Nutrigenomic and nutriepigenomic effect of plant protein-based aquafeeds on fish

For å kunne ivareta en bærekraftig vekst i norsk havbruksnæring, samtidig som det er begrenset tilgang på marine ressurser som fiskemel, er det nødvendig å finne nye proteinkilder til fiskefôret. I løpet av det siste tiåret har laksefôrets sammensetning endret seg betydelig fra et høyt fiskemelsinnhold til å inneholde opp mot 70% plantebaserte ingredienser. Denne endringen mot «grønne» dietter for oppdrettslaksen har ført til nye utfordringer innenfor fiskehelse og velferd, samt produktkvalitet. har vist seg å ha effekter på tilvekst og helse av oppdrettsfisk avhengig av utskiftningsgrad, fiskeart og flere andre faktorer. Imidlertid er det molekylære grunnlaget for disse effektene ikke godt forstått. Imidlertid er det molekylære grunnlaget for disse effektene ikke godt forstått. Meget lite er kjent om effekten av planteingrediensene på epigenom av fisk. Derfor hadde EpiGreen som mål å studere effekten av planteproteinbaserte fôrblandiger på fiskens vekst og helse ved å utforske globale transkriptom- og epigenom- endringer, med bruk av sebrafisk som modell. Denne kunnskapen har også videre kunne anvendt for kommersielt viktig arter i norsk havbruksnæring ved å teste spesifikke molekylære markører fra sebrafiskmodellen og å analysere epigenom- endringer på oppdrettslaks fôret med samme innhold av plantebaserte råstoff. EpiGreen evaluert effekten av dietter med 30 % andel av kommersielt anvendte planteproteiner som hvete, soya og erter, sammenlignet med en kontrolldiett kun bestående av marine proteiner. Det ble brukt "RNA seq" til å identifisere transkripter uttrykte ulikt i sentrale organer relatert til immunitet (milt) og vekstegenskaper (muskel). Det ble bruk "RRBS" å utforske globale epigenom- endringer i tam og lever. Resultatene fra denne studien indikerte at en delvis inklusjon av soya og erte proteinkonsentrat og hvete gluten i dietter hadde signifikant effekt på spesifikk endringer i transkripsjonsnivåer forbundet med fiskehelse (milt) og vekstprestasjon (muskel) i sebrafisk. Videre viste dette prosjektet at planteingredienser kunne forårsake epigenetiske modifikasjoner i tarmen av sebrafisk. Understøttelse av den histologiske analysen av tarmene viste også noen diettspesifikke endringer. EpiGreen fant også at noen av de differensielt uttrykte gener i muskelen til zebrafisk matet soy, kunne potensielt brukes som biomarkører i muskelen av laks matet samme diet. Videre rapporterte denne studien at hvete kunne forårsake epigenetiske forandringer i leveren av atlantisk laks. Til sammen konkluderte EpiGreen at delvis inklusjon av plantebasert protein induserer både nutrigenomic- og nutriepigenomic- effekter på modellarter sebrafisk samt kommersielt viktige arter atlantisk laks. Til sist hadde det også belyste problemstillinger innenfor fiskehelse og velfred relatert til det å tvinge fisken over på et vegetabilsk kosthold.

EpiGreen project revealed for the first time that partial inclusions (30%) of soy or pea protein concentrate or wheat gluten in the diets could induce global epigenetic alterations in the intestine of zebrafish and liver of Atlantic salmon. It also reported that the same diets could cause changes in global gene expressions in the key organs related to immunity (spleen) and growth performance (muscle) of zebrafish. In conclusion, EpiGreen revealed that plant-based protein could induce both nutriepigenomics and nutrigenomics effects on fish. This postdoctoral fellowship enabled grant recipient to improve her skills and gain knowledge and competence in the fields of nutriepigenomics and nutrigenomics. It has supported her to participate in internationally recognized scientific conferences and research environments. It also helped her to improve her management and administrative skills. Ultimately, this project has contributed to a major advance in the grant recipient's academic career.

For the sustainable growth of Norwegian aquaculture industry, exploration of novel protein sources for fish feed is a necessity due to the limitation of marine fishmeal resources. Last decade, it showed a significant transition from fishmeal to up to 70% plant ingredients in salmon feeds. This complete change into green diets for farmed salmon has led to new challenges in fish health and welfare, and product quality. Some of these issues have been addressed by extensive research, but many challenges remain. The Norwegian Scientific Committee for Food Safety has identified data gaps in changes in fish feed formulations, pointing out that plant ingredients may introduce new contaminants that might transfer from feed to fish fillet risking consumer safety. Therefore, as a first step, EpiGreen aims to study the effect of plant protein-based aquafeeds on fish growth and health at molecular level by exploring global transcriptome and epigenome changes using zebrafish as a model. This knowledge will be extended to commercially important species for Norwegian aquaculture industry by testing selected nutrigenomic and nutriepigenomic markers from zebrafish model on on-growing Atlantic salmon fed with green diets. EpiGreen will evaluate the effect of diets with high ratios of commonly used plant proteins, wheat, soy or pea, in comparison with a control diet with marine proteins. It will adopt RNA-seq coupled with reduced representation bisulfite sequencing to examine transcriptomic and global epigenetic alterations in key organs related to growth performance and immunity. The findings will provide the first evidence that plant ingredients may induce epigenetic modifications leading to alterations in transcript levels associated with fish growth and health. EpiGreen will help to build up the project applicant's career in the research and academic field. It will create a research network with both national and international partners.