The role of seminal plasma in fish sperm conservation: biochemical characterization, sperm motility relationships, and cryopreservation applications in Piaractus mesopotamicus and Dicentrarchus labrax

Sperm cryopreservation in fish is an important biotechnology for aquaculture and species conservation, enabling long-term gamete storage, off-season crossings, genetic material transport, and the preservation of genetic variability in both wild and farmed populations. Although many protocols have advanced, most remain limited to the freezing and thawing of spermatozoa, without considering the role of seminal plasma a fluid that naturally regulates motility, provides antioxidant protection, and maintains cellular integrity. Thus, understanding and exploiting the biochemical particularities of seminal plasma may be crucial to minimize the adverse effects of the cryogenic process and to enhance the effectiveness of conservation methods. The experiments described in Chapters 1 and 2 were conducted in Brazil using the neotropical freshwater species Piaractus mesopotamicus (pacu), widely farmed in continental aquaculture. Chapter 1 focused on the associations between the ionic composition of seminal plasma and sperm kinetic parameters. Multivariate analysis revealed correlations such as calcium with linear velocity (VSL) and glucose with total motility. These findings confirm the regulatory role of ions and organic components in preserving sperm functionality, demonstrating that seminal plasma functions not merely as a medium, but as an active modulator of semen quality. Chapter 2 addressed the development of a cryopreservation protocol for P. mesopotamicus based on prior knowledge of its semen. Different extender solutions were tested, formulated according to the ionic composition of seminal plasma. Among them, Treatment 3 stood out, combining higher velocity values with lower DNA fragmentation and higher fertilization rates after thawing. This highlights that tailoring extender solutions to the biochemical properties of seminal plasma is essential for minimizing cryodamage and optimizing post-thaw sperm viability. Chapter 3 was conducted in Spain (Valencia) with the commercially valuable marine species Dicentrarchus labrax (European sea bass). In this study, natural seminal plasma was compared with the synthetic extender NAM, a previously established medium. Results showed that seminal plasma was more effective in maintaining motility and sperm kinetic parameters during storage at 4 °C for up to 48 h and after cryopreservation, although no significant differences were observed in DNA fragmentation compared with NAM. This suggests that natural seminal plasma provides essential biochemical components, such as ions and antioxidants, absent in synthetic extenders, confirming it as a promising alternative for optimizing semen conservation protocols in marine species. Taken together, the three chapters emphasize that seminal plasma is not merely a supportive medium, but an active element in regulating motility and preserving sperm integrity. Identifying its ionic and biochemical composition and applying it in cryopreservation protocols drive progress in aquaculture and genetic conservation, offering more efficient and sustainable alternatives for both freshwater and marine species.

Resumo (português)

A criopreservação de sêmen em peixes é uma biotecnologia importante para a aquicultura e a preservação de espécies, possibilitando o armazenamento de gametas por longos períodos, permitindo cruzamentos fora de época, o transporte de material genético e a preservação da variabilidade genética em populações selvagens e em cultivo. Embora muitos protocolos tenham avançado, a maior parte deles se limita ao congelamento e descongelamento dos espermatozoides, sem levar em conta o papel do plasma seminal, o fluido que, de forma natural, regula a motilidade, oferece proteção antioxidante e mantém a integridade celular. Com isso, conhecer e explorar as particularidades bioquímicas do plasma seminal pode ser fundamental para minimizar os efeitos adversos do processo criogênico e aumentar a eficácia dos métodos de conservação. Os experimentos dos Capítulos 1 e 2 foram realizados no Brasil, utilizando a espécie neotropical de água doce Piaractus mesopotamicus (pacu), amplamente cultivada na aquicultura continental. No primeiro capítulo, foram descritas as associações entre a composição iônica do plasma seminal de P. mesopotamicus e os parâmetros cinéticos espermáticos. A análise multivariada indicou algumas correlações, como cálcio e velocidade linear (VSL) e a glicose sobre a motilidade total. Esses resultados confirmam o papel regulador dos íons e de componentes orgânicos na preservação da funcionalidade espermática, demonstrando que o plasma seminal não atua apenas como meio, mas como modulador ativo da qualidade do sêmen. O segundo capítulo, se dedicou ao desenvolvimento de um protocolo de criopreservação para a espécie P. mesopotamicus, aplicando as informações previamente obtidas sobre o sêmen. Foram testadas diferentes soluções extensoras baseadas nas concentrações iônicas do plasma seminal. Entre eles, o Tratamento 3 destacou-se por associar maiores valores de velocidade a menores índices de fragmentação de DNA e maiores taxas de fertilização após o descongelamento, evidenciando que a personalização das soluções extensoras conforme as características bioquímicas do plasma seminal são importantes para minimizar danos e otimizar a viabilidade espermática pós-descongelamento. O Capítulo 3 foi desenvolvido na Espanha (Valência), com a espécie marinha de elevado valor comercial Dicentrarchus labrax (robalo-europeu). Nesse estudo, comparou-se o plasma seminal natural com o diluidor sintético NAM, previamente estabelecido. Os resultados demonstraram que o plasma seminal foi mais eficiente na manutenção da motilidade e dos parâmetros cinéticos durante o armazenamento a 4 °C por até 48 h e após a criopreservação, ainda que não tenham sido observadas diferenças significativas na fragmentação de DNA em relação ao NAM. Isso sugere que o plasma seminal natural oferece componentes bioquímicos essenciais, como íons e antioxidantes, que não estão presentes em diluentes sintéticos, confirmando-o como uma alternativa promissora para otimizar protocolos de conservação de sêmen em espécies marinhas. Em conjunto, os três capítulos destacam que o plasma seminal não é apenas um meio de sustentação, mas sim um elemento ativo na regulação da motilidade e na preservação da integridade dos espermatozoides. A identificação de sua composição iônica e bioquímica, juntamente com sua utilização em protocolos de criopreservação, impulsiona o progresso na aquicultura e na conservação genética, proporcionando alternativas mais eficientes e sustentáveis para espécies de água doce e marinhas.

Palavras-chave

Peixes, Criopreservação, Preservação do sêmen, Plasma, Motilidade dos espermatozoides

Idioma

Inglês

Citação

BORGES, Laís Pedroso. The role of seminal plasma in fish sperm conservation: biochemical characterization, sperm motility relationships, and cryopreservation applications in Piaractus mesopotamicus and Dicentrarchus labrax. 2025. Tese (Doutorado em Zoologia) – Instituto de Biociências, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Botucatu, 2025.