Nonvisual light regulation of biological rhythm and life history transformation

Biologiske rytmer er i stor grad styrt av lysets endringer gjennom døgnet og gjennom året. Organismen bruker disse rytmene til å synkronisere biologiske prosesser til tid på døgnet eller perioder av året. Atlantisk laks er en god modell for å studere hvordan lys regulerer biologiske rytmer, spesielt årstidsrytmer siden dens livshistorie i stor grad er årstidsregulert, e.g. smoltifisering og reproduksjon. Melatonin, som skilles ut fra pinealorganet er det sentrale hormonet som regulerer både døgn- og årstids-rytmer. Hos fisk er pinealorganet direkte fotoreseptivt, men en vet lite om hvilke fotoreseptive mekanismer som regulerer melatoninproduksjon. I dette prosjektet kartlegges den fotoreseptive kapasiteten i øyet og pinealorganet til Atlantisk laks. Resultatet i prosjektet viser at pinealorganet sin evne til lysoppfattelse bygger på flere ekstraretinale fotoreseptorer, noen som indikerer at organet kan oppfatte flere deler av lysspekteret. Smoltifisering er de fysiologiske endringene som tilpasser laksen til sjøvann fra ferskvann og mange studier har vist at den prosessen er regulert av fotoperiode (fra kort dag (vinter) til lang dag (vår)). I prosjektet kartlegges hvilke fotoreseptorer som regulerer smoltifisering, både ved histologiske analyser av pinealorganet og gen-redigering. Ved å verifisere hvilke fotoreseptorsystem som regulerer melatoninnivået og smoltifisering får man et innblikk i hvordan lys regulerer sesongdrevne biologisk prosesser.

The Earth rotation and orbit around the sun, produce two fundamental light rhythmicity, a daily and annual oscillation, that have shaped the biology. Much is known with regards to circadian regulation, however, there is a significant lack of information with relation to annual biological rhythms. Nonetheless, in recent decades, there has been major advancements in our understanding of how some photoperiodic circannual rhythms are integrated into the endocrine system of mammals and birds; yet similar mechanisms in fishes have yet to be elucidated. Melatonin is the main hormonal output of the pineal organ and is involved in the control of daily rhythms; however, the activation of the pineal nonvisual sensor, and the daily and circannual entrainment of melatonin production are far less studied. We propose to functionally characterise the master circadian mediator of light in the pineal organ, exo-rhodopsin (exo-rod), by using innovative gene-editing (CRISPR-Cas9) techniques, to verify its physiological role in melatonin regulation and control of the life history transition of Atlantic salmon smoltification. This transformation is highly regulated by the photoperiod and can easily be induced synchronously at the parr stage by photo period. The ability to induce a seasonally-driven biological process provides a unique opportunity to investigate the molecular pathways that regulate this event. Advanced spectral activation (LEDs) will be employed to characterise the spectral environment regulating the melatonin pathway. Investigation of exo-rod, together with all 11 visual pigments in the retina, is critical in interpreting the spectral profile that drives circadian and circannual (melatonin) rhythms. This knowledge will be used to create a light environment that triggers nocturnal melatonin production and regulate circannual smoltification. Defining the spectral environment that decouples melatonin rhythms and vision is relevant for diminishing effects of light pollution.