ERA-NET: BlueBio - Improving aquaculture sustainability by modulating the feed-microbiome-host axis in Fish

Jordas befolkningsvekst medfører stor økning i produksjonen av mat, blant annet innen akvakultur, noe som krever mer effektive og bærekraftige produksjonsmetoder. En lovende måte å oppnå dette på er å avdekke sammenhengen fôret, fiskens fysiologi og metabolisme, og mikrobene i tarmen, ikke bare for å optimalisere ernæringen, men også for å forbedre dyrehelse og velferd. I ImprovAFish-prosjektet vil vi bruke en strategi muliggjort av nyere bioteknologisk utvikling for kollektivt å studere laks, kostholdet og alle dets mikrober som en enhet (holobionten), også kjent som «holo-omics». Vi vil kombinerer nye prebiotiske fôringredienser, fiskeeksperimenter og holo-omics for å generere kunnskap om samspillet mellom laksen, fôret og tarmmikrober. Resultatet vil kunne lede til en optimalisering av fôrproduksjon som igjen vil kunne forbedre fiskens vekst, helse og gi et lavere karbonavtrykk. Sammen med våre prosjektpartnere ble det gjennomført et 5-måneders fôringsforsøk i landtanker i løpet av det første året av prosjektet (2020). Fra dette forsøket samlet vi inn lever-, tarmepitel- og tarminnholdsprøver fra 120 fisk fordelt på fire forskjellige fôr (kontroll og tre prebiotiske variasjoner), 3 tidsperioder (både ferskvann og saltvann) og 3 replikattanker. I tillegg målte vi vekst og ulike velferdsindikatorer som bukfett og leverfarge. Fra de innsamlede prøvene genererte vi "holo-omiske" (DNA, RNA, protein og metabolitter) datasett, men vår analyse fastslo at neste generasjons funksjonelle fôringrediens brukt i dette eksperimentet hadde begrenset innvirkning på å modulere mikrobiomet og forbedret ikke veksten hos laks. For å støtte analysene som gjorde disse konklusjonene mulig så utviklet vi imidlertid to nye ressurser: Vi har satt i gang et arbeid med å lage et ‘Salmon mirobiome genome atlas’, som er en katalog over mikrobielle genomer som har blitt sekvensert fra tarminnholdet til laks. Utvalgte bakterier fra dette atlaset har også blitt karakterisert i detalj i forhold til egenskapene de har til å omdanne kostholdsforbindelser til vitaminer og aminosyrer. I tillegg bygde vi et bioinformatikkrammeverk kalt OmniCorr, som utforsker korrelasjoner mellom ulike omics-datasett. Ved å bruke OmniCorr identifiserte vi moduler for samuttrykk som stammer fra verten og mikrobiomet, og fremtidig arbeid vil vise om det eksisterer noen underliggende biologi som indikerer funksjonell kobling som kan utnyttes. Vi ser for oss at disse ressursene ikke bare vil tjene interessene til dette prosjektet, men også komme all forskning på laksemikroflora i akademia og industri til gode. Det siste vi har begynt å jobbe med i prosjektet er et studie på koplingen mellom laksens genetikk og mikrobene som trives i laksetarmen. Høsten 2021 gjorde vi et 3-måneders forsøk i havmerder med to forskjellige dietter. Dataanalyse fra disse prøveneferdigstilles i 2023 og vil avsløre om det finnes slike genetiske faktorer i laksen som påvirker mikrobesamfunn. Slik kunnskap kan utnyttes av fiskeoppdrettere til å selektere fisk med iboende gunstige bakterier og/eller fôrprodusenter for å inkludere ingredienser som samsvarer med metabolske evner til arvelig mikrobiota. Parallelt med våre vitenskapelige eksperimenter har vi også undersøkt sosiale, etiske og kulturelle aspekter av laksefôrproduksjon ved hjelp av intervjuer. Funnene fra intervjuene ble oppsummert rundt følgende fire sentrale temaer, bærekraft, effektivitet, etikk og sosialt ansvar. Vi konkluderte med at ImprovAFish vil kunne skape muligheter til å tilrettelegge for forbedrede og mer bærekraftige fôringsstrategier.

Actual outcomes and impacts of results arising from ImprovAFish are embedded in increased awareness of the exploitation potential of microbiomes to support growth in aquaculture. ImprovAFish has generated outcomes and impacts at the following levels: • We have launched the Salmon Microbiome Genome Atlas (SMGA), which consolidated a genomic catalog from multiple sources using metagenomics, single cell genomics, culturomics and long read technology that ensures high quality circular genomes with encoded 16S rRNA gene operons. The SMGA consists of 211 high-quality bacterial genomes, and its application has discovered interactions between uncharacterized and as-yet uncultured salmon microbiota at different development stages. We have for the first time demonstrated in vivo characterization of key populations in the salmon gut, with their ability to degrade diet-derived fibers and release vitamins and other exo-metabolites with known beneficial effects being validated via in vitro cultivation and metabolomics. • Applied microbiome technologies to fish feeding trials has holistically assessed the novel prebiotic feed ingredient beta-mannan, and if various microbial metabolic activities are connected to actual phenotypic outcomes in the host fish. While we have not finalized the necessary analysis that is required to fulfil this impact, preliminary indications are the beta-mannan does NOT have a prebiotic effect in the GI tract of salmon. • Via RRI activities the project has explored how feed producers for aquaculture can achieve a social license to operate. Through a methodological triangulation, with stakeholder interviews, a project workshop, and a documentary analysis of annual reports from relevant businesses, the project outcomes identified 8 salient issues: Sustainability; Circularity; Power and governance; What consumers desire; Feed efficiency; Uncertainties; Untapped resources; Regulations, certifications and standards. What these issues entail is specified in a published white paper, together with suggestions to the research policy on feed for aquaculture. • It has created versatile methodological resources/toolkits, which will be published in scientific papers, and which are reproducible for current industrial partners as well as future salmon industrial/academic studies that seek to examine alternative dietary and/or environmental conditions to improve animal growth and health. For this impact we have generated two unexpected knowledge resources, the SMGA and OmniCorr.

As the human population surges towards 10 billion, the production and consumption of aquaculture products such as fish is expanding. Therefore, efficient and environmentally sustainable practices are required to ensure long-term food security. To solve these challenges, attractive solutions include developing new feed ingredients and better broodstock genetics to improve fish production and welfare. Intriguingly, it has been shown that both feed and host genetics can modulate the gut microbiome of animals and thus influence its integral connection to host phenotype. The ambitious aim of ImprovAFish is to decipher the intimate functional coupling along the feed-microbiome- host axis in an applied context, with the emphasis on a promising ‘next generation’ functional feed ingredient (beta-mannan) that is known to promote beneficial microbiota in livestock and has shown promising preliminary results in fish. Our approach is to jointly analyze how diet affects the metabolic function of the host and its microbiome as a single unit of action, using a novel and powerful framework called “holo-omics”. This entails monitoring how changes in enzymes and metabolites produced by microbiota correlates with uptake and metabolism of nutrients in the gut and liver of the fish. By doing this across life stages, different feeds and with recordings of key performance indices, we aim to identify exploitable interactions between specific feed components and microbiome functions that can be used to improve fish phenotype. In addition, associations between broodstock genetic variation, microbiome composition and diet will be determined, which will facilitate selection for fish with preferred gut microbiota. Ultimately ImprovAFish will facilitate optimization of improved and sustainable feeding strategies that are specifically tailored to host genetics (or vice versa), with an emphasis on socially responsible outcomes facilitated by a dedicated Responsible Research and Innovation process.