การศึกษาผลของการออกฤทธิ์ของกลูตาเมทและซีโรโทนิน ต่อการกินอาหาร แอคติวิตี้ของเอนไซม์การย่อยอาหาร และระบบภูมิคุ้มกัน ในกุ้งก้ามกรามเพศเมีย

Highlight:

ในการศึกษาครั้งนี้ คณะผู้วิจัยได้ทำการศึกษาการปรากฎของกลูตาเมท (glutamate, Glu) และซีโรโทนิน (serotonin, 5-HT) ในอวัยวะย่อยอาหาร และทำการศึกษาผลของการออกฤทธิ์ของกลูตาเมท และซีโรโทนิน ต่อการกินอาหาร แอคติวิตี้ของเอนไซม์การย่อยอาหาร และระบบภูมิคุ้มกัน ในกุ้งก้ามกรามเพศเมีย (Macrobrachium rosenbergii) คณะผู้วิจัยพบว่า Glu และ 5-HT มีการปรากฎใน foregut, midgut, hindgut, และ hepatopancreas และมีระดับความเข้มข้นสูงในระยะเต็มวัยของรังไข่ ในขณะที่สารสื่อประสาททั้งสองตัวนี้ พบระดับความเข้มข้นลดลง ในช่วงของรังไข่ระยะอ่อน โดยใช้วิธี high-performance liquid chromatography (HPLC) นอกจากนี้ ยังพบการปรากฏของ Glu-immunoreactivity (-ir) และ 5-HT-ir ในอวัยวะทางเดินอาหาร โดยใช้วิธี immunohistochemistry นอกจากนี้ กุ้งก้ามกรามที่ถูกฉีดด้วย Glu และ 5-HT ที่ระดับความเข้มข้น 2.5 × 10−6 และ 2.5 × 10−7 mol/prawn ส่งผลต่อ food consumption, gastric emptying midgut index, และเพิ่ม digestive enzymes อาทิ amylase, protease, และ lipase activities เมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มควบคุม อย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (P < 0.05). Glu และ 5-HT ยังสามารถกระตุ้น epithelial cell height, villi height, crypt depth และสามารถเพิ่มปฏิกิริยาของ PAS/AB ในอวัยวะทางเดินอาหาร นอกจากนี้ Glu และ 5-HT สามารถเพิ่มระดับของ M. rosenbergii NPF (MrNPF) และ immune-related transcripts อย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (P < 0.05) จากผลการวิจัยนี้ คณะผู้วิจัยได้ค้นพบองค์ความรู้พื้นฐานใหม่ที่สำคัญอย่างมาก ที่อาจจะสามารถนำสารสื่อประสาท Glu และ 5-HT มาประยุกต์ใช้เพื่อที่จะเพิ่มอัตราการกินอาหาร และการเพิ่มภูมิคุ้มกัน ในส่วนของการเพาะเลี้ยงกุ้งก้ามกรามเพศเมียในอนาคตต่อไปได้

ที่มาและความสำคัญ

Currently, prawn aquaculture with high-density populations faces several challenges, including diseases and infections, which cause stress and lead to diminished appetite and reduced feeding (Hooper et al., 2023). These factors directly impact gonadal development, particularly in the ovaries, leading to a decrease in the quantity and quality of eggs and, consequently, reduced offspring production. Feeding is affected by external factors such as water temperature, light, and food composition and taste properties (Kestemont and Baras, 2001; Volkoff and Rønnestad, 2020). In addition, feeding is regulated by internal factors, including various neurotransmitters, e.g., glutamate (Glu), serotonin (5-HT), and catecholamines (Scannell et al., 2008; Tierney, 2020). These factors are crucial in controlling feeding by activating the digestive and nervous systems, which is essential for assuring enough nutrient ingestion to maintain energy balance in the body (Celi et al., 2017). In female crustacean broodstocks, feeding is a crucial physiological process to acquire sufficient nutrients that are utilized to produce energy for ovarian development, oocyte production, and vitellogenesis. The quantity and quality of oocytes influence the successful development of fertilized eggs, which subsequently impacts crustacean production (Fernández-Palacios et al., 2011; Feng et al., 2023). Considering the importance of Glu and 5-HT in physiological functions, such as feeding, digestive enzyme activity, and immunity in aquatic animals like fish and decapod crustaceans, we question whether these neurotransmitters display alterations and regulatory functions in the digestive organs as essential modulators of feeding and immunity in female M. rosenbergii during the ovarian cycle.

Abstract

This study investigated the presence of glutamate (Glu) and serotonin (5-HT) in the digestive organs and their effects on feeding performance, digestive enzyme activity, and immunity throughout the ovarian cycle in female giant freshwater prawns (Macrobrachium rosenbergii). By high-performance liquid chromatography (HPLC), Glu and 5-HT were detected in the foregut, midgut, hindgut, and hepatopancreas, at the highest concentrations in the late ovarian stage and the lowest concentrations in the early ovarian stage. Through immunohistochemistry, the presence of Glu-immunoreactivity (-ir) and 5-HT-ir were observed in all digestive organs, and their intensities were shown to correlate with the levels detected by those observed via HPLC. Prawns injected with Glu and 5-HT at the doses of 2.5 × 10⁻⁶ and 2.5 × 10⁻⁷ mol/prawn, markedly increased food consumption, gastric emptying, and midgut index as well as enhanced amylase, protease, and lipase activities, compared with the control group (P < 0.05). Glu and 5-HT also enhanced epithelial cell height, villi height, and crypt depth and promoted the reactivity of PAS/AB in the digestive organs. In addition, treatment with Glu or 5-HT significantly upregulated M. rosenbergii NPF (MrNPF) and immune-related transcripts (P < 0.05). Collectively, these findings demonstrated the promising effects of Glu and 5-HT at a dose of 2.5 × 10⁻⁶ mol/prawn in stimulating feeding, digestive activities, and immunity, which could potentially be used to enhance feeding, growth, and maintain the health status of female prawn in aquaculture.

Keywords: Glutamate, Serotonin, Female freshwater prawn, Feeding, Ovarian development, Immunity

Citation: Deethaisong T, Vetkama W, Manjit P, Tinikul R, Sobhon P, Tinikul Y. (2025) Glutamate and serotonin enhance feeding performance, digestive enzyme activity, and immunity in the female giant freshwater prawn, Macrobrachium rosenbergii. Aquaculture Reports. 44, 103002. https://doi.org/10.1016/j.aqrep.2025.103002.

RELATED SDGs:

14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่อนักศึกษาที่ทำวิจัย: นางสาวทิราพร ดีไทยสง นางสาววรินทิพย์ เวชกามา และนางสาวปัณณศา แม้นจิตร
แหล่งทุนวิจัย: National Research Council of Thailand (NRCT-the Royal Golden Jubilee Ph.D. scholarship).
Credit ภาพถ่าย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
Webmaster: ว่าที่ ร.อ. นเรศ จันทรังสิุกล

การศึกษาลักษณะและการเปลี่ยนแปลงทางกายวิภาค สัณฐานวิทยา และเนื้อเยื่อวิทยาของระบบทางเดินอาหาร ในช่วงการพัฒนาของรังไข่ของกุ้งก้ามกรามเพศเมีย

Highlight:

ในการศึกษาครั้งนี้ คณะผู้วิจัยได้ทำการศึกษาลักษณะและการเปลี่ยนแปลงทางกายวิภาค สัณฐานวิทยา และเนื้อเยื่อวิทยา ของระบบทางเดินอาหารส่วน foregut (FG), midgut (MG), and hindgut (HG) ของกุ้งก้ามกรามเพศเมีย Macrobrachium rosenbergii ในช่วงการพัฒนาของรังไข่ ในส่วนของ FG ประกอบไปด้วย หลอดอาหาร (esophagus, ESO), cardia (CD), `และ pylorus (PY) ซึ่งมีลักษณะ epithelium (Ep) บุด้วยชั้น cuticle (Cu) ซึ่งหนา และมีต่อม (ESO glands) อยู่บริเวณนี้  ส่วน CD มีกล้ามเนื้อที่หนา และบริเวณ PY นั้นมีชั้นกล้ามเนื้อ inner longitudinal (LM) และ the outer circular (CM) รวมทั้งพบ villi จำนวนมาก ในส่วนของ MG จะไม่พบ cuticle แต่จะพบ microvilli และ subapical vacuoles บริเวณ apical surface ของเซลล์บุผิว ส่วนชั้นนอกสุด ของ MG จะพบ a dense strip ของ elastic fibers และกลุ่มของ collagen fibers รวมตัวกันอยู่ ในส่วนของ HG ประกอบด้วยชั้น cuticle บางกว่า FG และจะพบ HG glands คล้าย rosette-like structure ใน HG นั้น ประกอบด้วย CM และ the LM fibers นอกจากนี้ reactivity เมื่อทำการย้อมสีด้วย Periodic Acid Schiff/Alcian และการแสดงออกของ mucin พบว่า มีการเปลี่ยนแปลงไปตามระยะการพัฒนาของรังไข่ ซึ่งจากผลการวิจัยนี้ ได้ให้องค์ความรู้พื้นฐานใหม่ที่สำคัญอย่างมากในส่วนของลักษณะทางกายวิภาคและเนื้อเยื่อวิทยา ของระบบทางเดินอาหารในช่วงการพัฒนาของรังไข่ ของกุ้งก้ามกรามเพศเมีย M. rosenbergii ซึ่งสามารถนำองค์ความรู้ที่ได้นี้ไปประยุกต์ใช้ ในการพัฒนาการกินอาหารและการพัฒนาของรังไข่ในการเพาะเลี้ยงกุ้งก้ามกรามเพศเมีย ได้ในอนาคต

ที่มาและความสำคัญ

Basic understanding of the anatomy and physiology of the digestive system in decapod crustaceans is essential for comprehending the nutrition uptake and processing of this prawn M. rosenbergii species, and other decapod species. This will help to further develop aquaculture for this prawn species. However, the detailed morphological, histological, and histochemical characteristics of the FG, MG, and HG of the female prawn, M. rosenbergii during the ovarian cycle have not yet been investigated. Thus, we question whether there are morphological and histochemical changes in digestive organs that may be related to the ovarian maturation cycle in this female M. rosenbergii. These changes may reflect the functional connection between feeding and nutritional processing by the digestive tract which may serve ovarian maturation in this crustacean species.

Abstract

The anatomical, histological, and histochemical characteristics of the foregut (FG), midgut (MG), and hindgut (HG), as well as their alterations during the ovarian cycle in female prawns, Macrobrachium rosenbergii, were investigated. The esophagus (ESO), cardia (CD), and pylorus (PY) are the main components of the FG. An epithelium (Ep) with thick cuticle (Cu) layers lining the ESO, and the ESO is encircled by the ESO glands. The CD has a thick musculature, whereas the Ep of the PY are characterized by numerous villi and columnar Ep cells with a thinner layer of Cu. The inner longitudinal (LM) and the outer circular (CM) muscles were both present in the PY. The MG is lined by Ep cells which are connected to the basement membrane, and it lacks Cu. Microvilli, and subapical vacuoles are visible on the apical surface of Ep cells of the MG. The outermost layer is characterized by a dense strip of elastic fibers and a cluster of collagen fibers. The HG has the Ep cells with a thin Cu layer, and the HG glands form a rosette-like structure. The HG is surrounded by the CM and the LM fibers. The reactivities of Periodic Acid Schiff and Alcian Blue in these digestive organs altered throughout the ovarian cycle, and this was supported by the increased expression of mucin levels as ovarian maturation progressed. Our results offer novel and significant insights into the anatomical and histochemical structures of these digestive organs, and demonstrate a significant correlation between ovarian development and feeding in the female prawn, M. rosenbergii.

Keywords: Macrobrachium rosenbergii, Digestive organs, Histochemical structures, Ovarian development, Giant freshwater prawn, Ovarian cycle

Citation: Vetkama W, Tinikul R, Sobhon P, Tinikul Y. (2025) Morphological and histochemical characteristics of the foregut, midgut, and hindgut, and their alterations during ovarian development in female freshwater prawn, Macrobrachium rosenbergii. Cell and Tissue Research. 399(3):351-375. https://doi.org/10.1007/s00441-024-03948-w.

RELATED SDGs:

14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่อนักศึกษาที่ทำวิจัย: นางสาววรินทิพย์ เวชกามา
แหล่งทุนวิจัย:
1) National Research Council of Thailand (NRCT-the Royal Golden Jubilee Ph.D. scholarship).
2) National Research Council of Thailand (NRCT) and Mahidol University (Mid-Career Research Grant)
3) Fundamental Fund: fiscal year 2024 by National Science Research and Innovation Fund (NSRF))
4) NSRF via the Program Management Unit for Human Resources & Institutional Development, Research and Innovation
Credit ภาพถ่าย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล และ นางสาววรินทิพย์ เวชกามา

การศึกษาผลของ short neuropeptide F ต่อการพัฒนาของรังไข่ การตกไข่ และกลไกการควบคุม ในกุ้งก้ามกรามเพศเมีย Macrobrachium rosenbergii

Highlight:

คณะผู้วิจัยได้พบองค์ความรู้พื้นฐานใหม่ที่สำคัญคือ short neuropeptide F (Mro-sNPF) มีผลต่อการพัฒนาของรังไข่และการตกไข่ในกุ้งก้ามกรามเพศเมีย Macrobrachium rosenbergii โดยพบว่า เปปไทด์ Mro-sNPF ทำให้ระยะเวลาการพัฒนาของรังไข่สั้นลง เพิ่มดัชนีโกนาโดโซมาติก (GSI) เพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางไข่ (OD) และการเพิ่มจำนวนการแบ่งเซลล์ เมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มควบคุม (P<0.05) นอกจากนี้พบว่า เปปไทด์ Mro-sNPF เพิ่มระดับความเข้มข้นของ hemolymph vitellogenin และการเพิ่มระดับของ MrEcR เมื่อเปรียบเทียบกับกลุ่มควบคุม อย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (P<0.05) เปปไทด์ Mro-sNPF ยังคงเหนี่ยวนำให้เกิดการตกไข่ได้เร็วขึ้นโดยลดระยะเวลาลงครึ่งหนึ่ง เมื่อเทียบกับระยะเวลาการตกไข่ของกลุ่มควบคุม (P<0.05) เปปไทด์ Mro-sNPF มีศักยภาพในการกระตุ้นการผลิตเซลล์สืบพันธุ์ การพัฒนาของไข่ และการตกไข่ในกุ้งก้ามกราม ตลอดจนน่าจะสามารถนำไปการประยุกต์ใช้ในระบบเพาะเลี้ยงต่อไป

ที่มาและความสำคัญ

In decapod crustaceans, eyestalk ablation has been practiced by aquaculturists to enhance commercial production through the induction of ovarian maturation; however, this technique eventually leads to undesirable effects of decline in egg quality and quantity, precocious development of gonads, and early death of spawners. In recent years, hormonal manipulation has proven a more sustainable alternative to successfully promote ovarian development, and this approach has the potential to replace eyestalk ablation. Understanding of hormones controlling the development of gonads, which produce quality gametes for larval production, is essential to the success of crustacean aquaculture. Thus, in this study, we are the first to report the potent effect and regulatory mechanisms of short neuropeptide F (Mro-sNPFs) on the induction of ovarian maturation and spawning, and associated regulatory mechanisms in M. rosenbergii females. Therefore, Mro-sNPF treatment could be applied to solve prawn aquaculture problems by increasing gamete production of this crustacean species for aquaculture.

Abstract

  In the present study, we investigated the effects of two short neuropeptide F (Mro-sNPF) mature sequences, namely APALRLRFamide and DRTPALRLRFamide, on ovarian maturation and spawning in Macrobrachium rosenbergii females. At doses of 10⁻⁵ and 10⁻⁶ mol/prawn, both Mro-sNPF peptides significantly shortened the ovarian developmental period (P < 0.05), but enhanced the gonadosomatic index (GSI), oocyte diameter (OD), and cell proliferation, compared with control values (P < 0.05). However, at the lowest dose (10⁻⁷ mol/prawn), neither peptide significantly affected ovarian maturation, GSI, nor OD compared with the control values. Females treated with the two peptides at the dose of 10⁻⁵ or 10⁻⁶ mol/prawn attained mature oocyte stages faster than did control females. Treatment with both peptides significantly elevated hemolymph vitellogenin concentrations and upregulated MrEcR transcripts, compared with the control treatment (P < 0.05). Finally, both Mro-sNPFs induced spawning by shortening its duration by half (∼1.5 days) compared with the control duration (∼3.1 days) (P < 0.05). The number of eggs per spawn was approximately 15.4 × 10⁴ eggs in the experimental group and in the control group (∼15.35 × 10⁴ eggs), albeit without significance. Therefore, among the treatment groups, using APALRLRFamide at 10⁻⁵ mol/prawn showed promising effects on the induction of ovarian maturation and spawning. Taken together, Mro-sNPF peptides can promote ovarian development and spawning, indicating their potential application to stimulate gamete and larval production in this important crustacean aquaculture species.

Keywords: Short neuropeptide F, Ecdysteroids, Ovarian development, Spawning, Freshwater prawn

Citation: Yotsawan Tinikul, Ruchanok Tinikul, Attakorn Engsusophon, Prasert Sobhon, The effects of short neuropeptide F on ovarian maturation and spawning in female giant freshwater prawn, Macrobrachium rosenbergii, and associated regulatory mechanisms, Aquaculture, Volume 569, 2023, 739361, ISSN 0044-8486, https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2023.739361.

RELATED SDGs:

14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
แหล่งทุนวิจัย: Thailand Science Research and Innovation, Mahidol University (TRF Mid-Career Research Grant), Mahidol University (Fundamental Fund: Basic Research Fund, fiscal year 2022), The NSRF via the Program Management Unit for Human Resources & Institutional Development, Research and Innovation, and Faculty of Science, Mahidol University.

การศึกษาประสาทกายวิภาคศาสตร์เปรียบเทียบ ของระบบ neuropeptide F ในระบบประสาทช่วงระยะการพัฒนา ของรังไข่ในกุ้งก้ามกรามเพศเมีย

Highlight:
คณะผู้วิจัยได้ทำการศึกษาประสาทกายวิภาคศาสตร์เปรียบเทียบ ของระบบ M. rosenbergii neuropeptide F (MrNPF) ในระบบประสาทตลอดช่วงระยะการพัฒนาของรังไข่ของกุ้งก้ามกรามเพศเมีย ซึ่งพบว่า MrNPF transcripts มีความสัมพันธ์กับวงจรการพัฒนาของรังไข่ โดยระดับของ MrNPF จะค่อยๆเพิ่มจากระยะเริ่มต้น และมีระดับสูงสุดที่ระยะที่สามของวงจรการพัฒนาของไข่ และค่อยๆลดลงในระยะที่สี่ ในก้านตา สมอง ปมประสาท subesophageal และปมประสาท ในส่วนของจำนวน MrNPF-ir cells และความเข้มข้น ของ fluorescence intensity จะแปรผันตรงกับกัพัฒนาของรังไข่ ดังนั้นการศึกษานี้ได้รับองค์ความรู้พื้นฐานใหม่ที่สำคัญถึงระบบ MrNPF ในสมองส่วนกลาง ซึ่งเป็น neuropeptide ที่มีความควบคุมกับ sensory stimuli, รวมถึง photo-, chemo-, and gustatory receptions, ที่ควบคุมการกินอาหารและการสืบพันธุ์ ในกุ้งก้ามกรามเพศเมีย

ที่มาและความสำคัญ
There is still a lack of fundamental knowledge on the comparative neuroanatomical mapping and changes in the expression levels of MrNPF in the CNS during the ovarian cycle in the female prawn, M. rosenbergii. Therefore, in the present study, we investigated the comparative neuroanatomical distribution and alterations in the expression levels of MrNPF in the CNS of the female prawn, M. rosenbergii during the ovarian cycle, to provide new insights into MrNPF neural circuits, and MrNPF expression levels that could modulate the feeding process and ovarian development of this female prawn.

Abstract 
Neuropeptide F (NPF) plays critical roles in controlling the feeding and reproduction of prawns. In the present study, we investigated changes in the expression levels of Macrobrachium rosenbergii neuropeptide F (MrNPF), and its neuroanatomical distribution in eyestalk (ES), brain (BR), subesophageal ganglion (SEG), thoracic ganglia (TG), and abdominal ganglia (AG), during the ovarian cycle of female prawn. By qRT-PCR, the amount of MrNPF transcripts exhibited a gradual increase in the ES, BR, and combined SEG and TG from stages I and II, to reach a maximum level at stage III, and slightly declined at stage IV, respectively. The highest to lowest expression levels were detected in combined SEG and TG, BR, ES, and AG, respectively. MrNPF immunolabeling was observed in several neuronal clusters, associated fibers, and neuropils of these central nervous system (CNS) tissues. MrNPF-ir was more intense in neurons and neuropils of SEG and TG than those found in other parts of the CNS. The number of MrNPF-ir neurons and intensity of MrNPF-ir were higher in the ES, BR, SEG, and TG at the late stages than those at the early stages of the ovarian cycle, while those in AG exhibited insignificant change. Taken together, there is a correlation between changes in the neuroanatomical distribution of MrNPF and stages of the ovarian cycle, implying that MrNPF may be an important neuropeptide that integrates sensory stimuli, including photo-, chemo-, and gustatory receptions, to control feeding and reproduction, particularly ovarian development, of this female prawn, M. rosenbergii.

Keywords: Neuropeptide F, Neuroanatomical circuit, Feeding, Ovarian cycle, Ovarian development, Female prawn, Macrobrachium rosenbergii

Citation: Tinikul Y, Kruangkum T, Tinikul R, Sobhon P (2022) Comparative neuroanatomical distribution and expression levels of neuropeptide F in the central nervous system of the female freshwater prawn, Macrobrachium rosenbergii, during the ovarian cycle. Journal of Comparative Neurology. 530:729–755.
https://doi.org/10.1002/cne.25241

RELATED SDGs:

14. LIFE BELOW WATER

ผู้ให้ข้อมูล: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
ชื่ออาจารย์ที่ทำวิจัย: รองศาสตราจารย์ ดร.ยสวันต์ ตินิกุล
แหล่งทุนวิจัย: Thailand Research Fund (TRF), Thailand Science Research and Innovation, Mahidol University (TRF Mid-Career Research Grant), Mahidol University (Fundamental Fund: Basic Research Fund, fiscal year 2022), The NSRF via the Program Management Unit for Human Resources & Institutional Development, Research and Innovation, and Faculty of Science, Mahidol University.