Temperature dependent sex differentiation in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) [Elektronische Ressource] / Andreas Magerhans
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Temperature Dependent Sex Differentiation In Rainbow Trout (Oncorhynchus Mykiss) Dissertation for the Doctoral Degree at the Faculty of Agricultural Science, Georg-August-University Göttingen Andreas Magerhans born in Göttingen (Germany) Göttingen, April 2009 D 7 1. Referee: Prof. Dr. G. Hörstgen-Schwark 2. Co-referee: Prof. Dr. Dr. U.
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Temperature Dependent Sex Differentiation In Rainbow Trout (Oncorhynchus Mykiss)
Dissertation for the Doctoral Degree at the Faculty of Agricultural Science, Georg-August-University Göttingen
Andreas Magerhans born in Göttingen (Germany)
Göttingen, April 2009
D 7 1. Referee: Prof. Dr. G. Hörstgen-Schwark 2. Co-referee: Prof. Dr. Dr. U. ter Meulen Date of disputation: 20thMay 2009
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Table of contents Tables and figures Zusammenfassung Summary Chapter 1 Introduction Introduction of the species “rainbow trout Overview of the global production of salmonids Temperature dependent sex determination and differentiation Scope of the thesis Chapter 2 Effect of rearing temperatures post hatching on sex ratios of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) populations Abstract Introduction Materials and methods Results Discussion Chapter 3 Selection experiments to alter the sex ratio in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) by means of temperature treatment Abstract Introduction Materials and methods Results Discussion Chapter 4 General Discussion References Appendix Acknowledgement
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Tables and figures Chapter 1 Table 1 Physiological demands of the rainbow trout Table 2 Ovarian development of rainbow trout from 50 to 250 days post fertilization Figure 1 Global production of rainbow trout from 1950 to 2006 in thousand tons Figure 2 European production of large rainbow trout in thousand tons from 1998 to 2005 Figure 3 Changes in the total number of germ cells (in 1000) in the gonads of rainbow trout embryos during 11 weeks after hatching at a rearing temperature of 10 °C - 11 C ° Chapter 2 Table 1 Effects of temperature treatment (18 °C for 30 days) on progeny sex ratios from randomly selected broodstock from six rainbow trout populations Table 2 Effects of temperature treatment (18 °C for 30 days) on sex ratios of full sib progenies produced from repeated single pair matings within four different rainbow trout populations Table 3 Effects of temperature treatment (18 °C for 30 days) on sex ratios of half sib progenies produced from single pair matings of individual fish of different rainbow trout populations Chapter 3 Table 1 Survival rate, number of fish sexed and sex ratios of treatment (18 °C for 30 days) and control groups (12 °C) in the base population (G0) and in thehighandlowline in the first generation (G1) Table 2 Total number of families (nTotal), number of families selected (nselected), proportion of families selected (pselected), realized selection differential (SRin % females), standardized realized selection differential (SRin SD), realized response to selection ( GR G) and standardized realized response to selection (Rin SD) in treatment groups in thehighandlowline in the base population (G0) and the first generation of selection (G1)
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Zusammenfassung Die Produktion von Regenbogenforellen (Oncorhynchus mykiss) steigt seit Jahrzehnten exponential an und betrug im Jahr 2006 weltweit 500,000 t. Die Regenbogenforelle ist damit nach dem Atlantischen Lachs (Salmo salar) die wichtigste Salmonidenart welt-weit. Als Süsswasserspezies mit hohen Ansprüchen an die Haltungsumwelt ist die ur-sprünglich von der Pazifikküste Nordamerikas stammende Regenbogenforelle heute in nahezu allen Ländern verbreitet und beim Konsumenten aufgrund ihres schmackhaften und nährstoffreichen Fleisches sehr beliebt. Hierbei hat sich auch die Nachfrage nach so genannten Lachsforellen“, wobei es sich um Forellen mit einem Lebendgewicht von mehr als 1,2 kg handelt, in den letzten Jahren positiv entwickelt. Die Erzeugung dieser Lachsforellen“ setzt eine relativ lange Mastzeit von 2 - 3 Jahren voraus, was bei ge-mischtgeschlechtlichen Beständen den Nachteil der Geschlechtsreife der Milchner ab dem zweiten Lebensjahr mit sich bringt. Dieser Umstand kann zu einer hohen Mortalität der Milchner im gemischtgeschlechtlichen Bestand sowie zu einer Wachstumsstagnation und einer negativen Beeinträchtigung der Fleischqualität führen. Aus diesem Grund werden zur Produktion von Lachsforellen“ (> 1,2 kg) rein weibliche Fische bevorzugt. Der vorliegende experimentelle Versuch hatte zum Ziel, eine alternative Methode zum bisher üblichen Hormoneinsatz für die Erstellung funktioneller Milchnern zu entwi-ckeln. Funktionelle Milchner führen bei Anpaarung mit normalen Rognern zu rein weib-lichen Nachkommenschaften, welche zum Zwecke der Produktion rein weiblicher Forel-lenbestände für die Ausmast auf hohe Körpergewichte (> 1,2 kg) wünschenswert sind. Die alternative Methode sollte in Deutschland umsetzbar sein und neben wirtschaftli-chen Aspekten den hohen Qualitätsansprüchen, die der deutsche Verbraucher an deut-sche Fischprodukte stellt, entsprechen. Der hier verfolgte neue Ansatz, die Geschlechtsausprägung bei Forellen zu beeinflussen, beruhte auf der gezielten Veränderung der Haltungstemperatur während der Brüt-lingsphase. Eine Sensibilität der Geschlechtsausprägung gegenüber Haltungstemperatu-ren konnte für andere Fischarten, z.B. für Tilapien, bereits wissenschaftlich nachgewie-sen werden. Nach technischer Optimierung der Behandlungsabläufe kam eine Behandlungstempera-tur von 18 °C für 30 Tage, beginnend zwei Wochen nach Schlupf, zum Einsatz. Die Ü-berlebensraten der Brut nach dieser Behandlungsvariante zeigten keine signifikanten
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Unterschiede zu den Kontrollwerten. Eine erhöhte Wassertemperatur während der Brüt-lingsphase hatte im Gegenteil eine positive Auswirkung auf das Heranwachsen der Brüt-linge. Je nach verwendeter Herkunft und Familie zeigten die Behandlungsgruppen ge-genüber den unbehandelten Kontrollgruppen deutlich erhöhte Weibchenanteile (von bis zu 83%) oder deutlich niedrigere Weibchenanteile (bis zu 30%). Die Ergebnisse der Temperaturtestung (18 °C für 30 Tage) von Nachkommen aus wiederholten Anpaarun-gen derselben Eltern variierten nur um 1 bis 6%. Beide Elternteile, Milchner und Rog-ner, trugen zu den verschiedenen Geschlechterverhältnissen in den temperaturbehandel-ten Nachkommengruppen bei. Aufbauend auf den erzielten Ergebnissen wurden anschließend vertiefende Untersu-chungen zur Vererbbarkeit der Temperatursensibilität in Form eines Selektionsexperi-mentes durchgeführt. Zur Ermittlung der Temperatursensibilität wurden die Nachkom-men einer Familie in eine Kontroll- und eine Behandlungsgruppe aufgeteilt und begin-nend zwei Wochen nach Schlupf bei 12 °C bzw. bei 18 °C für 30 Tage aufgezogen. Die Geschlechterverhältnisse in den Behandlungs- und Kontrollgruppen wurden makro-bzw. mikroskopisch nach 8 Monaten Aufzucht bestimmt. Das Selektionsmerkmal war der Weibchenanteil in der temperaturbehandelten Vollgeschwistergruppe. Ausgehend von einer Basispopulation bestehend aus 95 Familien wurden jeweils sechs Familien se-lektiert, die einen hohen Weibchenanteil (Selektionsdifferential für den Weibchenanteil betrug 9%) bzw. niedrigen Weibchenanteil (Selektionsdifferential betrug -10%) aufwie-sen, und zur Erstellung zweier divergierender Linien genutzt. Die Ergebnisse der ersten Selektionsgeneration zeigten, dass eine Selektion auf Tempe-ratursensibilität während der Phase der Geschlechtsdifferenzierung mit dem Ziel erhöh-ter Weibchenanteile möglich ist. In der 1. Selektionsgeneration wies die für einen erhöh-ten Weibchenanteil selektierte Linie (HL) einen durchschnittlichen Weibchenanteil von 57,6% ± 4,7 nach der Temperaturbehandlung auf, während der Weibchenanteil bei den entsprechenden Vollgeschwistern in den Kontrollen (12 °C) bei 49,5% ± 1,8 lag. Die für einen niedrigen Weibchenanteil selektierte Linie (NL) zeigte in der 1. Selektionsgenera-tion einen durchschnittlichen Weibchenanteil von 44,5% ± 4,3 mit einem korrespondie-renden Wert in der Kontrolle von 49,6% ± 2,1. Somit konnte gezeigt werden, dass die temperaturabhängige Geschlechtsausprägung einer genetischen Komponente unterliegt, ausgewiesen durch eine realisierte Heritabilität (gemittelt über beide Linien) von hR2 = 0,67.
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Eine mögliche Alternative, rein weibliche Nachkommenschaften zu erzeugen, wäre es, mit Hilfe der bereits in diesem experimentellen Versuch erfolgreich getesteten meioti-schen Gynogenese und einer anschließenden Temperaturbehandlung der Nachkommen, funktionelle Milchner zu erstellen. Funktionelle Milchner erbringen in Anpaarung mit normalen Rognern weibliche Nachkommenschaften. Durch diese alternative Methode wäre es möglich, bei der Ausmast von Regenbogenforellen auf hohe Stückgewichte über 1,2 kg den sonst üblichen Einsatz von Hormonen zwecks Erstellung funktioneller Milchner zu umgehen, um eingeschlechtliche weibliche Populationen zu erzeugen.
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Summary The commercial production of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) increased exponen-tially in the decades following the 1950s, reaching a level of 550.000 t in 2006. It is the most produced species within salmonids after the Atlantic salmon (Salmo salar) world-wide. Rainbow trout is a freshwater species and it is highly sensitive with regard to all water parameters, especially oxygen content. Rainbow trout originally came from the Pacific coast of North America and were imported to Europe at the end of the 19thcen-tury, consequently this species is located all over the world today. It became highly popular with consumers due to its nutritious and delicate meat. This increased also the demand of large size rainbow trout (> 1.2 kg) over the last years. The production of large rainbow trout lasts between two to three years with male rainbow trout beginning to mature at approximately an age of two years, one year earlier than the females. This circumstance can lead to problems when rainbow trout stocks are of mixed sex, because at this stage the fish have not reached a body weight of more than 1.2 kg. The onset of maturity in male rainbow trout has negative effects on the meat quality and growth per-formance, due to an increased susceptibility and receptivity to fungal and bacterial dis-eases during the spawning season. This raises the mortality rate in male rainbow trout, which is why all-female stocks are preferred for production of large size rainbow trout (> 1.2 kg). The aim of the project is the evaluation of an alternative to the usage of hormonal treat-ment in order to produce rainbow trout neo-males for an all female production by mat-ing these neo-males to normal rainbow trout females. As a precondition, the developed alternative, aside to economical aspects, should be legally applicable in Germany and should fulfil the high market demands for fish products. The pursued approach to influ-ence the sex differentiation in rainbow trout is based on the modification of the rearing temperature post hatching, during the early alevin stage. This has been scientifically proven to be effective in other fish species, e.g. Nile tilapia (Oreochromis niloticus). After the technical optimization of the treatment procedure a temperature treatment of 18 °C for 30 days was applied to ongoing experiments starting two weeks post hatching. The survival rates of the fry after temperature treatment did not differ significantly from the corresponding control groups, however, the higher temperatures showed a positive influence to the growth performance of the alevins. Depending on the population and family, the applied temperature treatments led to a significant increase in the percentage of females (up to 83%) or to a significant decrease in female percentages (down to 30%) 4
in comparison to the untreated full sib control groups. The results obtained from re-peated matings of identical mating partners differed only by 1 to 6% females in their offspring. Both, female and male spawners, contributed to the different sex ratios in temperature treated groups. Taking the initially obtained results as a base, further investigations were conducted concerning the heritability of thermo-sensitivity during sex differentiation in the form of a selection experiment. In order to measure the thermo-sensitivity on sex differentiation, the progenies were divided into a treatment and a control group. Both groups were reared separately two weeks post hatching, in temperatures of 12 °C and respectively 18 °C for 30 days. They were subjected to sexing after a rearing time of approximately 8 months in order to determine macroscopically or microscopically the sex ratio of the group. The selection criterion was the female percentage of the temperature treated full sib group. The base population consisted of 95 tested families, of which 6 families each were selected showing an increased female proportion (high line: selection differential of 9%) in the offspring and respectively a decreased female proportion (lowline: selec-tion differential of -10%) in order to create two divergent lines (ahighand alowline). The results of the first generation showed that selection using thermo-sensitivity on sex differentiation is possible. In thehighline the first generation of selection showed an in-creased mean female proportion of 57.6% ± 4.7 after temperature treatment, however, the corresponding value for the controls was 49.5% ± 1.8. The first generation of selec- tion of thelowfemale proportion of 44.5% ± 4.3 after tempera-line showed a decreased ture treatment with the corresponding value of the control groups at 49.6% ± 2.1. The results indicated that the rearing temperature during the early alevin stage in rainbow trout can influence the sex ratio. Rainbow trout are known to have a genetic background of thermo-sensitivity depending to the population and the mating partners shown by an averaged heritability of both lines of h2R= 0.67. A potential alternative to produce all female progenies could be achieved by a meiotic gynogenesis and a following temperature treatment of gynogenetic progenies to obtain functional males. The functional males deliver all female progenies when they are mated to normal females. This procedure provides an alternative technique for the production of large rainbow trout with body weights above 1.2 kg, without using the common method of hormones that produce neo-males to attain all-female progenies when these neo-males are mated to normal females afterwards.
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Chapter 1
Introduction
