Integrating genomics and system biology to improve the capacity for synthesis, transport, and filet deposition of EPA/DHA in salmon

Oppdrettslaks er en viktig kilde til sunne, langkjedede omega-3-fettsyrer (EPA og DHA), men dessverre ikke i samme grad som før. Fram til årtusenskiftet ble oppdrettslaks fôret med fiskeolje som erstatning for de omega-3-rike byttedyrene som vill laks spiser. Men fiskeolje er en begrenset ressurs, og moderne oppdrettslaks får over halvparten av sitt fett fra planteoljer uten langkjedede omega-3-fettsyrer. Hvordan kan man øke omega-3-innholdet i laks som spiser bærekraftig fôr? En mulighet er å avle fram laks som er tilpasset framtidas fôr. Det er arvelig variasjon i laksens evne til å lage EPA og DHA av kortere omega-3-fettsyrer, og det nylagde kartet over laksens genom gjør det mulig å raskt karakterisere arvelige forskjeller i hvordan ulike laksefamilier nyttiggjør seg næringsstoffene. En familie som virker lovende på ett fôr, gjør det ikke nødvendigvis best på et annet. Derfor trenger man å forstå laksekroppen som system, altså som en fungerende helhet som består av deler som gjensidig påvirker og avhenger av hverandre. Med en systemforståelse av samspillet mellom fôr og genetiske faktorer vil man både kunne tilpasse fisken til fôret, og fôret til fisken på en fleksibel måte avhengig av tilgangen på ulike fôrråvarer. Prosjektet GenoSysFat er et første skritt mot en slik systemforståelse. Flere biologiske eksperimenter inngår, både tradisjonelle fôringsforsøk med ulike dietter og eksperimenter med ulike laksefamilier som utnytter fôret ulikt, og har ulikt fettinnhold. Dessuten et nyskapende laboratoriestudium med levende leverbiter som "fôres" i petriskåler. Med lever-i-petriskåler kan vi raskt studere hvordan ulikt fôr påvirker stoffskiftet og gen-aktiviteten og i en og samme fisk. Dette gir langt raskere og mer detaljert kartlegging av samspillseffekter mellom genetikk og fôr. Tolkingen av resultatene vil støttes av nye matematiske modeller for stoffbalansen i de biokjemiske reaksjonene. Slike modeller er etablert for andre arter, og vil bli tilpasset laks basert på det nykartlagte laksegenomet.

Genosysfat has generated a large resource of gene expression data from salmon liver and gut, which serve as an important resource for researchers. Our analyses reveal that future experiments on lipid metabolism in salmon should carefully consider life-stage as a critical factor before designing experiments. We have successfully developed a method to conduct experiments on live liver tissue on the lab bench. This method will help researchers conduct better, more controlled experiments on lipid metabolism in salmon, and minimize the number of fish that needs to be sacrificed in future experiments. Our collaboration with Aquagen has provided new information about the functional molecular consequences of selective breeding based on estimated breeding values for lipid contents. Hence, the Genosysfat project has provided Norwegian salmon breeders with important knowledge and improved tools to "create" a next-generation salmon with altered lipid levels and composition.

A major challenge for Norwegian aquaculture is to maintain a healthy and high content of very long omega-3 (i.e. EPA/DHA) when the salmon is fed diets containing limited fish oil. This challenge can be met both by optimizing diet and feeding regimes and by breeding for higher capability to synthesize, transport and deposit EPA/DHA in the muscle. In this application we propose to combine these two strategies in a integrative approach that utilize detailed knowledge of the salmon genome together with detailed understanding of the salmon body as a metabolic system that transforms feed into filet. Using the novel salmon genomic sequence and modern systems biological methods, we will clarify the genotype-by-diet interaction through a combination of feeding experiments, laboratory culture of thin slices of liver (which synthesizes fatty acids), and mathematical analysis and modeling. In particular, gene expression data from experiments can be interpreted in light of the detailed map of the duplicated salmon genome, a detailed map of the biochemical reaction pathways, and mathematical descriptions of how the salmon body functions as a system. In the long term, the project will enable the rapid design of salmon feeds as new feedstuffs become available or prices shift, and targeted selection and breeding of salmon that are healthy to eat and grow well on modern feeds.