• Nenhum resultado encontrado

New data on the reprovative strategy of Squalius alburnoides complex: a histological and molecular approach

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "New data on the reprovative strategy of Squalius alburnoides complex: a histological and molecular approach"

Copied!
46
0
0

Texto

(1)

albur

New da

rnoides

U

D

ata on t

s comple

Mestrado

NIVERS

F

ACULD

EPARTAMEN

he repr

ex: a his

Migue

o em Biologi

IDADE D

DADE DE 

C

NTO DE 

B

IOL          

roductiv

stologic

 

l Paulo Ma

            a Evolutiva e 2010

DE 

L

ISBO

C

IÊNCIAS

LOGIA 

A

NIM  

ve strate

al and m

achado 

e do Desenvo

OA

 

AL

 

egy of S

molecul

olvimento 

Squalius

lar appr

 

roach 

(2)
(3)

albur

New da

rnoides

U

D

ata on t

s comple

Pro Mestrado

NIVERS

F

ACULD

EPARTAMEN

he repr

ex: a his

Migue

Dissert ofessora Dou o em Biologi

IDADE D

DADE DE 

C

NTO DE 

B

IOL          

roductiv

stologic

 

l Paulo Ma

  tação orienta utora Maria M         a Evolutiva e 2010

DE 

L

ISBO

C

IÊNCIAS

LOGIA 

A

NIM  

ve strate

al and m

achado 

ada por:  Manuela Coe e do Desenvo

OA

 

AL

 

egy of S

molecul

elho  olvimento 

Squalius

lar appr

 

roach 

(4)
(5)

Contents 

  Agradecimentos ... iii  Resumo ... iv  Abstract ... vii  I.  Introduction... 1  1.1.  Hybridization and polyploidization ... 1  1.2.  Hermaphroditism ... 2  1.3.  Sex cascade elements in teleost fish ... 2  The sox9 genes ... 3  1.4.  The Squalius alburnoides complex ... 4  Gene‐copy silencing and dosage compensation ... 5  Initial characterization of sex cascade elements ... 5  Occurrence of hermaphroditism ... 5  II.  Aims ... 6  III.  Material and methods ... 7  3.1.  Sampling, ploidy assessment and genotyping ... 7  3.2.  Gonads’ Collection ... 8  3.3.  Histological preparation and analysis ... 8  3.4.  RNA extraction and cDNA synthesis ... 9  3.5.  Isolation of sox9a gene and exon‐intron structure ... 9  3.6.  Quantification of gene expression ... 10  figlα expression levels ... 10  dmrt1 expression levels ... 11  sox9a expression levels ... 11  IV.  Results ... 12  4.1.  Histological observations of gonads ... 12  Temporal assessment of maturation states ... 12  Maturation states of other populations ... 12  Occurrence of a widespread adjacent cellular mass ... 14  Histological observations of captive fish ... 16  4.2.  Genes’ expression levels ... 16  figlα expression levels ... 16  dmrt1 expression levels ... 18 

(6)

sox9a gene expression levels ... 19  V.  Discussion ... 22  5.1.  Gonads maturation states ... 22  5.2.  Cellular mass as putative male tissue ... 23  5.3.  Sex related gene expression ... 25  figlα expression ... 25  dmrt1 expression ... 26  sox9a expression ... 27  VI.  Concluding remarks ... 29  VII.  References ... 30     

(7)

Agradecimentos 

 

Quero em primeiro lugar agradecer à Professora Manuela ter aceite orientar‐me nesta  tese,  não  imaginando  no  que  se  iria  meter.  Agradeço  toda  a  paciência  e  compreensão  e,  inclusivamente,  fé  que  teve  para  comigo,  nomeadamente  nos  inúmeros  relatórios  sempre  prometidos  e  quase  nunca  entregues,  e  na  minha  constante  tendência  em  não  cumprir  horários e prazos. 

Quero agradecer ao Carlos Carrapato do ICNB, por ter fornecido amostras, bem como  nos  ter  acompanhado  das  diversas  vezes  que  pescamos  no  Guadiana  e  nos  ter  facultado  preciosas indicações de como reproduzir os peixes em laboratório. 

Não me posso esquecer também da Ana Santos do IGC que fatiou quase uma centena  de gónadas, e a quem agradeço todo o trabalho. 

Peço  imensas  desculpas  a  todos  os  utilizadores  do  laboratório  pela  indisponibilidade  dos  termocicladores  nas  devidas  horas,  por  não  conseguir  fazer  um  PCR  em  menos  de  uma  hora! 

Agradeço ao  grupo da BD, e em  especial à Raquel Vaz, por ter feito comigo litros de  PFA que utilizei para a histologia. 

Agradeço ao Simon e à D. Branca por me terem feito crescer quanto às boas práticas  laboratoriais. Ao Simon por me ter demonstrado o papel indispensável dos UVs, lixívia e outros  produtos  de  limpeza  na  remoção  de  contaminações,  e  à  D.  Branca  por  me  ter  iniciado  nas  artes de autoclavagem para assegurar um ambiente mais RNase‐free! 

À  Professora  Maria  do  Mar  por  não  se  chatear  quando  vê  o  seu  material  de  laboratório, micropipetas, termoblocos, entre outros, extraviado para outra bancada. 

Não me posso esquecer de todas as pessoas do grupo, Silke, Tiago, Ângela, Maria Ana,  Mónica (e mais paro o fim também à pequena Mariana), Ana Rita, Josefina e Max, por terem  conseguido sobreviver a um ano de constante entropia dentro daquele gabinete, e agradecer,  pois,  terem‐me  tolerado!  Agradeço  à  Isa  e  ao  Miguel  por  me  terem  muitas  vezes  ajudado  nessa tarefa. 

Tenho de agradecer às diversas pessoas que me fizeram companhia nas alternativas e  intermináveis saídas de campo, muitas vezes de quase 24 horas. Agradeço, pois, à Isa, Miguel,  Tiago  e  Ângela,  e  mais  recentemente  à  Joana  Pinho,  por  terem  um  coração  forte  e  terem  sobrevivido à minha condução. 

Agradeço à Ângela e à Isa terem partilhado comigo os extensos dias de dissecação de  peixes, e ao Miguel as inúmeras horas à frente do citómetro. 

Agradeço  a  todos  os  meus  amigos  por  terem  consentido  na  minha  ausência  e  por  ainda se darem comigo mesmo depois de todas as negas que lhes dei ao longo deste tempo. 

À  minha  Mãe,  Pai  e  Irmão,  um  grande  obrigado  por  não  se  terem  esquecido  que  tinham  um  filho  e  um  irmão  durante  os  longos  períodos  que  passei  longe  deles.  E  a  toda  a  minha família por volta e meia perguntarem se não precisava de mais uma mãozinha. 

Um agradecimento especial à Isa e ao Miguel, pelas imensuráveis horas de discussão à  volta do Alburnoides, por me terem suportado e sem os quais esta tese não seria a mesma. 

 

(8)

Resumo 

 

A  determinação/diferenciação  sexual  em  peixes  teleósteos  tem  suscitado  grande  interesse  devido  à  grande  diversidade  de  mecanismos  que  têm  sido  descritos,  sendo  estes  constantemente reinventados, mesmo entre espécies irmãs. 

A  poliploidia  e  a  hibridação  correspondem  a  importantes  factores  na  evolução  e  especiação  de  vertebrados,  levando  frequentemente  a  uma  alteração  brusca  das  redes  regulatórias  da  expressão  génica.  O  complexo  ciprinícola  Squalius  alburnoides  surge,  deste  modo,  como  um  modelo  interessante  para  endereçar  questões  relacionadas  com  a  determinação/diferenciação sexual num contexto alopoliplóide. 

Tratando‐se  de  um  peixe  dulçaquícola  endémico  da  Península  Ibérica,  S.  alburnoides  teve  origem  num  processo  de  hibridação  resultante  de  cruzamentos  intergenéricos  entre  a  espécie  Squalius  pyrenaicus  (ancestral  materno,  genoma  P)  e  uma  espécie  presumivelmente  extinta  da  linhagem  de  Anaecypris  hispanica  (ancestral  paterno,  genoma  A).  Este  complexo  compreende  várias  formas  que  variam  na  sua  ploidia  (2n,  3n  e  4n)  e  constituição  genómica  (PA, PAA, PPA, PPAA, nas populações do sul). Squalius alburnoides apresenta ainda uma forma  diplóide de composição nuclear não híbrida (AA) constituída apenas por machos. Actualmente,  o  complexo  S.  alburnoides  encontra‐se  em  simpatria  com  outras  espécies  de  Squalius  (S. 

pyrenaicus, S. carolitertii e S. aradensis) que participam activamente na dinâmica reprodutiva 

do complexo, intercruzando‐se com as várias formas do mesmo. 

Estudos  recentes  comparativos  da  expressão  génica  entre  as  diferentes  formas  do  complexo  revelaram  a  existência  de  um  mecanismo  de  compensação  de  dosagem  em  S. 

alburnoides que reduz os níveis dos transcritos das formas poliplóides para o nível encontrado 

nas  formas  diplóides.  Os  mesmos  estudos  sugeriram  ainda  que,  nas  formas  triplóides  das  bacias  hidrográficas  do  Sul,  os  alelos  do  genoma  menos  representado  estão  a  ser  preferencialmente  silenciados.  No  entanto,  um  cenário  diferente  foi  encontrado  nas  populações  do  Norte,  tendo  os  indivíduos  uma  expressão  quase  sempre  bialélica,  independentemente da sua constituição genómica. 

Relativamente  à  determinação/diferenciação  sexual  neste  complexo  alopoliplóide,  alguns  estudos  foram  realizados  para  avaliar  quais  os  genes  envolvidos  na  regulação  do  processo  de  manutenção  de  identidade  da  gónada  neste  organismo  e  na  espécie  parental  simpátrica  S.  pyrenaicus.  Hibridação  in  situ  dos  genes  amh,  dmrt1,  wt1,  dax1,  figlα  e  aromatase  (estudados  em  outros  vertebrados)  não  revelou  uma  expressão  dimórfica  entre  sexos,  nem  um  padrão  diferente  entre  indivíduos  do  complexo  hibridogenético  e  de  S. 

pyrenaicus. 

Recentemente  foi  reportada  a  ocorrência  de  hermafroditismo  em  S.  alburnoides,  factor relevante na interpretação de resultados de expressão dos genes ligados ao sexo. 

No  presente  trabalho  pretendeu‐se  esclarecer  algumas  dúvidas  que  ainda  restavam  sobre o hermafroditismo no complexo S. alburnoides, nomeadamente, se este seria um estado  de  transição  num  contexto  de  hermafroditismo  sequencial  e  se  seria  extensível  a  outras  populações  e,  inclusivamente,  a  outras  espécies  de  Squalius.  Para  este  fim,  efectuou‐se  uma  série temporal de amostragens na bacia hidrográfica do Guadiana (onde anteriormente tinha  sido observado o fenómeno), para além de capturas pontuais noutras bacias hidrográficas. 

Uma das gónadas de cada indivíduo foi processada para histologia e a outra, sempre  que  necessário,  para  extracção  de  RNA  e  subsequente  análise  dos  níveis  de  expressão  dos 

(9)

genes dmrt1, figlα e sox9a. Esta metodologia permitiu despistar possíveis desvios da expressão  esperada  dos  genes  devido  à  influência  do  hermafroditismo.  Note‐se  que  o  gene  sox9a  foi  isolado e analisado pela primeira vez no complexo S. alburnoides e na espécie S. pyrenaicus. 

A  análise  histológica  da  morfologia  das  gónadas  recolhidas  anteriormente  permitiu  averiguar  o  seu  estado  de  maturação  nas  diferentes  formas  do  complexo,  bem  como  na  espécie  simpátrica  S.  pyrenaicus.  A  análise  dos  resultados  obtidos  revelou  uma  interessante  correlação  entre  os  estados  de  maturação  e  a  expressão  dos  genes  analisados  em  trabalhos  anteriores e no presente. Assim, foi observado que indivíduos cuja expressão do genoma P é  inevitável, como a espécie S. pyrenaicus e as formas PA e PPA, apresentam oócitos imaturos  até  mais  tarde,  comparativamente  com  as  formas  triplóides  PAA  que,  tendencialmente,  apresentam  apenas  transcritos  do  genoma  A.  Este  possível  alargamento  da  época  de  reprodução  das  fêmeas  diplóides  em  particular,  juntamente  com  o  facto  de  produzirem  um  maior  número  de  ovos  comparativamente  às  fêmeas  triplóides,  poderá  contribuir  para  a  elevada proporção de indivíduos triplóides nas populações naturais do complexo, uma vez que  a  sua  descendência  será  maioritariamente  triplóide,  tendo  em  conta  as  formas  mais  frequentes e os seus modos de reprodução. 

Ao  longo  dos  vários  meses  de  amostragem,  através  das  observações  histológicas,  foi  encontrada  uma  massa  celular  nas  proximidades  do  tecido  reprodutor  masculino  e  feminino  dos  indivíduos  das  diferentes  populações  de  S.  alburnoides  e  S.  pyrenaicus  estudadas.  O  conhecimento  prévio  da  ocorrência  de  hermafroditismo  em  S.  alburnoides  levou  a  suspeitar  que esta massa celular correspondesse a tecido reprodutor masculino. No entanto, a presença  do mesmo também em machos levantou algumas dúvidas quanto à sua possível origem. Nas  fêmeas,  vários  factores  parecem  indicar  indirectamente  tratar‐se  de  um  verdadeiro  tecido  masculino,  nomeadamente,  a)  o  facto  de  neste  sexo  a  massa  celular  parecer  acompanhar  o  ciclo  de  maturação  da  gónada  feminina,  alterando  a  sua  cor  e  complexidade;  b)  ter  sido  encontrado  verdadeiro  tecido  testicular  maduro  numa  fêmea;  e  c)  os  níveis  de  expressão  diferencial  dos  genes  dmrt1  e  figlα  (respectivamente,  masculino  e  feminino,  como  referido  posteriormente) em diferentes porções de uma mesma gónada. 

À  semelhança  de  outros  vertebrados,  a  expressão  do  gene  figlα  revelou  ser  caracteristicamente feminina, possuindo as fêmeas maior quantidade de mRNA deste gene do  que  os  machos.  Comparando  as  diferentes  formas  de  fêmeas,  uma  maior  expressão  deste  gene parece existir nas fêmeas diplóides. Esta diferença poderá dever‐se ao facto deste gene  ser  expresso  em  oócitos  imaturos  e  estar  descrito  que  esta  forma  possui  maior  número  de  oócitos.  

Os níveis de expressão do gene dmrt1 revelaram‐se, por sua vez, caracteristicamente  masculinos,  possuindo  os  machos  maior  expressão  que  as  fêmeas,  resultados  que  se  encontram em concordância com o seu papel fundamental na diferenciação e manutenção da  gónada masculina em outros vertebrados. 

No  presente  trabalho,  o  gene  ortólogo  sox9a  foi  isolado  em  S.  alburnoides  e  S. 

pyrenaicus e a sua expressão averiguada. A análise dos níveis de expressão deste gene revelou 

uma  possível  variação  populacional  interessante.  Verificou‐se  que  nas  populações  do  Sul  filogeneticamente  próximas,  nomeadamente,  Sado,  Guadiana  e  Almargem,  este  gene  se  apresentava mais expresso nos machos, sendo encontrado um cenário completamente oposto  nas populações mais distantes (Cobrão, Raia e Colares), nas quais o gene é mais expresso nas  fêmeas. 

(10)

A confirmar‐se verdadeiramente a natureza masculina da massa celular observada nas  fêmeas,  esta  não  será  resultado  de  um  estado  de  transição  entre  sexos  num  contexto  de  hermafroditismo sequencial. Assim, uma estratégia reprodutora androdióica (ou, pelo menos,  trióica)  parece  mais  provável  de  estar  a  ocorrer  em  S.  alburnoides  e,  possivelmente,  ser  extensível  a  outras  espécies  de  Squalius.  A  evolução  destas  estratégias  reprodutora  no  complexo S. alburnoides é facilmente entendível devido ao enviesamento sexual para fêmeas  triplóides,  uma  vez  que  a  existência  de  hermafroditas  poderá  aumentar  a  produção  de  descendência  numa  população,  reduzindo  a  dificuldade  em  encontrar  parceiros  sexuais.  A  vantagem  adaptativa  desta  característica  em  S.  pyrenaicus  é  menos  clara,  uma  vez  que  esta  espécie tem sido descrita como tendo um rácio sexual equilibrado. No entanto, vários factores  importantes  para  a  compreensão  da  evolução  do  hermafroditismo  nesta  espécie  são  ainda  desconhecidos, nomeadamente, o seu comportamento social e sistemas de acasalamento. 

 

Palavras‐chave 

Squalius  alburnoides,  alopoliploidia,  hermafroditismo,  histologia  das  gónadas,  níveis  de 

expressão génica, dmrt1, figlα, sox9a   

(11)

Abstract 

 

Teleost  fishes  are  an  interesting  group  to  study  sexual  determination/differentiation,  due  to  the  high  diversity  of  mechanisms  involved  and  the  common  occurrence  of  hermaphroditism.  The  Iberian  Squalius  alburnoides  hybridogenetic  complex  appears  as  an  unusual  case  study,  since  it  presents  particular  characteristics  that  enhances  the  interest  of  studying  its  sexual  determination/differentiation  mechanisms,  namely,  preponderance  of  triploid  females,  an  all‐male  lineage  and  recurrent  interbreeding  with  the  sympatric  bisexual 

Squalius species. Moreover, the occurrence of hermaphroditism was recently reported in this 

complex. 

In the present research, the assessment of hermaphroditism occurrence was extended  to  different  catchments,  in  order  to  evaluate  the  extension  and  real  implications  of  this  particular  phenotype.  Histological  analysis  revealed  the  widespread  presence  of  an  adjacent  cellular mass to female gonads, even in S. pyrenaicus bisexual species. Tissue morphology and  molecular  data  (dmrt1  and  figlα  genes’  expression)  indirectly  suggested  that  the  mentioned  cellular mass might indeed correspond to a true male tissue. 

The  molecular  survey  was  also  extended  to  the  study  of  another  sex‐related  gene, 

sox9a,  which  was  de  novo  isolated  in  S.  alburnoides  and  S.  pyrenaicus  species.  The 

quantification  of  the  expression  levels  for  all  genes  was  performed  between  sexes,  ploidy  levels  and  populations.  sox9a  expression  results  showed  a  possible  population  variation,  meaning that the gender with higher expression switched between populations. Although the  obtained histological and molecular results for S. alburnoides complex seemed coherent with  hermaphroditism,  the  occurrence  of  these  strategies  in  other  Iberian  Squalius  still  needs  further investigation. 

Thus, the present results suggested that an androdioecious reproductive strategy, or at  least  a  trioecious  strategy,  is  likely  to  be  occurring  in  S.  alburnoides  as  the  referred  cellular  mass  did  not  seem  a  result  of  a  transitional  step  between  sexes  in  a  sequencial  hermaphroditism  context.  These  strategies  could  have  evolved  in  S.  alburnoides  natural  populations  in  response  to  the  sex  bias  towards  triploid  females,  since  it  might  increase  the  total zygotic production, reducing efforts in finding mates. 

 

Keywords 

Squalius  alburnoides,  allopolyploidy,  hermaphroditism,  gonad  histology,  gene  expression 

levels, dmrt1, figlα, sox9a 

(12)
(13)

Introduction 

I. Introduction 

 

1.1. Hybridization and polyploidization 

Polyploidization played a crucial role in the evolution of vertebrates (reviewed in Wolfe  2001), once gene duplication leads to the evolution of new functions, promoting diversification  and evolutionary success (e.g. Comai 2005; Hurles 2004). Polyploidy can arise by several ways,  like  failure  in  cell  division  after  mitotic  doubling,  production  of  unreduced  eggs  and  due  to  hybridization (Otto & Whitton 2000), resulting in the presence of more than two complete sets  of chromosomes in the respective taxa. 

Depending  on  the  chromosomal  composition  and  on  the  mechanism  that  leaded  to  polyploidy,  polyploids  can  be  divided  in  two  main  groups:  autopolyploids  and  allopolyploids.  The former ones arise from chromosome doubling within an individual or from the merging of  two  similar  genomes  from  distinct  individuals  of  the  same  species.  On  the  other  hand,  allopolyploids are a consequence of hybridization, usually between different species (reviewed  in Otto 2007). 

In  plants,  polyploidy  is  common  as  an  ancient  and  an  ongoing  evolutionary  process  (Adams  &  Wendel  2005).  However,  it  is  considered  rare  among  animals,  especially  in  higher  vertebrates  (Orr  1990;  Otto  &  Whitton  2000).  Orr  (1990)  proposed  that  the  occurrence  of  polyploidy  in  animals  would  be  impeached  by  its  interference  with  sex  determination  processes  and  the  disruption  of  gene  dosage  imbalance.  Although  there  are  some  known  examples  of  stable  polyploids  among  several  animal  taxa,  namely  amphibians  and  reptiles  (reviewed  in  Otto  &  Whitton  2000),  in  fish  (Leggatt  &  Iwama  2003)  and  even  in  mammals  (Gallardo et al. 2006). 

In fishes, hybridization is a widespread process, positively related with polyploidy (Le  Comber  &  Smith  2004).  Several  contributing  factors  seem  to  explain  the  high  incidence  of  hybridization  in  fish  taxa,  namely  external  fertilization,  weak  behavioural  isolating  mechanisms,  unequal  abundance  of  the  two  parental  species,  competition  for  limited  spawning  habitat,  decreasing  habitat  complexity  and  susceptibility  to  secondary  contact  between recently evolved forms (Chávez & Turgeon 2007; Scribner et al. 2001). Viable hybrids  between distantly related fish species are frequently found, suggesting that this group appears  to  be  less  susceptible  to  the  severe  developmental  incompatibilities  that  affect  interspecific  hybrids in other vertebrates (Scribner et al. 2001). Moreover, allopolyploidization seems to be  the  predominant  mode  of  polyploidization,  being  a  recurrent  process  in  Cobitidae  and 

Cyprinidae families (Gromicho & Collares‐Pereira 2007). 

When polyploidy results from hybridization, one of the most often consequences is the  establishment of asexual reproduction. Among vertebrates, such system was for the first time  described  in  the  fish  species  Poecilia  formosa  (Hubbs  &  Hubbs  1932).  In  asexual  systems, no  recombination  is  involved  in  reproduction,  which  is  performed  clonally  and  might  or  not  involve syngamy or karyogamy. There are several asexual reproductive modes known among  vertebrates  (Dawley  1989),  which  can  be  divided  in  two  main  groups:  sperm  dependent  and  sperm  independent.  Some  asexual  reptiles  reproduce  sperm  independently  by  strict  or  facultative parthenogenesis. In this reproductive mode, eggs are produced without syngamy,  genetic recombination or reduction in ploidy and develop into clonal offspring. On the other  hand, asexual fish and amphibians usually reproduce through gynogenesis or hybridogenesis, 

(14)

Introduction 

depending  on  sexual  species  as  sperm  donors  (Adams  et  al.  2003;  Vrijenhoek  et  al.  1989;  Watts et al. 2006). Gynogenesis is a reproductive mode similar to parthenogenesis, however,  in  this  case,  sperm  is  necessary  to  trigger  embryogenesis,  although  without  karyogamy  occurrence. Consequently, the paternal genome is eliminated or degenerated, which leads to  the  production  of  clonal  offspring.  Another  sperm  dependent  asexual  reproductive  mode  is  hybridogenesis,  in  which,  during  gametogenesis,  the  paternal  genome  is  excluded  and  the  maternal  genome  is  transmitted  clonally  to  the  haploid  egg.  Eggs  are  then  fertilized  by  the  paternal  species  sperm  (requiring  syngamy  and  karyogamy),  reconstituting  the  hybrid  condition. Thus, the paternal genome is replaced in each generation (hemiclonal inheritance).  

There is a particular reproductive mode that is very similar to hybridogenesis, but since  it  involves  meiosis  is  called  meiotic  hybridogenesis,  in  which,  after  exclusion  of  the  heterospecific  genome,  the  remaining  homospecific  genomes  undergo  meiosis  with  random  segregation  and  recombination.  This  reproductive  mode  is  very  uncommon,  being  found  in  very few species and hybrid complexes, one of which is Squalius alburnoides complex. Notice  that,  this  Cyprinidae  complex  presents  the  higher  known  variability  of  reproductive  modes,  engaging production of unreduced gametes, meiotic hybridogenesis, meiosis and, very rarely,  hybridogenesis  and  parthenogenesis  (reviewed  in  Alves  et  al.  2001).  Therefore,  the  Squalius 

alburnoides  complex  emerges  as  an  excellent  model  to  study  reproductive  strategies  in  an 

allopolyploid context due to this high variability in the reproductive modes.   

1.2. Hermaphroditism 

Fishes  are  a  very  interesting  and  intriguing  group  concerning  sexual  determination,  presenting  a  great  diversity  of  mechanisms  (Luckenbach  et  al.  2009).  Moreover,  these  organisms are frequently hermaphrodites (Chopelet et al. 2009). There are two main types of  hermaphroditism:  synchronous/simultaneous,  characterized  by  the  existence  of  a  testicular  and an ovary tissues in the same specimen, that could maturate or spawn simultaneously or at  different times; and sequential hermaphroditism, in which a specimen of a  given sex  change  the type of gonad tissue to the one of the opposite sex (Crews & Bull 2009). 

From  an  evolutionary  point  of  view,  gonochorism  and  synchronous  hermaphroditism  are considered endpoints in a reproductive spectrum with intermediate mixed‐sex states such  as  gynodioecy  (existence  of  females  and  hermaphrodites),  androdioecy  (males  and  hermaphrodites)  and  trioecy  (all  the  three  classes  presented,  males,  females  and  hermaphrodites) (Avise & Mank 2009). In fish, hermaphroditism is evolutionarily derived and  polyphyletic,  detected  in  only  2%  of  the  teleost  species  investigated  so  far  (Avise  &  Mank  2009). 

Hermaphroditism  can  be  part  of  the  natural  gonad  developmental  pathway  to  maturity or appear to be socially conditioned, resulting in sex changers (Crews & Bull 2009). In  hermaphroditic organisms the sexual ratio is often biased (Allsop & West 2004; Chopelet et al.  2009).  Despite the relatively common presence of hermaphroditism among certain groups of  fish, there is only one reported occurrence in a hybrid fish (Matos et al. 2010).   

1.3. Sex cascade elements in teleost fish 

The  mechanisms  of  sexual  determination  in  animals  have  generated  a  great  interest  due to the diversity of determination systems that have been described, which could have an 

(15)

Introduction 

environmental, genetic or even both components (Crews & Bull 2009). In each of these types,  there  is  a  considerable  plasticity  in  the  way  that  determination  occurs.  In  teleosts,  determination pathways are constantly reinvented, even between sister species (Quinn et al.  2009), challenging the idea of a tendency for conserved biological systems.  This variability constitutes an additional difficulty when considering sex determination  in hybrid fishes, since hybridization can bring abrupt changes in these cascades, compared to  those found in parental species (Volff & Schartl 2001).  Despite the variety of mechanisms, the components of sex determination cascades are  apparently  conserved  throughout  the  vertebrate  lineage  (Schartl  2004;  Smith  et  al.  1999),  although their position in gene hierarchies and their interaction patterns can vary according to  group, special in primary determinants (Piferrer & Guiguen 2008).  Between teleosts, medaka (Oryzias latipes) emerges as a model to the study of sexual  determination due to its features (many established genetic lines, XX/XY sexual determination  and the possibility of performing sexual reversion). Many mammalian orthologous genes in the  sexual determination cascade have been isolated in this organism and one gene was found to  be essential to males development, dmy, which results from a dmrt1 gene duplication and is  localized in Y sexual chromosome (reviewed in Schartl 2004). This gene is assumed as a master  gene in the sexual determination of this organism, as sry gene in mammalian lineage. 

In  other  fish  species,  amh,  dmrt1,  wt1,  dax1,  aromatase,  figlα  and  sox9  genes  have  been  implicated  in  the  functionality  of  specific  cell  types,  in  the  safeguarding  of  adult  gonad  integrity and, directly or indirectly, in germ cell maturation (Klüver et al. 2005; Kobayashi et al.  2004; Nakamoto et al. 2005; Rodríguez‐Marí et al. 2005). 

For  instance,  dmrt1  gene  has  been  shown  for  many  organisms  to  be  of  essential  importance for male differentiation pathway, with a marked expression in this sex (Ferguson‐  ‐Smith 2007), being one of the most conserved genes in sex differentiation cascade (Piferrer &  Guiguen 2008). On the other hand, figlα gene is critical for developing a functional ovary (Soyal  et al. 2000) and has been pointed as a female specific gene for many vertebrates (Soyal et al.  2000; Wu et al. 2008).    The sox9 genes 

The  SRY‐related  high  mobility  group  (HMG)  containing  box  (SOX)  genes  encode  a  family  of  transcription  factors  involved  in  several  developmental  processes,  including  sex  differentiation (Piferrer & Guiguen 2008). 

sox genes are abundant in mammals and their number in fish is probably even larger, 

since genome duplications have occurred in this group of vertebrates (Meyer & Schartl 1999).  In  mammals,  sox9  plays  an  essential  role  in  testis  determination  and  cartilage  development (Foster et al. 1994; Zhao et al. 1997). The importance of sox9 in the regulation of  the  cartilage  formation  and  male  gonad  development  seems  to  be  conserved  among  vertebrates (Chiang et al. 2001; Foster et al. 1994; Klüver et al. 2005; Zhou et al. 2003). 

In  medaka  and  zebrafish,  for  example,  two  co‐orthologous  of  the  mammalian  sox9  gene were found (Chiang et al. 2001; Klüver et al. 2005; Yokoi et al. 2002). This is in agreement  with similar findings for other  genes which suggested that a  genome‐wide duplication in  the  ray‐fin  fish  lineage  occurred  before  the  divergence  of  the  teleosts.  This  whole  genome  duplication  may  have  facilitated  lineage  divergence  by  partitioning  different  ancestral  gene  sub‐functions among co‐orthologs of tetrapod genes. Detailed studies in zebrafish and medaka 

(16)

Introduction 

have  shown  that  the  combined  expression  pattern  of  the  two  sox9  genes  correspond  approximately to that of the single sox9 in mouse, indicative of a partitioning of ancestral sub‐ functions (Chiang et al. 2001; Klüver et al. 2005). 

 

1.4. The Squalius alburnoides complex 

The  Squalius  alburnoides  complex  (for  a  taxonomic  review  see  Collares‐Pereira  &  Coelho 2010) is an Iberian Peninsula’s endemic freshwater fish with a wide distribution range,  being  sympatric  with  three  Squalius  bisexual  species,  namely  Squalius  pyrenaicus,  Squalius 

aradensis and Squalius carolitertii. 

S.  alburnoides  had  a  unidirectional  hybrid  origin,  with  S.  pyrenaicus  as  maternal 

ancestor (P genome) (Alves et al. 1997; Carmona et al. 1997) and an Anaecypris hispanica‐like  species  as  paternal  ancestor  (A  genome)  (Crespo‐López  et  al.  2006;  Gromicho  et  al.  2006;  Robalo  et  al.  2006).  The  unidirectionality  of  this  hybridization  process  was  inferred  from  the  fact that the Anaecypris‐like mitochondrial DNA (mtDNA) was never detected in S. alburnoides.  This  hybridogenetic  complex  gathers  several  forms  with  different  ploidies,  including  diploid (2n=50), triploid (3n=75) and tetraploid (4n=100) individuals. Moreover, individuals of  each  ploidy  may  show  distinct  genomic  constitutions,  with  different  proportions  of  the  parental genomes, and variable sex ratios, being the triploid females de most common biotype  in natural populations (reviewed in Collares‐Pereira & Coelho 2010). 

In  southern  populations  where  S.  alburnoides  complex  is  in  sympatry  with  S. 

pyrenaicus,  hybrid  forms  include  diploids  PA,  triploids  PAA  and PPA  (the  latter  rarely  found), 

and  tetraploids  PPAA  (unbalanced  tetraploids  can  also  occur,  Sousa‐Santos  et  al.  2007).  Besides  all  these  hybrid  forms,  S.  alburnoides  also  comprises  a  nuclear  non‐hybrid  diploid  form, presenting S. pyrenaicus related mtDNA but the nuclear genome of the Anaecypris‐like  ancestor in homozygosity (AA genome). Interestingly all this AA individuals are males (with the  exception of two females reported by Carmona 1997; Sousa‐Santos et al. 2006b). The presence  of  S.  pyrenaicus‐like  mtDNA  in  these  nuclear  AA  individuals  indicates  that  this  nuclear  non‐ hybrid  form  was  reconstituted  from  the  hybrids,  discarding  the  hypothesis  of  being  true  descendants  of  the  missing  ancestor.  All  these  different  forms  of the  S.  alburnoides  complex  intercross through highly diverse reproductive modes, as previously referred (Alves et al. 2001;  Crespo‐López et al. 2006). 

Some  reproductive  traits  of  diploid  and  triploid  forms  from  the  southern  Guadiana  River were previously assessed during a two‐years period (Ribeiro et al. 2003). It was found a  spawning  period  between  March  and  June,  suggesting  multiple‐spawning  behaviour.  Moreover, the time of spawning of both female forms appeared to be synchronized. 

The S.  alburnoides forms  have a differential distribution along its range, with distinct  populations presenting different composition of forms (Alves et al. 2001; Pala & Coelho 2005).  These  populational  differences  are  mainly  due  to  the  allopatric  distribution  of  the  bisexual 

Squalius species with which S. alburnoides complex is sympatric. The Squalius species actively 

participate in the reproductive  dynamics of the complex, interbreeding with  several  forms of  the complex and acting as a source of genetic material. The recurrent crosses of S. alburnoides  individuals  with  those  species  led  to  the  introgression  of  their  genes  into  the  complex  and,  over  the  time,  to  a  total  substitution  of  the  ancestor  S.  pyrenaicus  nuclear  genome  in  the  respective  drainages  (Alves  et  al.  1997).  Thus,  in  northern  populations  (Mondedo  and  Douro  drainages),  where  S.  alburnoides  is  sympatric  with  S.  carolitertii,  the  characteristic  P  genome 

(17)

Introduction 

was fully replaced by the one of that species (C genome), however possessing mtDNA related  to  the  S.  pyrenaicus  ones.  On  the  other  hand,  in  the  southern  population  of  Quarteira  drainage,  interspecific  crosses  between  S.  alburnoides  and  S.  aradensis  led  to  a  similar  situation,  but  with  a  massive  nuclear  and  mitochondrial  introgression  of  the  genome  of  the  latter species (Q genome) (Sousa‐Santos et al. 2006a). 

 

Gene‐copy silencing and dosage compensation 

As  previously  referred,  little  is  known  about  the  impact  of  hybridization  and  polyploidization  on  the  regulatory  networks  that  guarantee  the  appropriate  quantitative  and  qualitative gene expression programme. From the study of gene expression in the triploid form  of the S. alburnoides complex emerged relevant results in that field. A dosage compensation  mechanism that reduces transcript levels of polyploids to the diploid state has been found in  this organism (Pala et al. 2008a; Pala et al. 2010). 

Through  the  study  of  genome‐specific  allele  expression  of  many  housekeeping  and  tissue‐specific  genes  in  different  organs,  the  silencing  of  one  of  the  three  alleles  in  triploids   was observed in the southern populations (Pala et al. 2008a). Unexpectedly, it was not a whole  genome  that  is  inactivated,  although  there  is  a  tendency  for  silencing  the  alleles  from  the  minority genome. 

This  allele‐specific  pattern  of  silencing  has  been  recently  shown  to  vary  within  the  complex,  according  to  the  geographical  origin  and  the  type  of  genome  involved  in  the  hybridization  process,  once,  in  northern  populations,  polyploids  exhibit  preferential  biallelic  gene expression patterns, irrespective of genomic composition (Pala et al. 2010).    Initial characterization of sex cascade elements  In the S. alburnoides complex, the preponderance of triploid females and the existence  of a line consisting solely of males (Alves et al. 2001) suggested that sex determination would  have a strong genetic basis. 

Some  advances  were  made  in  an  attempt  to  understand  which  genes  could  be  interacting in order to regulate the process of sex determination and differentiation in these  organisms (Pala et al. 2008b; Pala et al. 2009). 

Through an approach of candidate genes previously described in vertebrates, the adult  expression of some genes that could be involved in the mechanisms of sex determination and  differentiation  was  analyzed  (amh,  dmrt1,  wt1,  dax1,  aromatase  and  figlα).  Non  dimorphic  pattern  between  males  and  females  was  found  and  no  differences  in  cellular  location  of  individual  genes  in  gonads  of  the  parental  species  S.  pyrenaicus  and  in  the  hybrid  S. 

alburnoides were found. 

Occurrence of hermaphroditism 

S.  alburnoides  was  considered  a  strict  gonochoristic  reproductive  complex,  until 

hermaphrodites  were  detected  in  this  hybridogenetic  complex  in  the  most  southern  catchments of Portugal by Matos et al. (2010). 

The  simultaneous  hermaphrodites  found  did  not  seem  be  related  with  any  ploidy  levels  and  possible  relation  with  endocrine  disrupting  chemicals  was  unlikely.  Matos  et  al.  (2010) also found differential male and female gamete maturation in hermaphrodites, which  should work as a natural barrier to self‐fertilization. 

(18)

Aims 

II. Aims 

  Assessing the causes, the extent and the developmental and evolutionary implications  of hermaphroditism in S. alburnoides complex is of crucial importance to fully understand its  intricate reproductive dynamics. Consequently, in this study, the main specific goals were the  following:  a) Assess whether S. alburnoides hermaphroditism is part of the natural life cycle of the  complex  (sequential  or  simultaneous  hermaphroditism)  or  an  occasional  abnormal  state; 

b) Assess the extent of such phenomenon to other S. alburnoides populations rather the  ones previously reported; 

c) Extend  the  survey  to  other  Iberian  Squalius  species  to  prospect  whether  hermaphroditism  is  an  exclusive  feature  of  the  S.  alburnoides  complex  or  a  more  generalised phenomenon.    This study will be conducted performing an exhaustive histological analysis of gonads,  complemented with a molecular approach. The expression levels of dmrt1 and figlα genes will  be assessed in male and female gonads of individuals of the complex by semi‐quantitative RT‐  ‐PCR in order to confirm whether there is a significant sex related difference in the expression  levels  of  these  genes.  Additionally,  the  expression  levels  of  another  sex  related  gene,  sox9a,  was  also  quantified.  Since  this  gene  has  been  implicated  in  sexual  determination  and  differentiation of many vertebrates and nothing is known about its expression in S. alburnoides  and S. pyrenaicus, these data might give an important contribution to understand the puzzling  molecular  network  of  gonad  identity  maintenance  in  the  complex.  The  expression  of  all  referred  genes  (dmrt1,  figlα  and  sox9a)  was  integrated  in  a  hermaphroditism  context,  since  their expression can be directly related with this feature.  

(19)

III.

from  allopa tribut Small 1) we (Tabl used  anaes of plo all ind when was a was  ‐Sant diplo Figure pyrena riversi

Mater

 

3.1. S

Specimen several sout atric Squaliu All fish w taries of Gua ler samples f ere also colle e  1).  Occasio in other stud Captured sthetic MS22 oidy level by dividuals we n genomic co Specimen attributed to inferred  bas tos et al. 200 id females P   e  1.  Sampling 

aicus);  e  Caste

de; i Foupana r  

rial and m

Sampling, p

ns of S. albur thern popula us species, we were capture adiana river  from other s ected in ord onally  and  f dies were re   fishes  were 22. From eac y flow cytom ere also colle onstitution a ns  were  iden o each one. A sed  on  morp 07) in Guadia A and diploi

sites:  a  Cobrã lhanos  riversid riverside; j Alma

methods

ploidy asse

rnoides and  ations. A few ere also used d by electro basin, name southern rive er to prospe for  specific  p covered for  e  brought  to ch fish, bloo metry followi ected and pre ssessment (a ntified  by  m After ploidy  phology  and ana and Sad d males assu o  riverside;  b de;  f  Torgal  riv

argem riverside

essment an

of the symp w specimens d.  ofishing from ely Carreiras, ers (Castelha ect the exten purposes,  sa this one (Ta o  the  labora

d was taken ing Próspero eserved in 1 according to morphologica determinati d  reported  f do river basin umed as AA) Sever  river;  c verside  (allopat e. 

nd genotyp

patric S. pyre of Squalius  m October 20 , Foupana an anos, Colare nsion of her mples  from  ble 1).  atory  and  sa  and frozen  o & Collares‐ 00% ethano  Inácio et al. al  observatio on, genotyp frequency  of ns (triploid f .    c  Raia  riverside tric  S.  torgalen Ma

ping 

enaicus speci torgalensis,  009 to April  nd Oeiras riv s and Cobrão maphroditis fishes  alrea acrificed  wit at ‐80 °C for ‐Pereira (200 l for posterio  2010) was r ons  and  spe e of S. albur f  each  geno emales were e;  d  Colares  ri nsis);  g  Carreira aterial and me ies were coll another sou 2010, in diff versides (Figu o riverside, F m to other b ady  in  the  la

h  an  overdo r later assess 00). Fin clips or DNA extra required.  ecies  classific rnoides indiv omic  form  (S e considered iverside  (allop as  riverside;  h  ethods  lected  uthern  ferent  ure 1).  Figure  basins  b  and  ose  of  sment  s from  action  cation  viduals  Sousa‐  d PAA,  atric  S.  Oeiras 

(20)

Material and methods 

Table  1.  Sampled  specimens  used  for  histology  and  expression  analysis,  with  corresponding  capture  site,  ploidy,  genotype and sex. 

 

When possible, three samples were included for gene expression analysis of Guadiana individuals. For the other drainages, one  sample of each sex of S. pyrenaicus and of each S. alburnoides form were used. * Sexing performed by macroscopic observation of  gonad morphology; a) fish captured in the same population sampled in the previous S. alburnoides expression study (Pala et al.  2009);  b)  fish  from  the  southern  side  of  Tejo  catchment;  c)  fish  of  a  allopatric  Squalius  species  non‐participating  in  the  S.  alburnoides  complex.  Note  that  these  fish  were  subjected  to  30  °C  temperature  stress  in  other  study;  d)  fish  from  another  southern river, in which a putative male tissue was found together with the female gonad. 

 

3.2. Gonads’ Collection 

Adult gonads were dissected form the body, macroscopically evaluated and classified  as  male  or  female.  Both  gonads  were  taken  and,  randomly,  one  was  frozen  at  ‐80  °C  for  expression analysis and the other one fixed in 4% PFA for histology. 

One gonad from a PA individual from Almargem riverside (A5 specimen) were added  (Table 1), because, after dissection and during macroscopical evaluation, it seemed to present  two  distinct  tissues  (different  textures)  running  alongside  with  each  other  (Figure  2)  (also  found by Matos et al. 2010). Those tissues were separated using forceps and frozen separately,  being  one  of  them  an  ovary  and  the  other  a  putative  male  tissue.  Another  PA  female  gonad  from  the  same  riverside,  in  which  no  different  textures  were  found,  was  also  added  as  a  control of the previous gonad (just for expression analyses purposes). 

 

3.3. Histological preparation and analysis 

After  PFA  fixation,  gonads  were  dehydrated  (70%  to  absolute  ethanol),  treated  with  xylene and embedded in paraffin. Paraffin sections of approximately 5 µm were stained with  Hematoxylin and Eosin. 

Basin Riverside Date Species Ploidy/Genotype Sex* N histologyN RNA

F 2 2 M 1 1 3n F 5 3 2n M 1 1 3n F 12 3 2n M 5 2 3n F 6 3 F 1 1 M 5 2 3n F 4 3 F 1 1 M 5 3 3n F 3 3 PA F 1 3n F 17 1 PPA F 1 1 4n F 1 1 F 1 1 M 1 1 F 1 1 M 1 1 2n M 1 1 F 3 1 M 3 1 S. pyrenaicus 2n M 2 1

Raia S. alburnoides PAA F 1 a)

3n F 5

4n M 1

2n F 1

2n M 2

Almargem Almargem S. alburnoides PA F 2 d)

Tejo

b) c)

Sever S. alburnoides

Mira Torgal S. torgalensis

Guadiana

Foupana November 2009 S. alburnoides

March 2010 S. alburnoides January 2010 S. alburnoides Oeiras April 2010 S. alburnoides 2n S. alburnoides October 2009 Carreiras 2n 2n S. pyrenaicus S. alburnoides 3n Sado

Cobrão March 2010 S. alburnoides

2n

Colares Colares March 2010 S. pyrenaicus 2n

(21)

a DP5 Figure sidewi Reage DNA  Corp. an et was s oligo temp repla geno were numb using sox9a confi prote set o exon while Sequ disen gene  neigh Histologic 50 Olympus    e  2.  Macroscop ise with an ova  

3.4. R

Total  RN ent®  Solutio was elimina .). The RNA  thanol precip synthesized  (dT)18  prime plate.  Minus cing the RT b  

3.5. Is

From  DN me)  already  isolated in o Using  Da bers  of  Gen g  ClustalX2  aR2, Table 2 rmed with B The  first  ein domain t f primers (so .  sox9aF2  p e sox9aR2 wa All  seque encher  v.4.0 ntangle the e The  prop and its phyl hbor‐joining    cal sections w digital came pical  morpholo ry. L left gonad

RNA extrac

A  was  extra on  (Ambion,  ted by treat was then pu pitation with with RevertA er,  following s‐reverse  tra by RNase‐fre

solation of

NA  samples  o y  available  in order to asse anio  rerio  an Bank  and  E software.  T ) were desig BioEdit v.7.0. set  of  prim hat, in D. rer ox9aF2 and  rimer  was  d as also desig ences  obtain 0  software  exon‐intron o per  isolation  ogeny were  analysis.  were visualiz ra. Images w

gy  of  one  gon , R right gonad,

ction and c

acted  from  Inc.)  accord tment of the urified with a h LiCl to elim Aid™ H Min g  supplier’s  anscriptase  ee water, for

f sox9a gen

of  S.  alburno n  the  lab,  ge ess the exon‐ nd  Oryzias  la nsembl  data Two  sets  of  gned with Pri 5 software. ers  (sox9aF1 rio, is locate R2) amplifie designed  wit ned with seq ned  were  al (Gene  Code organization. of  the  obta assessed us zed with an O were prepare nad  containing , A anterior, P p

cDNA synth

adult  gonad ding  to  the  s e RNA sampl a standard p minate RQ1 D us First Stra recommend reaction  w r DNA contam

ne and exo

oides  nuclea enomic  sequ ‐intron struc atipes  sox9a abases  were primers  (s imer3 progra 1  and  R1)  w d in the first ed the rest o th  sequence quences from igned  with  es  Corporat .  ained  coding sing Mega v.4 Olympus BX  ed in ImageJ  an  unknown  t posterior. 

hesis 

ds  frozen  a supplier’s  re es with RQ1 phenol:chlor DNase and B nd cDNA Sy dation  for  a was  perform mination con

on‐intron s

ar  non  hybr uences  of  sox

cture of this g a  orthologou e  mentioned ox9aF1  and am (http://fr was  designed t and second of the HMG  s  obtained  m the model others  from ion,  Inc.)  fo g  sequences  4.1 software Ma 60 microsco software. 

tissue  with  dis

t  ‐80  °C  (Ta commendat  RNase‐Free roform extra Buffer salts.  nthesis Kit ( n  amount  o ed  as  desc ntrol. 

structure 

ids  AA  and 

x9a  teleost 

gene.  us  gene  sequ d  on  Figure  sox9aR1,  a rodo.wi.mit.   to  amplify  d exons (Figu domain plus with  the  firs organisms.  m  D.  rerio  a or  polymorp of  sox9a  te e for maximu aterial and me ope equipped   stinct  texture  r able  1)  usin tion.  Contam e DNase (Pro action follow First strand  Fermentas),  of  40  ng  of cribed  previ S.  pyrenaicu orthologous uences  (acce 11)  were  a and  sox9aF2 edu/) and vi part  of  the  ure 3). The se

s part of the st  set  of  pri nd  analysed phism  search leost  orthol um parsimon ethods  d with  running  ng  TRI  minant  omega  wed by  cDNA  using  f  RNA  ously,  us  (PP  s  gene  ession  ligned  2  and  isually  HMG  econd  e third  imers,  d  with  h  and  ogous  ny and 

(22)

Figure seque in whi for exp asses gene rema durin Dens the e v.9.0  samp for A (Pala  prime Table lack o as  co diges (2U/µ (10x) HpaII produ at 37 with  seque desig there figla_ e  3.  Structure  nces. Boxes rep ch black ones a pression levels   

3.6. Q

The expre ssed by semi . rpl8 gene w ain  stable  ev ng maturatio All  PCRs  itometrical a expression of (StatSoft,  In ple size for d NOVA test.    figlα exp figlα teleo et al. 2009) ers  FIG  F2  a e 2).  PCRs usin of expression ontrol),  and  stions with tw For  the  r µL) were use .  The  restric I  (Amersham uct, with 7 µ  °C and 300  Restrictio Webcutter ences depos After  val gned, based  efore  conduc _SqF1 and fig and  alignment present exons a are the primers quantification.

Quantificat

ession levels i‐quantitative was chosen  ven  during  e n.  were  cond analyses wer f the gene o nc.)  was  use diploid femal ression leve ost ortholog ). A first assa and  FIG  R1,  ng only figlα  n of this gene triploid  fem wo different  restriction  a ed together  ction  reactio m/Pharmacia µL of H2O and rpm.  on enzymes w   v.2.0  pro sited on Genb idation  of  f on the same cted for figlα gla_SqR1, (PC

t  of  sox9a  of  and V lines the   designed for D Protein domai

tion of gen

s of each gen e RT‐PCR in  as internal c estrogens’  fl ducted  with re performed of interest an ed  to  do  the les from Gua ls  ous gene wa ay for figlα e already  desc primers and e. The identi males  and  di restriction e ssays  with  S with 10 µL o n  was  done    Biotech),  1 d 2 µL off On were selecte gram  (www bank (access figlα  identit e previous se α expression CR condition D.  rerio  codin Squalius sp. int DNA amplificati ns are highlight

ne expressi

ne of interest multiplex w control beca uctuations  ( h  GoTaq®  F d using Imag nd the contr e  required  s adiana was a as already iso expression le cribed  in  Pa d extending c ity of the am ploid  males  endonucleas SfaNI  (New  of PCR produ   in  3h,  at  37 1  µL  of  enzy ne‐For‐All bu ed based on t w.firstmarke sion number ty  for  triplo equences, an n levels quan ns in Table 2) ng  sequence  w trons. Small lin on and the gre ted as grey box

ion 

t (figlα, dmrt ith the hous ause its expr (Filby  &  Tyle lexi  DNA  P geJ software, ol one (rpl8) statistical  tre always below olated for S.  evels quantif la  et  al.  (20 cycles to 40 w mplified fragm were  confir es, SfaNI and England  Bio uct, 7,2 µL o 7  °C  and  300 yme  (7U/µL)  ffer (10x). Th the predicte t.com/cutte s FJ587500,  oid  females,  nd confirme ntification us ).  Ma with  Squalius  s es represent th y ones the inte xes.  t1 and sox9a ekeeping rib ression has b er  2007),  as  olymerase   calculating t ) for each sa eatment  of  a w to the min alburnoides  fication were 09)  (PCR  co were conduc ments of dipl rmed  using  d HpaII.  labs,  Inc.),  0 of H2O and 2 0  rpm.  For  t were  used  he digestion  d restriction r/cut2.html)  PP, and FJ58 new  intern d by eye. A  sing the new aterial and me sp  partial  sox9 he location of p ernal primers de a) were sepa bosomal prot been describ those  that  (Promega  C the ratio bet ample. STATI all  data,  alth nimum 6 req  and S. pyren e conducted onditions  list cted to outw loid females  two  indepe 0,8  µL  of  en 2 µL of NEBu the  digestion for  10  µL  o was carried  n pattern obt   for  figlα  87501, AA).  nal  primers  second assa w internal  pr ethods    9a  DNA  primers,  esigned  rately  tein l8  bed to  occur  Corp.).  tween  ISTICA  hough  quired  naicus  using  ed  on  wit the  (used  ndent  nzyme  uffer 3  n  with  of  PCR  in 3h,  tained  gene  were  ay was  rimers 

(23)

Material and methods 

dmrt1 expression levels 

dmrt1  teleost  orthologous  gene  was  already  isolated  in  S.  alburnoides  and  S.  pyrenaicus (Pala et al. 2008a). For semi‐quantitative RT‐PCR convenience, new internal primers  were designed based on dmrt1 gene sequences (GenBank accession numbers EU199439, PP,  and EU199440, AA). Quantification of dmrt1 expression levels were conducted using internal  drmt1_SqF1 and dmrt1_SqR1 primers, following PCR conditions found in Table 2.    sox9a expression levels  Expression levels of sox9a gene were assessed with new internal primers, sox9a_SqF1  and sox9a_SqR1, designed based on sequences obtained previously for S. alburnoides AA and  S. pyrenaicus (PCR conditions in Table 2).    Table 2. Primers and PCR conditions used.        Genes dmrt1_SqF1 dmrt1_SqR1 0,1 95 °C 95 °C 58 °C 72 °C 72 °C AACCTGTCCGGTTCAGACAC ATAGGAGGCATCCACCATCA cDNA 2' 1 x 30'' 30'' 1' 32 x 5' 1 x

FIG F2 FIG R1 0,1 95 °C 95 °C 54 °C 72 °C 72 °C cDNA 2' 1 x 30'' 45'' 1' 35 x 5' 1 x fi gl a _SqF1 fi gl a_SqR1 0,1 95 °C 95 °C 60 °C 72 °C 72 °C AGTACATCCGGCTCCTCTCA TCCTCGGAAAGAAAGGGATT cDNA 2' 1 x 30'' 30'' 1' 34 x 5' 1 x

s ox9a F1 s ox9aR1 8 95 °C 95 °C 58 °C 72 °C 72 °C CGACCCYTACCTGAAGATGA GGGGTGRTCYTTCTTGTGCT DNA 3' 1 x 30'' 30'' 1' 30 x 5' 1 x

s ox9a F2 s ox9aR2 8 95 °C 95 °C 58 °C 72 °C 72 °C KKGAAAAGCGTCCCTTCGT ACGTCCYGGAAGTYGATGYT DNA 3' 1 x 30'' 30'' 1'15'' 30 x 5' 1 x

s ox9a _SqF1 s ox9a _SqR1 0,1 95 °C 95 °C 58 °C 72 °C 72 °C GAACGCGTTTATGGTGTGG GAGTGCACTTCTCCCATGCT cDNA 2' 1 x 30'' 45'' 1' 35 x 5' 1 x

rpl 8 Forward rpl 8 Revers e ‐ Final PCR reagents concentrations TAQ Buffer (x) MgCl 2 (mM) dNTP (mM) BSA (mg/mL) Pri mers  (μM) TAQ (U/μL) Sa mpl e (ng/μL) 0,4 0,1 0,03 figlα 1 1,4 0,6 dmrt1 1 1,4 0,6 0,03 (Pa l a et al.  2009) 1 1,4 0,6 ‐ 0,4 0,2 0,03 0,7 0,2 ‐ 0,4 0,01 0,1 rpl8 (Fi l by & Tyler 2007) sox9a 1 1,4 1 1,5 1 1,5 Ea ch primer of  gene of  i nteres t Ea ch pri mer of  rpl8 PCR program Primers 0,6 0,1 0,03 0,6 0,01 ‐ 0,02 0,2 ‐ 0,4 ‐ 0,02

(24)

Results 

IV. Results 

 

4.1. Histological observations of gonads 

  Temporal assessment of maturation states 

With  the  temporal  series  sampling  from  Guadiana  catchment,  a  comparative  assessment of gonads’ maturation progression between different ploidies and genomic forms  of the complex was performed (Figure 4). 

Outside  the  breeding  season  (October  and  November  months)  (Ribeiro  et  al.  2003),  gonads were composed by immature germ cells, with ovaries presenting perinucleolar oocytes  (e.g.  Figure  4,  a)  and  testicles  spermatids  and  spermatogonias  (located  in  clusters  along  tubules, Figure 4, p). 

Triploid females captured in October (Figure 4, a) had only perinucleolar oocytes, while  in November pre‐vitellogenic oocytes were also observed (Figure 4, d), which might be due to  the  fact  that  the  November  sampling  was  performed  in  a  southern  catchment  comparing  to  the  October  one  (Figure  1).  A  comparison  between  the  maturation  states  of  triploid  and  diploid females was only possible in October, since it was the only month in which both PA and  PAA  females  were  simultaneously  captured.  Results  showed  that  diploid  females  presented  pre‐ 

‐vitellogenic oocytes (Figure 4, b), while triploid ones had only perinucleolar oocytes (Figure 4,  a). 

Both  sexes  started  maturating  in  January  (Figure  4),  with  triploid  females’  ovaries  starting to be filled by early vitellogenic oocytes (Figure 4, f) and males developing spermatids  surrounded  by  spermatogonias  (Figure  4,  r).  Although  no  spermatocytes  were  observed,  occasional  spermatozoa  were  found  (Figure  4,  g  and  r).  Note  that  no  diploid  females  were  captured in this sampling month.  During S. alburnoides reproductive season (March and April) (Ribeiro et al. 2003), fully  mature gonads were found in diploid and triploid females (data not shown for the diploid, but  equivalent to the latter), presenting a large number of vitellogenic oocytes with granular yolk  and some immature perinucleolar ones (Figure 4, h). Concerning males, testicles were full of  sperm (Figure 4, t). Particularly in March, one morphologically identified ovary from a triploid  female revealed to also present testicular tissue after histological sections (Figure 4, j and u).  The  ovary  of  this  triploid  individual  presented  a  similar  maturation  state  comparing  to  other  females (Figure 4, h) and the testicular tissue was fully developed and contained sperm (Figure  4,  u)  as  in  males  (Figure  4,  t).  Concerning  April  sampling  month,  similar  results  were  found,  although mature testicular tissue inside or surrounding ovaries was not found (Figure 4, l and 

m). 

 

Maturation states of other populations 

Fishes  from  Sado  river  basin  were  captured  in  November  in  Castelhanos  riverside  (Table  1).  As  observed  in  Guadiana  drainage,  some  relation  between  maturation  state  and  ploidy/genomic composition was found. The only PA and PPA females captured presented less  immature  occytes  (early  vitellogenic  oocytes)  than  PAA  females  (pre‐vitellogenic  oocytes)  (Figure 5, a and b). 

(25)
(26)

Results 

Figure  4.  Histological  sections  of  gonads  of  S.  alburnoides  males  and  females  from  Guadiana  river  basin  along  the  year.  On  lateral  sides  is  indicated the month of sampling. The bigger images are magnifications of some interesting or representative zones. 3n F female gonad from a  triploid; 2n F female gonad from a diploid; 2n M male gonad from a diploid; po perinucleolar oocytes; pvo pre‐vitellogenic oocytes; evo early  vitellogenic  oocyte;  vo  vitellogenic  oocyte;  er  erythrocytes;  ct  connective  tissue;  sg  spermatogonia;  st  spermatids;  sc  spermatocytes;  sz  spermatozoa; l tubules’ lumen; cm cellular mass (it could be testicular tissue, glandular mass composed by Leydig cells, or even fragments of  liver); arrow cells from cellular mass common to all fragments analysed (it could be spermatogonias, Leydig cells or hepatocytes); ts testicular  tissue.  n)  magnification  of  a  cellular  mass  from  a  triploid  female  that  is  representative  of  the  one  found  in  diploid  females  (b).  h)  image  representative of maturation state of the diploid female found on March, who do not present the cellular mass. Sections of approx. 5 µm,   stained with HE. Scale bars: (a‐d) and (g‐m) 100 µm, (e) and (f) 50 µm, (n‐t) and (v‐x) 25 µm, (u) 10 µm. 

 

Similarly  to  the  diploid  female,  S.  pyrenaicus  (PP)  one  presented  early  vitellogenic  oocytes  (Figure  5,  c).  In  turn,  S.  pyrenaicus  male  gonad  (Figure  5,  i)  was  very  similar  to those found in Guadiana males outside the breeding season (Figure 4, p), being composed  by  tubules  connected  to  each  other  and  surrounded  by  spermatids  and  clusters  of  spermatogonias. The only tetraploid female captured had pre‐vitellogenic oocytes as found in  the PAA females. 

In Cobrão riverside (northern side of Tejo river), triploid females were fully mature in  March,  presenting  vitellogenic  oocytes  (Figure  5,  l).  All  males  (PP,  2n  and  3n)  presented  spermatocytes  (Figure  5,  e,  f  and  m),  although  spermatozoa  was  only  found  in  the  diploids  (Figure 5, m). 

Concerning the independent drainage of Colares, in which S. alburnoides  is absent, S. 

pyrenaicus  female  ovary  was  filled  with  vitellogenic  oocytes  in  March  (Figure  5,  d)  and  male 

gonad  was  full  of  sperm  (Figure  5,  k).  Surprisingly,  the  female  presented  some  spermatozoa  next to the female reproductive tissue (Figure 5, j and d). 

 

Occurrence of a widespread adjacent cellular mass 

Along  all  the  sampling  period  and  in  all  populations,  fragments  of  an  unexpected  cellular mass were found next to the regular gonadal tissue, composed by small rounded cells  with distinct and dense nuclei. 

Concerning Guadiana catchment, although not found in all fishes sampled, this cellular  mass was present in both males and females of S. alburnoides (Figure 5, e.g. f and g; Table 3).  In  males,  this  tissue  remained  constant  along  seasons  (Figure  4,  r  and  x),  but  in  females  it  seemed  to  follow  their  maturation  state  (Figure  4,  n  and  s),  changing  from  a  light  coloured  tissue to a more complex darker one, only found during the breeding season (Figure 4, s). In  one case, connective tissue between the cellular mass and the ovary lamella was found (Figure  4, w).    Table 3. Occurrence of the cellular mass in Guadiana’s sampling.´    Gonad’s side is stressed as the tissue coloration. Dark coloration was just found during reproductive period in females. The triploid  female presenting clearly testicular tissue was not considered here.    The referred cellular mass was also found in Sado catchment, not only in S. alburnoides  triploid females (Figure 5, g), but also in the only captured S. pyrenaicus female (Figure 5, h), 

Presence Sex Color Side N

Left 8 Right 14 Left 6 Right 7 Dark Left 3 Left 5 Right 3 Left 2 Right 2 Light M Light No F M Yes F

(27)

Figur place pyren gona perin sperm Leydi being (e.g.  was p mass breed (simil re 5. Histologic e and month of 

naicus),  all  the 

d from a triplo nucleolar oocyt matids;  sc  sper ig cells, or even g similar to t Figure 4, o).  Although present in th In  the  riv   was  found  ding season  lar to those f   al sections of m sampling. The  other  images  oid; 2n M male  e; pvo pre‐vite rmatocytes;  sz  n fragments of  he one foun  in Colares ri e male (Figu ver  from  the in  all  male and in previo found in Gua

male and fema bigger images  are  from  S.  alb

gonad from a  llogenic oocyte spermatozoa;  liver); arrow ce d in fish from iverside the  ure 5, k).  e  northern  s e  forms  (Figu

ously analyse adiana femal le gonads of fis are magnificati burnoides.  3n  F diploid; PP  F f es; evo early vit ld  Leydig  cells; ells from cellula m Guadiana  cellular mas ide  of  Tejo  ure  5,  e.g.  m ed males, e.g les during re shes captured  ions of some in F  female gonad female gonad f tellogenic oocy ;  cm  cellular  m ar mass commo drainage ou s was not fo catchment,  m)  (resembl g. Figure 4, r eproductive s from different  nteresting or re d from  a  triploi rom a S. pyrena yte; vo vitelloge mass  (it  could  b on to all fragme tside the rep und in S. pyr Cobrão  rive ling  those  fo r and x) and i season, e.g. F southern basin presentative zo d;  2n  F  female aicus; PP  M m enic oocyte; er  be  testicular  tis ents analysed ( R productive s renaicus fem erside,  the  ce ound  outsid in triploid fe Figure 4, s).  ns. On lateral s ones. Unless PP e  gonad  from  a male gonad from erythrocytes; s ssue,  glandular (it could be spe Results  eason  male, it  ellular  de  the  males  sides is indicate P is indicated (fr a diploid;  3n  M m a S. pyrenaicu sg spermatogon r  mass  compos ermatogonias, L   ed the  rom S.  M  male  us; po  nia; st  sed  by  Leydig 

Imagem

Table  1.  Sampled  specimens used for  histology  and  expression  analysis,  with  corresponding capture  site, ploidy,  genotype and sex. 
FIG F2 FIG R1 0,1 95 °C 95 °C 54 °C 72 °C 72 °C

Referências

Documentos relacionados