Photostimulation in boar sperm: mid-term effects, mechanism of action and “in-farm” applicability

Abstract

L'exposició a patrons de llum específics dels espermatozoides de diferents espècies animals, ja siguin mamífers o no mamífers, com conill, gall dindi, petits remugants, humans, tilàpia, gos i toro, millora els paràmetres de motilitat i augmenta l'activitat mitocondrial de la citocrom C oxidasa. En els espermatozoides de porc, l'exposició a llum vermella LED de forma discontínua amb un protocol específic de 10 minuts de llum, 10 minuts de foscor i 10 minuts d'irradiació una altra vegada (procés 10'-10'-10 ') augmenta tant els paràmetres de qualitat de l'esperma in vitro com les taxes de fertilitat in vivo, encara que sorgeixen diversos dubtes respecte a l'aplicació pràctica a la granja de l'estimulació amb llum vermella de l'esperma de porc. Aquests dubtes es deuen a un escàs coneixement sobre qüestions molt importants com, per exemple, els mecanismes d'acció de la llum vermella i com poder optimitzar els protocols d'irradiació utilitzats. Per això, aquesta tesi doctoral se centra en les següents preguntes:

- Els efectes de la llum vermella LED sobre els paràmetres de qualitat de l'esperma de porc in vitro perduressin en el temps?

- L'activitat mitocondrial està relacionada amb els efectes observats de la irradiació amb llum vermella LED dels espermatozoides de porc?

- La irradiació amb llum vermella LED és una eina pràctica i factible per millorar les taxes de fertilitat en la cria de porcs?

Els resultats presentats en aquesta dissertació mostren que:

1. L'estimulació amb llum vermella LED dels espermatozoides de porc augmenta la seva resistència davant l'estrès tèrmic durant les primeres 48 h d'emmagatzematge a 17ºC.

2. L'estimulació amb llum vermella LED contribueix a el manteniment d'una estructura òptima de nucleoproteïnes de l'esperma de porc emmagatzemat a 17ºC durant 96 h.

3. Els efectes de la irradiació amb llum vermella sobre els espermatozoides de porc emmagatzemats a 17ºC durant 96 h depenen de el patró d'irradiació específic utilitzat.

4. Els efectes induïts per l'estimulació de la llum LED vermella en els espermatozoides de porc estan relacionats amb l'acció sobre l'activitat dels components fotosensibles del mitocondri, com la citocrom C oxidasa. Aquesta acció causarà com a conseqüència canvis significatius en l'activitat de la cadena d'electrons mitocondrials.

5. L'impacte de la llum vermella LED en l'activitat mitocondrial dels espermatozoides de porc depèn de l'estat funcional previ i precís de l'esperma i del temps d'exposició.

6. L'acció de la llum LED vermella a la cadena d'electrons d'esperma de porc no exclou altres mecanismes d'acció concomitants.

7. L'estimulació amb llum vermella LED de semen de porc abans de la IA en granges porcines pot tenir un efecte positiu en el rendiment reproductiu general d'aquestes granges. D'altra banda, l'efectivitat final general d'aquest mètode dependria d'altres factors, com el maneig adequat de la granja.

8. L'estimulació amb LED de llum vermella podria ser una forma econòmica i rendible de millorar la fertilitat i la prolificitat en les granges de truges, sempre que el maneig de les granges sigui adequat.

La exposición a patrones de luz específicos de los espermatozoides de diferentes especies animales, ya sean mamíferos o no mamíferos, como conejo, pavo, pequeños rumiantes, humanos, tilapia, perro y toro; mejora los parámetros de movimiento y aumenta la actividad mitocondrial del citocromo C oxidasa. En los espermatozoides de cerdo, la exposición a luz roja LED de forma discontinua con un protocolo especifico de 10 minutos de luz, 10 minutos de oscuridad y otros 10 minutos de irradiación (proceso 10'-10'-10') aumenta tanto los parámetros de calidad del semen in vitro como las parametros de fertilidad in vivo, aunque surgen varias dudas respecto a la aplicación práctica en la granja de la estimulación con luz roja del esperma de cerdo. Estas dudas se deben a un escaso conocimiento sobre cuestiones muy importantes como, por ejemplo, los mecanismos de acción de la luz roja y cómo se pueden optimizar los protocolos de irradiación utilizados. Por ello, esta tesis doctoral se centra en las siguientes preguntas:

- ¿Los efectos de la luz roja LED sobre los parámetros de calidad del semen de cerdo in vitro perdurarán en el tiempo?

- ¿La actividad mitocondrial está relacionada con los efectos observados de la irradiación con luz roja LED de los espermatozoides de cerdo?

- ¿La irradiación con luz roja LED es una herramienta práctica y factible para mejorar las tasas de fertilidad en la cría de cerdos?

Los resultados presentados en esta disertación muestran que:

1. La estimulación con luz roja LED de los espermatozoides de cerdo aumenta su resistencia frente el estrés térmico durante las primeras 48 h de almacenamiento a 17ºC.

2. La estimulación con luz roja LED contribuye al mantenimiento de una estructura óptima de nucleoproteína del esperma de cerdo almacenado a 17ºC durante 96 h.

3. Los efectos de la irradiación con luz roja LED sobre los espermatozoides de cerdo almacenados a 17ºC durante 96 h dependen del patrón de irradiación específico utilizado.

4. Los efectos inducidos por la estimulación de la luz LED roja en los espermatozoides de cerdo están relacionados con la acción sobre la actividad de los componentes fotosensibles de la mitocondria, como la citocromo C oxidasa. Esta acción causará como consecuencia cambios significativos en la actividad de la cadena de electrones mitocondriales.

5. El impacto de la luz roja en la actividad mitocondrial de los espermatozoides de cerdo depende del estado funcional previo y preciso del esperma y del tiempo de exposición.

6. La acción de la luz LED roja en la cadena de electrones de esperma de cerdo no excluye otros mecanismos de acción concomitantes.

7. La estimulación con luz roja LED del semen de cerdo antes de la IA en granjas porcinas puede tener un efecto positivo en el rendimiento reproductivo general de estas granjas. Por otro lado, la efectividad final general de este método dependería de otros factores, como el manejo adecuado de la granja.

8. La estimulación con LED de luz roja podría ser una forma económica y rentable de mejorar la fertilidad y la prolificidad en las granjas de cerdas, siempre que el manejo de las granjas sea adecuado.

Exposition of sperm from separate species of mammalian and non-mammalian sperm such as rabbit, turkey, ram, human, tilapia, dog and bull to specific light patterns improves motion parameters as well as increases mitochondria cytochrome C oxidase activity. In boar sperm, the red light LED exposure in discontinuous irradiation with a specific protocol of 10 minutes light followed by 10 minutes in darkness and then again, a 10 minutes irradiation period (10'-10'-10' procedure) increases both in vitro semen quality parameters and in vivo fertility rates, although several doubts raise regarding the practical in-farm application of red light stimulation of boar sperm. These doubts are mainly linked to a poor knowledge regarding very important questions such as the mechanism/s of action of red light and how the utilized irradiation protocols can be optimized. In this sense, this PhD dissertation has been focused on the following questions:

- Did the effects of red-light LED on in vitro semen quality parameters of boar sperm last over time?

- Is mitochondrial activity related with the observed effects of red-light LED irradiation of boar sperm?

- Is red light LED irradiation a practical and feasible tool to improve fertility rates in pig farming?

Results shown in this dissertation indicate that:

1. Red-light LED stimulation of boar sperm increases their resilience to withstand thermal stress over the first 48 h of storage at 17ºC.

2. Red-light LED stimulation contributes to the maintenance of an optimal nucleoprotein structure of boar sperm stored at 17ºC for 96h.

3. Effects of red-light LED irradiation on boar sperm stored at 17ºC for 96h depend on the specific utilized irradiation pattern.

4. Effects induced by red LED light stimulation on boar sperm are related to the action on the activity of mitochondria photosensitive components such as cytochrome C oxidase. This action will cause, as a consequence, significant changes in the activity of mitochondrial electron chain.

5. The impact of red-light LED on boar sperm mitochondrial activity depends on the precise, previous sperm functional status and on the time of exposure.

6. The action of red LED light on the boar sperm electron chain does not exclude other concomitant mechanisms of action.

7. Red-light LED stimulation of boar semen prior to AI in pig farms can have a positive effect on the overall reproductive performance of these farms. Otherwise, the overall final effectiveness of this method would depend on other factors such as a proper farm management.

8. Stimulation with red-light LED could be an economical and profitable way to improve fertility and prolificacy in sow farms, provided the appropriate management of farms