Climate change and male animal reproduction: effects of heat stress and season

Abstract

L’objectiu general d’aquesta tesi doctoral ha estat estudiar l’impacte que pot tenir el canvi climàtic, provocant situacions d’estrès tèrmic, i l’estacionalitat climàtica sobre la reproducció animal, en concret sobre la qualitat espermàtica, utilitzant un model experimental (conill) i un model d’una espècie de gran interès ramader (boví). L’objectiu del primer capítol va ser avaluar l’efecte d’un model d’estrès tèrmic in vivo de cicles circadians d’estiu continus amb períodes de recuperació sobre la qualitat espermàtica, la fertilitat, la prolificitat i en la concentració d’hormones d’estrès utilitzant el conill com model. La fiabilitat del model es va demostrar mitjançant l’increment de metabòlits de cortisol fecal en animals sotmesos a estrès tèrmic. L’exposició d’animals a l’estrès tèrmic in vivo va comportar la disminució del percentatge d’espermatozoides viables, i l’augment de la proporció d’alteracions acrosòmiques i d’espermatozoides sense cua. Tot i que es van observar efectes negatius en alguns paràmetres de qualitat espermàtica, la fertilitat i la prolificitat no es van veure negativament afectades. Per tant, es suggerí la hipòtesi d’un possible desenvolupament de tolerància o d’adaptació dels animals a l’estrès tèrmic. En el capítol 2a es va desenvolupar un mètode fluoromètric vital (resazurin reduction test, RRT) per tal d’avaluar l’activitat metabòlica dels espermatozoides de conill. Els resultats van mostrar una correlació positiva entre l’activitat metabòlica a través del RRT i la proporció d’espermatozoides viables, i una correlació negativa entre l’activitat metabòlica i la presència d’espermatozoides amb anomalies acrosòmiques. El RRT és per tant un mètode prometedor per a l’avaluació indirecta de la viabilitat i els paràmetres morfològics. En el capítol 2b es va avaluar l’impacte d’un model d’estrès tèrmic in vitro en la qualitat espermàtica del conill. A més, es va determinar els possibles efectes d’estacionalitat climàtica en la tolerància tèrmica de l’esperma. Les mostres espermàtiques recollides en estacions càlides i fredes van ser exposades a temperatures escrotals (32,5ºC), corporals (37ºC) o d’hipertèrmia (42ºC). Només l’exposició de les mostres espermàtiques a temperatures d’hipertèrmia va comportar la reducció dels valors mitjans de motilitat total, activitat metabòlica, i velocitat curvilínia i mitjana. L’activitat metabòlica també va ser influenciada per la interacció entre l’estrès tèrmica i l’estació climàtica. Per tant, es pot extrapolar que en condicions in vivo, la presència d’espermatozoides en úters i oviductes de femelles en estat d’hipertèrmia podria comprometre la posterior fertilitat. En el capítol 3 es van avaluar els possibles efectes climàtics en la qualitat espermàtica de toros estabulats al nord d’Espanya. Les mostres seminals recollides a la primavera van mostrar valors cinemàtics (motilitat total i progressiva, velocitat mitjana i velocitat rectilínia), percentatges d’espermatozoides viables, proporció d’espermatozoides viables amb acrosoma no reaccionat, i proporció d’espermatozoides vius no productors de superòxid o peròxid d’hidrogen més elevats que les mostres recollides en les altres estacions climàtiques estudiades. Aquests resultats poden ser indicatius d’una millor qualitat espermàtica en les mostres recollides a la primavera comparat amb les mostres recollides en altres estacions climàtiques. L’objectiu del capítol 4 va ser estudiar l’efecte de l’estacionalitat en la capacitat fecundant dels espermatozoides bovins i el seu posterior desenvolupament embrionari in vitro. Oòcits bovins van ser madurats i fecundats in vitro amb espermatozoides de toro recollits en diferents estacions climàtiques. Dels paràmetres estudiats, només la taxa de divisió embrionària mostrava una tendència cap a la significació entre estacions. Les mostres espermàtiques recollides a la primavera van mostrar desenvolupaments embrionaris més ràpids. S’hauran de realitzar més estudis per tal de verificar aquest resultats preliminars.

The general purpose of this doctoral thesis has been to study the impact of climate changes, such as heat stress, and season on sperm quality using an experimental model (rabbit) and a livestock model (bovine).

The aim of the first chapter was to evaluate the effect of an in vivo heat stress model of continuous summer circadian cycles with periods of recovery on sperm quality, fertility, prolificacy and concentrations of stress hormones in rabbits. The reliability of the model was demonstrated by the higher values of faecal cortisol metabolites of the animals exposed to heat stress. The exposure to the in vivo heat stress decreased the percentage of viable spermatozoa, and increased the proportion of acrosome abnormalities and tailless spermatozoa. Although negative effects were observed in some sperm quality parameters, fertility and prolificacy were not adversely affected. A hypothesis of development of stress tolerance or species adaptation to stress is suggested.

In Chapter 2a, a vital fluorometric method (resazurin reduction test; RRT) for evaluating metabolic activity of rabbit sperm cells was developed. A positive correlation between metabolic activity through RRT and the proportion of viable spermatozoa, and a negative correlation between metabolic activity and sperm cells with acrosomic abnormalities were observed. RRT is a promising method for a dual indirect assessment of viability and morphological parameters.

Chapter 2b evaluated the impact of an in vitro heat stress model on rabbit sperm quality and to determine possible seasonal effects on sperm heat tolerance. Sperm samples collected both in the warm and the cold seasons were exposed to scrotal (32.5ºC), body (37ºC) or hyperthermic (42ºC) temperatures for 3 hours. Only the exposure to hyperthermic conditions decreased the average values of total motility, metabolic activity, and curvilinear and mean velocity. Metabolic activity was also influenced by the interaction of heat stress and season. Thus, extrapolating to in vivo conditions, the presence of sperm cells in a hyperthermic uterus or oviduct could compromise fertility.

In Chapter 3, the possible effects of climate factors on sperm quality of bulls housed in northern Spain were evaluated. Samples collected in spring showed higher average kinematic values (total and progressive motility, average path velocity and straight line velocity), proportion of viable spermatozoa and proportion of viable spermatozoa with non-reacted acrosome, and proportion of live spermatozoa not producing superoxide or hydrogen peroxide when compared to ejaculates from the same bull obtained in winter and summer. These results may be indicative of better sperm quality in samples collected in spring than samples collected in other seasons.

The aim of chapter 4 was to study the effects of season on the fertilizing ability of bovine spermatozoa and subsequent embryo development in vitro. Bovine oocytes were matured and fertilized in vitro with sperm cells from ejaculates collected in different seasons. From the studied parameters, only embryo development rates showed a trend towards significance among seasons. Semen samples collected in spring results in embryos that developed at a faster rate. Further studies should be performed in order to verify these preliminary interesting results.