respuesta a los ciclos de luz y oscuridad y alimentación en dorada y en el hígado de pez cebra. Resuma las claves ambientales clave como los ciclos de luz y temperatura durante el desarrollo temprano de la solea de Senegal.

Obtuvimos las conclusiones de barbecho 1. Tanto en el pez cebra hembra como en el macho, casi todos los genes clave involucrados en el eje BPG-hígado muestran ritmos diarios. Esos genes siguen una progresión de línea de tiempo armoniosa durante el período reproductivo, lo que garantiza que la ventana de desove y la fertilización se producen coincidiendo con condiciones favorables para la máxima supervivencia de la descendencia. 2. En Medaka, las variaciones estacionales (fotoperíodo largo / corto y temperatura alta / baja) alteraron los ritmos diarios en genes reproductivos clave en el eje BPG. La mayoría de las hembras bajo fotoperíodo largo / temperatura alta (condiciones de verano) exhibieron un patrón genético rítmico diario, mientras que aquellas bajo fotoperíodo corto / temperatura baja (condiciones de invierno) no presentaron ritmos significativos. 3. La fertilización in vitro muestra un fuerte ritmo diario en el pez cebra determinado por la fase diaria de los ovocitos. Las tasas máximas de fertilización ocurren alrededor de las luces encendidas, y la ritmicidad circadiana persistió bajo una oscuridad constante. El análisis de ovocitos de transcriptoma en diferentes momentos del día reveló genes expresados diferencialmente (DEG) agrupados en familias relacionadas con la reproducción que pueden explicar las variaciones diarias en las tasas de fertilización. 4. Los mecanismos epigenéticos (metilación y desmetilación del ADN) muestran ritmos diarios de expresión sincronizados con el ciclo claro / oscuro en las gónadas de pez cebra. En la oscuridad constante, dicha ritmicidad persistió durante dos días consecutivos, lo que sugiere su control endógeno. 5. El metabolismo de los lípidos tanto en el pez cebra como en el hígado de dorada muestra ritmos diarios fuertemente sincronizados con el ciclo claro / oscuro, independientemente del tiempo de alimentación. Los genes de lipogénesis presentaron una acrofase diurna, mientras que los genes de lipólisis fueron nocturnos. 6. En el lenguado de Senegal, los ciclos de luz y temperatura condicionan el crecimiento, el desarrollo del saco vitelino, la metamorfosis, la supervivencia, el desarrollo de las aletas y las malformaciones de la mandíbula.

The present PhD thesis reveals the existence of an environmentally synchronized harmonious progression in both sexes of all the neuroendocrine machinery controlling reproduction: from the BPG axis activation, gametogenesis, spawning to conclude with the egg fertilization. On chapter 1-2 we found rhythms in the brain-pituitary-gonadal (BPG) axis and the influence of light and temperature on activating/inhibiting this neuroendocrine axis of reproduction. On the chapter 3, we revealed for the first time in vitro fertilization rhythms which may help improving fertilization protocols by considering the time of day for best fertilization rates according to an up/down gene regulation of the oocyte. On chapter 4, we revealed daily rhythms in the mechanism by which environmental factors transduce into a physiological response in the gonads: epigenetic mechanisms of methylation and demethylation. On chapter 5-6, we reported the light/feeding time importance on lipid metabolism rhythms, which may act as critical factors influencing reproduction. Finally, on chapter 7, we reviewed the influence of light and temperature cycles on growth, development, sexual maturation, reproduction and hatching times.

The overall aim of this doctoral thesis was to elucidate the impact of time cues such as light, temperature and meal timing, on the synchronization of daily reproduction rhythms in fish, considering gamete production, fertilization, embryo/larvae development, and lipid metabolism. On this basis we highlighted the importance of biological rhythms in the establishment of the harmonious progression of the reproductive and early development processes, including Brain-Pituitary-Gonad (BPG) axis activation, gamete daily variations, in vitro fertilization rates, gonad epigenetic mechanism rhythms and lipidic gene variations in liver. Specific objectives follow:

Reveal the existence of daily rhythms in the expression of key genes in the BPG-liver axis of zebrafish. Investigate the influence of seasonal variations (light and temperature) as favorable or inhibitory reproductive conditions on key genes involved on the BPG axis of medaka. Describe daily rhythms of in vitro fertilization in zebrafish to improve protocols considering daily gamete variations. Search for cross-talk mechanisms transducing environmental factors into physiological responses looking at daily rhythms in epigenetic mechanism of methylation and demethylation in the gonads of zebrafish. Evaluate daily rhythms in lipid metabolic gene expression in response to light-dark and feeding cycles in gilthead seabream and in zebrafish liver. Summarize key environmental cues as light and temperature cycles during early development in Senegal solea.

We obtained the the fallowin g conclussions

1. In both female and male zebrafish, nearly all key genes involved in the BPG-liver axis display daily rhythms. Those genes follow a harmonious time-line progression during the reproductive period, which warrants the spawning window and fertilization occur coinciding with favorable conditions for maximum offspring survival. 2. In medaka, seasonal variations (long/short photoperiod and high/low temperature) altered daily rhythms in key reproductive genes in the BPG axis. Most females under long photoperiod/high temperature (summer conditions) exhibited a daily rhythmic gene pattern, while those under short photoperiod/low temperature (winter conditions) failed to present significant rhythms. 3. In vitro fertilization displays a strong daily rhythm in zebrafish determined by the oocyte daily phase. Maximum fertilization rates occur around lights on, and circadian rhythmicity persisted under constant darkness. The transcriptome oocyte analysis at different times of the day revealed differential expressed genes (DEGs) grouped in reproductive-related families that may explain the daily variations in the fertilization rates. 4. Epigenetic mechanisms (DNA methylation and demethylation) show daily rhythms of expression synchronized to the light/dark cycle in zebrafish gonads. In constant darkness such rhythmicity persisted for two consecutive days, suggesting its endogenous control. 5. Lipid metabolism in both zebrafish and gilthead seabream liver shows daily rhythms strongly synchronized to the light/dark cycle, regardless feeding time. Lipogenesis genes presented a diurnal acrophase, while lipolysis genes were nocturnal. 6. In Senegal sole, light and temperature cycles condition growth, yolk sac development, metamorphosis, survival, fin development and jaw malformations