Cryoconservation de sperme de faux-bourdons

Des progrès dans le domaine de la cryoconservation de sperme de faux-bourdons

Comparé à ses collègues travaillant avec d’autres espèces d’animaux, le sélectionneur d’abeilles doit surmonter des difficultés additionnelles majeures notamment :

• le mode de reproduction d’Apis mellifera. Celui-ci implique une seule période d’accouplement, limitée à quelques jours, mais qui doit suffire pour la fécondation des œufs pondus durant toute la vie de la reine. Pour cela, le nombre de spermatozoïdes dans la spermathèque de reines inséminées est d’environ 3-4 millions, parfois davantage ;
•  la courte durée de vie des reines : l’évaluation de la valeur d’une reine nécessite au moins une année de production. En général, il ne reste alors plus qu’une seule saison pour l’utiliser comme reproductrice.

Ne serait-il donc pas intéressant de conserver les allèles des reines les plus performantes ou les plus importantes après leur mort ? Il n’est donc pas surprenant que la cryoconservation de sperme de faux-bourdons a fait l’objet de recherches depuis les années 1970. Le risque de perdre la biodiversité naturelle est une autre motivation pour ces recherches. Il y a presque trente sous-espèces d’Apis mellifera, dont la plupart sont menacées par l’introgression de matériel importé. Or, ces abeilles “locales” portent en elles des gènes qui pourraient comporter la solution à nos problèmes apicoles de demain. Enfin, la cryoconservation de sperme pourrait devenir un outil précieux pour la sélection de caractères rares, tels que la résistance contre le Varroa. Dans ces cas, la cryoconservation pourrait permettre d’agrandir le nombre d’accouplements possibles, et de limiter ainsi le taux de consanguinité.

Contrairement à la plupart des espèces animales, les spermatozoïdes de notre abeille sont naturellement faits pour être conservés longtemps– même à température ambiante, ils restent vivants et fertiles pendant plusieurs semaines, une caractéristique fort utile pour les inséminateurs. En collaboration avec l’Institut de Recherches sur les Animaux Sauvages de Berlin ainsi que l’université de Leipzig, le laboratoire d’Hohen Neuendorf (Allemagne) a pu montrer que cette durée de vie naturellement longue est probablement due en partie à la composition des membranes cellulaires, extrêmement pauvres en acides gras poly-insaturés (Wegener et al., 2013). Mais les exigences de qualité des spermatozoïdes conservés sont elles aussi plus hautes que pour d’autres espèces animales – une reine inséminée avec du sperme conservé doit pondre des milliers d’œufs fécondés, et les spermatozoïdes reçus doivent rester vivants dans la spermathèque pendant longtemps.

Ainsi, les chercheurs soviétiques puis américains des années 1970 – 1980 sont vite arrivés à développer des méthodes permettant de congeler le sperme de faux-bourdons à la température de l’azote liquide (-196°C), puis de le décongeler vivant et parfois même hautement actif (Melnichenko et Vavilov, 1975 ; Harbo, 1983). Mais après insémination, le nombre de cellules retrouvés dans la spermathèque était faible (généralement < 300.000), la proportion de couvain d’ouvrières (indicateur du taux de fécondation des oeufs) bas, et la durée de vie des reines souvent courte. Plus récemment, des améliorations apportés à la méthode par des chercheurs de l’université de Washington ont porté ce taux d’ouvrières dans la ponte de reines inséminées avec du sperme décongelé à une moyenne de 50%, mais la durée de vie des reines restait très courte (Hopkins et al., 2012). En France, l’INRA d’Avignon a également obtenu des résultats encourageants dans les années 2000 avec quelques reines inséminées avec de la semence cryoconservée en ponte. Malheureusement, la méthode utilisée ne fonctionnait pas systématiquement.

L’Institut de Recherches Apicoles de Hohen Neuendorf s’est intéressé au sujet de la cryoconservarion des spermatozoides de faux-bourdons en 2009, avec l’appui d’une PME locale (AMP-Lab GmbH) et du ministère d’agriculture Allemand*. Après beaucoup de tentatives avortées, ils se sont demandé si l’état très actif des spermatozoïdes après décongélation n’était pas un problème. On sait, dans les autres espèces, que l’hyperactivité des spermatozoïdes n’est induite que brièvement et cela juste avant le contact avec l’oocyte. Cet état hyperactif est généralement irréversible, et les spermatozoïdes activés ne vivent plus très longtemps. La fécondation chez les abeilles du genre Apis est notablement différente : les spermatozoïdes, au moment de l’éjaculation, forment une masse extrêmement dense (environ 7 millions de spermatozoïdes par microlitre!), ou les seuls mouvements possibles sont des ondulations parallèles des flagelles de paquets de spermatozoïdes (figure 2). Or, toutes les méthodes « traditionnelles » de cryoconservation comprennent l’ajout d’un diluant au sperme, contenant des substances nécessaires à la prévention de la formation de glace intracellulaire (cryoprotectants). La dilution mène généralement à l’activation des spermatozoïdes, et détruit la plupart des paquets. C’est pourquoi ils ont développés une méthode alternative pour ajouter les cryoprotectants, non pas par dilution, mais par dialyse (figures 3-5). Dans ce cas, le sperme est transféré dans un tube, et celui-ci est submergé dans une solution concentrée du cryoprotectant. Le matériel du tube permet le passage du cryoprotectant, mais pas de molécules plus grandes ou des spermatozoïdes. Ainsi, le protectant pénètre dans le sperme sans détruire les paquets. En plus, la dialyse permet de réduire l’eau cellulaire, ce qui diminue le risque de formation de cristaux de glace lors des étapes de congélation/dégongélation.

Avec cette méthode, récemment publiée dans le journal Cryobiology (Wegener et al., 2014), ils arrivent à un taux de couvain d’ouvrières généralement supérieur à 50%, maintenu pendant plusieurs mois. Certaines reines hivernées produisaient encore du couvain d’ouvrières au printemps suivant. Ces résultats ne permettent évidemment pas encore l’utilisation de sperme décongelé pour l’insémination de reines « de production » mais ils sont suffisants pour inséminer des reines avec du sperme congelé et obtenir qu’elles-mêmes produisent des œufs fécondés. Cela permet de réintroduire des allèles congelés. Il est donc désormais possible d’utiliser la cryoconservation de sperme de faux-bourdons pour la protection de biodiversité ou dans des programmes de sélection spécifiques.

En 2014, l’institut d’Hohen Neuendorf a fortement simplifié le protocole, et développé un kit commercial pour la cryoconservation**. Cependant, le processus nécessite la manipulation d’azote liquide et de disposer d’un récipient cryogénique pour un stockage de longue durée. Un tel matériel a un cout non négligeable et son utilisation nécessite également une formation pour ne pas prendre de risque. Pour cette raison, il est plutôt conseillé aux sélectionneurs intéressés de s’adresser soit à un institut public, soit à une cryobanque commerciale.

Une première cryobanque de sperme de faux-bourdons a récemment été créée aux Etats-Unis, travaillant encore avec un protocole de cryopréservation « conventionnel », c’est à dire sans dialyse. En Europe, des discussions sont en cours pour en mettre une autre en place. Un tel outil pourrait être un support important à la préservation de ressources génétiques apicoles ainsi qu’au travail des sélectionneurs, par exemple dans le but de créer une souche d’abeilles véritablement résistante à Varroa destructor.

* par l’intermédiaire de la Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung, dans le cadre de son programme de soutien aux innovateurs (FKZ 2813500408).
** disponible sur www.amplab.de

Références bibliographiques

Harbo, J. (1983) Survival of honey bee (hymenoptera: Apidae) spermatozoa after two years in liquid nitrogen (-196°c). Ann Entomol Soc Am 76, 890-891.

Hopkins, B.K., C. Herr, W.S. Sheppard (2012) Sequential generations of honey bee (Apis mellifera) queens produced using cryopreserved semen. Reproduction, Fertility and Development 24, 1079-1083.

Melnichenko, A.N., I.L. Vavilov Long term storage of drone sperm by freezing in liquid nitrogen. In: Apimondia, Prague, 1975. p 311 – 314.

Wegener, J., K. Zschörnig, K. Onischke, B. Fuchs, J. Schiller, K. Müller (2013) Conservation of honey bee (Apis mellifera) sperm phospholipids during storage in the bee queen – a tlc/maldi-tof ms study. Exp Gerontol 48, 213-222.

Wegener, J., T. May, G. Kamp, K. Bienefeld (2014) A succesful new approach to honeybee semen cryopreservation. Cryobiology 69, 236-242.

L’auteur principal de cet article est le Dr. Jakob Wegener, ingénieur en agriculture diplômé de l’Institut Supérieur Agricole de Beauvais. Il est apiculteur depuis 25 ans, et depuis 12 ans il travaille à l’Institut de Recherche Apicole de Hohen Neuendorf (Allemagne). Vous pouvez le contacter par e-mail : wegenerj@hu-berlin.de.

Source: http://itsap.asso.fr/