Vergleichende Studien zur Reproduktionsbiologie bei Großbären
Comparative investigations on the reproduction biology of bears (Ursidae)
Vet. med. Dissertation
154 Seiten
Fachbereich Veterinärmedizin der Freien Universität Berlin
Erster Gutachter: Univ.- Prof. Dr. Dr. Heribert Hofer
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Klaus Eulenberger
Dritter Gutachter: Prof. Dr. Heike Tönhardt
Verschiedene Zoos und andere Tierhaltungen
Zusammenfassung:
Von den acht rezenten Bärenarten stehen sechs kurz vor der Ausrottung. Unter allen Maßnahmen zum Schutz dieser Tiere nehmen ihre Erhaltung und Vermehrung in menschlicher Obhut einen wichtigen Stellenwert ein. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die zu diesem Zeitpunkt zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der assistierten Reproduktion aufzuzeigen und einige Ansätze davon weiter zu entwickeln. Einige dieser Techniken wurden angewandt, um die Eignung nicht bedrohter Bären als Modellarten für bedrohte Bären zu untersuchen.
Anhand dieser Modellarten können in Zukunft Techniken zur assistierten Reproduktion an Mitgliedern weniger bedrohter Populationen weiterentwickelt und verfeinert werden, ohne auf die sehr geringe Anzahl bedrohter Bären zurückgreifen zu müssen. Die Familie der Bären unterteilt sich in drei Unterfamilien. Die engsten Verwandtschaftsverhältnisse in der Unterfamilie der Echten Bären bestehen zwischen Braun- und Eisbär, sowie zwischen Schwarz- und Kragenbär. Als Bindeglied zwischen den den Echten Bären und dem Großen Panda, der nach aktuellen Studien in die Bärenfamilie eingereiht wird, steht der Brillenbär.
Die Reproduktionsbiologie der meisten Bären ähnelt sich sehr. Bären sind saisonale Tiere, deren Trächtigkeit durch die embryonale Ruhephase bis zur Implantation (Diapause) charakterisiert ist. Eine Ausnahme bildet der Malaienbär, der asaisonal ist und, wenn überhaupt, eine sehr kurze Diapause aufweist. Von anderen Arten, wie dem Brillenbären und dem Lippenbären, werden mehrere Paarungszeiten während des Jahres berichtet, deren Steuerung durch Lichteinfluss sowie Nahrungsangebot vermutet wird.
Die Trächtigkeitsdauer der Bären variiert stark und wird vornehmlich von der Länge der Diapause beeinflusst. Die Implantation findet im Spätherbst statt; ihre Auslösemechanismen ist bislang unbekannt. Die darauf folgende embryonale Entwicklungszeit ist genetisch fixiert und bei allen Arten etwa gleich lang, so dass die Geburtszeiträume der meisten Arten im Winter liegen. Ausnahmen bilden der Große Panda, der seine Jungen im Spätsommer setzt, und der Malaienbär, bei dem während des ganzen Jahres Geburten beobachtet werden können. Bei männlichen und weiblichen Bären wurden morphologische und sonomorphologische Untersuchungen angestellt.
Männliche Tiere wurden zudem spermatologischen Untersuchungen unterzogen, weibliche hingegen laboranalytischen. Es ist zu beachten, dass es sich bei den Resultaten der Brillenbären vielfach um Erstbeschreibungen handelt, so dass Vergleiche zu den Ergebnissen anderer Autoren noch ausstehen. Die Größe der Hoden bei Malaien-, Lippen-, Brillen-, Braun- und Eisbären ist von der individuellen Körpergröße abhängig. Setzt man das Volumen der Hoden in Bezug zum Körpergewicht, so besitzen die leichten Tiere verhältnismäßig größere Organe. Abweichend hiervon hat der Große Panda sowohl relativ als auch absolut die größten Gonaden. Bei männlichen Brillen- und Braunbären sowie beim Großen Panda wird eine saisonale Größenänderung der Hoden festgestellt. Während der Brunftzeit erreichen die Hoden maximale Ausmaße. Die Größe der akzessorischen Geschlechtsdrüsen, Ampulla ductus deferentis und Glandula prostatica, nimmt im Gegensatz hierzu linear zur Körpergröße der Tiere zu und erfährt im saisonalen Verlauf nur geringgradige Veränderungen. Eine Ausnahme bildet wiederum der Große Panda, dessen Prostata sich saisonal während der Brunft beinahe verdoppelt. Bei einem kastrierten Kragenbären sind die Drüsen atrophiert, ein Hinweis auf deren geschlechtshormoninduzierte Wachstums- und Funktionssteuerung.
Das mittels Elektroejakulation gewonnene Sperma ist beim Großen Panda und beim Brillenbären während des Östrus des Weibchens am fertilsten. Während dieser reproduktiv aktiven Phase spiegelt sich die angeregte Spermatogenese in der Größe der Hoden wider. Der Großen Panda überragt in Quantität und Qualität des Spermas den Brillenbären sowie die Beschreibungen aller anderen Bären in der Literatur. Beim Brillenbären ist jedoch die Frage der Saisonalität noch nicht abschließend geklärt und hat eventuell einen Einfluss auf diese Parameter.
Bei weiblichen Malaien-, Schwarz-, Braun- und Eisbären korrelieret die Länge der Uteri mit der Größe der Tiere und unterlieget saisonalen Größenveränderungen. Das Verhältnis von Uteruskörper zu den Uterushörnern ist reziprok abhängig von der Körpergröße. Die Durchmesser der Uteri wurden mittels transrektaler Ultraschalluntersuchungen an allen acht Bärenarten bestimmt. Zwischen dem Uteruskörper und den Hörnern ergeben sich jeweils nur minimale Abweichungen. Der gewichtsbezogene Uterusdurchmesser nimmt mit zunehmender Körpermasse ab. Wiederum bildet der Große Panda eine Ausnahme. Er weist während der aktiven Reproduktionsphasen Östrus, Diapause und Trächtigkeit den größten gewichtsbezogenen Uterusdurchmesser auf. Der gewichtsbezogene Uterusdurchmesser variiert in den verschiedenen Reproduktionsstadien. Es ist jedoch keine saisonale Größenveränderung mit einem zu erwartenden Maximum während der Trächtigkeit zu erkennen. Es besteht kein Bezug zwischen der Endometriumsproliferation und dem Zyklusstand. Die Detektion von Trächtigkeiten anhand des konterlateralen Uterusdurchmessers oder des Uteruskörpers ist ausgeschlossen. Ebenso verhält es sich mit der Darstellung frei im Uterus liegender Oozyten oder Blastozysten während der Diapause. Trächtigkeiten können erst eindeutig nach der Implantation bestimmt werden. An der Implantationsstelle kommt es zu einer Umfangsvermehrung des Uterushorns und einer Proliferation des Endometriums. Der übrige Uterus bleibt unverändert und ähnelt in seinem Erscheinungsbild dem nicht trächtiger Tiere.
Bei den Ovarien ist ein reziprok körpergrößenabhängiger Trend nur während des Anöstrus und der Trächtigkeit vorhanden. Zu allen anderen Reproduktionsstadien korreliert die Ovargröße mit der Körpergröße der Tiere. Der Große Panda bildet wiederum die Ausnahme. Seine Gonaden sind drei- bis viermal so groß wie die der anderen Bären. Das Volumen des Ovars schwankt saisonal und ist von der Anbildung der Funktionskörper abhängig. Die Funktionskörper, Follikel und Gelbkörper, lassen sich sonographisch gut darstellen und in ihrem Erscheinungsbild differenzieren. Somit ist eine Diagnose des Zyklusstandes anhand der Ovardiagnostik in Verbindung mit der Interpretation der Funktionskörper möglich. Die laboranalytischen Untersuchungen umfassen Mitglieder aus allen drei Unterfamilien. Sie basierend auf langjährigen Erfahrungen des Berliner Instituts für Zoo- und Wildtierforschung am Großen Panda.
Da sich, wie oben erwähnt, die Reproduktionsbiologie der übrigen Bären sehr ähnelt (mit Ausnahme des Malaienbären), wurde der Braunbär, der in europäischen Zoos am häufigsten gehaltener Bär, mit einbezogen. Als dritte zu untersuchende Art wurde der Brillenbär gewählt, der taxonomisch und genetisch zwischen dem Großen Panda und dem Braunbären steht und ebenfalls stark bedroht ist. Zur Ovulationsdetektion werden beim Großen Panda Estradiolmessungen angewandt. Ein etwa acht Tage andauernder, gradueller Anstieg der Estradiolsekretion geht dem präovulatorischen Estradiolpeak voraus, dem wiederum ein abrupter Abfall auf Basisniveau folgt. Die Methode erbringt bei Braun- und Brillenbären keine eindeutigen Ergebnisse. Auch die Verwendung eines weiteren Immun-Assays für Epiandrosteron, der beim Malaienbären die Follikelphase anzeigt (Schwarzenberger et al. 1998), und die Analyse von Speichel führt zu keinen auswertbaren Ergebnissen. Eine alternative Methode der Östrusdetektion bei Bären stellt die Detektion leicht flüchtiger Urininhaltsstoffe (Volatiles) dar. Beim Großen Panda kann ein zwei bis drei Tage andauernder Peak in der Sekretion urinärer Fettsäuren, der mit dem Östrogenanstieg und den Verhaltensveränderungen während der Brunst in Verbindung steht, nachgewiesen werden. Die Fettsäuren treten auch bei Braunbären während des Östrus auf. Sie sind auch beim Brillenbären zu detektieren, jedoch war bei diesen Tieren kein eindeutiger Östruszeitraum abgrenzbar. Über die Herkunft dieser Substanzen muss vorerst spekuliert werden. Mit einem kommerziell erhältlichen, colorimetrischen Testkit zur Bestimmung freier Fettsäuren kann der Nachweis dieser Volatiles unabhängig von einem Speziallabor in unmittelbarer Nähe der Tiere durchgeführt werden.
Zum Trächtigkeitsmonitoring wird beim Großen Panda routinemäßig die Analyse urinären Pregnandiols zur Darstellung der Lutealaktivität verwendet. Diese Methode erbringt weder beim Braun- noch beim Brillenbären Resultate. Die Lutealphase kann jedoch bei beiden Tierarten unter Nachweis von Progesteron im Kot oder Urin dargestellt werden. Speichel erwies sich wiederum als nicht aussagekräftig. Alle Ergebnisse zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl in der Anatomie als auch in der Topographie des Geschlechtstraktes der Bären grundsätzlich vergleichbare Verhältnisse vorliegen, die in ihren Ausmaßen von der Größe der Tiere abhängig sind. Zur Entwicklung von Bestecken und Instrumenten zur Elektroejakulation, für Oozyten Pick-Ups oder mikroinvasive Chirurgie können Modellarten verwendet werden, die in etwa die gleichen Körpermaße wie die Zieltierart aufweisen. Auch die Technologien zur Samenentnahme können zwischen den Arten direkt übertragen werden. Je nach Standort des Forschungsvorhabens an bedrohten Bären empfehlen sich verschiedene Modell-Bärenarten. Für Europa bietet sich der Braunbär an, der hier am häufigsten vorkommt. In Südost-Asien wird der Kragenbär favorisiert, da sehr viele dieser Tiere dort in Bärenfarmen gehalten werden und somit für Untersuchungen leicht zugänglich sind. In Nordamerika werden bereits extensive Studien an Schwarzbären durchgeführt. Johnston et al. (1994) empfiehlt, sie als Modellart für bedrohte Bären zu verwenden. In den endokrinen Mechanismen jedoch unterscheiden sich die Bären erheblich, so dass für jede Art eigene Nachweisverfahren zur Ovulationsdetektion und zum Trächtigkeitsmonitoring entwickelt werden müssen. Eine Unterscheidung der Trächtigkeit von der Pseudoträchtigkeit ist bisher ebenfalls nicht möglich. Beim Großen Panda ist die Analyse urinären Estradiols sowie Pregnandiols zur Ovulationsdetektion bzw. zum Trächtigkeitsmonitoring bereits etabliert. Beim Braunbären wird die Lutealphase durch fäkales und urinäres Progesteron, beim Brillenbären durch urinäres Progesteron dargestellt. Beim Malaienbären lässt sich die Follikelaktivität mittels fäkalem Epiandrosteron verfolgen. Die Messung von Volatiles erscheint viel versprechend, jedoch bedarf sie aufgrund der geringen Probandenzahl in dieser Studie weiterer Untersuchungen zur Absicherung der Ergebnisse.
Abstract:
Six of eight existing bear species are close to extinction. Amongst the approaches to preserve these animals, their management and breeding in captivity play an important role. The aim of this study is to present the potential of modern assisted reproduction techniques and further develop selected approaches. Some techniques were applied to examine the suitability of non-endangered bear species as models for endangered bears. These model species can later be used to improve and test techniques for assisted reproduction without utilizing the already weak populations of the endangered species.
The bear family consists of three sub-families. Within the Ursinae the Brown bear and the Polar bear as well as the Black bear and the Asiatic Black bear are the closest related. The Spectacled bear is the link between the Ursinae and the Giant panda, which has lately been approved as a member of the Ursidae.
The reproduction biology in most bears is very similar. Bears are seasonal breeders whose pregnancy is characterized by a long embryonic diapause which lasts until the implantation of the blastocyst. The Malayan Sun bear is an exc
eption: it is aseasonal and has a very short diapause, if at all. Several breeding seasons are reported for the Spectacled bear and the Sloth bear leading to the hypothesis that the cycle might be regulated by light or food availability. The pregnancy in bears varies largely and is mainly influenced by the length of the diapause. Implantation in most bears takes place in late autumn; its regulation mechanism is so far unknown. The time of embryonic development is genetically fixed and is equally long in every bear species. Thus most births take place in winter. Exceptionally the Giant panda delivers its cubs in late summer and in captive Malayan Sun bear births can be observed at any time of the year.
In this study male and female bears were morphologically and sono-morphologically examined. Moreover in males a spermatological and in females an endocrinological assesment was undertaken.
It has to be pointed out that some of the results of the Spectacled are described for the first time, so comparisons with other authors are missing.
The size of the testes in Malayan Sun bears, Sloth bears, Spectacled bears, Brown bears and Polar bears depends on the individual body size. If the volume of the testes are put into relation with body-size, smaller bears have comparatively larger organs. Apart from that, the Giant panda owns relatively as well as actually the largest gonads. In male Brown bears, Spectacled bears and a Giant panda a seasonal change in testes size can be observed.
During the breeding season the testes reach their maximum dimensions. In contrast the sizes of the accessory sex glands Ampulla ductus deferentisand Glandula prostaticaare linear to the body size and their seasonal changes in dimension are very limited. Again the Giant panda is an exception. Its prostate almost doubles its size during the breeding season.
In a castrated Asiatic Black bear the accessory sex glands were atrophied; a hint on their hormone induced growth and regulation. Semen gained from Giant panda and Spectacled bears using electroejaculation is of best quality during the estrous of the female. The active stage of spermatogenesis is mirrored by the increase of the testis dimensions. The quality and quantity of the Giant panda's semen is outstanding compared to the Spectacled bear’s and the descriptions of other bears in the literature. But in the Spectacled bear the question about the seasonality has not been finally answered and this might have a strong influence on these parameters.
In the female Malayan Sun bear, American Black bear, Brown bear and Polar bear the length of the uterus correlates with the size of the animals. In the American Black bear it also correlates with seasonality. The comparison of the uterine body and the uterine horns is reciprocal depending upon body size. The uterine diameter in all eight bear species was assassed using transrectal ultrasonography. The differences in diameter of the uters body and the uterus horns are negligible. The weight-related diameter of the uterus is decreasing with increasing body mass. Again the Giant panda is an exception: during the active reproduction stages estrous, diapause and pregnancy it has the largest weight-related diameter of of all bears. The weight-related diameter of the uterus varies during the different reproduction stages. But there is no seasonally related change with a maximum during pregnancy as was expected. There is no relation between the proliferation of the endometrium and the reproduction stage. The detection of pregnancies using the conterlateral diameter of the uterus horn or the uterine corpus is not possible. Also free floating oocytes or blastocysts before implantation are impossible to demonstrate.
Pregnancies can be positively proven after implantation. The implantation site is characterized by a local enlargement of the uterus horn and the proliferation of the endometrium. The remaining uterus stays unchanged and remains in appearance as that of a non-pregnant animal. In the ovaries a reciprocal trend of the weight-related size of can only be observed during anestrous and pregnancy. During any other reproduction stage the size of the ovaries correlates with the body size. Apart from this the Giant panda owns the largest gonads, up to three to four times larger than those of the other bears. The volume of the ovaries changes on a seasonal base and is influenced be the growth of functional bodies.
Functional bodies, follicles and corpora lutea, can be well assessed and differentiated by using ultrasonography. Thus a diagnosis of the reproduction status is possible using an ovarian diagnostic in combination with the interpretation of the functional bodies.
Endocrinological investigations have been performed on members of all three bear sub-species. They are based upon the experience of the Institute for Zoo and Wildlife Research, Berlin, studying the Giant panda. As mentioned above, the reproduction biology of most members of the ursine family is very similar (the Malayan Sun bear is an exception). The brown bear was included into this study because it is the most popular bear in European zoos. The Spectacled bear was chosen as the third species because on the one hand it links the Giant panda and the Brown bear genetically and on the other is also an endangered bear.
In the Giant panda urinary estradiol is used for ovulation detection. A gradual increase of about eight days in the estradiol secretion precedes the preovulatory estradiol peak followed by a sharp drop to base level at the time of ovulation. This method does not reveal clear results in either the Brown nor Spectacled bear. Also another immune-assay for epiandrosterone, which is used in Malayan Sun bears to trail the follicular phase (Schwarzenberger et al. 1998) as well as the analysis of saliva did not lead to any interpretable results. An alternative method for estrous detection in bears is the determination of urinary volatile substances (volatiles). In the Giant panda a two to three days lasting peak in the secretion of urinary fatty acids occurrs at the same time as the increase in estrogens and in the behavioral changes announcing estrous. These fatty acids can also be detected in Brown bears during heat. They have also been distinguished in Spectacled bears, but there were no clear estrous signs in these animals. So far the origin of these substances is a matter of speculation. They can be detected outside a specialized laboratory in close proximity of the animals using a commercial colorimtric test kit for fatty acids.
To monitor pregnancies in the Giant panda urinary pregnandiol is routinely used to demonstrate the luteal activity. This method does not function in Brown or Spectacled bears. But the luteal phase can be assessed in both species using progesterone in faeces or urine. Saliva again shows no results.
In conclusion the reproductive tracts of bears basically have similar structures from an anatomical and topographical point of view. Their size relies on the size of the animal. Only the Giant panda has the largest gonads and uterus diameter both actually and in relation to its body size. For the development of instruments for electroejaculation, ovum pick-up or micro-invasive surgery model species of similar body size to the target species can be used. Also the techniques for electroejaculation can be directly transferred between species.
Depending upon the localization of research projects one can recommend different model species. In Europe the Brown bear is advised because it is the most common bear in this region. In South-East Asia the Asiatic Black bear is preferred. These bears are bred on farms and are therefore easily obtained for any examination. Extensive studies have already been carried out in North America on American Black bears. Johnston et al. (1994) recommended the use of these bears as model species.
From an endocrinological point of view the bears differ significantly. Each species needs its own method for estrous detection and pregnancy monitoring. A differentiation between pregnancy and pseudo-pregnancy is still not possible. For the Giant panda the assessment of urinary estradiol for estrous detection and urinary pregnandiol for pregnancy monitoring has already been established. The luteal phase of the Brown bear can be determined by faecal and urinary progesterone; in the Spectacled bear by urinary progesterone. For Malayan Sun bears the follicular activity can be displayed using faecal epiandosterone. The measurement of urinary volatiles is a promising investigation for estrous detection in the future. Due to the limited number of samples in this study more research is need to back-up the results.
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