The effect of bacterial contamination on the biological integrity of sperm in boars

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The productive longevity of sows leads to an increase in production of marketable products. However, more than half are discarded after the first farrowing due to impaired reproductive qualities under the influence of various factors including infectious diseases. The seminal material of boars can be a source of infection for sows. There is evidence of the relationship between the influence of infectious agents on the reproductive tract of producers and on inflammatory processes in the generative organs of females, which leads to a decrease in reproduction rates. In males, contamination of the sperm-­carrying ducts by microorganisms directly affects the quality of sperm production and the function of spermatozoa, which in turn leads to the production of antibodies, reactive oxygen species and DNA fragmentation. To study the effect of bacterial contamination on the biological integrity of sperm in breeding boars, three groups of animals were formed depending on the activity of spermatozoa. For the study, ejaculates of Large White, Landrace and Duroc breeding boars (n = 46) were taken. The age of the producers ranged from 18 to 40 months; ejaculates were collected in January — December. To determine qualitative and quantitative parameters of spermatozoa, Argus CASA program (ArgusSoft, St. Petersburg, Russia) was used based on CASA technology, using single-­factor analysis methods. A comprehensive assessment of the ejaculates of boar producers showed the presence of yeast and yeast-like fungi (mold) in 44% of the studied samples, in which the total number of colony-­forming microorganisms was 4895 ± 37.5 CFU/cm3, which is 8.1 times more than in samples without contamination, and the proportion of progressive motile spermatozoa was lower by 10%. In the group with high microbial contamination (4895 CFU/cm3), activity was 1.2 times lower (p < 0.001), the proportion of abnormal spermatozoa was 1.7 times higher (p < 0.001) and the level of DNA fragmentation was 3.1 times higher (p < 0.001). Correlation analysis between microbial contamination and progressively motile spermatozoa showed a negative bilateral correlation r = –0.51 (p < 0.01) and a positive correlation with abnormal morphology r = 0.42 (p < 0.05) and DNA fragmentation r = 0.56 (p < 0.01). Reproductive indicators of boars-­producers in the group with high bacterial contamination were established: fertilizing ability was 23% lower, and the number of abortions was 2.3 times higher, and the frequency of stillbirths and mummified piglets in the litter was 3 times and 2.5 times higher, respectively.

Full Text

Введение

Одним из приоритетных направлений развития аграрного сектора для обеспечения продовольственной безопасности России является отрасль свиноводства. По сравнению с предыдущими годами на 5,3 % выросло производство свинины и увеличился в два раза экспорт продукции в страны ЕАЭС. Россия вошла в десятку крупнейших поставщиков свинины на мировой рынок. Основу наращивания и поддержания высоких показателей производства продукции составляют свиноматки и срок их продуктивного использования [1].

Однако, на практике статистический анализ показывает высокую выбраковку свиноматок, до 50 % после первого опороса [1]. К основным причинам выбытия молодых свиноматок относятся заболевания, связанные с высокой продуктивностью, технологией и условиями содержания, а также инфекциями на свинокомплексах. Имеются данные о взаимосвязи влияния инфекционных агентов на репродуктивный тракт производителей и на воспалительные процессы генеративных органов самок, что приводит к снижению показателей воспроизводства [2–4].

Источником воспалительных поражений семявыносящих путей производителей чаще являются микроорганизмы условно-­патогенной группы (G+ и G–), которые напрямую влияют на качество спермы [2, 5–8].

Бактериологический скрининг свежеполученной спермы хряков-­производителей показывает положительный результат на наличие микроорганизмов: Enterococcus spp (20,5 %), грамотрицательной палочки Stenotrophomonas maltophilia (15,4 %), Alcaligenes xylosoxidans (10,3 %), Serratia marcescens (10,3 %), Escherichia coli (6,4 %), синегнойной палочки Pseudomonas spp (6,4 %), Proteus mirabilis (22,2 %) [3, 5, 9].

С одной стороны, условно-­патогенная микрофлора в репродуктивном тракте самца обеспечивает защиту от доступа патогенных микроорганизмов и последующего их проникновения в организм, с другой стороны, при экстремальных условиях число колониеобразующих единиц (КОЕ/мл) увеличивается, условно-­патогенная микрофлора становится патогенной и провоцирует к развитию воспалительных процессов в гениталиях [6]. Существует мнение о влиянии токсина семейства Enterobacteriaceae на характер и скорость движения [10] и морфометрические параметры сперматозоидов (дефекты головки, средней части и жгутика) [11, 12].

Известно о влиянии бактериальной контаминации на качество спермы, но единого мнения о пороговом значении 103 микробных КОЕ/мл в их этиологической значимости воспалительного процесса сформировано не полностью 1 [4, 11, 13].

При пороговом значении контаминации спермы 104 общего микробного показателя отмечается преждевременная акросомная реакция [4, 7], обсеменение грамположительными кокками увеличивает агглютинацию сперматозоидов [7, 11], бактерии оказывают повреждающее действие на митохондрии сперматозоидов и синтез АТФ [7, 8, 14].

Воспаление в репродуктивной системе производителей влияет на ухудшение сперматогенеза и функции сперматозоидов, что в свою очередь приводит выработке антител и активных форм кислорода (АФК) и фрагментации ДНК сперматозоидов [7, 14].

Контаминация спермопродукции микробными ассоциациями и дрожжеподобными грибами чаще всего происходит во время забора спермы у животного (нарушение волосяного покрова, гиперемия препуциальной полости, травмы), неудовлетворительные санитарно-­гигиенических условия в помещении (загрязнение воздуха в случном манеже) [5, 15], а также во время фасовки и хранения спермы при нарушении порядка и режима лаборатории (грязная лабораторная посуда, инструменты, разбавители, небрежная эквилибрация) [3, 9].

Технологические факторы: стресс, переохлаждение, условия содержания и кормления, травмы — также могут привести к снижению резистентности организма производителей и переходу непатогенной и условно-­патогенной микрофлоры в патогенную, обусловливая воспалительные процессы в репродуктивном тракте.

Цель исследования — изучить взаимосвязь между биологической полноценностью сперматозоидов и уровнем контаминации микроорганизмами у хряков-­производителей, приводящих к снижению репродуктивных показателей.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования были хряки-­производители (n = 46) крупной белой породы, ландраса и породы дюрок. Возраст производителей составил 18…40 месяцев. Материалом для исследования были эякуляты, полученные в течение года.

Подвижность и морфологию сперматозоидов определяли в программе Argus CASA (ArgusSoft, Санкт-Петербург, Россия) на основе CASA-технологии. С целью определения фрагментации генетического материала в хроматине использовали метод акридин-­оранжевого теста (АО-тест) и флуоресцентной микроскопии. Для оценки состояния акросом применяли метод дифференциального окрашивания. Микробиологической оценки спермы проводили использованием культурального метода. Определяли общее микробное число (КОЕ/см3).

Для создания первичной базы данных использовали Microsoft Office Excel, для статистической обработки полученных результатов — SPSS Statistics 23. Проводили однофакторный и многофакторный дисперсионные анализы.

Результаты исследования и обсуждение

Комплексная оценка эякулятов хряков-­производителей из племенного хозяйства показала наличие дрожжей и дрожжеподобных грибов (плесени) в 44 % исследуемых образцов.

В группе образцов с высеянными дрожжами и дрожжеподобными грибами наблюдалось увеличение в 8,1 раз общего количества колониеобразующих микроорганизмов (ОМЧ) до 4895 ± 37,5 КОЕ/см3 и снижение на 10 % количества сперматозоидов с прогрессивно-­подвижным движением.

Однофакторный дисперсионный анализ показал влияние микробной контаминации на морфометрические показатели, состояние акросом и активность сперматозоидов в сперме хряков-­производителей, коэффициент F составил 144.

Наше исследование показало взаимосвязь между уровнем микробной контаминации и количеством сперматозоидов с прогрессивно-­подвижным движением в эякуляте. Для этого сформировали три группы в зависимости от активности сперматозоидов: I группа — менее 77 %, II — от менее 78 % до более 84 % и III — более 85 % (табл. 1).

Таблица 1 Однофакторный анализ качества спермы хряков-­производителей в зависимости от общего микробного числа ОМЧ, КОЕ/см3

Показатели

Содержание прогрессивно-­подвижных сперматозоидов (PR)
по группам

I группа

(менее 77 %)

(n = 8)

II группа

(от < 78 до > 84 %)

(n = 17)

III группа

(более 85 %)

(n = 21)

ОМЧ, КОЕ/см3

4895,4 ± 333b; c

620,0 ± 41,1a; c

587,5 ± 32,4

Прогрессивно-­подвижные PR, %

74,8 ± 1,4b; c

80,67 ± 1,3a; c

87,8 ± 1,6

Анормальная морфология, %

16,5 ± 0,8b; c

9,8 ± 0,9

10,6 ± 1,3

Интактная акросома, %

68,0 ± 2,7b; c

76,2 ± 3,2

85,4 ± 2,8

Примечание. Значимость влияния: р < 0,001.

Table 1. Single-­factor analysis of the sperm quality of breeding boars, depending on the total microbial count (TMC), CFU/cm3

Indicator

Progressive motile spermatozoa (PR) content by groups

Group I

(< 77 %)

(n = 8)

Group II

(78–84 %)

(n = 17)

Group III

(> 85 %)

(n = 21)

TMC, CFU/cm3

4895.4 ± 333b; c

620.0 ± 41.1a; c

587.5 ± 32.4

Progressive motile PR, %

74.8 ± 1.4b; c

80.67 ± 1.3a; c

87.8 ± 1.6

Abnormal morphology, %

16.5 ± 0.8b; c

9.8 ± 0.9

10.6 ± 1.3

Intact acrosome, %

68.0 ± 2.7b; c

76.2 ± 3.2

85.4 ± 2.8

Note. Significance level: р < 0.001.

Как видно из табл. 1 между группами по содержанию микробных КОЕ/см3 имеется статистически достоверная разница.

У хряков-­производителей I группы содержание микроорганизмов в эякуляте превышало допустимый уровень и составило 4895 КОЕ/см3, что выше в 7,8 раз по сравнению со II группой и в 8,3 раз — с III группой (р < 0,001), а количество сперматозоидов с прогрессивно-­подвижным движением было в 1,2 раза ниже по сравнению с III группой (р < 0,001).

Морфометрический анализ показал высокую частоту встречаемости анормальных сперматозоидов в свежеполученной сперме у производителей в группе с высокими параметрами контаминации — 16,5 %, что в 1,7 раз больше по сравнению со второй группой (620 КОЕ/см3) (р < 0,001).

Целостность акросомы отмечалась выше у хряков третей группы (85,4 %) с высокой активностью, что выше на 25,6 % в отличие от группы с наименьшей активностью (I группа) (р < 0,001).

Корреляционный анализ между микробной контаминацией и прогрессивно-­подвижными сперматозоидами показал наличие отрицательной двусторонней корреляции r = –0,51 (р < 0,01). Коэффициент корреляции между микробной контаминацией и аномальной морфологией составил r = 0,42 (р < 0,05) и фрагментацией ДНК r = 0,56 (р < 0,01).

Степень конденсации хроматина сперматозоидов коррелировала с их активностью. Так, индекс фрагментации ДНК в группе с наименьшим титром микроорганизмов (587,5 КОЕ/см3) составил 12,2 % и статистически значимо отличался от группы с высоким титром микроорганизмов (4895 КОЕ/см3). Разница составила 3,1 раза (p < 0,001) (рис.).

Уровень активности и индекс фрагментации ДНК в сперматозоидах хряков-­производителей
Источник: выполнено А.В. Шмидт, Е.О. Рысцова, Б.С. Иолчиев, Т.В. Чубенко

Sperm activity level and DNA fragmentation index in boars-­producers
Source: created by A.V. Schmidt, E.O. Rystsova, B.S. Iolchiev, T.V. Chubenko

Наше исследование показало, что фрагментация ДНК сперматозоидов в группе с высоким титром микроорганизмов статистически отличалась от таковой в группе с наименьшей контаминацией.

Целостность ДНК сперматозоидов — один из факторов, влияющих на фертильность, эмбриональное развитие и частоту эмбриональной смертности, что очень актуально для отрасли свиноводства.

Высокая бактериальная обсемененность сперматозоидов оказала влияние на показатели воспроизводства у хряков-­производителей (табл. 2).

Таблица 2. Воспроизводительные показатели хряков-­производителей с разной степенью бактериальной обсемененности

Показатели

Содержание ОМЧ в сперматозоидах по группам, КОЕ/см3

I группа

4895

II группа

620

III группа

587

Оплодотворяющая способность хряка, %

72  ±  5,6

84 ± 4,7

89 ± 3,6*

Абортировало, %

4,2 ± 0,3

2,6 ± 0,8

1,8 ± 0,4

Мертворожденных, %

7,2 ± 0,8

3,2 ± 0,6

2,8 ± 0,4

Мумифицированные поросята, %

2,4 ± 0,1

1,2 ± 0,1

0,8 ± 0,1

Примечание. Значимость влияния *— p < 0,05.

Table 2. Reproductive indicators of breeding boars with different bacterial contamination

Indicator

TMC content in sperm by groups, CFU/cm3

Group I

4895

Group II

620

Group III

587

Boar fertilizing ability, %

72 ± 5.6

84 ± 4.7

89 ± 3.6*

Abortions, %

4.2 ± 0.3

2.6 ± 0.8

1.8 ± 0.4

Stillbirths, %

7.2 ± 0.8

3.2 ± 0.6

2.8 ± 0.4

Mummified piglets, %

2.4 ± 0.1

1.2 ± 0.1

0.8 ± 0.1

Note. Significance level: * — р < 0.05.

Оплодотворяющая способность в группе хряков-­производителей с высоким содержанием общего микробного числа (I группа) в эякуляте составила 72 %, что ниже на 23 % по сравнению с группой хряков-­производителей с низким содержанием (III группа) (p < 0,05).

Отмечена частота абортов от хряков-­производителей I группы в 2,3 выше по сравнению с III группой и 1,6 раз со II группой.

В свою очередь, число мертворожденных и мумифицированных поросят в помете хряков-­производителей с высоким содержанием микроорганизмов (I группа) составила 7,2 и 2,4 %, что соответственно в 2,5 и 3 раза выше по сравнению с хряками-­производителями, у которых содержание микроорганизмов было (587,5 КОЕ/см3).

Заключение

Настоящее исследование продемонстрировало в группе хряков-­производителей с высокой микробной контаминацией снижение подвижности сперматозоидов, а также наличие корреляционной связи с дефектом морфологии и целостностью ДНК. Эти данные согласуются с исследованиями других авторов о негативном влиянии бактериальной контаминации на структуру, жизнеспособность и фрагментацию ДНК в сперматозоидах производителей, снижающем качество семенного материала и их воспроизводительные показатели.

Таким образом, микробное загрязнение, особенно дрожжи и дрожжеподобные грибы, оказывает влияние на биологическую полноценность сперматозоидов и  снижает репродуктивный потенциал хряков-­производителей.

 

 

1 ГОСТ 33827-2016. Средства воспроизводства. Сперма хряков свежеполученная разбавленная. М.: Стандартинформ, 2016. 4 с.

×

About the authors

Anna V. Schmidt

RUDN University

Email: anna74@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-8108-7149
SPIN-code: 3935-6526

Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Department of Public Health, Healthcare and Hygiene

6 Miklukho-Maklaya st., Moscow, 117198, Russian Federation

Ekaterina O. Rystsova

RUDN University

Author for correspondence.
Email: rystsova_eo@pfur.ru
ORCID iD: 0000-0002-0516-6056
SPIN-code: 2027-4235

Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Department of Veterinary Medicine, Agrarian and Technological Institute

6 Miklukho-Maklaya st., Moscow, 117198, Russian Federation

Bailar S. Iolchiev

All-Russian Research Institute of Animal Breeding

Email: baylar2@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5386-7263
SPIN-code: 3881-6813

Doctor of Biological Sciences, Leading Researcher, Laboratory of Biology of Reproduction of Farm Animals

Lesnye Polyany vil., Pushkino, Moscow region, 141212, Russian Federation

Tamara V. Chubenko

RUDN University

Email: 1032201888@pfur.ru
ORCID iD: 0009-0009-3800-7201
SPIN-code: 2069-3501

student, Department of Veterinary Medicine, Agrarian and Technological Institute

6 Miklukho-Maklaya st., Moscow, 117198, Russian Federation

References

  1. Kovalev Y. Development of pig breeding in the near future. Kombikorma. 2023;(7–8):2–4. (In Russ.).
  2. Nasibov MN, Aminova AL, Rameev TV. Sperm production of boars of large white breed used for reproduction. Vestnik Bashkir State Agrarian University. 2015;(4):60–61. (In Russ.).
  3. Althouse GC, Lu KG. Bacteriospermia in extended porcine semen. Theriogenology. 2005;63(2):573–584. doi: 10.1016/j.theriogenology.2004.09.031
  4. Tvrdá E, Ďuračka M, Benko F, Lukáč N. Bacteriospermia — A formidable player in male subfertility. Open Life Sciences. 2022;17(1):1001–1029. doi: 10.1515/biol-2022-0097
  5. Barzykina SN, Borunova BM, Nazimkina SF. Microbial associations in the ejaculate of breeding boars. In: Current problems of veterinary medicine, animal science, biotechnology and examination of raw materials and products of animal origin: conference proceedings. Moscow; 2022. p.141–142. (In Russ.).
  6. Chemezov AP, Voytova OO, Viborova IS, Druzhinina EB, Milknikova YV, Mashchakevich LI. Nonspecific inflammatory diseases of urogenital tract in men. Bulletin of Eastern-¬Siberian scientific center. 2010;(6–2):88–90. (In Russ.).
  7. Berger GK, Smith-¬Harrison LI, Sandlow JI. Sperm agglutination: Prevalence and contribution factors. Andrologia. 2019;51(5):e13254. doi: 10.1111/and.13254
  8. Eini F, Kutenaei MA, Zareei F, Dastjerdi ZS, Shirzeyli MH, Salehi E. Effect of bacterial infection on sperm quality and DNA fragmentation in subfertile men with Leukocytospermia. BMC Molecular and Cell Biology. 2021;22:42. doi: 10.1186/s12860-021-00380-8
  9. Narizhny AG, Anisimov AG. Biological usefulness of a diluent for boar semen depending on storage time and packaging material. Vestnik of Ulyanovsk state agricultural academy. 2014;(2):89–92. (In Russ.).
  10. Prabha V, Sandhu R, Kaur S, Kaur K, Sarwal A, Mavuduru RS, et al. Mechanism of sperm immobilization by Escherichia coli. Advances in Urology. 2010;2010(1):240268. doi: 10.1155/2010/240268
  11. Smirnov MV, Godovalov AP, Bykova LP. Study of sperm parameters obtained from sperm with microbial contamination. Molodezhnyi innovatsionnyi vestnik. 2015;4(1):178. (In Russ.).
  12. Ďuračka M, Belić L, Tokárová K, Žiarovská J, Kačániová M, Lukáč N, et al. Bacterial communities in bovine ejaculates and their impact on the semen quality. Syst Biol Reprod Med. 2021;67(6):438–449. doi: 10.1080/19396368.2021.1958028
  13. Parkhomenko YS, Chernyshova IS, Kopytina KO, Volkova IV, Rozhkova IN, Semenova EV, et al. Study of contamination of native and diluted boar seminal fluid with microorganisms and their sensitivity to antibiotics. Bulletin of Veterinary Pharmacology. 2018;(1):79–82. (In Russ.). doi: 10.17238/issn2541-8203.2018.1.79
  14. Agarwal A, Rana M, Qiu E, AlBunni H, Bui AD, Henkel R. Role of oxidative stress, infection and inflammation in male infertility. Andrologia. 2018;50(11):e13126. doi: 10.1111/and.13126
  15. Boranbayev AV. Microbiological indices of maral semen taken in antler cutting box after cryopreservation. Bulletin of Altai State Agricultural University. 2019;(3):107–110. (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Sperm activity level and DNA fragmentation index in boars-producers

Download (62KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Schmidt A.V., Rystsova E.O., Iolchiev B.S., Chubenko T.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies