Reproduktionsphysiologie von Versuchsfischen

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1 Reproduktionsphysiologie von Versuchsfischen Carsten Schulz, Björn Hermelink Kontakt: Prof. Dr. Carsten Schulz Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Institut für Tierzucht und Tierhaltung Olshausenstraße 40 D Kiel Tel.: ++49(0) Fax.: ++49(0) Gesellschaft für Marine Aquakultur (GMA) mbh Hafentörn D Büsum Tel.: ++49(0) Fax.: ++49(0)

2 Gliederung: - Fische in der Versuchstierhaltung - zyklische Gonadenreifung iteroparer Fische - kontrollierte/gesteuerte Reproduktion von Fischen - Erbrütung/Aufzucht von Fischlarven

3 Versuchstierhaltung in der BRD: Sonstige Jahr Anzahl eingesetzter Versuchstiere Vögel Kaninchen Fische ca. 8% Ratten Mäuse [%]

4 Versuchstierhaltung: - die überwiegenden Zwecke der genehmigten Tierversuche mit Fischen: ökotoxikologische Untersuchungen biologische Grundlagenforschung Welche Fischarten werden hierzu genutzt und warum?

5 Versuchstierhaltung: Ökotoxikologie Im akuten Toxizitätstest ( Fischtest ) nach DIN werden zur Einschätzung von Abwasser oder Chemikalien folgende Fischarten/-größen eingesetzt Regenbogenforellen: 6 cm ± 2,0 Karpfen: 5 cm ± 2,0 Goldorfe: 6 cm ± 2,0 Zebrabärbling: 3 cm ± 0,5 Fischeitest nach DIN T 6 (insb. f. Abwassertest) Zebrabärblingseier bis 48 h nach Befruchtung

6 Versuchstierhaltung: Grundlagenforschung Zebrabärbling: Modellorganismus Genetik, Entwicklungsbiologie Lebendgebärende Zahnkarpfen, Modellorganismus in Ethologie (Hermaphroditen), Medizinforschung Marine Barschartige: Hermaphroditen, Modellorganismus Ethologie Reisfische: Genetik, Medizinforschung, Ökotoxikologie Forelle, Lachs, Karpfen, Dorade, etc.: Aquakulturforschung

7 Bereitstellung von Versuchsfischen: Zur Sicherstellung der Wiederholbarkeit von Testergebnissen sollten Versuchsfische eine gleichartige und gleichbleibende Kondition (umweltbedingt) und Konstitution (genetisch) aufweisen, was nur bei Nur genaueste Kenntnisse zur Reproduktion und anschließender Larvalaufzucht unter Reproduktionsphysiologie ermöglichen eine erfolgreiche Reproduktion unter kontrollierten Bedingungen! kontrollierten Bedingungen gewährleistet ist! Aber wie?

8 Reproduktionsstrategien von Fischen Semelparitie: - semelpare Fische pflanzen sich nur ein einziges Mal fort und sterben danach - zur sexuellen Reifung investieren sie den überwiegenden Teil Ihrer Körperreserven - Beispiele: Atl. Lachs, Aal, etc. Iteroparitie: - iteropare Organismen pflanzen sich im Laufe Ihres Lebens mehrmals fort - bei Fischen häufigste Reproduktionsstrategie

9 Reifephasen bei Fischen - in weiblichen Gonaden (= Ovarien) vollzieht sich die Gonadenreifung (Oogenese) bei Teleostern in 3 Phasen: - der Vermehrungs- (1), - Wachstums- (2) und - Reifungsphase (3), - bei erfolgreicher Reproduktion schließen sich Laich- (4) und Erholungsphase (5) an Schematische Darstellung der Oogenese nach Blüm (1985)

10 Zyklik der Reifephasen bei iteroparen Fischen 1 Vermehrungsphase 2 Wachstumsphase 3 Reifungsphase 4 Laichphase 5 Erholungsphase Erholungsphase Vermehrungsphase Wachstumsphase Einsetzen der Geschlechtsreife ist mit erstmaliger Vitellogenese (Wachstumsphase) charakterisiert: - Fische unserer Regionen meistens nach 2-3 Jahren (Zander, Bach/Regenbogenforelle, Karpfen, etc.; Störartige: 6-12 Jahre, - tropische Fische schon im Alter von 2-3 Monaten (z.b. Cichliden, Welse, etc.) Laichphase Reifungsphase

11 Hormonelle Steuerung der Gonadenreifung Hypothalamus-Hypophysen-Gonadenachse: - durch einen i.d.r. exogenen Umweltstimulus wird der Hypothalamus zur Sekretion von Gonadotropin Releasing Hormone = GnRH) angeregt, welches in der Hypophyse die Ausschüttung von Gonadotropen Hormonen (= GtH) zur Folge hat - GtH (bzw. LH/FSH) regulieren die Genese wichtiger Sexualsteroide (17ß- Estradiol (E2), Testosteron (T), Progesteron, 11- Ketotestosteron) - GtH induziert schließlich die Gonadogenese, also Wachstum und Reifung der Reproduktionsorgane - GtH reguliert Ovulation und Laichvorgang

12 Umweltstimuli: Umweltbedingungen wirken über endokrines System der Fische als proximate Faktoren auf deren Reproduktionsphysiologie Temperatur Tageslänge/Photoperiode Regenfall Leitfähigkeit/Salinität ph

13 Umweltstimuli Heimische Fischarten: - in den gemäßigten Breiten wirken häufig jahreszeitlich bedingte Schwankungen der Photoperiode und Temperatur auf Gonadenreifung

14 - Untersuchungen zum Einfluss der Photoperiode auf die Gonadenentwicklung beim Flussbarsch (nach Migaud et al., 2003) - bei kontinuierlichem Licht (LL) im Gegensatz zur natürlichen Photoperiode (NP, SNP) oder 16 h Licht/8 h Nacht keine/kaum Gonadenentwicklung (GSI) feststellbar Gonadenmasse/Körpermasse

15 - Untersuchungen zum Einfluss der Photoperiode auf die Gonadenentwicklung beim Flussbarsch (nach Migaud et al., 2003) Sexualsteroide -. Photoperiode wirkt bei Flußbarschen nämlich auf endokrines System

16 Umweltstimuli Tropische Fischarten: - in den Tropen sind Temperatur und Photoperiode von untergeordneter Bedeutung, da natürlicherweise nur schwach schwankend im Jahresverlauf - in Tropen wirken häufig variierende Umweltbedingungen zu Regenzeiten und Überflutungen als exogener Stimulus für Gonadenentwicklung - ökologisch sinnig ist eine Reproduktion nach Regenzeiten, da auf Überschwemmungsflächen Futterangebot hoch ist - welche Faktoren im Detail bei einzelnen Fischarten die Gonadenreifung aktivieren ist sehr spezifisch (z.b. ph, Leitfähigkeit, einzelne Ionen, Sauerstoffgehalte, Regenfall, Wasserstand, Luftdruck)

17 Laichzeitverschiebung - während Eintreten der Geschlechtsreife genetisch determiniert ist, kann die Gonadenreifung bei genauer Kenntnis der Fortpflanzungsbiologie durch künstliche Variation der Umweltstimuli beeinflusst werden: - abnehmende Tageslängen beschleunigen z.b. die Gonadenreifung von Salmoniden, während Langtagbedingungen diesen Prozess verzögern durch künstliche Steuerung der Tageslichtlänge von Lang- auf Kurztagen (z.b. von 16 h Tageslicht auf 6-7 h Tageslicht (künstliche Winterung) und wiederum auf 16 h Tageslicht (künstliche Sommerung) gekoppelt mit Wassererwärmung kann Laichzeit bei Regenbogenforellen um 4-5 Monate vorverlegt werden Praxisbezug: Brutfische können über längeren Zeitraum angeboten werden

18 Laichreife bei Fischen - nach Erreichen der Laichreife setzt Ovulation und Laichvorgang ein ( oder künstliche Befruchtung)

19 Laichvorgang - Ovulation bzw. Laichvorgang wird durch GtH bzw. dadurch sekretiertes Prostaglandin (2-alpha) beeinflusst - Sekretion dieser laichauslösenden Hormone wird von einer Vielzahl an Stimuli beeinflusst: Balzverhalten, Habitatstrukturen (Pflanzen, Kies, Freiwasser), Temperatur, Sonneneinstrahlung, etc. Paarung Labyrinthfische Laichgruben von Tilapia Regenbogenforellen vor dem Laichen - durch Verabreichung von GtH (GnrH, HCG, etc.) oder Hypophysenextrakt kann Ovulation und Laichvorgang ebenfalls induziert werden

20 Endreifestadien bei Fischen Endreifestadien: Vermehrungsphase I: zentrierter Zellkern Erholungsphase Wachstumsphase II: zur Eimembran wandernder Zellkern Laichphase Reifungsphase III: Zellkern in der Nähe der Eimembran IV: Zellkernmembranauflösung + anschließende Ovulation - Zeitpunkt zur Induktion der Ovulation durch Hypophysierung - ca h nach Hypophysierung setzt Ovulation/Laichvorgang ein

21 Künstliche Befruchtung - neben der künstlichen Induktion der Ovulation/Laichvorgang kann die Befruchtung auch künstlich herbeigeführt werden - hierbei werden die ovulierten Geschlechtsprodukte laichreifer Tiere vorsichtig abgestreift - dazu ist Betäubung (insb. größerer Fische) ratsam (z.b. MS 222) Abstreifen eines Flussbarschrogners bzw.- milchners Lachsrogners bzw. -milchners

22 Künstliche Befruchtung - da Eier und Sperma nach Wasserkontakt nur eine zeitlich kurze Befruchtungsfähigkeit besitzen, werden 3 Methoden der künstlichen Befruchtung unterschieden: 1. nass: Eier und Sperma werden gleichzeitig in mit Wasser gefüllte Behältnisse gestreift (selten) 2. halbtrocken: Eier und Sperma werden mit Ovarialflüssigkeit (und Samenflüssigkeit) in Behältnis gestreift, vermengt (Gänsefeder) und Wasser hinzugegeben (häufig) 3. trocken: Eier in Siebbehältnisse gestreift, so dass Ovarialflüssigkeit abfließen kann, anschließend erfolgt in geschlossenem Behältnis Spermazugabe, Vermengen und Wasserzugabe (selten) - zur Verlängerung der Befruchtungsfähigkeit können auch Lösungen, die in der Ionenzusammensetzung der Ovarial- und Samenflüssigkeit entsprechen anstatt Wasser genutzt werden

23 Embryogenese: Blastula 2- und 4-Zellstadium von Steelheadforellen einsetzende Gastrulation (mit 50 % Epibolie) Schlupf aus Eihülle Organogenese Walleye

24 Embryonal/Larvalaufzucht in der Aquakultur Zugergläser zur Erbrütung von Fischeiern

25 Einführung in die Aquakultur Carsten Schulz Larvalentwicklung - in der ersten Phase nach dem Schlupf zehren die Larven von den Nährstoffen, die der verbliebene Dottersack beinhaltet - ist der Dottersack weitesgehend (70-90%) aufgezehrt, erfolgt der Übergang zur exogenen Nahrungsaufnahme - diese muss dem Verhalten, der Größe des Fischmaul und dem ernährungsphysiologischen Bedarf der jeweiligen Art angepasst sein

26 Einführung in die Aquakultur Carsten Schulz Larvalentwicklung - Larvenfutter können demnach natürliche Nährorganismen (Algen, Rotatorien, Artemia, Daphnien, Hüpferlinge, etc.) oder künstliche Futtermittel (Mikropartikuläre Futtermittel, feines Trockenmischfutter, etc.) sein Streifenbarschlarve Steinbuttlarve Foto: Pfeifer et al.,

27 Einführung in die Aquakultur Carsten Schulz Larvalzucht in der Aquakultur unter Nutzung von Trockenmischfuttermitteln

28 Tropische Fische: - während sich iteropare Fische der gemäßigten Breiten zyklisch jährlich reproduzieren und somit eine synchrone Entwicklung der Gonadocyten aufweisen, gibt es bei tropischen Fischen unterschiedliche Reproduktionsstrategien - Zebrabärblinge haben eine asynchrone Entwicklung der Gonaden und sind in der Lage, im Abstand von 3-5 Tagen kontinuierlich abzulaichen ( Eier/Rogner) Zebrabärblingshaltung!

29 Tropische Fische: Zebrabärblingshaltung am IGB Foto: Hermelink, Meinelt

30 Embryogenese: Zebrafisch (24-30 C) Zygote 0-3/4 h post fertilisation (hpf) Furchungsteilungen 3/4-2 1/4 hpf Blastula 2 1/4-5 1/4 hpf Gastrula 5 1/4-10 hpf Segmentierung hpf Pharyngula hpf Schlupf hpf Larvalstadium hpf: Dauer der Embryonalentwicklung ist temperaturabhängig, je wärmer (im physiolog. Bereich) desto schneller!

31 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!