RIPRODUZIONE DI PENAEUS JAPONICUS: ASPETTI TEORICI

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1 RIPRODUZIONE DI PENAEUS JAPONICUS: ASPETTI TEORICI FISIOLOGIA DELLA MUTA E DELLA RIPRODUZIONE Ciclo di inter-muta Con ciclo di inter-muta si intende la successione dei processi che precedono e seguono la muta, o ecdisi, o esuviazione (cioè la rimozione del vecchio esoscheletro). L insieme di questi eventi rappresenta la strategia che gli artropodi, dotati di un esoscheletro chitinoso, hanno adottato per potersi accrescere. Alcuni decapodi mutano stagionalmente, o annualmente, o addirittura una sola volta nel corso di tutta la vita, andando perciò incontro a lunghi periodi di inter-muta; altri invece, Peneidi inclusi, mutano frequentemente, ad intervalli di qualche giorno o settimana. Intorno ai 28 C, il nauplio di un Peneide muta ogni 3-4 ore e la zoëa ogni ore; con l avanzare dello sviluppo, i tempi tra una muta e l altra tendono ad allungarsi. Nell età adulta le mazzancolle vanno incontro a periodi di inter-muta tanto più brevi quanto più l acqua è calda. D estate (e durante il condizionamento dei riproduttori, in ambiente controllato, a temperature superiori ai 20 C) l ecdisi può essere frequente, ogni 1-3 settimane, mentre d inverno può non aver luogo del tutto. In generale, dunque, l accrescimento nei Peneidi adulti è un processo sostanzialmente continuo. Drach (1939), studiando gli eventi che precedono e seguono l esuviazione nei crostacei brachiuri, ha suddiviso il ciclo di inter-muta in differenti tappe, che servono ancor oggi come riferimento generale per i crostacei. Esse vengono identificate con le lettere A, B, C, D, E ed accorpate a loro volta nelle fasi dette di: (D) pre-muta, il vecchio esoscheletro viene in parte riassorbito, si forma la nuova cuticola e sono inglobati consistenti volumi d acqua; (E) muta, rimozione ed allontanamento della vecchia cuticola, demineralizzata; (C) inter-muta, l esoscheletro è completamente consolidato e l acqua assorbita in 89

2 precedenza è sostituita dai tessuti in crescita; (A+B) post-muta, periodo di intensa mineralizzazione e di rafforzamento del nuovo esoscheletro. All interno di ogni fase vi sono poi ulteriori suddivisioni, identificate dalla lettera che contraddistingue la fase considerata, affiancata da uno o due indici (per esempio A 1, C 2, D 1, D 1, ecc.). Durante la fase A, per esempio, si distinguono nei Peneidi i due momenti A 1 e A 2, così identificabili (in Dall et ai., 1990): A 1 (durata 1 ora): la cuticola è scivolosa ed ha la consistenza di una membrana molle; alla base e nell interno delle setae è visibile una matrice cellulare trasparente; A 2 (durata 5-8 ore): la cuticola, non più scivolosa, è ora soffice, ed ha ancora la consistenza di una membrana molle; iniziano la retrazione della matrice cellulare (visibile nel periodo A 1 ) e la secrezione dell endocuticola. Periodo Durata Eventi L esoscheletro è duro e l animate si alimenta INTER-MUTA C regolarmente. Dura fino all inizio della premuta (D), che segna l avvio della fase 5 gg preparatoria alla muta successiva. PRE-MUTA D 20 gg Preparazione alla muta: secrezione degli strati esterni della nuova cuticola, riassorbimento di calcio, mobilizzazione delle riserve metaboliche, cessazione graduale dell alimentazione e di ogni altra attività. MUTA E < 1 min Rimozione dell esoscheletro. POST-MUTA A B 24 ore 3 gg Segue immediatamente la muta. L intero esoscheletro è molle e flessibile. L animale non si alimenta. Inizia l indurimento dell esoscheletro e l animale continua a non alimentarsi. *Schema del ciclo di muta nei Peneidi ( la durata di ogni periodo è riferita a P. stylirostris a temperature di C, secondo Robertson et al., 1987). 90

3 Vi sono strette correlazioni tra ciclo di iter-muta, accrescimento, accoppiamento, maturazione gonadica e controllo della riproduzione. Controllo endocrino della riproduzione In ambiente controllato, la maturazione delle gonadi ha luogo in genere senza problemi o interventi manipolativi negli individui di sesso maschile. Pertanto risulta di maggior interesse il controllo endocrino della riproduzione nei soli animali di sesso femminile (Elaborazione da Bell e Lightner):Cerv.= cervello; G.T.= ganglio toracico. Nei Peneidi, proteine del vitello si ritrovano nell ovario, nella ghiandola digestiva e nel tessuto adiposo, ma non è noto esattamente il contributo di ogni singolo tessuto alla produzione totale di tuorlo (Quackenbush, 1991). Il complesso organo X-ghiandola del seno (ox-gds) produce e rilascia due ormoni che controllano riproduzione (GIH o gonad inhibiting hormone) e muta (MIH o mouting inhibiting hormone), rispettivamente. L ablazione del peduncolo oculare, in cui ha sede appunto il complesso ox-gds, induce nei decapodi (nei giovanili di quasi tutte, e negli adulti di molte specie) una muta precoce, apparentemente legata all abbattimento del MIH e all attivazione dell organo Y, con conseguente incremento degli MH (mouting hormones); nelle femmine adulte, invece, ha per effetto la prematura deposizione intraovarica di tuorlo, sia durante la stagione non riproduttiva che, in certi gruppi, negli stadi pre-puberali (in Adiyodi e Adiyodi, l970). La muta ha luogo quando i livelli di MIH e GSH (gonad stimulating hormone) circolanti sono bassi, mentre quelli di GIH ed MH sono elevati. Al contrario, prevale il processo maturativo quando ad alti tassi di MIH e GSH circolanti si associano tassi modesti di GIH ed MH. 91

4 Durante la transizione dal periodo di post-muta a quello di inter-muta, quindi, si passa da una condizione di sinergismo ad una di antagonismo tra l azione del MIH e quella del GIH. Il MIH agisce direttamente sull organo Y, inibendo la sintesi di ecdisteroidi. Gli effetti degli MH legati alla riproduzione sono a carico dell ovario, dove sembra promuovano, con un azione di stimolo delle mitosi oogoniali, le fasi iniziali del processo maturativo. Non sembra probabile che l azione degli ecdisteroidi prodotti dalla ghiandola ventrale, che si esplica in direzioni alquanto diversificate, sia specificatamente diretta verso la promozione della vitellogenesi. Gli effetti su quest ultima mettono in evidenza tuttavia le strette interrelazioni fra crescita somatica e crescita riproduttiva. Il cervello ed il ganglio toracico sono le sedi probabili di produzione dell ormone GSH, che stimola la maturazione gonadica. Se da una parte ne risultano ormai accertati l esistenza e l effetto sulla vitellogenesi (Yano, 1988), rimangono tuttavia da chiarire gli aspetti inerenti l origine precisa, la natura chimica (forse peptidica) e i meccanismi d azione (Meusy e Payen, 1988) del composto. Il GIH, un piccolo peptide idrosolubile che ha invece la capacità di inibire la maturazione gonadica, ha quali organi-bersaglio la ghiandola digestiva e l ovario, dove riduce o inibisce del tutto la sintesi proteica (Quackenbush, 1991). BIOLOGIA RIPRODUTTIVA Apparato riproduttore maschile L apparato riproduttore maschile viene schematizzato nella figura: 92

5 I testicoli sono la sede della spermatogenesi, cioè del processo di formazione dei gameti maschili, o spermatozoi. Sono due corpuscoli biancastri appaiati, localizzati nel cefalotorace, tra cuore e ghiandola digestiva, nei quali si possono distinguere una serie di lobi laterali confluenti nella porzione prossimale dei vasi deferenti. *Apparato riproduttore maschile di P. japonicus adulto: dai testicoli (massa biancastra in alto) si originano i vasi deferenti che si dilatano quindi nelle ampolle terminali, dove vengono allocate le spermatofore (visibili con gli stoppers). *Maschio e femmina fecondata (adulti) di P. japonicus (v. ventrale): si distinguono il thelycum, con stoppers sporgenti, e il petasma. Questi ultimi attraversano il corpo dell animale in senso dorso-ventrale. Alla porzione prossimale seguono la mediana, di maggior diametro e con pareti più spesse, e la distale, che invece si assottiglia fino all estremità finale, dove appare dilatata in una ampolla terminale. Durante la discesa degli spermatozoi lungo i deferenti ha luogo la formazione delle spermatofore, costituite da una massa compatta di gameti maschili e dalle cosiddette ali. Nelle specie a thelycum chiuso, le ali fanno da vero e proprio tappo allo stesso thelycum e sono perciò indicate col termine di stoppers. Nell ampolla terminale si possono intravedere già ad occhio nudo, nell animale vivo, le spermatofore ormai elaborate. I pori genitali si trovano in corrispondenza dell ultimo paio di pereiopodi (5 ), sulla superficie interna della coxa. 93

6 Completano la descrizione dei genitali maschili due strutture esterne: il petasma e l appendice mascolina, endopoditi trasformati del 1 e del 2 segmento addominale, rispettivamente. *Petasma di maschio adulto di P. japonicus (v. ventrale). *Appendice mascolina (lunghezza circa 1,6 mm; larghezza circa 0,95 mm) di maschio adulto di P.japonicus (la freccia evidenzia la struttura dentellata). All atto dell accoppiamento vengono emesse due spermatofore con le rispettive ali. Esse formano una massa unitaria che può essere orientata ed inserita nel thelycum, proprio grazie al lavoro di petasma e appendice masculina. Gli spermatozoi dei Peneidi non sono mobili. In P. japonicus risultano costituiti da un corpo principale tondeggiante (ø 4,2-5,2 µm) e da una sorta di lungo (5,5-6,5 µm) aculeo anteriore (Ogawa e Kakuda, 1987), che consente l adesione alla superficie dell uovo. 94

7 Apparato riproduttore femminile L ovario è costituito da due corpi simmetrici allungati che si estendono dal cefalotorace anteriore all ultimo segmento addominale. *Localizzazione dell apparato riproduttore femminile di un crostaceo Peneide (elaboraz. Da Bell e Lightner, 1988). *Thelycum di femmina fecondata P. japonicus : PR) pereiopodi; PV) parete ventrale del t.; ST) stopper (elaboraz. Da Hudinaga, 1942). Vi si possono distinguere in successione: 2 lobi anteriori, che si protendono fino alla regione cervicale (dove possono anche ripiegarsi su loro stessi durante le fasi terminali della maturazione ovarica), 6-8 lobi mediani, adagiati ed espansi sopra la ghiandola digestiva, e 2 lobi posteriori, che corrono lungo l intero addome. Dal 6 lobo mediano destro e sinistro originano due ovidotti che si aprono alla base del 3 paio di pereiopodi. Il volume ed il colore dell ovario subiscono variazioni consistenti, ed apprezzabili anche ad occhio nudo, durante la maturazione sessuale. E quindi possibile monitorare l andamento di quest ultima, utilizzando le femmine giunte a maturità (e fecondate) per ottenere lotti di uova fertili con cui dar corso alla produzione di post-larve. Le femmine delle specie a thelycum chiuso conservano le spermatofore entro il ricettacolo seminale. Esso si trova all interno del thelycum, struttura ventrale tra il 7 e l 8 segmento toracico (cioè tra il 4 ed il 5 paio di pereiopodi). Ad un primo esame, esso appare 95

8 costituito da un unica parete, che chiameremo parete ventrale, formante una specie di marsupio. In realtà, rimuovendo la parete ventrale ne appare un altra, la parete dorsale, divisa in due metà che posteriormente danno origine ad una apertura rotonda che, a sua volta, immette in una camera retrostante. Rimuovendo anche la parete dorsale si trova infine il ricettacolo seminale, cavità sostanzialmente cieca dalla quale si dipartono solamente due minuti canali, che fungono da via di espulsione degli spermatozoi (contenuti nelle spermatofore) durante l ovodeposizione. Il loro sbocco è alla base del 4 paio di pereiopodi, di poco posteriore al poro genitale (3 paio di pereiopodi) da cui fuoriescono invece le uova. Accoppiamento La copulazione avviene, in Penaeus japonicus, tra il maschio con esoscheletro completamente sclerotizzato (hard) e la femmina che abbia appena esuviato (soft). Si verifica, di norma, nelle ore notturne tra le ore 22 e le 3, secondo le osservazioni di Hudinaga (1942). Durante il tempo che precede la copulazione, il maschio e la femmina non nuotano, come di consuetudine, ma camminano l uno vicino all altra, lentamente, sul fondo. Al momento dell esuviazione la femmina si poggia lateralmente sul fondo e compie un salto abbandonando l esuvia, per poi reclinarsi lateralmente. Il maschio avanza verso la femmina e la afferra dal lato ventrale. La coppia, tenendosi ventralmente unita, nuota con i corpi reclinati. La durata della copulazione è di 3-4 minuti; in questo breve lasso di tempo, il maschio con il petasma inserisce le spermatofore protruse dalla base del 5 paio di pereiopodi nel ricettacolo seminale, attraverso il thelycum. Di norma il maschio di P. japonicus è in grado di avere una sola copula alla volta nel corso di una notte, a differenza di quanto può accadere in altre specie di Peneidi. Dopo l accoppiamento il maschio e la femmina si allontanano senza più avere altri contatti. Ogni volta che la femmina esuvia avrà una successiva copulazione. Nella fase di accoppiamento svolgono un ruolo importante i ferormoni che vengono liberati all approssimarsi del processo di esuviazione e che consentono al maschio di individuare la femmina. Ciò è importante in ambiente naturale dove l accoppiamento è alla base della 96

9 propagazione della specie. Studi svolti in campo hanno evidenziato che l accoppiamento di norma avviene in tutte le femmine che abbiano esuviato; soltanto una bassa percentuale (0,5%) non riesce ad accoppiarsi (Hudinaga, 1942). Nelle vasche di stabulazione dei riproduttori, dove la densità della popolazione è elevata, può accadere che una femmina si accoppi con due maschi nella stessa notte. D estate, con temperature dell acqua elevate, gli animali esuviano frequentemente (anche ogni 15 giorni circa). Le femmine fecondate perdono con l esoscheletro anche le vecchie spermatofore e si possono accoppiare di nuovo. Le vasche per la stabulazione e il condizionamento dei riproduttori devono rispondere, in termini di profondità, superficie, forma e volume, ai bisogni di spazio relativi ai comportamenti appena esaminati. Vasche troppo piccole, con profondità insufficiente, o di forma inidonea (per esempio molto strette e lunghe), non consentono agli animali di accoppiarsi regolarmente. Ovodeposizione Anche l ovodeposizione ha luogo durante le ore notturne (tra le ore 20 e 24, più raramente dopo). Le femmine rilasciano uova (dal poro genitale, alla base dei 4 paio di pereiopodi) e spermatozoi (dal poro di uscita alla base del 3 paio di pereiopodi), nuotando lentamente nella colonna d acqua, tenendo i pereiopodi ben serrati sul corpo e rimescolando i gameti con il moto costante dei pleopodi. Un emissione dura 3-4 minuti ed il numero di uova deposte varia con la taglia dell animale. *Ovodeposizione in P. japonicus. *Uova con embrione in P. japonicus. 97

10 Una femmina di P. japonicus di 20 cm di lunghezza, ad esempio, può emettere uova in condizioni artificiali di riproduzione, mentre una femmina che sia maturata in mare emette, mediamente, uova (Hudinaga, 1942). Allorché si tratti di femmine stabulate in vasche e maturate in condizioni artificiali il numero di uova, per emissione, può scendere a valori medi di unità. Le uova appena liberate sono allungate ma in pochi minuti assumono una forma perfettamente sferica con un diametro variabile tra 290 e 320 µ. Gli spermatozoi sono di dimensioni molto ridotte, 5,0-5,3µ, e fecondano l uovo nell ambiente esterno, nel primo minuto dopo l atto riproduttivo. La segmentazione dell uovo, di tipo totale ed eguale, inizia dopo minuti dall emissione e procede rapidamente alla temperatura di C. Dopo circa 7 ore si intravede già l embrione e dopo ore appare il nauplio già formato. La rottura della membrana esterna dell uovo avviene dopo ore dalla riproduzione ed il tempo richiesto per la fuoriuscita del nauplio è di 3-4 minuti. La stagione riproduttiva di P. japonicus (con riferimento al Giappone) va da metà maggio a metà settembre, con un massimo tra metà giugno e fine agosto. Durante numerose prove di ingrasso della specie in Italia, sia in bacini lagunari che in vasche in terra, è stato possibile campionare femmine mature da settembre a novembre (Lumare et al., 1985). La numerosità e la presenza percentuale di queste ultime erano sempre in rapporto all andamento climatico e alla qualità dell ambiente. In schiuditoio invece, le femmine possono raggiungere la maturità già in febbraio-marzo. Anche le vasche per l ovodeposizione dovranno garantire alle femmine deponenti, per quanto attiene a volume e forma generale, l indispensabile libertà di movimento e la necessaria sicurezza. 98

11 Fecondità Nei Peneidi, la dimensione degli individui di sesso femminile (lunghezza/peso corporei) e il numero di uova prodotte sono direttamente correlati. In linea di massima quindi, a dimensioni maggiori corrisponde una maggior capacità produttiva, esprimibile come numero di uova emesse o presenti nell ovario. In natura, il numero di uova deposte da una femmina può variare da nelle specie più piccole (Parapenaeus), ad oltre in quelle più grandi (P. monodon). La capacità di stabulare e condizionare opportunamente lo stock di riproduttori ha riflessi positivi sia in ordine alla quantità di uova deposte che alla loro qualità, correlata a sua volta alle percentuali di schiusa, di sopravvivenza e di sviluppo normale degli stadi larvali e post-larvali. Oogenesi e vitellogenesi L intero processo di formazione, moltiplicazione, differenziamento e accrescimento dei gameti femminili ha luogo nell ovario ed è caratterizzato da una serie di trasformazioni cellulari, morfologiche e funzionali, che comprendono: la moltiplicazione degli oogoni (precursori diploidi dei gameti femminili) il differenziamento degli oogoni in oociti primari (nei quali ha luogo la divisione meiotica); la previtellogenesi la vitellogenesi I a la vitellogenesi II a la maturazione meiotica (ovulazione e blocco in metafase I a ). 99

12 All ovodeposizione, che conclude la gametogenesi, fanno seguito l attivazione e la fecondazione, con la ripresa della meiosi e l avvio dello sviluppo embrionale. L oogenesi, che si conclude con la previtellogenesi, è un fenomeno continuo, regolato dagli ormoni MH, e comprende il differenziamento e l evoluzione degli oogoni in oociti primari. La vitellogenesi, invece, è un processo discontinuo, essendo limitata al periodo riproduttivo. In questa fase si ha accumulo di tuorlo, o vitello, all interno degli oociti. Il precursore extra-ovarico del vitello è la vitellogenina, una proteina ad alto peso molecolare associata a lipidi, glucidi e gruppi prostetici di carotenoidi, che una volta internata negli oociti prende il nome di vitellina (o lipovitellina). In P. japonicus le sedi di sintesi della vitellogenina sembrano essere lo stesso ovario ed il tessuto adiposo subepidermico. Maturazione e rimaturazione Per quanto sia accertato che un Peneide, in natura, dà luogo annualmente o stagionalmente a più ovodeposizioni, non è noto con precisione il loro numero medio per specie e per periodo. Yano (1984) ha dimostrato, in P. japonicus, la possibilità di una ripresa del processo maturativo subito dopo l ovodeposizione. Si ritiene che in cattività il numero medio mensile di ovodeposizioni per femmina epeduncolata possa variare da 1 a 3 (Bray e Lawrence, 1992). 100

13 Peneidi a thelycum aperto e a thelycum chiuso Il genere Penaeus viene suddiviso a sua volta in 6 sottogeneri (Holthuis, 1980): - Farfantepenaeus; - Fenneropenaeus; - Utopenaeus; - Marsupenaeus; - Melicertus; - Penaeus. In base alla struttura del thelycum le differenti specie sono incluse nel tipo a thelycum aperto (sottogenere Litopenaeus), o in quello a thelycum chiuso (altri cinque sottogeneri). Si ricorda che il thelycum è la porzione esterna dell apparato genitale femminile: una struttura per l accoglimento provvisorio (thelycum aperto) o stabile (thelycum chiuso) del seme maschile che qui viene collocato durante l accoppiamento, racchiuso in contenitori che prendono il nome di spermatofore. La forma del thelycum risponde in modo differente, nei due tipi sopra descritti, alla stessa funzione vitale, cioè quella di raccogliere lo sperma affinché le uova possano in seguito essere fecondate. Nelle specie a thelycum chiuso il maschio si accoppia con una femmina soft (cioè morbida, che ha da poco esuviato), inserendo le spermatofore entro il ricettacolo seminale. Data appunto la struttura del thelycum, il seme può essere conservato a lungo, anche per molti giorni, di solito fino all emissione delle uova o alla muta successiva. Nelle specie a thelycum aperto, invece, l accoppiamento ha luogo tra un maschio ed una femmina hard (cioè dura, in accordo alla consistenza dell esoscheletro) e precede di poche ore l ovodeposizione. 101

14 *Distribuzione tassonomica (per sottogeneri e specie) e geografica dei Peneidi a thelycum aperto e chiuso. POR) Pacifico Orientale; PIO) Pacifico Indo Occidentale; M) Mediterraneo; AOR) Atlantico Orientale; AOC) Atlantico occidentale. Le spermatofore vengono fatte semplicemente aderire a protuberanze e spinosità del thelycum dove non possono però permanere a lungo. In questo gruppo l accoppiamento precede di poco l ovodeposizione e non può che interessare femmine ormai mature, nelle quali la vitellogenesi sia sostanzialmente completata e l ovulazione prossima. 102

15 Nei due gruppi, a thelycum chiuso e a thelycum aperto, muta ed ovodeposizione sono dunque intervallate da accoppiamento-maturazione e da maturazione-accoppiamento, rispettivamente. In entrambi, durante l ovodeposizione si ha la contemporanea fuoriuscita degli spermatozoi e in tal modo le uova vengono fecondate nell ambiente esterno. Con riferimento alla riproduzione controllata, le due modalità implicano tecniche e interventi operativi molto diversi. Nel caso delle specie a thelycum aperto, la presenza di spermatofore aderenti al thelycum consente la selezione di femmine sicuramente prossime all ovodeposizione. Nel caso invece di gamberi a thelycum chiuso, solo le femmine con gonadi in avanzato stato di maturità, oltre che fecondate, sono potenzialmente idonee all ovodeposizione. Comunque, si pone il problema del condizionamento dei riproduttori che, per raggiungere la maturità sessuale, devono essere opportunamente stabulati, alimentati e trattati. 103