Prosjektnummer
901864
Et kart over celler og organer for optimalisering av laksens organutvikling (SALMOCODE)
Norsk havbruksnæring produserer over 1,6 millioner tonn laks i året, som er mer enn halvparten av den globale produksjonen. Dette produksjonsnivået krever fisk som vokser raskt, noe som er oppnådd både gjennom avl og ved å bruke høye oppdrettstemperaturer i tidlige livsfaser. Hele produksjonslinjen taper derimot mer enn 90 millioner laks i året før de når slaktestørrelse, noe som rammer økonomisk, etisk og miljømessig bærekraft. Tapene har en rekke årsaker, men kan i stor grad tilskrives mangler i organhelse, inkludert hjerte, nyrer og gjeller, men også immunsystem, hud og skjelett.
Dette prosjektet vil møte problemene med unormal organutvikling ved å oppdage dem så tidlig som mulig, med bruk av ledende teknologi og konsepter fra genomikk og utviklingsbiologi. Denne diagnostikken vil bli brukt til å formulere beste praksis for å forhindre forekomsten av disse avvikene. Spørsmålene som skal besvares er:
• Hvilke tidlige produksjonsbetingelser påvirker laksens organutvikling?
• Når og hvor i det utviklende embryoet kan disse effektene først oppdages?
• Hva er påvirkningen av suboptimal utvikling på fiskens robusthet?
• Hvordan kan vi gi oppdrettslaks den best mulige starten på livet?
Prosjektet vil utforske hypotesen om at produksjonsforhold under embryonale- og larve-utviklingsstadier kan ha en negativ innvirkning på organutvikling, og dermed på fremtidig hjerte-, nyre- og gjellehelse. Organutvikling er en kompleks prosess der stamceller gjennomgår flere runder med differensiering, som til slutt gir en rekke spesialiserte celletyper, som igjen kombineres for å danne funksjonelle organer. Prosessen er nøye styrt av genetiske programmer, men har også en viss grad av fleksibilitet. Omgivelsestemperatur kan for eksempel ha stor innvirkning på utviklingshastigheten, men også lede til dødelighet og organavvik. Balansen mellom det genetiske programmet og fenotypisk plastisitet bestemmer dyrehelsen. Dette prosjektet foreslår å dokumentere dette samspillet hos laks på genetisk, cellulært, organisme og miljønivå.
Prosjektet bygger på foreløpige resultater om tidlige livsbetingelser oppnådd i tre pågående prosjekter finansiert av Norges forskningsråd. Resultater fra AquaGenome- og COOLFISH-prosjektene viser at relativt lav temperatur (4 °C) fra befruktning til øyerognstadium er gunstig for senere vekst, samt forbedrer sykdomsresistens. Foreløpige data fra EnGenFys-prosjektet antyder en korrelasjon mellom standard egginkubasjonstemperaturer i industrien (ofte 8 °C) og utviklingen av avvik ved hjertet. I dette prosjektet vil man utforske om kombinasjoner av forhold (f.eks. flere temperaturer, eller temperatur med fotoperiode) kan forbedre laksens robusthet.
Prosjektet vil bruke enkeltcelle-transkriptomikk for å screene utviklende lakseembryo fra et stort antall produksjonsforhold. Innledningsvis vil helheten av endringer i celler og genuttrykk i det utviklende embryoet dokumenteres. Dette vil gi et omfattende “veikart” over organutviklingen, som beskriver den tidsmessige fremveksten av alle celletyper og celleskjebner. Deretter vil et mindre kart over utvikling under ulike produksjonsforhold genereres, og ved å sammenligne disse med referansen kan man nøyaktig identifisere de første utviklingstidsstadiene der spesifikke organavvik oppstår. Til slutt vil denne kunnskapen brukes til å utvikle protokoller som unngår avvik, og validere disse ved hjelp av en rekke stresstester.
Hovedmål
Å foreta utforming og validering av beste praksis for oppdrettsforhold for laks fra befruktning til første fôring.
Å foreta utforming og validering av beste praksis for oppdrettsforhold for laks fra befruktning til første fôring.
Delmål (med korresponderende arbeidspakker (AP-er))
Å foreta oppsummering av dagens kunnskap om hvordan tidlige livsbetingelser påvirker fiskehelse (AP1).
Å gjennomføre kort- og langtidsforsøk med ulike produksjonsforhold i de tidlige livsstadiene (AP2).
Å gi en beskrivelse av organutvikling på nivået av gener, celler, og vev (AP3).
Å foreta vurdering av fiskens robusthet etter kort- og langtidsforsøk (AP4).
Å formulere beste praksis for tidlige produksjonsforhold, og formidling av disse til havbruksnæringen (AP5).
Robust fisk, velferd, og bærekraft
Prosjektet vil utvikle protokoller som forventes å forbedre laksens robusthet senere i livet. Å forbedre organfunksjonen, og forhindre relaterte deformiteter, sykdom og død, vil forbedre fiskevelferden. Lakseoppdrettsnæringen får dermed direkte nytte av resultatene gjennom reduksjon av tap fra sykdom og deformiteter. Å redusere tap vil også redusere mengden fôr som er nødvendig for samme produksjon, og dermed redusere avfallet og dets fotavtrykk på miljøet. Dette prosjektet er derfor i tråd med EUs Blue Growth-strategi, og med flere av FNs mål for bærekraftig utvikling.
Raske resultater
Prosjektet vil gjennomføre et stort antall kortsiktige forsøk. Disse vil gi innholdsrike resultater fra mange ulike miljøforhold allerede etter ett år. Prosjektet vil sørge for samarbeid og dialog mellom forskningsinstitusjoner og næringsliv gjennom arbeidsmøter (workshops) og andre kommunikasjonstiltak.
Bredt anvendbar diagnostikk
Protokollen som foreslås kan også umiddelbart brukes på andre viktige spørsmål i laksebiologi, for eksempel om effekten av eggkvalitet på utviklingen av embryo. I tillegg kan metoden tilpasses andre fiskearter, som regnbueørret eller torsk.
Nye muligheter
Kart over organer og celler kan åpne for utvikling av biomarkører, for eksempel for utviklingstiming og spesifikke organer. Kartene vil være en komplementær ressurs til genetiske studier for spesifikke egenskaper, da de vil hjelpe med å se nærmere på gener som uttrykkes i spesifikke interessante celler. For genomredigeringsarbeid (ved å bruke f.eks. CRISPR/Cas9) vil det være nyttig å vite om et gen kommer til uttrykk under tidlig utvikling, og i hvilke celler – enten for å sikte målrettet på disse cellene, eller for å unngå uønskede bivirkninger.
I human biomedisin er Human Cell Atlas en pågående internasjonal innsats som bruker scRNA-seq for å kartlegge alle cellene i kroppen. Dette blir sett på som det naturlige neste trinnet etter Human Genome Project og annoteringsarbeid (f.eks. ENCODE). Tilsvarende, etter genomsekvensering og annotering av laks (Aqua-FAANG), planlegges det å bruke SALMOCODE som første skritt mot et komplett celle/organ-atlas for laks.
Prosjektet er organisert i fem faglige arbeidspakker (AP-er):
AP1: Nåværende kunnskap
Deltakere: Erik Burgerhout (leder) (Nofima), Carlo Lazado (Nofima) og Ann Cecilie Hilling (NCE Aquaculture AS)
I AP1 blir informasjon hentet fra industrien (ved hjelp av arbeidsmøte (workshop) og spørreundersøkelse) og fra vitenskapelig litteratur for å utvikle en oversikt over dagens kunnskap om produksjonsforholdene og senere ytelse og robusthet. Et stort mangfold av hypoteser har blitt foreslått, med en konsensus om at temperatureffekten er dominerende. Likevel sees behovet for gruppediskusjoner for å prioritere tilleggstilstander og mekanismer, som kan veilede utforming av forsøk (AP2) og tolkninger (AP5).
AP2 er basert på hypotesen om at produksjonsforhold tidlig i livet kan påvirke laksens organutvikling negativt. Her skal prosjektet oppdrette atlantisk laks under en rekke ulike forhold fra befruktning til første fôring. Man vil bruke opptil 16 oppdrettsregimer (med ulike temperaturer og lysregimer) for oppdrettslaks, delvis basert på diskusjoner i AP1. Man vil bruke villaks under elveforhold som referanse for optimal utvikling. Fiskene blir analysert i AP3 og AP4. Basert på disse forsøkene i tidlige livsfaser vil man gjennomføre tre langtidsforsøk med optimaliserte protokoller.
AP3 er basert på hypotesen om at forskjeller i organutvikling er forårsaket av asynkron utvikling av cellelinjer. Prosjektet tester dette ved å konstruere et fullstendig kart over tidlig utvikling, med bruk av enkeltcelle-transkriptomikk (scRNA-seq). Denne metoden måler genutrykk for tusenvis av individuelle celler i et embryo. Gruppering av dataene resulterer i klynger av distinkte celletyper, så vel som utviklingsmuligheter mellom slike klynger. Serien av scRNA-seq av embryonale- og larvestadier muliggjør derfor full kartlegging av skjebnen til cellene fra blastula til spesialiserte organer og vev. Man vil bruke denne metoden både for å lage en referanse (basert på optimal utvikling hos villaks, AP2), og som diagnostikk av organutvikling for 16 ulike oppdrettsregimer (AP2). Den cellulære utviklingen av flere organer (hjerte, nyre, gjeller) vil bli beskrevet ved bruk av komplementære mikroskopi-eksperimenter.
AP4 evaluerer hypotesen om at forskjeller i organutvikling forårsaker forskjeller i fiskens robusthet. Robust fisk utvikler ikke produksjonsforstyrrelser, de har evnen til å reagere og tilpasse seg miljøendringer og har høyere sykdomsresistens. For å vurdere konsekvensene av de ulike produksjonsforholdene på fiskens robusthet, vil prosjektet utsette laks (AP2) for flere oppdrettsrelevante stressfaktorer, inkludert hydrogensulfid, Yersinia ruckeri, håndtering, varme og hypoksi. Effektene på celler og organer vil bli målt ved å bruke en rekke in vivo og in vitro-metoder. Stresstester vil bli utført i to perioder: før første fôring og ved smolt. Disse periodene ble valgt for å identifisere hvor tidlig man kan oppdage forskjeller i robustheten til fisk fra ulike produksjonsforhold, og om tidlig oppdrettsmiljø kan forme fiskens respons på stressfaktorer senere i livet.
I AP5 vil man analysere eksisterende kunnskap (AP1) og prosjektresultater (utviklingsmessige, AP3 og funksjonelle, AP4) for å forstå fremveksten og effekten av suboptimal organutvikling. Denne nye kunnskapen skal brukes ttil å utarbeide produksjonsforhold som gir laks en god start på livet, og formidle disse til næringen, vitenskapsmiljøet, og andre interessenter. Alle prosjektdeltakere vil delta i tverrfaglige diskusjoner for å integrere funnene og få en komplett forståelse over organutvikling og robusthet. Man tar sikte på å identifisere nøkkelfaktorer og kritiske tidsvinduer som påvirker organogenesen og robustheten til laks.
AP1: Nåværende kunnskap
Deltakere: Erik Burgerhout (leder) (Nofima), Carlo Lazado (Nofima) og Ann Cecilie Hilling (NCE Aquaculture AS)
I AP1 blir informasjon hentet fra industrien (ved hjelp av arbeidsmøte (workshop) og spørreundersøkelse) og fra vitenskapelig litteratur for å utvikle en oversikt over dagens kunnskap om produksjonsforholdene og senere ytelse og robusthet. Et stort mangfold av hypoteser har blitt foreslått, med en konsensus om at temperatureffekten er dominerende. Likevel sees behovet for gruppediskusjoner for å prioritere tilleggstilstander og mekanismer, som kan veilede utforming av forsøk (AP2) og tolkninger (AP5).
AP2: Produksjonsbetingelser
Deltakere: Helge Tveiten (leder) (UiT – Norges arktiske universitet), Torvald Egeland (Aqua Kompetanse AS), Erik Burgerhout (Nofima), Anja Striberny (Nofima) og Romain Fontaine (Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU))
Deltakere: Helge Tveiten (leder) (UiT – Norges arktiske universitet), Torvald Egeland (Aqua Kompetanse AS), Erik Burgerhout (Nofima), Anja Striberny (Nofima) og Romain Fontaine (Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU))
AP2 er basert på hypotesen om at produksjonsforhold tidlig i livet kan påvirke laksens organutvikling negativt. Her skal prosjektet oppdrette atlantisk laks under en rekke ulike forhold fra befruktning til første fôring. Man vil bruke opptil 16 oppdrettsregimer (med ulike temperaturer og lysregimer) for oppdrettslaks, delvis basert på diskusjoner i AP1. Man vil bruke villaks under elveforhold som referanse for optimal utvikling. Fiskene blir analysert i AP3 og AP4. Basert på disse forsøkene i tidlige livsfaser vil man gjennomføre tre langtidsforsøk med optimaliserte protokoller.
AP3: Organutvikling
Deltakere: Christiaan Henkel (leder) (NMBU), Junsoung Kwak (NMBU) og Ida Beitnes Johansen (NMBU)
Deltakere: Christiaan Henkel (leder) (NMBU), Junsoung Kwak (NMBU) og Ida Beitnes Johansen (NMBU)
AP3 er basert på hypotesen om at forskjeller i organutvikling er forårsaket av asynkron utvikling av cellelinjer. Prosjektet tester dette ved å konstruere et fullstendig kart over tidlig utvikling, med bruk av enkeltcelle-transkriptomikk (scRNA-seq). Denne metoden måler genutrykk for tusenvis av individuelle celler i et embryo. Gruppering av dataene resulterer i klynger av distinkte celletyper, så vel som utviklingsmuligheter mellom slike klynger. Serien av scRNA-seq av embryonale- og larvestadier muliggjør derfor full kartlegging av skjebnen til cellene fra blastula til spesialiserte organer og vev. Man vil bruke denne metoden både for å lage en referanse (basert på optimal utvikling hos villaks, AP2), og som diagnostikk av organutvikling for 16 ulike oppdrettsregimer (AP2). Den cellulære utviklingen av flere organer (hjerte, nyre, gjeller) vil bli beskrevet ved bruk av komplementære mikroskopi-eksperimenter.
AP4: Robust fisk
Deltakere: Carlo Lazado (leder) (Nofima), Elisabeth Ytteborg (Nofima), Marianne Iversen (Nofima), Tone-Kari Østbye, Kirsti Hjelde (Nofima) og Håvard Bjørgen (NMBU)
Deltakere: Carlo Lazado (leder) (Nofima), Elisabeth Ytteborg (Nofima), Marianne Iversen (Nofima), Tone-Kari Østbye, Kirsti Hjelde (Nofima) og Håvard Bjørgen (NMBU)
AP4 evaluerer hypotesen om at forskjeller i organutvikling forårsaker forskjeller i fiskens robusthet. Robust fisk utvikler ikke produksjonsforstyrrelser, de har evnen til å reagere og tilpasse seg miljøendringer og har høyere sykdomsresistens. For å vurdere konsekvensene av de ulike produksjonsforholdene på fiskens robusthet, vil prosjektet utsette laks (AP2) for flere oppdrettsrelevante stressfaktorer, inkludert hydrogensulfid, Yersinia ruckeri, håndtering, varme og hypoksi. Effektene på celler og organer vil bli målt ved å bruke en rekke in vivo og in vitro-metoder. Stresstester vil bli utført i to perioder: før første fôring og ved smolt. Disse periodene ble valgt for å identifisere hvor tidlig man kan oppdage forskjeller i robustheten til fisk fra ulike produksjonsforhold, og om tidlig oppdrettsmiljø kan forme fiskens respons på stressfaktorer senere i livet.
AP5: Beste praksis
Deltakere: Kjetil Hodne (leder) (NMBU), Øivind Andersen (Nofima) og Ann Cecilie Hilling (NCE Aquaculture AS)
Deltakere: Kjetil Hodne (leder) (NMBU), Øivind Andersen (Nofima) og Ann Cecilie Hilling (NCE Aquaculture AS)
I AP5 vil man analysere eksisterende kunnskap (AP1) og prosjektresultater (utviklingsmessige, AP3 og funksjonelle, AP4) for å forstå fremveksten og effekten av suboptimal organutvikling. Denne nye kunnskapen skal brukes ttil å utarbeide produksjonsforhold som gir laks en god start på livet, og formidle disse til næringen, vitenskapsmiljøet, og andre interessenter. Alle prosjektdeltakere vil delta i tverrfaglige diskusjoner for å integrere funnene og få en komplett forståelse over organutvikling og robusthet. Man tar sikte på å identifisere nøkkelfaktorer og kritiske tidsvinduer som påvirker organogenesen og robustheten til laks.
Kommunikasjon med havbruksnæringen, det vitenskapelige miljøet og allmennheten er fullt integrert i prosjektet gjennom oppgaver i arbeidspakker. Prosjektet vil bruke ulike muligheter, inkludert tidsskrifter med fagfellevurdering, nasjonale og internasjonale konferanser (f.eks. TEKSET, Tekna Frisk Fisk, Havbruk, Genomics in Aquaculture, Aquaculture Europe), webinarer, internasjonale nettsider, en egen prosjektnettside og sosiale medier, for å dele forskningsresultatene, oppdateringene og relevant informasjon. Målet er å kommunisere prosjektets resultater effektivt på en tilgjengelig og virkningsfull måte. NCE Aquaculture har et aktivt Smoltforum der resultater kan deles og diskuteres med industriens interessenter.
Prosjektet planlegger å utarbeide fem manuskripter for publisering i fagfellevurderte vitenskapelige tidsskrifter, med en preprint på BioRxiv. Den avsluttende integrasjonen vil bli sendt til et tidsskrift med high impact, fulgt av en pressemelding og muligheter for videre formidling (intervjuer og populærvitenskap). For å nå ut til allmennheten vil man gi Science Animated i oppdrag å produsere to videoer som skal publiseres på nettet, én for å introdusere prosjektet og én for å forklare resultatene. Prosjektet skal også bidra til nasjonale populærvitenskapelige kanaler som kyst.no, Norsk Fiskeoppdrett og forskning.no.