Resumen de Biología reproductiva del macho aplicada al desarrollo de un banco de recursos genéticos en el oso pardo (Ursus arctos)
- español
Los bancos de recursos genéticos constituyen una herramienta prioritaria en la conservación de las especies o poblaciones en peligro de extinción como es el caso de la población de oso pardo que habita en la Cordillera Cantábrica. La optimización de esta estrategia de conservación implica el uso de protocolos adaptados a la especie, que requieren el conocimiento previo de su biología reproductiva. Sin embargo, las dificultades de su observación y manejo en libertad junto con la compleja fisiología de esta especie han propiciado que aún exista un importante desconocimiento al respecto.
La presente Tesis Doctoral aporta información de interés en este contexto acerca de la estructura social de los machos de oso pardo en régimen de semilibertad, la influencia de su ritmo biológico reproductivo anual en el comportamiento y la fisiología, y la relación de la calidad seminal con la estacionalidad, así como con factores propios del macho (edad, niveles de testosterona, tamaño testicular y estatus social).
En la primera experiencia, se estudió la jerarquía de dominancia y los factores asociados a la misma de los 27 machos mayores de tres años de la población de oso pardo del Parque de la Naturaleza de Cabárceno. El estudio de la relación de dominancia entre todos los pares de individuos (díadas) mostró que en la gran mayoría de interacciones agresivas en las que se puede determinar el sentido de la dominancia (encuentros decisivos) siempre fue vencedor el mismo macho de cada díada, lo cual indica una jerarquía social muy estable durante los dos años del estudio. Los intentos de definir un orden jerárquico poblacional lineal revelaron la falta de un método de análisis apropiado, lo cual se debió principalmente a la falta de información acerca de encuentros decisivos en más de dos tercios de las díadas de la población. La solución fue permitir situaciones de igualdad en la dominancia entre individuos, para lo cual se optimizó el algoritmo de ordenación jerárquica I & SI desarrollado por Schmid & de Vries (2013) con la finalidad de describir grupos de individuos en los que éstos son intercambiables en su estatus de dominancia. El uso del lenguaje Python para su desarrollo sirvió además para agilizar el análisis ante un gran volumen de datos. El orden resultante reveló tres clases de dominancia: la clase dominante con 3 individuos, la clase intermedia con 8 individuos y una clase subordinada formada por 16 individuos y que incluyó la mayoría de osos subadultos. Estas clases de dominancia han podido ser explicadas en base a parámetros morfométricos (peso corporal, medidas de colmillos, pies y manos), endocrinos (niveles de testosterona) y etológicos (interrupción de montas). Las características más representativas de los osos dominantes fueron un mayor peso corporal y exhibición de comportamiento de interrupción de montas hacia otros oso En la segunda experiencia, el ritmo biológico anual de los machos se definió en base a criterios reproductivos y se describió en función de parámetros etológicos (comportamiento agresivo, de monta, juego y presencia en el área de estudio), morfológicos (peso corporal y volumen testicular) y sanguíneos (hemograma completo, proteínas totales, colesterol, glucosa, testosterona y cortisol). La época reproductiva ocurrió entre marzo y agosto y tuvo un periodo reproductivo central en la segunda quincena de abril y el mes de mayo caracterizado por un pico en la actividad reproductiva y en los niveles testosterona sérica (>5 ng/mL). Así, el año natural se dividió en cinco unidades temporales denominadas periodos: PreB (previo a la época reproductiva; enero y febrero), EB (reproductivo temprano; marzo y primera quincena de abril), PB (reproductivo central; segunda quincena de abril y mayo), LB (reproductivo tardío; junio, julio y agosto) y PostB (posterior a la época reproductiva; septiembre a diciembre). Existieron variaciones significativas entre los periodos en todos los tipos de comportamiento, todos los parámetros morfológicos y en la mayoría de parámetros sanguíneos. En EB los machos tuvieron mayor peso corporal que en el resto de la época reproductiva (p < 0,01). Durante PB los machos se caracterizaron por tener el máximo índice de comportamiento sexual (p < 0,01) y la máxima concentración de testosterona (p < 0,01) y, debido a la intensa competición por las hembras, también los máximos índices de comportamiento agonístico (p < 0,01) y los mínimos de juego (p < 0,01) de todo el año. Con respecto a LB, en PB también se observaron un mayor volumen testicular (p < 0,05) y mayores concentraciones de leucocitos, neutrófilos y monocitos (p < 0,05), así como menores concentraciones de eosinófilos (p < 0,01). Aunque no se encontró linfopenia, el resto de hallazgos de la serie blanca sanguínea coinciden con los indicadores de un leucograma de estrés durante PB. Sin embargo, el cortisol sérico, considerado también un marcador de estrés, no presentó cambios significativos a lo largo del año. Los componentes de la serie roja y plaquetaria no variaron durante la época reproductiva. Los niveles más bajos de colesterol de la época reproductiva se observaron durante PB (p < 0,05) y las proteínas totales fueron menores en PB que en LB (p < 0,01). Por otra parte, la mayor presencia de individuos del año se observó en LB (p < 0,01) en respuesta a un aumento del apetito en la fase de hiperfagia ya que el área de observación es también el lugar de administración de alimento. La concentración sanguínea de glucosa estuvo positivamente correlacionada con el peso corporal (p < 0,01; r = 0,40) y sus valores mínimos anuales se detectaron durante LB (p < 0,01).
Finalmente, en la tercera y última experiencia se evaluó la influencia de diversos factores sobre la calidad seminal en la fracción con mayor concentración espermática (fracción rica) del eyaculado: la estacionalidad (como principal factor ambiental) y la edad, el volumen testicular, los niveles de testosterona y el estatus social (estos como aspectos dependientes del macho donante). Los factores dependientes del macho fueron analizados sólo durante PB para minimizar influencias estacionales. A partir de la segunda quincena de abril (PB) la fracción rica del eyaculado no presentó diferencias significativas con LB en los parámetros pH, osmolalidad, volumen, concentración espermática, producción espermática, MI, MP, VAP, VSL, ALH, iACRO (espermatozoides viables con acrosomas intactos), VIAB (espermatozoides viables) ni MIT (espermatozoides con alto potencial de membrana mitocondrial). En EB, las muestras espermáticas presentaron menores valores de volumen, VAP, VSL, LIN e iACRO en comparación con LB (p < 0,05), aunque pueden considerarse eyaculados de buena calidad para su criopreservación. El estatus social de los machos no influyó en ninguna característica seminal. Sin embargo, se encontraron diferencias significativas en algunas características seminales en función del volumen testicular y la edad del macho, pero éstas no implican mejoras evidentes en la calidad de los eyaculados para ninguno de los grupos estudiados. En este sentido, los osos del grupo de edad entre 10 y 20 años tuvieron una menor concentración espermática (p < 0,05), lo cual podría estar relacionado con elevadas frecuencias de eyaculación en ese grupo. Por otra parte, eyaculados de machos con valores de testosterona inferiores a 1 ng/mL se asociaron a menores porcentajes de espermatozoides móviles, y una disminución de VAP y VSL (p < 0,05).
En consecuencia, podemos afirmar que, aunque los machos sexualmente maduros de oso pardo presentan una marcada jerarquía social e importantes variaciones asociadas a la estacionalidad reproductiva en aspectos etológicos, morfológicos y fisiológicos, su calidad seminal se mantiene en rangos apropiados para su conservación en el banco de recursos genéticos durante todos los periodos de la época reproductiva e independientemente de los factores individuales estudiados en la presente tesis doctoral.
- English
Genetic resource banks are a priority tool for the conservation of endangered species or populations such as the Cantabrian brown bear population. Optimizing this conservation strategy means using protocols adapted to the species, which require prior knowledge of its reproductive biology. However, the difficulties of observing and handling brown bears in the wild, together with their complex physiology, have led to a significant lack of knowledge on the matter.
This doctoral dissertation provides relevant information about the social structure of male brown bears living under semi-free conditions, the influence of their annual reproductive biological rhythm on their behaviour and physiology, and the relationship between seminal quality and seasonality, as well as individual male factors (age, testosterone levels, testicular volume and social status).
In the first experience, the dominance hierarchy of the 27 males older than three years in the brown bear population from Cabárceno Nature Park and the factors associated with dominance status were studied. The study of the dominance relationship between all pairs of individuals (dyads) showed that in the vast majority of aggressive interactions in which winner and loser can be determined (decisive encounters) the same male of each dyad was always the winner. This shows a very stable social hierarchy during the two years of the study. Attempts to define a linear hierarchical order for the population revealed the absence of an appropriate method of analysis, mainly due to the lack of information about decisive encounters in more than two thirds of the population dyads. The solution found was to allow situations of equality in dominance between individuals, using an optimized version of the I & SI hierarchical ordering algorithm developed by Schmid & de Vries (2013), to be able to describe groups of individuals in which their dominance status is interchangeable. The use of the Python language allowed to speed up the analysis of large volumes of data. The resulting order revealed three dominance classes: the dominant class with 3 individuals, the intermediate class with 8 individuals and a subordinate class with 16 individuals in which the majority of subadult individuals were included. These dominance classes could be explained based on morphometric (body weight, measurements of canine teeth, feet and hands), endocrine (testosterone levels) and ethological (interruption of mating) parameters. The most representative characteristics of dominant males were higher body weight and display of interruption of mating behaviour towards other bears.
In the second experience, the annual biological rhythm of brown bear males was defined based on reproductive criteria and it was described in terms of ethological (aggressive, mounting and play behaviours and number of bears in the study area), morphological (body weight and testicular volume) and blood (complete hemogram, total protein, cholesterol, glucose,testosterone and cortisol levels) parameters. The reproductive season occurred between March and August and had a central reproductive period in the second half of April and May characterized by a peak in reproductive activity and serum testosterone levels (>5 ng/mL). Thus, the natural year is divided into five temporal units called periods: PreB (Pre-Breeding; January and February), EB (Early Breeding; March and the first fortnight of April), PB (Peak Breeding; the second half of April and May), LB (Late Breeding; June, July and August) and PostB (Post-Breeding; September to December). There were changes between periods in all types of behaviours, all morphological parameters and in most blood parameters. Males had higher body weight in PB than during the rest of the reproductive season (p < 0,01). During PB, males showed the highest rate of sexual behaviour (p < 0,01) and testosterone concentration (p < 0,01) and, due to the intense competition for females, also the highest rates of agonistic behaviour (p < 0,01) and the lowest rates of play behaviour (p < 0,01) of the year. If compared to LB, PB also showed higher testicular volume (p < 0,05), higher leukocyte, neutrophil and monocyte concentrations (p < 0,05) and lower eosinophil (p < 0,01) concentrations. Although lymphopenia was not observed, the rest of the findings regarding the white blood cells match the indicators of a stress leukogram during PB. However, serum cortisol, also considered to increase under stress conditions, did not present changes during the whole year. The components of the red and platelet series did not change during the reproductive season. The lowest levels of cholesterol during the breeding season were observed during PB (p < 0,05) and total protein levels were lower during PB than during LB (p < 0,01). The highest number of bears in the study area of the year happened in LB (p < 0,01) in response to increased appetite during the hyperphagia phase because the study area is also the place used for food administration. Blood glucose concentration was positively correlated to body weight (p < 0,02; r = 0,40) and was the lowest during LB (p < 0,01).
Finally, in the third and last experience the influence of several factors on the seminal quality of the more concentrated fraction (rich fraction) of the ejaculate were studied: seasonality (as main environmental factor) and age, testicular volume, testosterone levels, and social status (as main individual male factors). Factors dependent on the male were evaluated only during PB to minimize seasonal influences. As of the second fortnight of April (PB) the rich fraction of the ejaculate did not present changes with respect to LB in the parameters pH, osmolality, volume, spermatozoa concentration and production, MI, MP, VAP, VSL, LIN, ALH, iACRO (viable spermatozoa with intact acrosomes), VIAB (viable spermatozoa), and MIT (spermatozoa with high mitochondrial membrane potential). During EB, seminal samples showed lower volume, VAP, VSL, LIN and iACRO compared to LB (p < 0,05), but they still can be considered a good quality sample for cryopreservation. The male social status did not have any influence in seminal characteristics. However, significant differences were found in some seminal characteristics depending on the testicular volume and age of the male, but such differences do not imply clear improvements in seminal quality for any of the groups. Bears from the age group between 10 and 20 years old had lower spermatozoa concentration (p < 0,05), which could be related to higher ejaculation frequencies at that age group. Serum testosterone levels below 1 ng/mL were associated with lower percentages of motile spermatozoa and decreases in VAP and VSL (p < 0,05).
Therefore, it can be asserted that, although sexually mature male brown bears present a marked social hierarchy and important variations associated with reproductive seasonality in ethological, morphological and physiological aspects, their seminal quality is appropriate for cryopreservation into the genetic resource bank during all the periods comprising the reproductive season and regardless of all the individual factors studied in this doctoral dissertation.
