Breeding for disease resistance in Atlantic salmon in the genome era: novel application of genomic tools and high resolution phenotypes

Høyere toleranse og motstand mot spesifikke sykdommer er svært verdifulle egenskaper hos både landbaserte husdyr og akvakultur-arter. Å identifisere og selektere dyr som er genetisk rustet til å motstå sykdommer vil ikke bare gagne næringen, redusere produksjonskostnader og markedspriser og gi mat av bedre kvalitet, men kan også forbedre dyrevelferden. Virussykdommer som pankreassykdom (PD) og kardiomyopatisyndrom (CMS) er blant de viktigste smittsomme sykdommene som påvirker norsk oppdrettslaks og medfører store tap for næringen. Det er vist at PD-resistens er arvelig, men vi vet lite om hvilke gener og gen-nettverk som påvirker resistens. Videre mangler vi kunnskap både om de biologiske prosessene bak og genene som er involvert i CMS-resistens hos atlantisk laks. I dette prosjektet anvendtes de siste fremskrttene innen genetikk, genomikk og biologi til å identifisere hvilke deler av genomet, hvilke gener og hvilke biologiske prosesser som er forbundet med høyere resistens mot PD og CMS. En smittestest for PD ble brukt til å både estimere genetisk variasjon og til å kartlegge områder på genomet som inneholder gener som påvirker resistens. Vi har også lykkes med å utvikle protokoller som gjør at vi kan bruke data fra feltutbrudd til å finne den arvelige genetiske komponenten av CMS-resistens og kartlegge gener som påvirker CMS-resistens. Mengden av salmonid alfavirus, som forårsaker PD, ble vist å være arvelig og sterkt korrelert med overlevelse. To regioner som inneholder gener som har stor effekt på mengden virus ble identifisert. Kartlegging av kandidatgener i disse regionene kan hjelpe til med å forbedre markørassistert seleksjon for PD-resistens. Resultatene fra dette prosjektet har allerede blitt tatt i bruk av avlsselskaper for å øke sikkerheten på seleksjon av individer med høy resistens mot PD og CMS. Vi har beskrevet nøkkelgener og molekylære mekanismer som viser sammenheng med høyere resistens mot disse sykdommene. Vi har også utviklet genomiske verktøy som effektivt kan forutse evnen en enkelt fisk har til å bekjempe PD og CMS virusene. Alt i alt gir dette studiet ny kunnskap om den genetiske bakgrunnen for sykdomsresistens hos atlantisk laks og utvider forskningsfronten med nye måter å benytte genomiske verktøy inn i avlsprogrammer i akvakultur.

Outcome: Potential differentially expressed marker genes for improving PD resistance identified. Resistant fish had stronger and more diverse immune responses. DNA methylation associated with PD resistance detected. QTL and eQTL associated with heart SAV3 viral load identified. Genes mapping to QTL and eQTL include antiviral effectors. Field infection data detected major QTL for CMS resistance. Viral response genes mapped close to the QTL. Use of enriched SNP marker panels for genomic prediction of PD resistance is being explored. Impact: Functional genes and variants found to be associated with PD resistance are helping our industry partners improve marker-based selection for PD and CMS resistance. This will improve product quality, reduce need for expensive and stressful treatments and allow more efficient production. Expertise in genomic technology application has been enhanced, and several publications drafted/published.

Disease resistance in aquaculture is in many cases a highly complex trait, with resistance and tolerance sometimes poorly defined. In this study, we plan to use high resolution qPCR based gene expression tests of host immune response genes as high resolution phenotypes in a controlled challenge tests for salmonid alphavirus, a pathogen causing pancreas disease (PD) that causes major losses to the industry from both mortality and secondary effects. Using families from a commercial breeding program, we will investigate the genetic correlation between a simple binary dead/alive phenotype and immune response parameters measured by qPCR in a mixed intraperitoneal and cohabitant challenge scenario. We will use RNA-seq to analyse whole transcriptome responses of fish from families that have known high and low breeding values for PD resistance, and we will perform an integrated analysis of methylome and transcriptome to even more deeply investigate the architecture of PD resistance. Opportunistic sampling of field outbreaks of PD, CMS and HSMI from industry partners will be carried out in parallel, and a large set of samples genotyped using a 57K SNP array to estimate heritability and perform GWAS for resistance, comparing results to the controlled challenge tests. Finally, we will take the findings from multiple GWAS analyses together with the transcriptomic and metholome data to select a set of SNPs for PD resistance that have been enriched with functional variants and potential causative mutations. These SNPs will be genotyped using a novel genotyping-by-sequencing approach using amplicon based sequencing, and genomic breeding value accuracies validated using challenge test data and compared benchmark high-density SNP arrays. Together, this study will shed new light on the genetic basis of disease resistance in Atlantic salmon, and validate state-of-the-art approaches for applying these findings to industry breeding programs.