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The effect of micronutrients in the antioxidant capacity of gilthead sea bream (Sparus aurata) gametogenesis and sperm traits
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Abstract(s)
Fish in aquaculture are more prone to suffer oxidative stress due to the conditions in captivity, such as temperature fluctuations or samplings. Oxidative stress can lead to reproductive problems, especially in males, since excessive Reactive Oxygen Species (ROS) levels can lead to low sperm quality. Broodstock nutrition emerges as a critical factor for sperm quality and also it may influence in fertilization or embryo development. Several studies have revealed that diet supplementation for the broodstock positively impacts sperm quality and reproductive success. Considering its importance, exploring antioxidant-based diets becomes essential for preventing reproductive deficiencies in captivity. This project studied the effect of micronutrients in two different combinations (vitamin C + vitamin E and Selenium + Zinc) on the antioxidant system of gilthead sea bream (Sparus aurata) sperm at short and long-term. For this purpose, sperm quality traits were analysed, including motility parameters, lipid peroxidation and ROS quantification. Both diet treatments showed higher levels of progressive motile cells 15 s post-activation at long-term. In addition, lipid peroxidation also showed better results in the vitamin treatment at long-term. Moreover, enzymes involved in oxidative stress, such as SOD (Superoxide dimutase), GPx (Glutathione peroxidase) and GSR (Glutathione reductase) were evaluated through a customized redox protocol, as well as the Total Antioxidant Status (TAS). Both diet treatments showed a trend of lower enzymatic activity at long-term feeding in the GSR and SOD analysis as well as in the TAS, but no significant differences were found. To complement the study, mRNA abundance of oxidative stress-related (oxsr1, hsp70 and hsp90a), apoptosis (bax and casp3a) and antioxidant enzymes (gpx4a and gsr) markers were studied, showing that both treatments impacted at sperm mRNA abundance and long-term feeding seemed to show better results in the protection against oxidative stress.
Os peixes criados em aquacultura, quando comparados aos selvagens, são mais vulneráveis ao stress oxidativo devido às condições específicas de cativeiro, como as flutuações de temperatura, alta densidade populacional, qualidade da água e o manejo intensivo. Essas condições adversas podem causar uma sobrecarga de espécies reativas de oxigénio (ROS), desequilibrando a capacidade antioxidante natural dos organismos. O stress oxidativo é particularmente problemático porque pode resultar em danos celulares significativos, afetando diretamente a função mitocondrial, causando peroxidação lipídica e danos ao DNA, com consequências graves para a saúde reprodutiva dos peixes. Especialmente nos machos, o impacto é ainda mais crítico, uma vez que os espermatozoides contêm altos níveis de ácidos gordos poli-insaturados na membrana plasmática, tornando-os extremamente suscetíveis ao dano oxidativo. Isso pode levar a uma redução na qualidade do esperma, com menor motilidade, viabilidade e integridade da membrana plasmática, comprometendo o sucesso reprodutivo. A proteção contra esse stress depende de um sistema antioxidante robusto, que inclui defesas enzimáticas, como superóxido dismutase (SOD), glutationa peroxidase (GPx) e glutationa redutase (GSR), além de componentes não enzimáticos, como vitaminas e minerais essenciais. A SOD catalisa a conversão de radicais superóxido em peróxido de hidrogénio, enquanto a GPx reduz o peróxido de hidrogénio a água, evitando a formação de radicais hidroxilo altamente reativos, que podem causar danos severos. A GSR, por sua vez, regenera a glutationa reduzida, uma molécula antioxidante chave no organismo. A vitamina E, um antioxidante lipossolúvel, protege as membranas celulares da peroxidação lipídica, enquanto a vitamina C é capaz de regenerar a vitamina E oxidada, restaurando a capacidade antioxidante. O selénio é fundamental para o funcionamento da GPx, reforçando a eficácia na eliminação de peróxidos, e o zinco estabiliza as membranas celulares e mantém a integridade estrutural das proteínas. Em aquacultura, a nutrição dos reprodutores é um fator crucial que influência diretamente a qualidade dos gametos, e consequentemente, o sucesso reprodutivo. Estudos demonstram que a suplementação dietética com antioxidantes, como as combinações de Vitamina C + Vitamina E e Selénio + Zinco, pode melhorar significativamente a qualidade do esperma e dos ovos em várias espécies de peixes, como dourada (Sparus aurata), salmão (Salmo salar), tilápia (Oreochromis niloticus) e robalo (Dicentrarchus labrax). Essas combinações de micronutrientes foram escolhidas pelas suas propriedades antioxidantes específicas; a vitamina C atua diretamente na neutralização dos radicais livres, enquanto a vitamina E protege as membranas celulares. O selênio, componente essencial da GPx, e o zinco, que contribui para a estabilização das membranas e a manutenção da integridade das proteínas, demonstraram ser eficazes na proteção contra o stress oxidativo. Além de melhorar a motilidade espermática e a integridade das membranas celulares, estas suplementações podem produzir um aumento da viabilidade dos espermatozoides e ovos, aumentando assim as taxas de fertilização e o sucesso do desenvolvimento embrionário. Considerando a sua importância, a exploração de dietas à base de antioxidantes torna-se essencial para prevenir deficiências reprodutivas em cativeiro. Este projeto estudou o efeito de micronutrientes em duas combinações diferentes (Vitamina C + Vitamina E e Selénio + Zinco) no sistema antioxidante do esperma da dourada (Sparus aurata) a curto (3 months) e longo prazo (14 months). Esta espécie foi utilizada como modelo neste estudo devido ao seu elevado volume de esperma e à possibilidade de alargar o período reprodutivo através da manipulação do fotoperíodo (8 h de luz e 16 h de escuridão (8L:16D). Para o efeito, foram analisadas as caraterísticas da qualidade do esperma, incluindo parâmetros de motilidade (motilidade total, motilidade progressiva e velocidade curvilínea a 15, 30, 45 e 60 s após a ativação dos espermatozoides), peroxidação lipídica (através de um ensaio colorimétrico, quantificando a concentração de malondialdeído (MDA)) e quantificação de ROS (utilizando citometria de fluxo e uma dupla coloração com DHE/SYTOX). Ambos os tratamentos da dieta mostraram níveis mais elevados de células móveis progressivas 15 s pós- V ativação a longo prazo. Adicionalmente, a peroxidação lipídica também apresentou melhores resultados no tratamento com vitaminas a longo prazo. Por outro lado, as enzimas envolvidas no stress oxidativo, como a SOD, a GPx e a GSR foram avaliadas através de um protocolo redox adaptado para esperma, bem como o estado antioxidante total (TAS). Ambos os tratamentos dietéticos mostraram uma tendência de menor atividade enzimática na alimentação a longo prazo na análise da GSR e SOD, bem como no TAS, mas não foram encontradas diferenças significativas. Para complementar o estudo, foi estudada a abundância de mRNA de marcadores relacionados com o stress oxidativo (oxsr1, hsp70 e hsp90a), apoptose (bax e casp3a) e enzimas antioxidantes (gpx4a e gsr) por RT-qPCR quantitativa em tempo real. Os resultados mostraram que as vitaminas tiveram melhores resultados na abundância de mRNA dos espermatozoides e que a alimentação a longo prazo foi melhor na proteção contra o stress oxidativo. Em geral, as vitaminas forneceram melhores resultados em comparação com os minerais, particularmente na alimentação a longo prazo. A alimentação a longo prazo com vitaminas e minerais mostrou algumas melhorias em parâmetros específicos de qualidade do esperma, sugerindo que a suplementação dietética prolongada pode oferecer benefícios sustentados. As vitaminas demonstraram consistentemente um efeito superior na redução do stress oxidativo e na melhoria da qualidade do esperma, destacando o seu potencial como um suplemento dietético mais eficaz para melhorar a qualidade do esperma. Isto sugere que a implementação de dietas otimizadas para reprodutores não só melhora a qualidade reprodutiva, mas também tem implicações importantes para a sustentabilidade da aquacultura, pois aumenta a eficiência dos ciclos reprodutivos e reduz a necessidade de intervenções, diminuindo os custos e melhorando a produtividade. Em última análise, práticas nutricionais que melhoram ou êxito reprodutivo dos peixes contribuem para a sustentabilidade económica e ambiental da aquacultura, tornando-a uma fonte de proteína mais viável e acessível. Mais investigação sobre dietas antioxidantes e seus efeitos na reprodução dos peixes em cativeiro é essencial para o avanço da aquacultura como uma indústria sustentável.
Os peixes criados em aquacultura, quando comparados aos selvagens, são mais vulneráveis ao stress oxidativo devido às condições específicas de cativeiro, como as flutuações de temperatura, alta densidade populacional, qualidade da água e o manejo intensivo. Essas condições adversas podem causar uma sobrecarga de espécies reativas de oxigénio (ROS), desequilibrando a capacidade antioxidante natural dos organismos. O stress oxidativo é particularmente problemático porque pode resultar em danos celulares significativos, afetando diretamente a função mitocondrial, causando peroxidação lipídica e danos ao DNA, com consequências graves para a saúde reprodutiva dos peixes. Especialmente nos machos, o impacto é ainda mais crítico, uma vez que os espermatozoides contêm altos níveis de ácidos gordos poli-insaturados na membrana plasmática, tornando-os extremamente suscetíveis ao dano oxidativo. Isso pode levar a uma redução na qualidade do esperma, com menor motilidade, viabilidade e integridade da membrana plasmática, comprometendo o sucesso reprodutivo. A proteção contra esse stress depende de um sistema antioxidante robusto, que inclui defesas enzimáticas, como superóxido dismutase (SOD), glutationa peroxidase (GPx) e glutationa redutase (GSR), além de componentes não enzimáticos, como vitaminas e minerais essenciais. A SOD catalisa a conversão de radicais superóxido em peróxido de hidrogénio, enquanto a GPx reduz o peróxido de hidrogénio a água, evitando a formação de radicais hidroxilo altamente reativos, que podem causar danos severos. A GSR, por sua vez, regenera a glutationa reduzida, uma molécula antioxidante chave no organismo. A vitamina E, um antioxidante lipossolúvel, protege as membranas celulares da peroxidação lipídica, enquanto a vitamina C é capaz de regenerar a vitamina E oxidada, restaurando a capacidade antioxidante. O selénio é fundamental para o funcionamento da GPx, reforçando a eficácia na eliminação de peróxidos, e o zinco estabiliza as membranas celulares e mantém a integridade estrutural das proteínas. Em aquacultura, a nutrição dos reprodutores é um fator crucial que influência diretamente a qualidade dos gametos, e consequentemente, o sucesso reprodutivo. Estudos demonstram que a suplementação dietética com antioxidantes, como as combinações de Vitamina C + Vitamina E e Selénio + Zinco, pode melhorar significativamente a qualidade do esperma e dos ovos em várias espécies de peixes, como dourada (Sparus aurata), salmão (Salmo salar), tilápia (Oreochromis niloticus) e robalo (Dicentrarchus labrax). Essas combinações de micronutrientes foram escolhidas pelas suas propriedades antioxidantes específicas; a vitamina C atua diretamente na neutralização dos radicais livres, enquanto a vitamina E protege as membranas celulares. O selênio, componente essencial da GPx, e o zinco, que contribui para a estabilização das membranas e a manutenção da integridade das proteínas, demonstraram ser eficazes na proteção contra o stress oxidativo. Além de melhorar a motilidade espermática e a integridade das membranas celulares, estas suplementações podem produzir um aumento da viabilidade dos espermatozoides e ovos, aumentando assim as taxas de fertilização e o sucesso do desenvolvimento embrionário. Considerando a sua importância, a exploração de dietas à base de antioxidantes torna-se essencial para prevenir deficiências reprodutivas em cativeiro. Este projeto estudou o efeito de micronutrientes em duas combinações diferentes (Vitamina C + Vitamina E e Selénio + Zinco) no sistema antioxidante do esperma da dourada (Sparus aurata) a curto (3 months) e longo prazo (14 months). Esta espécie foi utilizada como modelo neste estudo devido ao seu elevado volume de esperma e à possibilidade de alargar o período reprodutivo através da manipulação do fotoperíodo (8 h de luz e 16 h de escuridão (8L:16D). Para o efeito, foram analisadas as caraterísticas da qualidade do esperma, incluindo parâmetros de motilidade (motilidade total, motilidade progressiva e velocidade curvilínea a 15, 30, 45 e 60 s após a ativação dos espermatozoides), peroxidação lipídica (através de um ensaio colorimétrico, quantificando a concentração de malondialdeído (MDA)) e quantificação de ROS (utilizando citometria de fluxo e uma dupla coloração com DHE/SYTOX). Ambos os tratamentos da dieta mostraram níveis mais elevados de células móveis progressivas 15 s pós- V ativação a longo prazo. Adicionalmente, a peroxidação lipídica também apresentou melhores resultados no tratamento com vitaminas a longo prazo. Por outro lado, as enzimas envolvidas no stress oxidativo, como a SOD, a GPx e a GSR foram avaliadas através de um protocolo redox adaptado para esperma, bem como o estado antioxidante total (TAS). Ambos os tratamentos dietéticos mostraram uma tendência de menor atividade enzimática na alimentação a longo prazo na análise da GSR e SOD, bem como no TAS, mas não foram encontradas diferenças significativas. Para complementar o estudo, foi estudada a abundância de mRNA de marcadores relacionados com o stress oxidativo (oxsr1, hsp70 e hsp90a), apoptose (bax e casp3a) e enzimas antioxidantes (gpx4a e gsr) por RT-qPCR quantitativa em tempo real. Os resultados mostraram que as vitaminas tiveram melhores resultados na abundância de mRNA dos espermatozoides e que a alimentação a longo prazo foi melhor na proteção contra o stress oxidativo. Em geral, as vitaminas forneceram melhores resultados em comparação com os minerais, particularmente na alimentação a longo prazo. A alimentação a longo prazo com vitaminas e minerais mostrou algumas melhorias em parâmetros específicos de qualidade do esperma, sugerindo que a suplementação dietética prolongada pode oferecer benefícios sustentados. As vitaminas demonstraram consistentemente um efeito superior na redução do stress oxidativo e na melhoria da qualidade do esperma, destacando o seu potencial como um suplemento dietético mais eficaz para melhorar a qualidade do esperma. Isto sugere que a implementação de dietas otimizadas para reprodutores não só melhora a qualidade reprodutiva, mas também tem implicações importantes para a sustentabilidade da aquacultura, pois aumenta a eficiência dos ciclos reprodutivos e reduz a necessidade de intervenções, diminuindo os custos e melhorando a produtividade. Em última análise, práticas nutricionais que melhoram ou êxito reprodutivo dos peixes contribuem para a sustentabilidade económica e ambiental da aquacultura, tornando-a uma fonte de proteína mais viável e acessível. Mais investigação sobre dietas antioxidantes e seus efeitos na reprodução dos peixes em cativeiro é essencial para o avanço da aquacultura como uma indústria sustentável.
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Keywords
Aquaculture Spermatozoa Vitamins Minerals Oxidative stress