Improving the resistance of Atlantic salmon to amoebic gill disease through quantitative genetics and genomics

Amøbegjellesjukdom (AGD) er forårsaka av amøben Paramoeba perurans som kan kolonisere gjellene hos mage fiskeartar. I oppdrett av laks i Tasmania har AGD vore eit stort problem i fleire tiår, og har blitt eit aukande problem i Nord Europa dei siste åra. AGD kan resultere i stor dødelegheit, men behandlast med ferskvatn eller H2O2, noko som er både kostbart og logistikks krevjande. I Tasmania har avl for lågare gjelle-score over 2-3 generasjonar resultert i lenger tid mellom kvar ferskvassbehandling og dermed færre behandlingar. Målet med dette studiet var å estimere genetiske parametrar for motstandskraft mot AGD hos Atlantisk laks (Salmo salar) i kontrollert smittetest og i felttest i Nord Europa. Smolt frå 150 Marine Harvest familiar (20 fisk/familie) vart infisert med P. perurans i ein smittetest hos VESO Vikan, medan fisk frå dei same familiane (40 fisk/familie) vart plassert i ein merd på ein Marine Harvest lokalitet i Irland der fisken vart naturleg infisert med AGD. Gjelle-score (poeng 0-5) vart registrert etter to påfølgjande infeksjonar både i smitte- og i felttesten. Rett etter kvar gjelle-score vart fisken behandla med ferskvatn. Arvegraden for gjelle-score varierte får 0.10-0.20. Den genetiske korrelasjonen mellom gjelle-score i første og andre test var nær null i smittetesten, og 0.70±0.10 felttesten. Den siste korrelasjonen tyder på at familiane sin motstandskraft mot AGD kan gjerast basert på første gjelle-score i ein felttest. Den genetiske korrelasjonen mellom gjelle-score i smittetest og felttest varierte frå -0.07 and 0.38, noko som tilseier at smittetesten ikkje kan brukast til å rangere familiane for deira motstandskraft mot AGD i felttest. Under den andre infeksjonen i felttesten vart det etter ferskvassbehandlinga registrert 20% død fisk forårsaka av dårleg gjellehelse. Arvegrada for denne dødelegheita var 0.06±0.01, men den genetiske korrelasjonen mellom dødelegheit og gjelles-score i felttesten var nær null, men positiv til første (men ikkje andre) gjelle-score i smittetesten. Eit tilfeldig utval av 1141 fisk (avkom etter 64 hannfisk og 119 hofisk) frå felttesten i Irland vart genotypa ved hjelp av ein Affymetrix chip for Atlantisk laks med 57,184 SNPar. Vi søkte over alle desse SNPane etter SNPar med større variasjon i DNA-basepara (A/T og C/G) hos fisk med stor motstandskraft (låg gjelle-score) enn hos fisk med liten motstandskraft (høg gjelle-score) mot AGD. Vi fann tre SNP-variantar på to kromosom med signifikant effekt på gjelle-score registrert under den første AGD-score i testen (ein med signifikans nivå P<8.74e-07, og to med signifikans nivå P<2.62e-05). Dei tre SNP-variantane forklara 33% av den totale genetiska variasjonen i gjellescore, og dei to mest signifikante forklara 32.1 %. Tre kandidatgen låg innanfor 20 Kb av den påviste SNP-varianten på det eine kromosomet. Det eine av desse tre kandidatgena er kjent for å spele ein rolle i det medfødde immunsystemet, og kan ha ein effekt på motstandskraft mot AGD hos laks. Sikkerheita til avlsverdiane ved bruk av genomisk informasjon vart samanlikna med kva som kan oppnåast ved klassisk slektskapsinformasjon for amøbe gjellesjuke (AGD) hos 1,130 laks, avkom etter 74 hannfisk og 117 hofisk. Eit datasett med ti avkom per far (n=760) vart brukt til å estimere SNP-effektane, medan dei andre dyra (n=370) vart brukt for etterprøve desse effektane. Sikkerheita til dei genomiske avlsverdiane auka med 9-15% samanlikna med slektskapsinformasjon. Bruk av genomiske avlsverdiar gjer det også mogleg å gjere utval innan familiar for avlskandidatar utan gjelle-score. Vi kan difor konkludere med at vi ved bruk av genomisk informasjon kan oppnå større genetisk framgang for motstandskraft mot AGD hos laks enn med klassisk seleksjon. Først sammenlignet vi transkriptom profiler av naive fisk med fisk fra 1. og 2. infeksjoner i en smittetest. Vi identifisert ulike komponenter av immunsystemet som er ulikt regulert under 1. og 2. infeksjon. Disse funnene tyder på at den første infeksjon bør behandles som en egen fenotype i forhold til 2. infeksjon og gir ytterligere støtte for lav genetisk korrelasjon i motstandskraft mot AGD i 1. og 2. infeksjon og som også ble funnet i et tidligere smitteforsøk. Deretter undersøkte vi regulatoriske variasjoner i gen mellom fisk med høy gjelle-score sammenlignet med fisk med lav gjelle-score. Vi fant at gen involvert i glukosen (bryter ned glukose og frigjør energi) og osmoregulering hadde endret sine uttrykk. Før publisering vil vi undersøke funksjonelle egenskaper av disse kandidat genene som kan være av betydning for AGD infeksjon identifisert gjennom transkriptom analysen. Vi har også som mål å integrere disse resultatene med resultatene fra våre tidligere helgenom analyser av prøver fra fisk i en felttest.

Amoebic gill disease (AGD) is caused by the marine amoeba Neoparamoeba perurans, and is a major challenge for salmon production in Australia. In northern Europe, the parasite has been occasionally observed, but has not been documented to cause increased m ortalities until a few years ago. Since 2011, AGD has however been the major cause of salmon mortality in Ireland and Scotland, and has been observed in Norway, probably because of increased water temperature. AGD is treated by freshwater or H2O2 baths, w hich adds production costs and stress to the fish. Selective breeding for AGD resistance is currently performed in Australia and is to date the only known method to reduce the AGD problem over time. To breed for AGD resistance in Norway, Scotland and Irel and it is necessary to obtain genetic parameters for AGD resistance in north east Atlantic salmon, which will be obtained in this project. Through testing the same families for AGD resistance both in a controlled challenge test and under field conditions in Ireland will show whether the challenge test gives a good prediction of field resistance. Breeding for AGD resistance in Norway is dependent on such a controlled test, as the natural outbreaks occur with irregular intervals. Further, 1000 fish from the se trials will be SNP genotyped for 2 purposes; estimation of genomic breeding values and QTL search. Including genomic information in the breeding value estimation, either by detecting major QTL or by genomic selection could increase the efficiency of th e breeding program through within family selection. To gain insight about the mechanisms involved in AGD resistance, 60 fish will be RNA sequenced and included in a gene expression study. The results from this project will give the involved partners knowl edge on how to efficiently test and implement selection for increased AGD resistance in a breeding program for Atlantic salmon.