Effects of bovine sperm cryopreservation using different freezing techniques and cryoprotective agents on plasma, acrosomal and mitochondrial membranes

The success of semen cryopreservation is influenced by several factors, such as freezing curves and cryoprotectants. These two factors are of special interest once they may lead to many important physical-chemical changes resulting in different degrees of damage in spermatozoa structure. This experiment was designed to compare the effect of bull semen cryopreservation using two freezing techniques: conventional (CT cooling rate of -0.55 degrees C min-1 and freezing rate of -19.1 degrees C min-1) and automated (AT cooling rate of -0.23 degrees C min-1 and freezing rate of -15 degrees C min-1), performed with different curves, and with three cryoprotectants (glycerol, ethylene glycol and dimethyl formamide) on bovine sperm motility and integrity of plasma, acrosomal and mitochondrial membranes. These variables were simultaneously evaluated using the fluorescence probes propidium iodide, fluorescein-conjugated Pisum sativum agglutinin and MitoTracker Green FM. The effects of freezing techniques, as well as of different cryoprotectants were analysed by the analysis of variance. The means were compared by Fishers test. There were no significant differences between freezing techniques (P > 0.05). Glycerol showed higher percentages of motility, vigour and integrity of plasma, acrosomal and mitochondrial membranes than other two cryoprotectants (P < 0.05). Ethylene glycol preserved higher motility and integrity of plasma and mitochondrial membranes than dimethyl formamide (P < 0.05). Sperm motility with glycerol was 30.67 +/- 1.41% and 30.50 +/- 1.06%, with ethylene glycol was 21.17 +/- 1.66% and 21.67 +/- 1.13% and with dimethyl formamide was 8.33 +/- 0.65% and 9.17 +/- 0.72% to CT and AT curves, respectively. The percentage of spermatozoa with simultaneously intact plasma membrane, intact acrosome and mitochondrial function (IPIAH) was 14.82 +/- 1.49% (CT) and 15.83 +/- 1.26% (AT) to glycerol, 9.20 +/- 1.31% (CT) and 9.92 +/- 1.29% (AT) to ethylene glycol 4.65 +/- 0.93% (CT) and 5.17 +/- 0.87% (AT) to dimethyl formamide. Glycerol provided the best results, although nearly 85% of spermatozoa showed some degree of injury in their membranes, suggesting that further studies are required to improve the results of cryopreservation of bovine semen.

Caracterització de Lactobacils d'origen intestinal i avaluació in vivo del seu poder probiòtic en pollastres

Una soca de Lactobacillus salivarius resistent a la rifampicina, CTC2197, es va assajar com a probiòtic en pollastres, estudiant la seva capacitat de prevenir la colonització de Salmonella enteritidis C-114 en pollastres. Quan la soca probiòtica es va administrar via oral juntament amb S.enteritidis C-114 directament al proventricle en pollets Leghorn de 1 dia, el patògen fou eliminat completament després de 21 dies. Els mateixos resultats es van obtenir quan la soca es va administrar a través del menjar i l'aigua a més de la inoculació directa al proventricle. La inclusió de L.salivarius CTC2197 en el menjar del primer dia va mostrar que una concentració de 105 UFC g-1 era suficient per assegurar la colonització dels tracte gastrointestinal dels pollets després de 1 setmana. No obstant, entre els 21 i 28 dies, L.salivarius CTC2197 no va ser detectable en el tracte gastrointestinal d'alguns pollets, mostrant que seria necessària més d'una dosis per assegurar la seva presència fins al final de l'etapa d'engreix. La liofilització i la congelació per glicerol o llet descremada com a agents crioprotector, van semblar mètodes adequats per preservar la soca probiòtica. La inclusió de L.salivarius CTC2197 en un pinso comercial va semblar ser un bon mètode per subministrar-lo en granja, tot i que la soca va mostrar sensibilitat a les temperatures utilitzades durant l'emmagatzematge del pinso i a les incubadores dels pollets. A més, la supervivència va millorar després de diverses reinoculacions en pinso.

Effect of culture medium and cryoprotectants on the growth and survival of probiotic lactobacilli during freeze drying

To investigate the effects of the medium and cryoprotective agents used on the growth and survival of Lactobacillus plantarum and Lactobacillus rhamnosus GG during freeze drying. A complex medium was developed consisting primarily of glucose, yeast extract and vegetable-derived peptone. Trehalose, sucrose and sorbitol were examined for their ability to protect the cells during freeze drying. Using standardized amount of cells and the optimized freeze drying media, the effect of the growth medium on cell survival during freeze drying was investigated. The results showed that glucose and yeast extract were the most important growth factors, while sucrose offered better protection than trehalose and sorbitol during freeze drying. When the cells were grown under carbon limiting conditions, their survival during freeze drying was significantly decreased. A clear relationship was observed between cell growth and the ability of the cells to survive during the freeze drying process. The survival of probiotic strains during freeze drying was shown to be dependent on the cryoprotectant used and the growth medium.

Cryopreservation of equine embryos with glycerol plus sucrose and glycerol plus 1,2-propanediol.

Six or 7-day-old equine embryos were divided into 4 groups; Group 1, n = 15, Day 7 embryos destined for immediate transfer; Group 2, n = 15, Day 6 embryos destined for deep-freezing with glycerol plus sucrose as cryoprotectant; Group 3, n = 10, Day 6 embryos destined for deep-freezing with glycerol plus 1,2-propanediol as cryoprotectant and Group 4, n = 3, fresh embryos destined for ultrastructural analysis. All the frozen/thawed embryos were transferred to recipient mares, except 3 embryos in Group 3 that were subjected to ultrastructural analysis. After thawing the cryoprotectants were removed by successive dilutions in PBS + 15% v:v fetal calf serum (FCS) containing decreasing concentrations of the cryoprotectants. Pregnancy was diagnosed ultrasonographically in 53.3%, 13.3% and 0% of the mares in Groups 1, 2 and 3 respectively. Ultrastructural analysis showed differences between frozen/thawed and fresh embryos. In the former, embryonic cells were deformed and showed dilation of the intercellular and perivitelline spaces, a decrease of desmosome number in the junctional complexes, few microvilli on the apical surface of the trophectoderm and an almost total absence of pinocytotic vesicles. Most of the mitochondria showed regions containing dilation and irregularities on the cristae, which appeared electron-dense. The results obtained with Groups 2 and 3 embryos showed that the cryoprotectants employed were not effective in protecting the embryos against damage during freezing and thawing. Indeed, the ultrastructural changes observed in the Group 3 embryos explained the absence of any established pregnancies in this group of mares.

Influência dos processos de lavagems de tipos de crioprotetores na produção de surimi de tilápia: Dayse Lícia de Oliveira. -

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Development of somatic embryogenesis for cloning and conservation of mature holm oak trees (Quercus ilex L.)

La encina (Quercus ilex L.) es una de las especies forestales mediterráneas más importantes. Constituye gran parte del estrato arbóreo de dehesas o montados, produce bellota como alimento del ganado y establece simbiosis con hongos micorrizógenos de gran valor económico. La encina está considerada como una especie recalcitrante en términos de conservación de semillas y capacidad morfogénica, lo que dificulta los programas de conservación de recursos genéticos y la mejora de la especie. La propagación vegetativa es una potente herramienta de los programas de mejora, por lo que es preciso desarrollar protocolos de regeneración somática en encina. La embriogénesis somática está considerada como la modalidad más adecuada de regeneración basada en técnicas de cultivo de tejidos vegetales utilizada en biotecnología forestal. Este trabajo se centra en el estudio de determinados aspectos de la embriogénesis somática para la regeneración clonal de encinas adultas. La memoria de esta tesis se ha dividido en capítulos que se corresponden con diferentes aspectos del sistema embriogénico. La embriogénesis somática se indujo en tegumentos maternos de óvulos en desarrollo procedentes de bellotas inmaduras de encinas adultas. A pesar de las bajas frecuencias de inducción, las líneas embriogénicas generadas se amplificaron mediante embriogénesis secundaria observándose cierta pérdida de la capacidad de diferenciación con el tiempo. Tanto el genotipo como la formulación del medio de cultivo influyeron en la respuesta embriogénica, concluyendo que la formulación de macronutrientes de Schenk y Hildebrant del medio sin reguladores de crecimiento fue la combinación más efectiva en la inducción. Los resultados sugirieron la existencia de una ventana en el desarrollo del óvulo más sensible a la inducción. El genotipo in[luyó en la capacidad proliferativa de los cultivos y en la conversión de los embriones somáticos, que se incrementó suplementando el medio con ácido indol-3-butírico y 6-benciladenina. El cultivo en medio líquido de líneas embriogénicas en condiciones de inmersión transitoria incrementó el crecimiento, dependiendo del genotipo, con respecto al cultivo en medio semisólido. Sin embargo, no mejoró la capacidad de diferenciar embriones cotiledonares aislados. Se estableció un protocolo de inicio y mantenimiento de cultivos en suspensión para varias líneas embriogénicas mediante inoculación en alta densidad de agregados embrionarios procedentes del medio semisólido. Para evitar la pérdida de vigor y la capacidad morfogénica debida al cultivo prolongado se desarrolló un protocolo de crioconservación de líneas embriogénicas mediante vitrificación. Al determinar la influencia de los agentes crioprotectores antes y después de su inmersión en nitrógeno líquido se concluyó que las respuestas de capacidad de crecimiento y de diferenciación del material embriogénico son independientes, además de estar bajo influencia del genotipo y el tipo de material crioconservado. La combinación de sacarosa y PVS2 previa a la inmersión en nitrógeno líquido proporcionó la mayor tasa de recuperación. Cuando las líneas fueron crioconservadas 30 días la capacidad de diferenciación se perdió en todas ellas. El análisis de SSR detectó variación somaclonal en el material crioconservado a corto plazo. SSR y RAPD mostraron importantes diferencias genéticas entre los árboles donantes y el material embriogénico que dependieron del genotipo. El grado de detección dependió del marcador empleado. Ambos marcadores revelaron baja inestabilidad intraclonal. Los RAPD revelaron variación genética intra-individuo en las encinas donantes. Se discuten la variación genética pre-existente en encina, su aparición durante las primeras fases de la inducción de embriogénesis, y la presencia de tejidos provenientes de la fertilización en el explanto materno. Esto hace preciso definir la identidad genética del material donante y acometer ensayos de detección precoz de variación somaclonal. ABSTRACT Holm oak (Quercus ilex L.) is one of the most important Mediterranean forest species. It conforms the tree layer of dehesas or montados, it produces acorns to feed the livestock and it establishes symbiosis with profitable mycorrhizal fungi. Holm oak is considered as recalcitrant species in terms of seed conservation and morphogenic capacities, which complicates the development of genetic conservation and improvement programs. Vegetative propagation is one of the mightiest tools for breeding programs therefore; developing protocols for clonal regeneration of holm oak is essential. Somatic embryogenesis is considered the best tissue culture-based way of plant regeneration in forest biotechnology. The present study is focused on the study of certain aspects of somatic embryogenesis for clonal regeneration of mature holm oak. This thesis manuscript is divided into several chapters that match with different aspects of the embryogenic system. Somatic embryogenesis induction was achieved on maternal teguments of developing ovules from immature acorns of adult holm oak trees. Despite the low induction frequencies, the generated embryogenic lines were amplified by secondary embryogenesis. A decline in the differentiation capacity over time was also observed. It was concluded that both genotype and culture media formulation influenced the embryogenic response, being the Schenk and Hildebrandt´s macronutrients formulation from culture medium and the lack of plant growth regulators the most effective combination for the induction of the embryogenic response. It has been suggested the existence of a developmental window in which ovules are prone to induction. Genotype influenced the proliferation capacity and the plant conversion of somatic embryos, which was also favoured by the presence of indol-3-butyric acid and 6-bencyladenine. The use of temporary immersion systems as proliferation in liquid culture of the embryogenic lines increased the growth depending on genotype, when compared to semisolid cultures. However, it did not improve the differentiation of single cotyledonary embryos. A protocol for the initiation and maintenance of embryogenic suspension cultures was established for several embryogenic lines with highly dense inoculi of embryogenic clusters from proliferating semisolid cultures. In order to avoid the loss of vigour and morphogenic ability of embryogenic lines due to prolonged cultures, a cryopreservation protocol for embryogenic lines of holm oak has been developed. During the determination of the influence of cryoprotective agents on the growth and differentiation capacities before and after liquid nitrogen immersion, it was concluded that both responses were independent from each other and also under the influence of genotype and the type of cryopreserved material. The combination of sucrose and PVS2 prior liquid nitrogen immersion provided higher recovery rates. When the same embryogenic lines were cryopreserved for 30 days, none was able to differentiate. The SSRs analysis of the short-term cryopreserved material detected somaclonal variation. Both SSR and RAPD markers showed high sensitivity to detect genetic differences between the donor trees and the generated embryogenic material. Nevertheless, the degree of instability detection depended on the marker. The SSR analysis indicated a relationship between genotype, the studied loci and the located polymorphisms. Also, both markers revealed low intraclonal genetic variation. The RAPD detected genetic variation within the donor trees. The presence of pre-existent genetic variation within mature trees, in addition to its occurrence during the early stages of the embryogenic induction, and the presence of tissues of fertilisation origin within the maternal explants are all discussed. Nonetheless, the determination of the genetic identity of donor material is required, in addition to early detection methods of somaclonal variation.

Development of somatic embryogenesis for cloning and conservation of mature holm oak trees (Quercus ilex L.)

La encina (Quercus ilex L.) es una de las especies forestales mediterráneas más importantes. Constituye gran parte del estrato arbóreo de dehesas o montados, produce bellota como alimento del ganado y establece simbiosis con hongos micorrizógenos de gran valor económico. La encina está considerada como una especie recalcitrante en términos de conservación de semillas y capacidad morfogénica, lo que dificulta los programas de conservación de recursos genéticos y la mejora de la especie. La propagación vegetativa es una potente herramienta de los programas de mejora, por lo que es preciso desarrollar protocolos de regeneración somática en encina. La embriogénesis somática está considerada como la modalidad más adecuada de regeneración basada en técnicas de cultivo de tejidos vegetales utilizada en biotecnología forestal. Este trabajo se centra en el estudio de determinados aspectos de la embriogénesis somática para la regeneración clonal de encinas adultas. La memoria de esta tesis se ha dividido en capítulos que se corresponden con diferentes aspectos del sistema embriogénico. La embriogénesis somática se indujo en tegumentos maternos de óvulos en desarrollo procedentes de bellotas inmaduras de encinas adultas. A pesar de las bajas frecuencias de inducción, las líneas embriogénicas generadas se amplificaron mediante embriogénesis secundaria observándose cierta pérdida de la capacidad de diferenciación con el tiempo. Tanto el genotipo como la formulación del medio de cultivo influyeron en la respuesta embriogénica, concluyendo que la formulación de macronutrientes de Schenk y Hildebrant del medio sin reguladores de crecimiento fue la combinación más efectiva en la inducción. Los resultados sugirieron la existencia de una ventana en el desarrollo del óvulo más sensible a la inducción. El genotipo in[luyó en la capacidad proliferativa de los cultivos y en la conversión de los embriones somáticos, que se incrementó suplementando el medio con ácido indol-3-butírico y 6-benciladenina. El cultivo en medio líquido de líneas embriogénicas en condiciones de inmersión transitoria incrementó el crecimiento, dependiendo del genotipo, con respecto al cultivo en medio semisólido. Sin embargo, no mejoró la capacidad de diferenciar embriones cotiledonares aislados. Se estableció un protocolo de inicio y mantenimiento de cultivos en suspensión para varias líneas embriogénicas mediante inoculación en alta densidad de agregados embrionarios procedentes del medio semisólido. Para evitar la pérdida de vigor y la capacidad morfogénica debida al cultivo prolongado se desarrolló un protocolo de crioconservación de líneas embriogénicas mediante vitrificación. Al determinar la influencia de los agentes crioprotectores antes y después de su inmersión en nitrógeno líquido se concluyó que las respuestas de capacidad de crecimiento y de diferenciación del material embriogénico son independientes, además de estar bajo influencia del genotipo y el tipo de material crioconservado. La combinación de sacarosa y PVS2 previa a la inmersión en nitrógeno líquido proporcionó la mayor tasa de recuperación. Cuando las líneas fueron crioconservadas 30 días la capacidad de diferenciación se perdió en todas ellas. El análisis de SSR detectó variación somaclonal en el material crioconservado a corto plazo. SSR y RAPD mostraron importantes diferencias genéticas entre los árboles donantes y el material embriogénico que dependieron del genotipo. El grado de detección dependió del marcador empleado. Ambos marcadores revelaron baja inestabilidad intraclonal. Los RAPD revelaron variación genética intra-individuo en las encinas donantes. Se discuten la variación genética pre-existente en encina, su aparición durante las primeras fases de la inducción de embriogénesis, y la presencia de tejidos provenientes de la fertilización en el explanto materno. Esto hace preciso definir la identidad genética del material donante y acometer ensayos de detección precoz de variación somaclonal. ABSTRACT Holm oak (Quercus ilex L.) is one of the most important Mediterranean forest species. It conforms the tree layer of dehesas or montados, it produces acorns to feed the livestock and it establishes symbiosis with profitable mycorrhizal fungi. Holm oak is considered as recalcitrant species in terms of seed conservation and morphogenic capacities, which complicates the development of genetic conservation and improvement programs. Vegetative propagation is one of the mightiest tools for breeding programs therefore; developing protocols for clonal regeneration of holm oak is essential. Somatic embryogenesis is considered the best tissue culture-based way of plant regeneration in forest biotechnology. The present study is focused on the study of certain aspects of somatic embryogenesis for clonal regeneration of mature holm oak. This thesis manuscript is divided into several chapters that match with different aspects of the embryogenic system. Somatic embryogenesis induction was achieved on maternal teguments of developing ovules from immature acorns of adult holm oak trees. Despite the low induction frequencies, the generated embryogenic lines were amplified by secondary embryogenesis. A decline in the differentiation capacity over time was also observed. It was concluded that both genotype and culture media formulation influenced the embryogenic response, being the Schenk and Hildebrandt´s macronutrients formulation from culture medium and the lack of plant growth regulators the most effective combination for the induction of the embryogenic response. It has been suggested the existence of a developmental window in which ovules are prone to induction. Genotype influenced the proliferation capacity and the plant conversion of somatic embryos, which was also favoured by the presence of indol-3-butyric acid and 6-bencyladenine. The use of temporary immersion systems as proliferation in liquid culture of the embryogenic lines increased the growth depending on genotype, when compared to semisolid cultures. However, it did not improve the differentiation of single cotyledonary embryos. A protocol for the initiation and maintenance of embryogenic suspension cultures was established for several embryogenic lines with highly dense inoculi of embryogenic clusters from proliferating semisolid cultures. In order to avoid the loss of vigour and morphogenic ability of embryogenic lines due to prolonged cultures, a cryopreservation protocol for embryogenic lines of holm oak has been developed. During the determination of the influence of cryoprotective agents on the growth and differentiation capacities before and after liquid nitrogen immersion, it was concluded that both responses were independent from each other and also under the influence of genotype and the type of cryopreserved material. The combination of sucrose and PVS2 prior liquid nitrogen immersion provided higher recovery rates. When the same embryogenic lines were cryopreserved for 30 days, none was able to differentiate. The SSRs analysis of the short-term cryopreserved material detected somaclonal variation. Both SSR and RAPD markers showed high sensitivity to detect genetic differences between the donor trees and the generated embryogenic material. Nevertheless, the degree of instability detection depended on the marker. The SSR analysis indicated a relationship between genotype, the studied loci and the located polymorphisms. Also, both markers revealed low intraclonal genetic variation. The RAPD detected genetic variation within the donor trees. The presence of pre-existent genetic variation within mature trees, in addition to its occurrence during the early stages of the embryogenic induction, and the presence of tissues of fertilisation origin within the maternal explants are all discussed. Nonetheless, the determination of the genetic identity of donor material is required, in addition to early detection methods of somaclonal variation.