Structural, molecular and functional characterisation of visual photoreceptors and opsins in sole: an ontogenetic, chronobiological and environmental approach

Abstract

La metamorfosis de los peces planos está acompañada de cambios drásticos, que determinan una reorganización total del cuerpo, una remodelación cráneo-facial y la migración de los ojos hacia el lado ocular superior, que transforma a las larvas simétricas en juveniles asimétricos. Durante la metamorfosis, los peces planos también experimentan una migración vertical en la columna de agua desde hábitats pelágicos a bentónicos, que determina un cambio en sus hábitos de vida de diurnos a nocturnos, y marcadas diferencias en la intensidad y el espectro de luz a los que están expuestos los animales. En este contexto, esta tesis doctoral pretendía aumentar nuestros conocimientos sobre el sistema visual de los lenguados (lenguado senegalés y lenguado común), tanto a nivel estructural como molecular, mediante: el análisis del plan de organización del mosaico de los conos de la retina; la identificación, la localización celular y la cuantificación de las opsinas visuales y de sus ritmos circadianos durante el desarrollo temprano, la metamorfosis, la etapa juvenil y en adultos; y, la caracterización de los efectos del fotoperiodo y del espectro de luz en la expresión y los ritmos circadianos de las opsinas visuales durante el desarrollo. Para ello, hemos llevado a cabo tres estudios, todos ellos ya publicados en revistas internacionales SCI. En el primer manuscrito, se caracterizaron los mosaicos de conos de la retina en dos especies de peces planos de la familia Soleidae, el lenguado senegalés (Solea senegalensis) y el lenguado común (Solea solea), y se compararon con los de otros peces para explorar la variabilidad en el patrón de organización de los conos y su relación con la función y la adaptación visual tras el cambio de hábitats y hábitos de vida que representa la metamorfosis. Además, cuantificamos la expresión de opsinas visuales en diferentes regiones de la retina en ambas especies, y caracterizamos los espectros de absorbancia de los diferentes pigmentos visuales presentes en fotorreceptores aislados de la retina del lenguado común mediante microespectrofotometría. En un segundo manuscrito, analizamos la ontogenia y la localización retiniana de los fotopigmentos visuales, y en particular, de la rodopsina (Rh1), y de las cono-opsinas sensibles a longitudes de onda corta (Sws1 y Sws2), longitudes de onda media (Rh2.3 y Rh2. 4) y longitudes de onda larga (Lws), en especímenes de lenguado mantenidos en ciclos de luz-oscuridad con luz blanca (LDW), azul (LDB), roja (LDR) y en condiciones de luz blanca constante (LL), mediante el uso de RT-qPCR e hibridación in situ. En el tercer manuscrito, analizamos los ritmos diarios de expresión de la rodopsina y de las cinco cono-opsinas identificadas en el lenguado en el día de la eclosión, en pre-metamorfosis, en metamorfosis y en post-metamorfosis, en ejemplares mantenidos en condiciones de LDW, LDB, LDR y LL. Los resultados obtenidos en esta tesis han ampliado nuestro conocimiento básico sobre la metamorfosis de los peces planos, la ecología, la adaptación ambiental, la estructura de la retina y la plasticidad de las opsinas en este grupo de peces. Además, han proporcionado una información muy valiosa para el diseño de protocolos de iluminación adaptados a las diferentes etapas del desarrollo, que pueden ser de gran utilidad para mejorar el bienestar y la producción del lenguado en acuicultura. Por último, han puesto de manifiesto la importancia del uso de condiciones de iluminación similares a las encontradas en el medio natural para el correcto desarrollo de esta especie en cultivo.

Flatfish metamorphosis is accompanied by remarkable changes, including a total reorganization of the body, a craniofacial remodeling and eye migration to the upper ocular side, transforming symmetrical larvae into asymmetrical juveniles. During metamorphosis, sole experiences a vertical migration in the water column from pelagic to benthonic habitats that determines marked differences in the light intensity and spectrum to which the animals are exposed, and a shift in living habits from diurnal to nocturnal. In this context, this PhD thesis was aiming to increase our knowledge on the visual system of soles (Senegalese sole and common sole) at both the structural and molecular levels by: (1) analyzing the cone mosaic plan in the retina; (2) identifying, localizing and quantifying opsins and their rhythms during early development, metamorphosis, juvenile stage and adults; and, (3) characterizing the effects of light photoperiod and spectrum on developmental expression and rhythms of visual opsins. For this purpose, we carried out three studies, all of them already published in peerreview journals. In the first manuscript, the retinal cone mosaics in two species of Soleidae flatfishes, the Senegalese sole (Solea senegalensis) and the common sole (Solea solea), were characterized and compared to those from other fishes to explore variability in cone patterning and how it may relate to visual function and visual adaptation after the change in living habitats and habits. We further quantified visual opsin transcripts in different regions of the retina in both species and characterized visual pigment absorbance spectra from isolated photoreceptors in common sole retina by microspectrophotometry. In a second manuscript, we analyzed the ontogeny and the retinal localization of visual photopigments, namely, rod opsin (Rh1), short wavelength-sensitive (Sws1 and Sws2), medium wavelength-sensitive (Rh2.3 and Rh2.4), and long wavelength-sensitive (Lws) cone opsins, in sole specimens maintained in light-dark cycles of white (LDW), blue (LDB), red (LDR), and continuous white (LL) lights by using RT-qPCR and in situ hybridization. In the third manuscript, we analyzed the daily expression rhythms of rod opsin and the five cone opsins at hatching, pre-metamorphosis, metamorphosis and postmetamorphosis in sole specimens maintained under LDW, LDB, LDR and LL. The results obtained in this thesis have enlarged our basic knowledge on flatfish metamorphosis, ecology, environmental adaptation, retinal structure and opsin plasticity. Moreover, they have provided helpful information to develop light protocols adapted to the different ontogenetic stages that could improve welfare and production of sole in the aquaculture practice, highlighting the importance of using natural lighting conditions for the proper development of this species.