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Introducción
A menudo se piensa en la reproducción en términos simplistas: los machos y las hembras se aparean, el macho transfiere los espermatozoides que fertilizan los óvulos y se produce progenie. Sin embargo, la reproducción requiere una serie de interacciones entre machos y hembras, comportamentales, físicas y moleculares, que son integrales para la generación exitosa de la progenie. La interrupción de cualquiera de estas interacciones puede tener consecuencias importantes en la fertilidad de una pareja.
Antes de copular, los machos y las hembras necesitan encontrarse y reconocer que son del sexo opuesto y de la misma especie (Gibson et al. 2010; Baker et al. 2019). Esto se logra a través de señales específicas de la especie y del sexo (Yuval 2006; Gibson et al. 2010; Baker et al. 2019). Una vez que la pareja se encuentra, los machos deben cortejar con éxito a la hembra, lo cual varía ampliamente, a veces involucrando elaborados rituales de cortejo u otra interacción de comportamiento entre los dos sexos (Quigley y Fusani 2018; Baker et al. 2019).
Cuando una hembra acepta las insinuaciones de un macho, puede producirse la cópula. En los insectos, el apareamiento resulta en una serie de cambios fisiológicos y de comportamiento en las hembras conocidos como respuestas post-apareamiento, que sirven principalmente para facilitar la producción de progenie (Gillott 2003; Avila et al. 2011; Baldini et al. 2012; Gabrieli et al. 2014; Hopkins et al. 2018). Estos cambios en la hembra incluyen aumento en el desarrollo de los huevos, ovulación y oviposición, aumento en las actividades de alimentación y consumo, cambios en las tasas de digestión y/o preferencias alimentarias, alteración de la longevidad e inducción de una respuesta inmune (Gillott 2003; Avila et al. 2011; Baldini et al. 2012; Gabrieli et al. 2014; Hopkins et al. 2018; Villarreal et al. 2018; Reynolds et al. 2020).
Las proteínas y moléculas pequeñas, causantes de los cambios post-apareamiento en la hembra están presentes en el eyaculado masculino y se transfieren al tracto reproductivo femenino junto con los espermatozoides durante el apareamiento (Hopkins et al. 2017). Las proteínas del fluido seminal (SFPs por su siglas en inglés) desempeñan un papel importante en la mediación de la respuesta femenina posterior al apareamiento en varias especies y son necesarias para el almacenamiento y posterior función de espermatozoides en las hembras en insectos (Gillott 2003; Avila et al. 2011; Baldini et al. 2012; Hopkins et al. 2018). Aunque los componentes de la eyaculación masculina inducen la respuesta de las hembras después del apareamiento, las hembras no son jugadoras pasivas en la reproducción, ya que se cree que los genes específicos que las hembras expresan en los tejidos del tracto reproductivo (muchos de los cuales están regulados por el apareamiento) coordinan sus actividades con las SFPs para generar con éxito la progenie (Schnakenberg et al. 2011; Sun y Spradling 2013; Shaw et al. 2014).
Además de las moléculas específicas de machos y hembras esenciales para la fertilidad, los factores ambientales también pueden influir en la reproducción de los insectos (Reinhold et al. 2018; Meuti y Short 2019). Las condiciones de crianza, el estado nutricional y la variable climática influyen en la fertilidad (Reinhold et al. 2018; Yan et al. 2021). A su vez, la microbiota bacteriana residente en los insectos, a menudo adquirida durante las etapas larvarias, también puede influir en la fertilidad de una pareja (Coon et al. 2016a, b). Por lo tanto, la reproducción exitosa es una confluencia de numerosos factores, cada uno de los cuales juega un papel en la generación de la progenie.
En esta revisión, se discute el proceso reproductivo de dos géneros de mosquitos vectores de enfermedades, Aedes y Anopheles. En estos vectores, el estudio de la reproducción es importante ya que, (a) está asociada a la capacidad vectorial (Mitchell et al. 2015), (b) las características del proceso reproductivo pueden ser usadas para desarrollar nuevos métodos de control o mejorar los existentes (Johnson y Ritchie 2016), y (c) las técnicas de control alternativas como la liberación de insectos adultos infectados con bacterias específicas (Hoffmann et al. 2011) o de mosquitos genéticamente modificados (Winskill et al. 2015; Qsim et al. 2017), dependen de la competencia reproductiva de los mosquitos desarrollados en laboratorio. Así pues, se discute cómo algunas especies de Aedes y Anopheles se reconocen y se localizan entre sí y se describen sus comportamientos copulatorios antes del apareamiento. Similar a hembras en otros organismos, los mosquitos también experimentan cambios posteriores al apareamiento. Se describen los componentes de la eyaculación que provocan estos cambios en especies de Aedes y Anopheles. Finalmente, se examina cómo los factores ambientales pueden influir en la fisiología de machos y hembras y que alteran su aptitud reproductiva.
Interacciones precopulatorias entre mosquitos, machos y hembras.
El primer paso para una reproducción exitosa debe ser la localización y atracción de individuos del sexo opuesto de la misma especie (Gibson et al. 2010). Los mosquitos responden a diferentes estímulos cuya finalidad es un apareamiento exitoso (Yuval 2006). En general, Aedes y Anopheles tienen diferentes comportamientos de localización y atracción (Yuval 2006).
La mayoría de las especies de anofelinos caracterizadas han sido especies africanas que copulan en enjambres (Yuval 2006; Diabaté et al. 2011; Baeshen 2022). El enjambre es una agregación de individuos, en su mayoría machos, que vuelan en conjunto y cuya función es servir como arena para estimular la cópula (Clements 1999; Diabaté et al. 2011). Según la especie, los enjambres pueden ser formados por diferentes cantidades de individuos, de decenas a cientos, y encontrarse a diferentes alturas (Howell y Knols 2009; Manoukis et al. 2009; Assogba et al. 2010). Su formación depende de la luz, el ciclo circadiano de los individuos y de marcadores visuales en el piso o en el horizonte (Sawadogo et al. 2013; Poda et al. 2019; Wang et al. 2021). Para la mayoría de las especies de anofelinos estudiadas, los enjambres se forman al atardecer (Charlwood y Jones 1980; Diabaté et al. 2003). Sin embargo, poco es lo que se sabe de las especies anofelinas del Nuevo Mundo. Al inicio del enjambre, los machos se van uniendo, formando una agregación suelta, para posteriormente formar un grupo más rígido y denso de mosquitos (Howell y Knols 2009). Las hembras llegan al enjambre una vez formado, tiempo que también es dependiente de la especie. Los machos copulan con las hembras que entran al enjambre o se alejan del enjambre temporalmente para copular con hembras que vuelan cerca (Charlwood y Jones 1980; Charlwood et al. 2002; Diabaté et al. 2003; Howell y Knols 2009; Diabaté et al. 2011).
Por otro lado, los machos de Aedes aegypti forman agregaciones más pequeñas de máximo un par de docenas, cerca a los pies o piernas del huésped, esperando a que alguna hembra se acerque a alimentarse (Hartberg 1971; Yuval 2006; Cabrera et al. 2007; Cator et al. 2011), aunque también se han observado enjambres cerca a grandes árboles o sobre sitios de oviposición. Sin embargo, la formación de enjambre en Ae. aegypti no es un comportamiento obligatorio para copular ya que también se han observado machos volando en solitario para interceptar hembras, formando parejas únicas de mosquitos (Oliva et al. 2014). Esta plasticidad permite que especies de Aedes copulen a diferentes horas del día, aunque se observan picos crepusculares (Hartberg 1971; Oliva et al. 2014).
La formación de enjambre y la atracción de las hembras se da posiblemente por una combinación de una variedad de señales olfativas, auditivas y visuales (Diabaté et al. 2011; Oliva et al. 2014; Vaníčková et al. 2017; Mozūraitis et al. 2020; Cator et al. 2021; Baeshen 2022). Así, por ejemplo, en Ae. aegypti, los machos en enjambre producen una feromona “de agregación” que atrae a individuos de ambos sexos (Fawaz et al. 2014; Oliva et al. 2014). La interacción del macho con la hembra dentro del enjambre ocurre en el aire y puede terminar en apareamiento o en rechazo por parte de la hembra (Cator et al. 2021). Así mismo, estudios han demostrado que machos de An. arabiensis y An. gambiae producen y liberan feromonas de agregación que atraen a machos y a hembras y es importante para el éxito de copula (Mozūraitis et al. 2020). Tanto en Aedes como en Anopheles, no hay una forma clara de cortejo; sin embargo existe evidencia que demuestra que los individuos se aparean con parejas que presentan características específicas, que incluyen tamaño, antecedentes genéticos y formas de crianza (Qureshi et al. 2019; Cator et al. 2021), aunque es poco lo que se sabe al respecto. Aun así, en algunas especies como An. gambiae, se cree que el proceso de cópula es tan rápido que no hay selección de la pareja (Diabaté et al. 2011).
Uno de los factores necesarios para que mosquitos del sexo opuesto de la misma especie se encuentren y se seleccionen unos a otros, son las señales auditivas. Se ha sabido por mucho tiempo que en Ae. aegypti, el macho es atraído por la frecuencia del batido de las alas que producen las hembras al volar (WBF, wing beat frequency por sus siglas en inglés) (Roth 1948) y que el sonido es un componente esencial en el comportamiento de apareamiento de la mayoría de los mosquitos (Belton 1994).
La caracterización de las interacciones acústicas entre machos y hembras se ha hecho principalmente con mosquitos inmovilizados que pueden mover libremente sus alas. Machos y hembras inmovilizados de algunas especies de Anopheles (Pennetier et al. 2010), Culex (Warren et al. 2009), y Aedes (Cator et al. 2009) interactúan acústicamente cuando se encuentran en cercanía, alterando la frecuencia del batido de sus alas para converger en los componentes armónicos de sus señales, proceso conocido como convergencia armónica. La convergencia armónica también se ha descrito en parejas de Ae. aegypti donde la hembra está inmovilizada y el macho vuela libremente; en este caso la convergencia se correlaciona más frecuentemente con cópulas exitosas (Aldersley y Cator 2019). No obstante, poca es la información que se tiene sobre este comportamiento acústico en mosquitos en vuelo libre. En un estudio de laboratorio usando An. albimanus en vuelo libre no se detectó convergencia armónica (Pantoja-Sánchez et al. 2019), y en un estudio en campo que analizó el comportamiento de Ae. aegypti se detectó en una pareja lo que parece ser convergencia armónica (Cator et al. 2011). Aun así, se cree que la convergencia armónica es un mecanismo usado por las hembras para evaluar y determinar si deben aparearse con un macho en particular.
Otro comportamiento acústico descrito es la modulación rápida de frecuencia (RFM por sus siglas en inglés). Este tipo de comportamiento precópula se ha reportado en parejas donde el macho tiene un comportamiento estereotípico, en el que presenta un aumento en el tono de vuelo seguido por una modulación rápida de la frecuencia y es asociado al momento en el que el macho ha detectado, es atraído y se dirige hacia el tono producido por una hembra (Simões et al. 2016). La RFM representa una medida acústica de un intento de apareamiento por parte del macho (Simões et al. 2016). La identificación y caracterización de este comportamiento se ha realizado con machos de Ae. aegypti (Aldersley y Cator 2019), An. gambiae y An. coluzzi (Simões et al. 2017), Cx. quinquefasciatus (Simões et al. 2016) y An. darlingi (Montoya et al. 2021) en vuelo libre, que son atraídos ya sea hacia una hembra inmóvil o a un parlante reproduciendo el tono de la hembra. Adicionalmente, este comportamiento de RFM también se ha observado en An. albimanus (Pantoja-Sánchez et al. 2019), cuando los dos individuos vuelan libres. La RFM es un comportamiento independiente y diferente de las interacciones de convergencia armónica, y no está claro cómo se relacionan entre sí (Aldersley y Cator 2019).
Las interacciones acústicas entre machos también son importantes en la formación del enjambre. Dentro del enjambre, subgrupos de machos presentan vuelos paralelos y donde coincide la velocidad de cada individuo (Shishika et al. 2014). Estudios realizados con grupos de machos de Ae. aegypti inmovilizados, determinaron que cuando hay más de 6 individuos volando cerca se presenta cohesividad en los tonos acústicos de todos los machos (Aldersley et al. 2017). Adicionalmente, en grupos de machos de An. albimanus en vuelo libre la cohesividad de las frecuencias de los machos está asociada con vuelos en patrón, o similares a vuelos en enjambre (Pantoja-Sánchez et al. 2019). Esta cohesividad acústica de los machos que vuelan juntos puede ser útil para detectar cuando las hembras, con un tono diferente, entran al enjambre, facilitando así la cópula (Pantoja-Sánchez et al. 2019). Finalmente, estudios en An. coluzzii en vuelo libre, revelaron que los machos que vuelan en enjambre son más sensibles al sonido, lo que sugiere que los machos están más dispuestos a interactuar acústicamente con la hembra para copular, mientras que estudios en An. gambie muestran que el aumento en la sensibilidad al sonido es el resultado de control circadiano (Feugère et al. 2022; Somers et al. 2022).
Moléculas del fluido seminal provocan cambios en las hembras después de aparearse.
Durante el apareamiento, los machos transfieren fluido seminal al tracto reproductivo femenino. El fluido seminal es una mezcla compleja de espermatozoides y otras moléculas, incluidos lípidos, proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos y vitaminas (Hopkins et al. 2017). Se sabe desde hace algún tiempo, que el apareamiento induce cambios fisiológicos y de comportamiento en las hembras de diversos taxones; el conjunto de cambios es denominado respuesta post-apareamiento (PMR por sus siglas en inglés) de las hembras (Gillott 2003; Avila et al. 2011). Las PMRs de las hembras y los factores que las inducen se han estudiado ampliamente en el modelo de insecto Drosophila melanogaster, en la que las hembras exhiben numerosos cambios, que incluyen aumentos en las tasas de producción de huevos, ovulación, oviposición, actividad locomotora, y consumo de alimentos, y disminución de la tasa de digestión, esperanza de vida y receptividad sexual en las hembras apareadas (Gillott 2003; Avila et al. 2011; Hopkins et al. 2018). En D. melanogaster, el apareamiento también induce cambios transcripcionales en los tejidos del tracto reproductivo femenino y en los intestinos, induce una respuesta inmune, y causa cambios estructurales en estos (Avila et al. 2011; Rubinstein y Wolfner 2013; Mattei et al. 2015; Hopkins et al. 2018; White et al. 2021). Las SFPs, y no los espermatozoides, son los efectores principales de los cambios en las hembras de esta especie (Xue y Noll 2000; Avila et al. 2011; Hopkins et al. 2018; White et al. 2021). Además, las SFPs son importantes y necesarias para la acumulación de espermatozoides en los órganos de almacenamiento del tracto reproductivo femenino, y su posterior liberación para permitir la fertilización (Avila et al. 2011; Hopkins et al. 2018).
La localización final de las SFPs en los tejidos de las hembras después de la transferencia puede sugerir la función de cada proteína (Ravi Ram et al. 2005). Dentro del tracto reproductivo femenino, un subconjunto de SFPs de D. melanogaster se localizan en la superficie de los espermatozoides, y en los diferentes tejidos del tracto (p.ej., los ovarios, los oviductos, y los órganos de almacenamiento de espermatozoides) (Neubaum y Wolfner 1999; Heifetz et al. 2000; Peng et al. 2005; Ravi Ram et al. 2005; Singh et al. 2018). Así, por ejemplo, las SFPs que se localizan en la superficie de los espermatozoides o entran a los órganos de almacenamiento de los espermatozoides a menudo se requieren para el almacenamiento, liberación y/o la función adecuada de los espermatozoides en esta especie (Avila et al. 2011, 2017; Hopkins et al. 2018). Algunas SFPs de Drosophila pueden salir del tracto reproductivo femenino y entrar en la hemolinfa, como la proteína sex peptide (también conocida como Acp70A) capaz de ingresar al sistema nervioso para mediar los comportamientos femeninos posteriores al apareamiento (Avila et al. 2011; Hopkins et al. 2018). Por lo tanto, los estudios en Drosophila han demostrado la importancia de las SFPs en la fertilidad y han llevado a los investigadores a identificar proteínas seminales u otros componentes del fluido seminal necesarias para la fertilidad de mosquitos vectores de enfermedades.
Los tractos reproductivos masculinos y femeninos de Aedes aegypti y Anopheles gambiae .
En hembras de Ae. aegypti, el fluido seminal transferido por los machos entra a la bursa del tracto reproductivo femenino que se expande para acomodar el eyaculado (Figura 1A). Los espermatozoides localizados inicialmente en la bursa se orientan hacia las entradas de los órganos de almacenamiento, o espermatecas (Figura 1A) y comienzan a entrar ~ 30 segundos después de la inseminación (Degner y Harrington 2016a). En el tracto reproductivo masculino, las glándulas accesorias (Figura 1B) son los sitios principales de síntesis de las SFPs en este especie (Alfonso-Parra et al. 2014). La producción de los espermatozoides ocurre en los testículos, y los espermatozoides maduros que serán transferidos en el eyaculado son almacenados en las vesículas seminales (Figura 1B) (Foster y Lea 1975; Ndiaye et al. 1997).
En An. gambiae, los machos transfieren el eyaculado (espermatozoides y otros componentes) como un tapón de apareamiento gelatinoso que se localiza en el atrio femenino (Giglioli y Mason 1966) (Figura 1B). El tapón de apareamiento se degrada lentamente dentro del tracto reproductivo femenino y los espermatozoides se almacenan en la espermateca (Rogers et al. 2009; Mitchell et al. 2015; Bascuñan et al. 2020). Las glándulas accesorias son los sitios principales de síntesis de las SFPs identificados en esta especie (Baldini et al. 2012), y producen la hormona esteroide 20-hidroxiecdisona (20E) (Pondeville et al. 2008); la transferencia sexual de 20E induce varias respuestas post-apareamiento en las hembras de esta especie (Gabrieli et al. 2014). Como en otros insectos, los espermatozoides maduros se almacenan en las vesículas seminales (Figura 1B) del tracto reproductivo masculino (Ndiaye et al. 1997).
Figura 1 Tracto reproductivo femenino (A) y masculino (B) de especies de Aedes y Anopheles. Tracto reproductivo femenino: Ov = oviducto, Esp = espermateca, B = bursa, A = atria; Tracto reproductivo masculino: T = testículo, VS = vesículas seminales, GA = glándula accesoria. Los tractos reproductivos femeninos representan hembras apareadas. En (A) (Anopheles), el bastón representa el tapón de apareamiento dentro del atrio.
Cambios fisiológicos y comportamentales en las hembras apareadas de Aedes y Anopheles.
Las hembras de Aedes y Anopheles sufren cambios fisiológicos y comportamentales como resultado de la transferencia del fluido seminal del macho durante la cópula. Después de la inseminación, las hembras de Ae. aegypti experimentan varios cambios, que incluyen la producción de huevos (Meuti y Short 2019), aumento de la longevidad de las hembras (Helinski y Harrington 2011; Villarreal et al. 2018), la disminución en la incidencia de re-apareamiento (Degner y Harrington 2016b), y la disminución en la actividad de vuelo (Jones 1981). Además, el apareamiento inhibe la convergencia armónica de las hembras (League et al. 2019), un posible mecanismo para evitar un nuevo apareamiento. Al igual que en D. melanogaster, la copulación induce cambios en la expresión génica en los tejidos del tracto reproductivo femenino (Alfonso-Parra et al. 2016; Camargo et al. 2020; Pascini et al. 2020), y algunos de estos genes responden directamente a la recepción de las SFPs (Amaro et al. 2021). Estudios iniciales sugirieron que el apareamiento alteraba los comportamientos de búsqueda de huéspedes y el tamaño de la comida de sangre en las hembras de Ae. aegypti (Klowden 1995; Klowden 1999; Gillott 2003), sin embargo, un estudio reciente demostró que ni el apareamiento ni la recepción de SFP alteran la búsqueda de huéspedes, el tamaño de la ingesta de sangre o la tasa de digestión (League et al. 2021) en esta especie.
Las hembras de Anopheles también experimentan cambios posteriores al apareamiento similares a los observados en los mosquitos Aedes, ya que se suprime el reapareamiento (Baimai y Green 1987; Tripet et al. 2003), se aumenta la producción de huevos (Baldini et al. 2012), y reduce la actividad del vuelo (Jones y Gubbins 1978). Similar a lo observado en D. melanogaster, en An. gambiae no se requieren espermatozoides para producir una respuesta postcopulatoria, ya que machos sin espermatozoides pueden inducir cambios en sus parejas (Thailayil et al. 2011), implicando a otros componentes seminales en las PMRs femeninas. El apareamiento también causa cambios estructurales (Rogers et al. 2008) y cambios transcripcionales en los tejidos del tracto reproductivo femenino (Rogers et al. 2008; Gabrieli et al. 2014; Shaw et al. 2014).
Las proteínas del fluido seminal provocan cambios en las hembras de Aedes.
Experimentos realizados en Ae. aegypti, demostraron que la implantación de las glándulas accesorias masculinas (Figura 1B) en las hembras induce varios PMRs en esta especie (Leahy y Craig 1965; Craig 1967; Yeh y Klowden 1990) y que los componentes de las glándulas accesorias responsables de estos efectos son proteínicos (Fuchs et al. 1968; Fuchs et al. 1969), sugiriendo que este órgano produce proteínas responsables de los cambios observados posteriores al apareamiento. Así mismo, la inyección de extractos de las glándulas accesorias masculinas en hembras vírgenes inhibe el apareamiento a largo plazo en las hembras de Ae. aegypti y Ae. albopictus (Helinski et al. 2012), inhibe la convergencia armónica en Ae. aegypti (League et al. 2019), disminuye la actividad locomotora en Ae. albopictus (Feitoza et al. 2020), induce la puesta de huevos en Ae. aegypti (Villarreal et al. 2018), y aumenta la esperanza de vida de las hembras en Ae. aegypti (Villarreal et al. 2018), lo que proporciona más pruebas de que las moléculas producidas en las glándulas accesorias masculinas son responsables de la inducción de PMRs femeninas en los mosquitos Aedes.
En la actualidad, sabemos que las glándulas accesorias masculinas son los principales sitios de síntesis de las SFPs en Ae. aegypti (Alfonso-Parra et al. 2014), lo que sugiere que las proteínas producidas allí son los efectores primarios de las PMRs en esta especie. Hasta la fecha, se han identificado 280 SFPs de Ae. aegypti (Degner et al. 2018) y 198 SFPs de Ae. albopictus (Boes et al. 2014) que son transferidas a las hembras durante el apareamiento. La composición de las SFPs de Ae. aegypti y Ae. albopictus son similares a los eyaculados de otros taxones, con categorías de proteínas similares en proporciones semejantes (Avila et al. 2011; Baldini et al. 2012; Hopkins et al. 2017; Wigby et al. 2020). Sin embargo, una dificultad importante en el estudio de la función de las SFPs es que los genes que codifican para estas proteínas son de los que evolucionan más rápidamente del genoma, y tienen una baja homología incluso entre especies estrechamente relacionadas (Chapman 2008; Hopkins et al. 2017), requiriendo el análisis funcional de las SFPs en cada especie.
Aunque las SFPs en conjunto efectúan en las hembras de Aedes los PMRs, solamente se ha dilucidado la función de una proteína seminal: Head-Peptide I (HP-I). HP-I se expresa en las glándulas accesorias masculinas y se transfiere a las hembras durante el apareamiento (Naccarati et al. 2012), para provocar una inhibición transitoria del reapareamiento de las hembras en la primera hora después de la cópula (Duvall et al. 2017). Aunque las hembras Ae. aegypti se consideran monógamas, una pequeña proporción se aparean nuevamente en las primeras horas después del apareamiento inicial; el reapareamiento disminuye con el tiempo hasta que las hembras se vuelven completamente refractarias a las 24 horas (Degner y Harrington 2016b). Se cree que HP-I refuerza la monogamia a corto plazo, antes de que componentes adicionales de las glándulas accesorias masculinas eliminen el reapareamiento a largo plazo. Los machos de Ae. aegypti también transfieren la hormona juvenil III al tracto reproductivo femenino, y afectan el almacenamiento de lípidos en los ovarios, lo que mejora el desarrollo del folículo ovárico después de una ingestión de sangre que conduce a un aumento de la oviposición (Clifton et al. 2014).
20-hidroxiecdisona causa cambios postcopulatorios en las hembras de Anopheles gambiae.
A diferencia de Ae. aegypti, el papel de las secreciones de las glándulas accesorias en la inducción de PMR femenina en anofelinos no fue tan evidente, ya que experimentos de trasplantación de las glándulas accesorias a las hembras e inyección de extractos de las glándulas accesorias dieron resultados mixtos (revisado en Baldini et al. 2012). Por ejemplo, al examinar la inhibición del apareamiento después de la inyección de extractos de glándulas accesorias masculinas, algunos investigadores no encontraron ningún efecto (Klowden 2001) mientras que otros sí (Shutt et al. 2010).
Experimentos más recientes identificaron SFPs producidas en las glándulas accesorias masculinas de An. gambiae que son necesarias para algunos procesos posteriores al apareamiento y requeridas para la fertilidad. Inicialmente, Dottorini et al. (2007) realizaron una comparación bioinformática de D. melanogaster y An. gambiae en la que identificaron 46 genes expresados en las glándulas accesorias de esta especie. Rogers et al. (2009) realizaron un análisis de espectrometría de masas para identificar las proteínas específicas de los machos transferidas en el tapón de apareamiento, identificaron 25 SFPs. Así por ejemplo, la formación del tapón de apareamiento se da mediante la reticulación de la SFP Plugin por una transglutaminasa específica producida en las glándulas accesorias masculinas (Rogers et al. 2009). La eliminación de Plugin por medio de RNAi da como resultado una disminución significativa en la cantidad de espermatozoides almacenados en la espermateca (Rogers et al. 2009). Tras el análisis de la expresión génica del genoma completo del An. gambiae (Baker et al. 2011), Baldini et al. (2012) identificaron 50 genes adicionales expresados en las glándulas accesorias. Sin embargo, se conoce la función solo de algunos de estos genes en la fertilidad de An. gambiae. Adicionalmente, Dottorini et al. (2013) identificaron un factor de choque térmico que regula la transcripción de algunas de las SFPs. El silenciamiento de este factor de choque térmico en los machos afecta la cantidad de progenie producida en sus parejas (Dottorini et al. 2013). Sin embargo, el tapón de acoplamiento no se forma con el silenciamiento de este factor de choque térmico (Dottorini et al. 2013). Por lo tanto, no se sabe si la fertilidad suprimida observada es un resultado directo del silenciamiento de los SFPs o si se debe a un defecto de almacenamiento de esperma asociado con la formación incompleta del tapón de apareamiento (Rogers et al. 2009).
Posteriormente, se identificaría un componente no proteínico del líquido seminal que causa cambios en An. gambiae hembras después del apareamiento. A diferencia de Aedes y Drosophila, el efector principal de los PMRs femeninos en las hembras de An. gambiae no es una proteína seminal, sino la hormona esteroide 20-hidroxiecdisona (20E) (Gabrieli et al. 2014). 20E es un ecdiesteroide presente en insectos, que tiene una variedad de funciones, incluida la regulación de la muda en las etapas juveniles, y el aprendizaje, el sueño y las interacciones sociales en adultos (Ishimoto y Kitamoto 2011; Yamanaka et al. 2013). Machos de An. gambiae producen 20E en las glándulas accesorias masculinas y lo transfieren a las hembras durante el apareamiento (Pondeville et al. 2008; Mitchell et al. 2015). La inyección de 20E en hembras vírgenes es suficiente para inhibir el re-apareamiento (Gabrieli et al. 2014), inducir la ovogénesis y la oviposición (Baldini et al. 2013; Gabrieli et al. 2014), y efectuar cambios transcripcionales en el tracto reproductivo femenino de esta especie (Gabrieli et al. 2014), lo que muestra que esta hormona esteroidea es el principal efector de los cambios posteriores al apareamiento en esta especie. Sin embargo, no todos los vectores anofelinos de malaria utilizan 20E para inducir las PMRs. Por ejemplo, los machos de An. albimanus no producen 20E en sus glándulas accesorias (Mitchell et al. 2015), lo que sugiere que otras moléculas de los machos inducen las PMRs en las hembras de algunas especies de Anopheles.
Los genes expresados en el tracto reproductivo de la hembra son necesarios para la fertilidad en especies de Aedes y Anopheles.
Aunque hasta el momento se ha hecho énfasis en las moléculas específicas de los machos necesarias para la fertilidad, las moléculas de las hembras son también un requisito para la producción de progenie. En D. melanogaster, el apareamiento causa una gran cantidad de cambios transcripcionales en los tejidos del tracto reproductivo femenino (Avila et al. 2011), incluyendo genes expresados en las células secretoras de las espermatecas que son esenciales para la fertilidad (Allen y Spradling 2008; Prokupek et al. 2009). En esta misma especie, la ablación genética de las células secretoras de las espermatecas antes del apareamiento resulta en la esterilidad de las hembras, mientras que la ablación después del apareamiento (cuando se almacenan los espermatozoides) afecta la motilidad de los espermatozoides, la ovulación y la oviposición (Schnakenberg et al. 2011; Sun y Spradling 2013). Como la expresión génica posterior al apareamiento se correlaciona con los cambios estructurales observados en el tracto reproductivo femenino en An. gambiae y D. melanogaster (Rogers et al. 2008; Rubinstein y Wolfner 2013; Mattei et al. 2015), los genes que responden al apareamiento potencialmente pueden coordinar sus actividades con las SFPs transferidas y/o participar en los procesos fisiológicos necesarios para la fertilidad.
El apareamiento y la recepción de las SFPs en Ae. aegypti, o la recepción de 20E en An. gambiae induce cambios transcripcionales en los tejidos del tracto reproductivo femenino (Rogers et al. 2008; Gabrieli et al. 2014; Shaw et al. 2014; Alfonso-Parra et al. 2016; Camargo et al. 2020; Pascini et al. 2020; Reynolds et al. 2020; Amaro et al. 2021). En Ae. aegypti, el apareamiento y la alimentación con sangre provocan cambios en la expresión génica de las espermatecas (Camargo et al. 2020). Así, por ejemplo, un gen expresado en la espermateca y regulado por la alimentación con sangre, intercambiador Na + /Ca 2+ , es necesario para el desarrollo de los ovocitos (Camargo et al. 2020; Pascini et al. 2020). También es probable que el proceso de remoción de la capa exterior de los espermatozoides almacenados en las espermatecas, modificación que coincide con el momento en que los espermatozoides son capaces de fertilizar los óvulos (Noble et al. 2019), requiera factores femeninos que no han sido identificados. Incluso, solo un subconjunto de genes del tracto reproductivo femenino de Ae. aegypti regulados por el apareamiento, se expresan en las espermatecas (Alfonso-Parra et al. 2016; Camargo et al. 2020; Amaro et al. 2021), lo que sugiere que otros tejidos del sistema reproductor producen moléculas importantes en los procesos fisiológicos posteriores al apareamiento.
En An. gambiae, se han identificado numerosos genes en los tejidos del tracto reproductivo femenino que responden al apareamiento (Rogers et al. 2008; Gabrieli et al. 2014; Shaw et al. 2014). El gen Mating-Induced Stimulator of Oogenesis (MISO) expresado en el atrio, está directamente regulado por 20E y es necesario para el aumento en el desarrollo de los huevos inducido por el apareamiento (Baldini et al. 2013). Adicionalmente, la inducción de MISO en las hembras promueve la tolerancia a la infección por Plasmodium (Marcenac et al. 2020). Los genes que codifican para proteasas están altamente expresados en el atrio de la hembra en esta especie (Rogers et al. 2008; Mancini et al. 2011), y dos genes que codifican para serina-proteasas expresadas en el atrio, alteran su expresión después del apareamiento y regulan la liberación de 20E del tapón; el silenciamiento de una de estas proteasas, Mating Regulated Atrial Protease 1 (MatRAP1), resulta en un aumento en la incidencia de reapareamiento de las hembras (Bascuñán et al. 2020). La peroxidasa hemo HPX15, expresada en la espermateca y regulada por la transferencia de 20E, es necesaria para la fertilidad a largo plazo en esta especie (Shaw et al. 2014). Además, la recepción de 20E activa la vía de señalización quinasa c-Jun N-terminal (JNK) en la cabeza de la hembra de An. gambiae, activación requerida para lograr niveles óptimos de oviposición (Peirce et al. 2020). La alimentación con sangre también activa la expresión de trehelasa en los cuerpos grasos y en los ovarios de An. stephensi. La trehelasa metaboliza la trehalosa, y el silenciamiento de este gen afecta el desarrollo de los ovocitos después de la alimentación con sangre (Tevatiya et al. 2020), lo que inidica que afecta el metabolismo energético en los ovocitos en desarrollo.
Factores ambientales que afectan la reproducción en mosquitos Aedes y Anopheles.
Características físicas como el tamaño corporal y las reservas energéticas son importantes en el desempeño reproductivo de los mosquitos, evaluado en componentes como la fecundidad y la fertilidad (p. ej. Ramírez-Sanchez et al. 2020). Estas características son directamente influenciadas por factores ambientales como 1. la temperatura (p. ej. Costa et al. 2010), 2. el estado nutricional (p. ej. Yan et al. 2021) y 3. la microbiota (incluyendo la infección con la bacteria Wolbachia) (p. ej. Coon et al. 2016a).
Temperatura.
El desempeño reproductivo de los mosquitos puede variar en respuesta a factores ambientales del entorno en el que se desarrollan y habitan. Cambios en variables ambientales como la temperatura y la humedad en la que se encuentran las hembras de Ae. aegypti, causan disminución en la fecundidad y en los patrones de oviposición, teniendo como temperaturas más óptimas aquellas entre 25°C a 30°C (Costa et al. 2010; Carrington et al. 2013). No obstante, se han observado resultados mixtos para Ae. albopictus con respecto a los efectos de la temperatura sobre la fecundidad. Delatte et al. (2009) no observaron ningún efecto de la temperatura en la que se desarrollan las larvas sobre la fecundidad o los ciclos gonotróficos. Mientras que Briegel y Timmermann (2001) reportaron que en las larvas criadas entre 17-32°C, hay una correlación inversa entre temperatura y tamaño de los adultos, que resulta en una fecundidad más alta en las hembras criadas en las temperaturas más bajas.
Estado nutricional.
Una vez que emergen de los huevos, los mosquitos deben pasar cuatro estadios larvarios y uno de pupa antes de convertirse en adulto (Clements 1992). La alimentación recibida durante el proceso de desarrollo larval tiene un papel determinante tanto para la larva como para el adulto del mosquito, con un efecto directo sobre la fecundidad (Yan et al. 2021). La calidad, así como la cantidad de alimento, son decisivos para el tamaño del mosquito, las hembras de Ae. aegypti que crecen con dietas pobres durante su estadios larval tienen un tamaño corporal menor cuando son adultos y almacenan menos nutrientes comparados con mosquitos que tuvieron dietas más ricas (Tsunoda et al. 2010; Zeller y Koella 2016). Mas importante aún, el tamaño corporal tiene una correlación positiva con el número de huevos ovipositados por la hembra, las hembras de Ae. aegypti y Ae. albopictus de mayor tamaño, ponen más huevos (Briegel y Timmermann 2001; Ramírez-Sanchez et al. 2020). Resultados similares son observados en An. gambiae, An. stephensi (Takken et al. 2013), An. arabiensis (Gilles et al. 2011) y An. coluzzi (Vantaux et al. 2016; Epopa et al. 2018): las dietas pobres en nutrientes durante el desarrollo larval conducen a menores tamaños corporales y reservas nutricionales de los adultos, y afectan la capacidad reproductiva de las hembras. Además, machos de Ae. aegypti (Ponlawat y Harrington 2007) y Ae. albopictus (Hatala et al. 2018) de mayor tamaño corporal tienen un mayor número de espermatozoides comparados con insectos más pequeños. Inclusive, machos más grandes de Ae. aegypti transfieren más espermatozoides durante la copulación (Ponlawat y Harrington 2009), y pueden inseminar más hembras después de varias cópulas sucesivas comparado con individuos de menor tamaño (Helinski y Harrington 2011; Ramírez-Sanchez et al. 2020). Finalmente, el tamaño corporal de la hembra, en Ae. aegypti y Ae. albopictus, afecta su capacidad de almacenar espermatozoides (De Jesus y Reiskind 2016). En definitiva, el estatus nutricional es uno de los principales factores que afectan la producción de progenie.
Microbiota.
La microbiota asociada con mosquitos juega un papel importante en el desarrollo larval, en la competencia vectorial y en la respuesta inmune de sus hospederos (Strand 2018). La mayoría de la microbiota bacteriana de los mosquitos se adquiere del hábitat acuáticos de las larvas (Gimonneau et al. 2014; Coon et al. 2016b) o cuando los adultos se alimentan de néctar (Bassene et al. 2020), aunque algunas bacterias pueden transmitirse verticalmente, como Wolbachia (Kremer y Huigens 2011). El estudio del significado de la microbiota en parámetros reproductivos se ha hecho mediante experimentos de su manipulación utilizando diferentes estrategias. Así pues, la reducción, con antibiótico, de la microbiota en mosquitos adultos muestran diferentes resultados dependiendo de la especie, mientras para Ae. aegypti hay una reducción en el número de huevos puestos respecto al control (Gaio et al. 2011); en An. gambiae el número de huevos es mayor en el grupo tratado (Gendrin et al. 2015). Sin embargo, en larvas de Ae. aegypti axénicas colonizadas con bacterias auxotróficas que se pierden una vez emergen como mosquitos adultos, la fertilidad es mayor en las hembras de microbiota reducida comparadas a las control (Romoli et al. 2021). Una estrategia adicional para el estudio de la importancia de la microbiota, es con el uso de mosquitos gnotobioticos, es decir con una microbiota determinada y controlada desde su colonización en larvas o adultos. Mosquitos gnotobioticos de Ae. aegypti no presentan diferencias en el número de huevos depositados entre distintos tratamientos; al contrario, en Ae. atropalpus, una especie autógena, que no necesita sangre para su primera puesta de huevos, se observa un número menor de huevos en los tratamientos comparado con el control (Coon et al. 2016a). Ya que la primera puesta de huevo en Ae. atropalpus depende de la nutrición obtenida como larva, este resultado muestra la conexión entre la nutrición larval, la microbiota residente y la fecundidad de los adultos (Coon et al. 2016a).
Wolbachia.
Un caso especial de influencia de la microbiota sobre la biología reproductiva del mosquito hospedero, son las bacterias del género Wolbachia. Estas bacterias se encuentran presentes en cerca del 60% de las especies de artrópodos terrestres (Weinert et al. 2015). Wolbachia causa en sus hospederos diferentes fenotipos reproductivos que permiten su propagación a través de transmisión vertical por línea materna, específicamente, feminización, partenogénesis, asesinato de machos y el único descrito hasta ahora en mosquitos: incompatibilidad citoplasmática (IC), donde hembras sin infección no pueden tener descendencia viable cuando se aparean con machos infectados (Werren et al. 2008). En Ae. albopictus, Wolbachia se encuentra de forma natural e induce IC (Kambhampati et al. 1993). Recientemente, infecciones naturales por Wolbachia en poblaciones de Anopheles han sido identificadas (Ross y Hoffmann 2021), pero las implicaciones en la fertilidad requieren más investigación.
Los mosquitos de Ae. aegypti no se encuentran infectados naturalmente con Wolbachia, así que se ha propuesto la infección artificial como estrategia de control, ya que la infección no solo acorta la supervivencia de los adultos (McMeniman et al. 2009) sino que también disminuye la replicación de los virus del dengue, Zika, y chikungunya en su hospedero (Bian et al. 2010; Aliota et al. 2016a, b). Para que esta estrategia sea exitosa, los mosquitos de laboratorio infectados con Wolbachia liberados en el campo deben diseminar la infección a la población silvestre a través del proceso reproductivo. Estudios en semicampo donde se evaluó la competitividad de los machos infectados y no infectados por la bacteria (evaluada a través de la capacidad de inducir IC), no encontraron diferencias entre los dos grupos (Segoli et al. 2014), resultado similar se ha observado en Ae. polynesiensis, especie que también ha sido infectada artificialmente como estrategia de control (Chambers et al. 2011). Sin embargo, en poblaciones de laboratorio de Ae. aegypti también se ha observado retraso en la ovogénesis y disminución en la fecundidad y fertilidad, como resultado de un efecto sinérgico entre la infección con Wolbachia y la desecación de huevos almacenados (Lau et al. 2021). Incluso, en la infección con la cepa WAlbB de Wolbachia, se ha observado que las hembras que provienen de huevos almacenados por más de 11 semanas a temperaturas entre 22-30°C se vuelven infértiles (Lau et al. 2021).
Observaciones finales.
La reproducción es un proceso esencial para el mantenimiento y expansión de las poblaciones de mosquitos, en el que se requiere completar numerosos pasos antes de que una hembra pueda poner un huevo fertilizado que se convertirá en un adulto sexualmente maduro y el proceso pueda comenzar de nuevo. En los mosquitos vectores, las hembras son responsables de la transmisión de enfermedades; las hembras infectadas transmiten patógenos cuando se alimentan de sangre de un huésped humano. En este proceso, la reproducción también juega un papel importante ya que el apareamiento provoca cambios en las hembras que pueden hacerlas más hábiles para transmitir patógenos, como el aumento de su esperanza de vida (Villarreal et al. 2018) y/o la alteración de su sistema inmunológico (Schwenke et al. 2016; Reynolds et al. 2020). Los cambios fisiológicos posteriores al apareamiento observados en los vectores Aedes y Anopheles, son comunes en muchos taxones de insectos (Avila et al. 2011; Baldini et al. 2012; Hopkins et al. 2018), lo que demuestra la importancia de la respuesta postcopulatoria para una producción de progenie exitosa.
Comprender los comportamientos y la fisiología antes y después del apareamiento y cómo machos y hembras coordinan sus comportamientos y moléculas para lograr una fertilidad óptima, es un área de investigación que tiene el potencial de identificar blancos que puedan explotarse para monitoreo o control de las poblaciones de insectos vectores. Estos hallazgos son de particular interés para países como Colombia, donde las enfermedades transmitidas por Aedes, Anopheles y otros insectos vectores son un problema importante de salud pública.
