Prosjektnummer
901589
Produksjonsprotokoller og avlsstrategier for synkronisert smoltifisering (Synchrosmolt)
Ny kunnskap om faktorer som påvirker smoltkvalitet
• Smoltproduksjonsprotokoller som inkluderer 6 uker med vinterfotoperiode synkroniserer smoltutvikling og reduserer dødelighet tidlig i sjøfasen sammenliknet med smoltproduksjon under konstant lys.
• “Visuell” evaluering av smoltstatus basert på skinnfarge er en usikker metode for å bestemme om smolt er godt tilpasset sjøvann.
• CFTR-genet var en av de beste markørene for å predikere tidlig død i sjøfase, mens dagens mest brukte markør for smoltstatus (NKA-ratio) ikke var blant disse.
• Det ble avdekket et lite område på kromosom 14 som bidrar til stor variasjon i uttrykket til mange hundre gener i smoltens gjeller. UIike genotyper for dette lokuset viste forskjeller i vekst i ferskvann og overlevelse i sjø, som betyr at dette kan være en ny markør for synkron smoltifisering.
• Genetikken påvirker utviklingen av smoltfysiologi.
• “Visuell” evaluering av smoltstatus basert på skinnfarge er en usikker metode for å bestemme om smolt er godt tilpasset sjøvann.
• CFTR-genet var en av de beste markørene for å predikere tidlig død i sjøfase, mens dagens mest brukte markør for smoltstatus (NKA-ratio) ikke var blant disse.
• Det ble avdekket et lite område på kromosom 14 som bidrar til stor variasjon i uttrykket til mange hundre gener i smoltens gjeller. UIike genotyper for dette lokuset viste forskjeller i vekst i ferskvann og overlevelse i sjø, som betyr at dette kan være en ny markør for synkron smoltifisering.
• Genetikken påvirker utviklingen av smoltfysiologi.
Sammendrag av resultater fra prosjektets faglige sluttrapport (English summary further below)
Formålet
En av de store utfordringene i norsk lakseoppdrett er tap av fisk (ca. 10–15 %) etter utsetting av smolt i sjøvann. En årsak til dette er at mange smolt ikke har gjennomgått en “optimal smoltutvikling”, og er derfor ikke godt nok tilpasset et liv i sjøen. En løsning på denne utfordringen er å oppnå en mer uniform smoltifiseringsprosess, slik at flest mulig laks har oppnådd god smoltstatus når livet i havet starter. I Synchrosmolt-prosjektet ønsket man derfor å fremskaIe ny kunnskap om to faktorer som kan påvirke hvor synkront smoltutviklingen skjer: (i) fotoperiodisk historie (dvs lysstyringsprotokoller) under smoltproduksjon og (ii) laksens genetikk.
Metode
For å undersøke hvordan lys og genetikk påvirket smoltifiseringen ble det utført et eksperiment med tre smoltgrupper av 1000 fisk med lik genetikk. Gruppene ble behandlet likt bortsett fra 6 uker med ulikt lysregime 3 måneder før overføring til sjø (ved ca. 100 gram). En gruppe fortsatte på konstant lys (24 timer) og de to andre fikk ulike “vintersignal”. Disse vintersignalene bestod av 6 uker med middels kort dag (12 timer lys), og 6 uker med svært kort dag (8 timer lys). Gruppene med vinterbehandling ble så tilbakeført til konstant lys. Seks uker etter lysbehandlingene ble alle fisk karakterisert for lengde, vekt, skinnfarge, samt at man samlet inn en liten gjellebiopsi som ble brukt til å karakterisere genuttrykket til alle genene hos alle 3000 fisk. Deretter satt man ut smolt i sjøen i en felles merd og overvåket individuell tilvekst og velferd over ca. 9 måneder. Disse dataene ble deretter brukt til å teste sammenhenger mellom eksterne og molekylære fenotyper i ferskvann, genetikk, og lysbehandling på dødelighet og tilvekst i sjøfasen.
Results achieved
Formålet
En av de store utfordringene i norsk lakseoppdrett er tap av fisk (ca. 10–15 %) etter utsetting av smolt i sjøvann. En årsak til dette er at mange smolt ikke har gjennomgått en “optimal smoltutvikling”, og er derfor ikke godt nok tilpasset et liv i sjøen. En løsning på denne utfordringen er å oppnå en mer uniform smoltifiseringsprosess, slik at flest mulig laks har oppnådd god smoltstatus når livet i havet starter. I Synchrosmolt-prosjektet ønsket man derfor å fremskaIe ny kunnskap om to faktorer som kan påvirke hvor synkront smoltutviklingen skjer: (i) fotoperiodisk historie (dvs lysstyringsprotokoller) under smoltproduksjon og (ii) laksens genetikk.
Metode
For å undersøke hvordan lys og genetikk påvirket smoltifiseringen ble det utført et eksperiment med tre smoltgrupper av 1000 fisk med lik genetikk. Gruppene ble behandlet likt bortsett fra 6 uker med ulikt lysregime 3 måneder før overføring til sjø (ved ca. 100 gram). En gruppe fortsatte på konstant lys (24 timer) og de to andre fikk ulike “vintersignal”. Disse vintersignalene bestod av 6 uker med middels kort dag (12 timer lys), og 6 uker med svært kort dag (8 timer lys). Gruppene med vinterbehandling ble så tilbakeført til konstant lys. Seks uker etter lysbehandlingene ble alle fisk karakterisert for lengde, vekt, skinnfarge, samt at man samlet inn en liten gjellebiopsi som ble brukt til å karakterisere genuttrykket til alle genene hos alle 3000 fisk. Deretter satt man ut smolt i sjøen i en felles merd og overvåket individuell tilvekst og velferd over ca. 9 måneder. Disse dataene ble deretter brukt til å teste sammenhenger mellom eksterne og molekylære fenotyper i ferskvann, genetikk, og lysbehandling på dødelighet og tilvekst i sjøfasen.
Resultater
Analysene av eksterne fenotyper og lysbehandlingene viste at kortere dag reduserte tilveksten i ferskvannsfasen, men at alle smoltgruppene var like store etter 6 og 9 måneder i sjøen. Det var nesten ingen dødelighet i tidlig sjøfase hos smolt med vinterbehandling (0,7–1 %), men betydelig dødelighet hos smolt som ikke hadde fått vintersignal (8,7 %). Ved å bruke genuttrykket fra gjelleprøvene i ferskvann trente man opp en maskinlæringsmodell til å predikere tidlig død i sjøfase. Modellen var bedre enn tilfeldig gjetting, men hadde ikke høy presisjon. Samtidig viste modellen at den mest brukte molekylære markøren for smoltstatus (ratioen av genuttrykket for to NKA-gener) ikke er den beste markøren som finnes. Det ble også gjort en analyse av assosiasjoner mellom genetisk variasjon og genuttrykk. Denne analysen identifiserte et lite område på kromosom 14 som bidrar til stor variasjon i uttrykket til mange hundre gener i smoltgjeller. Videre analyser viste at fisk uten vinterbehandling med ulike genotyper for dette lokuset viste forskjeller
Analysene av eksterne fenotyper og lysbehandlingene viste at kortere dag reduserte tilveksten i ferskvannsfasen, men at alle smoltgruppene var like store etter 6 og 9 måneder i sjøen. Det var nesten ingen dødelighet i tidlig sjøfase hos smolt med vinterbehandling (0,7–1 %), men betydelig dødelighet hos smolt som ikke hadde fått vintersignal (8,7 %). Ved å bruke genuttrykket fra gjelleprøvene i ferskvann trente man opp en maskinlæringsmodell til å predikere tidlig død i sjøfase. Modellen var bedre enn tilfeldig gjetting, men hadde ikke høy presisjon. Samtidig viste modellen at den mest brukte molekylære markøren for smoltstatus (ratioen av genuttrykket for to NKA-gener) ikke er den beste markøren som finnes. Det ble også gjort en analyse av assosiasjoner mellom genetisk variasjon og genuttrykk. Denne analysen identifiserte et lite område på kromosom 14 som bidrar til stor variasjon i uttrykket til mange hundre gener i smoltgjeller. Videre analyser viste at fisk uten vinterbehandling med ulike genotyper for dette lokuset viste forskjeller
i vekst i ferskvann og overlevelse i sjø.
Nyttevurderinger og anvendelsespotensial
Resultatene fra prosjektet har gitt ny innsikt i både genetiske faktorer og miljøfaktorer som påvirker variasjon i smoltfysiologi og overlevelse i sjø. Forskningsrådet har finansiert et oppfølgingsprosjekt på effekter av genetisk variasjon på kromosom 14 på smoltutvikling. Dersom dette prosjektet klarer å reprodusere resultatene i Synchrosmolt vil det åpne seg en mulighet til å avle for laks som har en mer homogen smoltutvikling. Funnene fra analyser av genuttrykk åpner også mulighetene til å utvikle bedre markører for “god smoltstatus”. Til sist vil resultatene gi et bedre kunnskapsgrunnlag for utarbeidelse av anbefalinger for produksjonsprotokoller for laksesmolt.
Resultatene fra prosjektet har gitt ny innsikt i både genetiske faktorer og miljøfaktorer som påvirker variasjon i smoltfysiologi og overlevelse i sjø. Forskningsrådet har finansiert et oppfølgingsprosjekt på effekter av genetisk variasjon på kromosom 14 på smoltutvikling. Dersom dette prosjektet klarer å reprodusere resultatene i Synchrosmolt vil det åpne seg en mulighet til å avle for laks som har en mer homogen smoltutvikling. Funnene fra analyser av genuttrykk åpner også mulighetene til å utvikle bedre markører for “god smoltstatus”. Til sist vil resultatene gi et bedre kunnskapsgrunnlag for utarbeidelse av anbefalinger for produksjonsprotokoller for laksesmolt.
Results achieved
Summary of results form the project final report
Objective
One of the major challenges in Norwegian salmon farming is the loss of fish (approx. 10–15%) after release of smolts into seawater. One reason for this is that many smolts have not undergone 'optimal' smolt development, and are therefore not sufficiently adapted to life in the sea. One solution to this challenge is to achieve a more uniform smoltification process, so that as many salmon as possible have achieved good smolt status when life in the sea begins. This project therefore wanted to obtain new knowledge about two factors that may affect how synchronous smolt development occurs; (i) photoperiodic history (i.e. light control protocols) during smolt production and (ii) salmon genetics.
One of the major challenges in Norwegian salmon farming is the loss of fish (approx. 10–15%) after release of smolts into seawater. One reason for this is that many smolts have not undergone 'optimal' smolt development, and are therefore not sufficiently adapted to life in the sea. One solution to this challenge is to achieve a more uniform smoltification process, so that as many salmon as possible have achieved good smolt status when life in the sea begins. This project therefore wanted to obtain new knowledge about two factors that may affect how synchronous smolt development occurs; (i) photoperiodic history (i.e. light control protocols) during smolt production and (ii) salmon genetics.
Method
To investigate how light and genetics affected smoltification, an experiment was performed with three smolt groups of 1000 fish with similar genetics. The groups were treated similarly except for 6 weeks with different light regimes 3 months before transfer to sea (at approximately 100 grams). One group continued on constant light (24 hours) and the other two received different 'winter signals'. These winter signals consisted of 6 weeks with a medium short day (12 hours of light) and 6 weeks with a very short day (8 hours of light). The winter treatment groups were then returned to constant light. Six weeks after the light treatments, all fish were characterised for length, weight, skin colour, and a small gill biopsy was collected that was used to characterise the gene expression of all genes in all 3000 fish. Smolts were then released into the sea in a common-garden cage and monitored individual growth and welfare over approximately 9 months. These data were then used to test relationships between external and molecular phenotypes in freshwater, genetics, and light treatment on mortality and growth in the sea phase.
To investigate how light and genetics affected smoltification, an experiment was performed with three smolt groups of 1000 fish with similar genetics. The groups were treated similarly except for 6 weeks with different light regimes 3 months before transfer to sea (at approximately 100 grams). One group continued on constant light (24 hours) and the other two received different 'winter signals'. These winter signals consisted of 6 weeks with a medium short day (12 hours of light) and 6 weeks with a very short day (8 hours of light). The winter treatment groups were then returned to constant light. Six weeks after the light treatments, all fish were characterised for length, weight, skin colour, and a small gill biopsy was collected that was used to characterise the gene expression of all genes in all 3000 fish. Smolts were then released into the sea in a common-garden cage and monitored individual growth and welfare over approximately 9 months. These data were then used to test relationships between external and molecular phenotypes in freshwater, genetics, and light treatment on mortality and growth in the sea phase.
Results
The analyses of external phenotypes and light treatments showed that shorter day length reduced growth in the freshwater phase, but that all smolt groups were similar in size after 6 and 9 months in the sea. There was almost no mortality in the early sea phase in smolts with winter treatment (0.7–1%) but significant mortality in smolts that had not received the winter signal (8.7%). Using gene expression from freshwater gill samples, we trained a machine learning model to predict early sea phase mortality. The model was better than random guessing, but did not have high precision. At the same time, the model showed that the most commonly used molecular marker for smolt status (the ratio of gene expression of two NKA genes) is not the best available marker. It was also analysed associations between genetic variation and gene expression. This analysis identified a small region on chromosome 14 that contributes to large variation in the expression of many hundreds of genes in smolt gills. Further analyses showed that fish without winter treatment with different genotypes for this locus showed differences in growth in freshwater and survival in the sea.
The analyses of external phenotypes and light treatments showed that shorter day length reduced growth in the freshwater phase, but that all smolt groups were similar in size after 6 and 9 months in the sea. There was almost no mortality in the early sea phase in smolts with winter treatment (0.7–1%) but significant mortality in smolts that had not received the winter signal (8.7%). Using gene expression from freshwater gill samples, we trained a machine learning model to predict early sea phase mortality. The model was better than random guessing, but did not have high precision. At the same time, the model showed that the most commonly used molecular marker for smolt status (the ratio of gene expression of two NKA genes) is not the best available marker. It was also analysed associations between genetic variation and gene expression. This analysis identified a small region on chromosome 14 that contributes to large variation in the expression of many hundreds of genes in smolt gills. Further analyses showed that fish without winter treatment with different genotypes for this locus showed differences in growth in freshwater and survival in the sea.
Benefit assessments and application potential
The results from the project have provided new insight into both genetic and environmental factors that affect variation in smolt physiology and survival in the sea. The research council of Norway has funded a follow-up project on the effects of genetic variation on chromosome 14 on smolt development. If this project manages to reproduce the results in Synchrosmolt, it will open up an opportunity to breed for salmon with more homogeneous smolt development. The findings from analyses of gene expression also open up opportunities to develop better markers for 'good smolt status'. Finally, the results will provide a better knowledge base for the development of new recommendations for production protocols for salmon smolt.
The results from the project have provided new insight into both genetic and environmental factors that affect variation in smolt physiology and survival in the sea. The research council of Norway has funded a follow-up project on the effects of genetic variation on chromosome 14 on smolt development. If this project manages to reproduce the results in Synchrosmolt, it will open up an opportunity to breed for salmon with more homogeneous smolt development. The findings from analyses of gene expression also open up opportunities to develop better markers for 'good smolt status'. Finally, the results will provide a better knowledge base for the development of new recommendations for production protocols for salmon smolt.
Prosjektet har i likhet med andre prosjekter understøttet at en vinterfotoperiode synkroniserer bedre smoltutvikling og reduserer dødelighet tidlig i sjøfasen sammenliknet med smoltproduksjon under konstant lys. Samtidig viser man at den mest brukte molekylære markøren for smoltstatus i dag ikke gir best predikering av tidlig død i sjøfase. I tillegg har man avdekket en mulig ny markør for synkron smoltifisering som skal følges opp i et nytt prosjekt, og som potensielt kan bidra til utvikling av nye markører som vil kunne benyttes for genetisk seleksjon eller påvisning av smoltstatus. På sikt vil dette kunne bli et viktig bidrag til forbedret smoltkvalitet og potensielt bedre prestasjon og høyere overlevelse i sjø.
-
Faglig sluttrapport: Produksjonsprotokoller og avlsstrategier for synkronisert smoltifisering (Synchrosmolt)
Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU). 5. august 2024. Av Simen Rød Sandve (NMBU), Turid Mørkøre (NMBU), Marie Saitou (NMBU), David Hazlerigg (UiT – Norges arktiske universitet), Jayme van Dalum (UiT), Bjarne Gjerde (Nofima), Trine Ytrestøyl (Nofima), Anja Striberny (Nofima), Solomon Boison (Mowi) og Matt Baranski (Mowi).
-
Populærformidling: Hver vår forvandles laksen fra en gretten einstøing til en ekte gladlaks
Aftenposten, s. 37. 4. mars 2021. Av Kjetil Hodne, Ida Beitnes Johansen, Vilde Arntzen Engdal og Simen Rød Sandve (NMBU).
En av de store utfordringene i norsk lakseoppdrett er tap av fisk (ca. 10–15 %) etter utsetting av smolt i sjøvann. En av årsakene til dette tapet er at mange smolt ikke har gjennomgått en “optimal smoltutvikling”, og er derfor ikke godt tilpasset et liv i sjøen med høyere saltkonsentrasjon og eksponering for nye patogener. En løsning på denne utfordringen er å oppnå en mer uniform smoltifiseringsprosess, slik at flest mulig av laksen har oppnådd god smoltstatus når livet i havet starter.
Dette prosjektet ønsker derfor å fremskaffe ny kunnskap om to viktige faktorer som kan påvirker smoltutvikling:
1) Er lysprotokoller som simulerer endring i daglengde viktig for å synkronisere smoltifiseringsprosessen?
2) Kan man utnytte den genetisk variasjonen i fiskens respons til smoltifiseringsregimer til å avle frem fisk med en mer synkron respons til ulike smoltifiseringsregimer?
Hovedmål
• Å måle effekter av ulik lysbehandling på smoltifiseringsutvikling, både på morfologisk og molekylært nivå.
• Å identifisere genetisk variasjon knyttet til variasjon i smoltutvikling under ulike lysbehandlinger som kan brukes til avl for mer uniform smoltutvikling.
• Å utvikle nye og mer presise molekylære markører for smoltutvikling som smoltprodusenter kan benytte for å overvåke smoltproduksjonen.
Å gjøre det mulig for smoltprodusenter i fremtiden å produsere en fysiologisk uniform og sjøvannsklar populasjon av smolt, og at dette skal bidra til å øke dyrevelferd, vekst og overlevelse i sjøvannsfasen.
Delmål
• Å utvikle metoder for raske
og objektive målinger av viktige fenotyper (størrelse, skinnhelse, skinnfarge, etc.).• Å måle effekter av ulik lysbehandling på smoltifiseringsutvikling, både på morfologisk og molekylært nivå.
• Å identifisere genetisk variasjon knyttet til variasjon i smoltutvikling under ulike lysbehandlinger som kan brukes til avl for mer uniform smoltutvikling.
• Å utvikle nye og mer presise molekylære markører for smoltutvikling som smoltprodusenter kan benytte for å overvåke smoltproduksjonen.
Produksjon av robust smolt
– dvs. smolt som er frisk og vokser raskt i sjøvannsfasen – er viktig både
økonomisk og for dyrevelferd. Synchrosmolt skal på kort sikt gi ny
kunnskap om hvordan smoltprodusenter kan optimalisere produksjon av mer robust
smolt ved bruk av lysregimer og nye metoder for å “måle smoltstatus”. På lengre sikt kan kunnskap om koblingen mellom genetikk og variasjon i smoltutvikling
resultere i nye avlsmål som kan gi en laksegenetikk som fremmer synkronisert
smoltifisering.
Prosjektet vil organiseres
i fire arbeidspakker (AP 0–3).
Prosjektet starter med et smoltifiseringseksperiment (AP 0) der 3000 fisk behandles med tre ulike
smoltifiseringsprotokoller, det vil si tre lysbehandlinger per behandling av 1000 fisk. Prøver
av gjellefilamenter for måling av genuttrykk samt generelle data på størrelse,
farge etc. tas fra levende fisk etter endt “smoltifiseringsprotokoll”. Hver fisk
merkes med pit-tag (elektronisk merking), slik at individuell vekst og helse kan følges i merder i sjø over ca. 1,5 år.
I arbeidspakke 1 skal det installeres og testes en bildebasert måling av ytre karakteristikker og samles inn data på vekst og helseparametere både ved smoltifisering i ferskvann og etter sjøutsetting.
Arbeidspakke 2 og 3 fokuserer på genetikk og identifisering av molekylære markører for “god smoltstatus”. I arbeidspakke 2 skal man benytte prøver samlet inn i AP 0 og data generert i AP 1 for å teste om enkelte lysbehandlinger gir bedre prestasjon (helse og vekst) i sjøfasen enn andre. Videre skal det utvikles statistiske modeller ved hjelp av maskinlæring for å forutse “prestasjon i sjøfasen” ut i fra genuttrykksmønstre fra gjellevev i ferskvannsfasen. Til slutt skal det brukes data fra alle arbeidspakker til å undersøke om det finnes genetisk variasjon for smoltutvikling som en respons av ulike lysbehandlinger – det vil si om man kan avle frem en laks som vil kunne ha en mer uniform og synkron utvikling fra parr til smolt.
Resultatet fra prosjektet
skal kommuniseres og deles med aktuelle aktører i laksenæringen, hovedsakelig
smoltprodusenter og selskaper som driver lakseavl samt relevante akademiske miljøer. Kommunikasjon mot næringen skal foregå gjennom referansegruppe samt gjennom foredrag og
tilstedeværelse på nasjonale konferanser og møter om lakseoppdrett (for
eksempel Frisk Fisk). Kommunikasjon mot akademiske miljøer vil i hovedsak foregå gjennom publikasjoner av forskningsartikler og
presentasjoner av prosjektresultat på internasjonale konferanser.
-
Faglig sluttrapport: Produksjonsprotokoller og avlsstrategier for synkronisert smoltifisering (Synchrosmolt)
Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU). 5. august 2024. Av Simen Rød Sandve (NMBU), Turid Mørkøre (NMBU), Marie Saitou (NMBU), David Hazlerigg (UiT – Norges arktiske universitet), Jayme van Dalum (UiT), Bjarne Gjerde (Nofima), Trine Ytrestøyl (Nofima), Anja Striberny (Nofima), Solomon Boison (Mowi) og Matt Baranski (Mowi).