Prosjektnummer
901590
Identifisering av miljømessige signaler som regulerer smoltifisering og modning hos oppdrettslaks: Et funksjonelt grunnlag for å redusere taperfisk og tidlig kjønnsmodning
Ny kunnskap om hva som karakteriserer utviklingen av taperfisk og hvordan produksjonsbetingelser i settefiskfasen kan påvirke utviklingen av taperfisk
• Selv med synkronisering av populasjonens utvikling etter 5 ukers vintersignal, øker variasjonen i endokrin status mot smoltifisering. Variasjonen i endokrin status samsvarer ikke med typiske smoltparametere som måler sammensetningen ulike subenheter av natriumkalium-ATPasen (nka). Dette kan skape utfordringer for optimal utsett av smolt i sjø.
• Karforsøk indikerer at et 7 ukers vintersignal med en lysmengde på minimum 0,15 μmol/m2/s ved karbunnen gir et robust smoltifiseringssignal, hvor populasjonen forblir synkron også etter vintersignalet, frem mot ferdig smolt.
• Etter utsett av smolt fra fullskala produksjon i sjø ble det identifisert en undergruppe av fisk med redusert vekst, kalt “tapere”. Disse hadde reduserte tyroksinnivåer samt redusert uttrykk av en hittil lite studert nka-variant, nkaα3, i gjellene.
• Mørkeperioder etter smoltifisering kan muligens bidra til å redusere kjønnsmodning. Bruk av lys med større innslag av blått spektrum kan også minimere kjønnsmodning, men effekten varierer avhengig av lysintensitet og tidspunkt.
• Det ble observert en signifikant økning i plasmanivåer av 11-ketotestosteron (11-KT) hos hannfisk i postsmoltfasen der vannet hadde et saltnivå på 14 ppt, noe som indikerer at dette saltnivået kanskje ikke er tilstrekkelig for å forhindre kjønnsmodning.
• Interessante funn ble også gjort angående forholdet mellom tyroksin (T4) og trijodtyronin (T3) gjennom smoltifiseringen, samt mulige interaksjoner mellom Tsh og gonadotrope celler som regulerer kjønnsmodning.
Sammendrag av resultater fra prosjektets faglige sluttrapport (Summary in English further below)
Suboptimal smoltifisering hos laks er en vedvarende utfordring i oppdrettsnæringen, med konsekvenser som redusert vekst og økt dødelighet ved sjøutsetting. Dette prosjektet gir innsikt i hvordan ulike produksjonsprotokoller kan påvirke smoltifisering og kjønnsmodning, to kritiske faser i laksens livssyklus. I studien ble det utført eksperimenter for å følge ulike fiskegrupper gjennom smoltifisering og frem til sjøutsetting. Noen av disse eksperimentene ble organisert som fullskala feltforsøk, hvor fisk fra samme populasjon ble utsatt for forskjellige fotoperiode-regimer. Prosjektet utforsket også bruk av forskjellige lyspektra for å forhindre tidlig modning. Videre ble det gjennomført knockout-studier og kartlegging av hypofysens cellestruktur basert på enkeltcelle mRNA-sekvensering.
Hovedfunnene inkluderer:
• Selv med synkronisering av populasjonens utvikling etter 5 ukers vintersignal, øker variasjonen i endokrin status mot smoltifisering. Variasjonen i endokrin status samsvarer ikke med typiske smoltparametere som måler sammensetningen ulike subenheter av natriumkalium-ATPasen (nka). Dette kan skape utfordringer for et optimalt utsett av smoltgruppen i sjø.
• Karforsøk indikerer at et 7 ukers vintersignal med en lysmengde på minimum 0,15 μmol/m2/s ved karbunnen gir et robust smoltifiseringssignal, hvor populasjonen forblir synkron også etter vintersignalets slutt og frem mot ferdig smolt.
• Etter utsett av smolt fra fullskala produksjon i sjø ble det identifisert en undergruppe av fisk med redusert vekst og overlevelse, kalt “tapere”. Denne fisken hadde reduserte tyroksinnivåer samt redusert uttrykk av en hittil lite studert nka-variant, nkaα3, i gjellene.
• Mørkeperioder etter smoltifisering kan muligens bidra til å redusere kjønnsmodning. Bruk av lys med større innslag av blått spektrum kan også minimere kjønnsmodning, men effekten varierer avhengig av lysintensitet og tidspunkt.
• Det ble observert en signifikant økning i plasmanivåer av 11-ketotestosteron (11-KT) hos hannfisk i postsmoltfasen der vannet hadde et saltnivå på 14 ppt, noe som indikerer at dette saltnivået kanskje ikke er tilstrekkelig for å forhindre kjønnsmodning.
• Interessante funn ble også gjort angående forholdet mellom tyroksin (T4) og trijodtyronin (T3) gjennom smoltifiseringen, samt mulige interaksjoner mellom Tsh og gonadotrope celler som regulerer kjønnsmodning.
Disse funnene gir verdifull informasjon om hvordan miljøparametere som lys og temperatur kan påvirke smoltifisering og kjønnsmodning. Imidlertid er det viktig å understreke at disse resultatene trenger videre undersøkelser for å bekrefte deres fullstendige implikasjoner og for å utvikle robuste, industrielle løsninger.
Hovedfunnene inkluderer:
• Selv med synkronisering av populasjonens utvikling etter 5 ukers vintersignal, øker variasjonen i endokrin status mot smoltifisering. Variasjonen i endokrin status samsvarer ikke med typiske smoltparametere som måler sammensetningen ulike subenheter av natriumkalium-ATPasen (nka). Dette kan skape utfordringer for et optimalt utsett av smoltgruppen i sjø.
• Karforsøk indikerer at et 7 ukers vintersignal med en lysmengde på minimum 0,15 μmol/m2/s ved karbunnen gir et robust smoltifiseringssignal, hvor populasjonen forblir synkron også etter vintersignalets slutt og frem mot ferdig smolt.
• Etter utsett av smolt fra fullskala produksjon i sjø ble det identifisert en undergruppe av fisk med redusert vekst og overlevelse, kalt “tapere”. Denne fisken hadde reduserte tyroksinnivåer samt redusert uttrykk av en hittil lite studert nka-variant, nkaα3, i gjellene.
• Mørkeperioder etter smoltifisering kan muligens bidra til å redusere kjønnsmodning. Bruk av lys med større innslag av blått spektrum kan også minimere kjønnsmodning, men effekten varierer avhengig av lysintensitet og tidspunkt.
• Det ble observert en signifikant økning i plasmanivåer av 11-ketotestosteron (11-KT) hos hannfisk i postsmoltfasen der vannet hadde et saltnivå på 14 ppt, noe som indikerer at dette saltnivået kanskje ikke er tilstrekkelig for å forhindre kjønnsmodning.
• Interessante funn ble også gjort angående forholdet mellom tyroksin (T4) og trijodtyronin (T3) gjennom smoltifiseringen, samt mulige interaksjoner mellom Tsh og gonadotrope celler som regulerer kjønnsmodning.
Disse funnene gir verdifull informasjon om hvordan miljøparametere som lys og temperatur kan påvirke smoltifisering og kjønnsmodning. Imidlertid er det viktig å understreke at disse resultatene trenger videre undersøkelser for å bekrefte deres fullstendige implikasjoner og for å utvikle robuste, industrielle løsninger.
Results achieved
Summary of results from the project's final report
Suboptimal smoltification in salmon remains a persistent challenge in the aquaculture industry, leading to consequences such as reduced growth and increased mortality upon sea transfer. This project provides insights into how different production protocols can influence smoltification and sexual maturation, two critical phases in the salmon's life cycle. In the study, experiments were conducted to monitor various fish groups through smoltification and up to sea transfer. Some of these experiments were organized as full-scale field trials, where fish from the same population were subjected to different photoperiod regimes. The project also explored the use of various light spectra to prevent early maturation. Furthermore, knockout studies were conducted, and the pituitary cell structure was mapped based on single-cell mRNA sequencing.
The main findings include:
• Even with the synchronization of the population's development after a 5-week winter signal, the variation in endocrine status towards smoltification increases. This variation in endocrine status does not necessarily correlate with typical smolt parameters that measure the composition of different subunits of the sodium-potassium ATPase (nka). This can pose challenges for the optimal transfer of smolt to the sea.
• Tank experiments indicate that a 7-week winter signal with a light intensity of at least 0.15 μmol/m2/s at the tank bottom provides a robust smoltification signal, where the population remains synchronized even after the winter signal, up to the fully developed smolt.
• After transferring smolt from full-scale production to the sea, a subgroup of fish with reduced growth, termed ‘losers’, was identified. These fish had reduced thyroxine levels and reduced expression of a previously little-studied nka variant, nkaα3, in the gills.
• Dark periods after smoltification might help reduce sexual maturation. The use of light with a higher proportion of blue spectrum can also minimize sexual maturation, but the effect varies depending on light intensity and timing.
• A significant increase in plasma levels of 11-ketotestosterone (11-KT) was observed in male fish in the post-smolt phase where the water had a salinity level of 14 ppt, suggesting that this salinity level might not be sufficient to prevent sexual maturation.
• Intriguing findings were also made regarding the relationship between thyroxine (T4) and triiodothyronine (T3) throughout smoltification, as well as potential interactions between Tsh and gonadotropic cells regulating sexual maturation.
These findings offer valuable information on how environmental parameters like light and temperature can influence smoltification and sexual maturation. However, it's essential to emphasize that these results require further investigation to confirm their full implications and to develop robust, industrial solutions.
Prosjektet har gitt ny grunnleggende kunnskap om hva som karakteriserer utviklingen av taperfisk i en smoltgruppe, samt hvordan relevante produksjonsbetingelser i settefiskfasen kan bidra til å påvirke denne utviklingen og generelt forbedre smoltifiseringen og derved kvaliteten på smolten som settes ut i sjø.
-
Sluttrapport: Identifisering av miljømessige signaler som regulerer smoltifisering og modning hos oppdrettslaks: Et funksjonelt grunnlag for å redusere taperfisk og tidlig kjønnsmodning
NMBU – Norges miljø- og biovitenskapelige universitet. August 2023. Av Kjetil Hodne, Marit Stormoen, Ian Mayer, Guro Sandvik, Alexander Figenschou, Charlott Kjærre Olofsson, Supid Mahat, Marit Bråten Svendby, Ellen-Andrea Grønneberg og Hege Lund.
Optimal vekst i sjøfasen forutsetter en optimal
smoltifisering hos laks. Dessverre viser det seg at opp mot 20 % av fisken som
settes ut i sjø har en betydelig redusert vekst. Disse fiskene kalles ofte for
taperfisk. I tillegg til redusert vekst har taperfisken store problemer med
osmoregulering i sjøvann. Dette resulterer i betydelige økonomiske tap og i
tillegg et enormt velferdsproblem for fisken.
For å øke somatisk vekst og samtidig forhindre kjønnsmodning, blir parr ofte holdt under forhold med konstant lys. Initiering av smoltifisering foregår ved å ha en periode med kortere daglengde, et “vintersignal”, i seks uker på slutten av parr-perioden. I løpet av denne perioden begynner imidlertid en betydelig andel av laksen å kjønnsmodne. Konsekvensen av denne tidlige kjønnsmodningen er redusert smoltifisering og vekst som igjen påvirker fiskens overlevelse i sjøfasen. Et av de første hormonene som øker under smoltifiseringsprosessen er tyroksin, men man vet fortsatt lite om hvordan tyroksin reguleres. Det som er interessant er at taperfisk har lave tyroksin-nivåer i blodet sammenliknet med laks som utvikler seg normalt. Nylig oppdaget man en ny variant av tyroksin/skjoldbrusk-stimulerende hormon (tshβb). Denne tshβb-varianten kan muligens være en nøkkel til å forstå smoltifisering og tidlig kjønnsmodning hos laks.
Dette prosjektet er utformet for å belyse funksjonen til tshβb og undersøke hvordan daglengde og temperatur kan optimaliseres for å initiere et robust uttrykk av tshβb og derved muligens en mer effektiv smoltifisering, og som sådan bidra til å redusere forekomsten av taperfisk. I dette arbeidet inkluderer man også en omfattende karakterisering av taperfisk for å identifisere faktorer som påvirkes av tshβb.
For å øke somatisk vekst og samtidig forhindre kjønnsmodning, blir parr ofte holdt under forhold med konstant lys. Initiering av smoltifisering foregår ved å ha en periode med kortere daglengde, et “vintersignal”, i seks uker på slutten av parr-perioden. I løpet av denne perioden begynner imidlertid en betydelig andel av laksen å kjønnsmodne. Konsekvensen av denne tidlige kjønnsmodningen er redusert smoltifisering og vekst som igjen påvirker fiskens overlevelse i sjøfasen. Et av de første hormonene som øker under smoltifiseringsprosessen er tyroksin, men man vet fortsatt lite om hvordan tyroksin reguleres. Det som er interessant er at taperfisk har lave tyroksin-nivåer i blodet sammenliknet med laks som utvikler seg normalt. Nylig oppdaget man en ny variant av tyroksin/skjoldbrusk-stimulerende hormon (tshβb). Denne tshβb-varianten kan muligens være en nøkkel til å forstå smoltifisering og tidlig kjønnsmodning hos laks.
Dette prosjektet er utformet for å belyse funksjonen til tshβb og undersøke hvordan daglengde og temperatur kan optimaliseres for å initiere et robust uttrykk av tshβb og derved muligens en mer effektiv smoltifisering, og som sådan bidra til å redusere forekomsten av taperfisk. I dette arbeidet inkluderer man også en omfattende karakterisering av taperfisk for å identifisere faktorer som påvirkes av tshβb.
Hovedmål
Å finne metoder som
effektivt kan aktivere hjerne–hypofyse–thyroidea-aksen og dermed eliminere
såkalte taperfisk ved overføring til sjø. Et tilleggsmål er å finne optimale
forhold som reduserer eller hemmer tidlig kjønnsmodning ved manipulering av fotoperiode.
Delmål
• Å etablere nye metodiske verktøy som bruker knockout-laks for å undersøke smoltifisering og modning.
• Å forstå hvordan melatonin/fotoperiodemanipulering regulerer cellulære prosesser i hypofysen.
• Å forstå hvordan endringer i fotoperiode og temperatur påvirker smoltifisering og kjønnsmodning hos laks.
På kort sikt vil prosjektet gi ny kunnskap om funksjonen til den
nye varianten av tyroksin/skjoldbrusk-stimulerende hormon (Tsh). På lang sikt er målet å kunne benytte fotoperiode-behandlinger som gir en robust aktivering av Tsh, og som vil kunne medføre en betydelig
reduksjon av taperfisk.
Prosjektet er inndelt i fire arbeidspakker (AP-er):
AP1: Fysiologiske undersøkelser og karakterisering av taperfisk
Ansvarlig: NMBU v/ Stormoen
AP1: Fysiologiske undersøkelser og karakterisering av taperfisk
Ansvarlig: NMBU v/ Stormoen
Hensikten med AP1 er å bedre
forståelsen av hva som forårsaker taperfisk. Det vil utføres omfattende
undersøkelser av fysiologiske parametere så vel som studier av genuttrykk.
Arbeidet utføres i samarbeid med to lakseprodusenter, som har rapportert utfordringer med taperfisk. Det tas sikte på prøvetaking
fra anlegg med høy forekomst av taperfisk.
AP2: Etablering av tre ulike knockout-laks
Ansvarlig: NMBU v/ Hodne
For å bedre forstå de
nevroendokrine mekanismene som styrer smoltifisering, vil det i samarbeid med CIGENE (v/ Sandvik) genereres tre forskjellige knockout-laks ved bruk
av CRISPR/Cas-teknologien. De tre genene som vil inaktiveres er tshβa, tshβb (viktig under
smoltifisering) og fshb (setter i gang kjønnsmodning). Knockout-fiskene vil gi
nye verktøy for å undersøke genfunksjon i AP3 og AP4.
AP3: Karakterisering av cellulære signalveier involvert i smoltifisering og kjønnsmodning, samt identifisering av de viktigste genene som uttrykkes i ulike celletyper i hypofysen
Ansvarlig: NMBU v/ Hodne
Hensikten med AP3 er å forstå
hvordan celler som uttrykker tshβb (viktig for smoltifisering) og fshb (viktig
for initiering av kjønnsmodning) reguleres av melatonin. Sammen med CIGENE (v/ Lien) vil det genereres et detaljert genuttrykksatlas over hypofysen i taperfisk, normalt utviklet fisk og knockout-fisk (AP2). Dette arbeidet
vil ta i bruk helt nye metoder for sekvensering som gjør det mulig å se
forskjeller i genuttrykk ned til enkeltceller. Dette vil også gi mulighet
til å identifisere hvordan transkriptomet til alle forskjellige celletyper i
laksehypofysen påvirkes av miljøendringer (daglengde) og knockout (avslåtte gener). Videre vil
genekspresjonsstudier bli komplementert med funksjonelle eksperimenter for å undersøke hvordan spesifikke celler reguleres av melatonin. Her vil det kombineres elektrofysiologi med ulike andre teknikker som måler hvordan cellene bruke Ca2+
til hormonutskillelse.
AP4: Undersøkelser av fotoperioderegimer som er optimale for robust tshβb-uttrykk og samtidig reduserer fshb-produksjonen
Ansvarlig: NMBU v/ Mayer
Hovedmålet med AP4 er å undersøke eksperimentelt hvordan miljøkontroll kan brukes mest effektivt i produksjonen av robust smolt. Spesielt vil det fokuseres på hvordan kontrollert tilpasning av daglengde kan brukes mest effektivt for produksjon av robust smolt, og samtidig minimere forekomsten av tidlig kjønnsmodning. Her vil man også identifisere produksjonsregimer som favoriserer utvikling av taperfisk, inkludert komparative studier med knockout-laks (AP2).
Kunnskapen som genereres
i dette prosjektet vil tiltrekke bred interesse fra både akademia og
industri. Det vil samarbeides med industripartnere om hvordan best implementere nye funn. Prosjektet vil også delta på nasjonale og internasjonale møter. Det tas sikte på publisering i høyt rangerte tidsskrifter. Prosjektgruppen inngår også et
nytt samarbeid med The Salmon (Oslo), et nylig åpnet visnings/informasjons- og matsenter
med fokus på lakseoppdrett-relevant utdanning, informasjon og debatt.
-
Sluttrapport: Identifisering av miljømessige signaler som regulerer smoltifisering og modning hos oppdrettslaks: Et funksjonelt grunnlag for å redusere taperfisk og tidlig kjønnsmodning
NMBU – Norges miljø- og biovitenskapelige universitet. August 2023. Av Kjetil Hodne, Marit Stormoen, Ian Mayer, Guro Sandvik, Alexander Figenschou, Charlott Kjærre Olofsson, Supid Mahat, Marit Bråten Svendby, Ellen-Andrea Grønneberg og Hege Lund.