Genetic and genomic research to improve the productivity and robustness of farmed fish
Authors: Οικονόμου Σταυρούλα 
Published: March 2022

Στις μέρες μας, οι προς κατανάλωση ιχθύες προέρχονται τόσο από άγριους όσο καιαπό εκτρεφόμενους πληθυσμούς, ωστόσο είναι εμφανής η αύξηση της συνολικήςπαραγωγής από τους τελευταίους. Στις χώρες της Νότιας Ευρώπης, είδη όπως τοΕυρωπαϊκό λαβράκι (Dicentrarchus labrax) και η τσιπούρα (Sparus aurata) έχουνκαθιερωθεί ως τα κορυφαία είδη εκτρεφόμενων ιχθύων στην περιοχή τηςΜεσογείου. Ωστόσο, δεδομένης της μεγάλης ζήτησης των καταναλωτών γιαδιαφορετικά είδη θαλασσινών, νέα είδη ιχθύων έχουν ενταχθεί στιςυδατοκαλλιέργειες. Η αυξανόμενη παραγωγή των υδατοκαλλιεργειών απαιτείπεραιτέρω έρευνα σχετικά με τη γενετική δομή των εκτρεφόμενων πληθυσμώνκαθώς και υψηλότερα επίπεδα βελτίωσης του ρυθμού ανάπτυξης όσο και τηςαντοχής σε ασθένειες. Η παρούσα μελέτη καλείται να καλύψει τις παραπάνωαπαιτήσεις χρησιμοποιώντας διάφορες γενετικές και γονιδιωματικές προσεγγίσειςστο Ευρωπαϊκό λαβράκι καθώς και δύο νέα είδη με αναδυόμενη σημασία για τιςυδατοκαλλιέργειες, η συναγρίδα (Dentex dentex) και το μυτάκι (Diploduspuntazzo). Ειδικότερα, η παρούσα έρευνα επικεντρώθηκε στη μελέτη καιβελτίωση της ανάπτυξης σε όλα τα παραπάνω είδη καθώς και στη μελέτη τωνχαρακτηριστικών της ευζωίας και υγείας του Ευρωπαϊκού λαυρακιού.Το Ευρωπαϊκό λαβράκι παρουσιάζει υψηλότερη απόκριση στην καταπόνηση(στρες) κατά τους ανθρώπινους χειρισμούς, πχ. κατά την μεταφορά κ.α., σεσύγκριση με άλλα είδη ιχθύων της Μεσογείου. Η υψηλότερη απόκριση στηνκαταπόνηση επηρεάζει την ανάπτυξη και την ευζωία των ιχθύων. Εκτός από τηναπόκριση στην καταπόνηση, το Ευρωπαϊκό λαβράκι είναι ευάλωτο έναντι τωνπαθογόνων ειδών όπως το Vibrio anguillarum, εμφανίζοντας υψηλή θνητότηταμετά από σχετική μόλυνση. Για την εκτίμηση του συντελεστή κληρονομικότηταςτης απόκρισης στην καταπόνηση, του σωματικού βάρους και της ανθεκτικότηταςως προς τη μόλυνση με το Vibrio anguillarum και για τον εντοπισμό περιοχώνποσοτικών ιδιοτήτων (QTL) που σχετίζονται με τα παραπάνω χαρακτηριστικά στοΕυρωπαϊκό λαυράκι, επιλέχθηκε μια εμπορική ομάδα ιχθύων (παρτίδα 10, n = 620άτομα). Σε αυτήν την ομάδα, πραγματοποιήθηκε πείραμα καταπόνησης για τησυλλογή δεικτών σχετιζόμενων με την καταπόνηση (επίπεδα κορτιζόλης,λυσοζύμης και γλυκόζης) σε 3 χρονικά σημεία. Στα ιδιά άτομα καταγράφηκε καιτο βάρος των ιχθύων σε 4 χρονικά σημεία της ανάπτυξής τους. Επιπλέον, μιαυποομάδα των ιχθύων (n = 332) υποβλήθηκε σε τεχνητή μόλυνση με το βακτήριοVibrio anguillarum προκειμένου να μελετηθεί η ανθεκτικότητα στη νόσο. Ηανάλυση των δεδομένων διενεργήθηκε με εφαρμογή μικτών στατιστικώνπροτύπων (ατομικό ζωικό πρότυπο) πολλαπλών ιδιοτήτων τα οποία συνδύασαν ταδεδομένα των δεικτών καταπόνησης με το σωματικό βάρος και την αντοχή στηνασθένεια.Ο εκτιμηθείς συντελεστής κληρονομικότητας των μελετώμενων ιδιοτήτωνκυμάνθηκε από 0,23 έως 0,55. Επιπλέον, ο συντελεστής γενετικής συσχέτισηςμεταξύ του σωματικού βάρους και των επιπέδων κορτιζόλης ήταν αρνητικός (-0,43) ενώ ο αντίστοιχος συντελεστής μεταξύ των επιπέδων κορτιζόλης και τηςαντοχής στο Vibrio anguillarum βρέθηκε θετικός και ίσος με 0,33. Ο προς μελέτηπληθυσμός γονοτυπήθηκε με χρήση 35 μικροδορυφορικών δεικτών καιακολούθως κατασκευάστηκε χάρτης σύνδεσης, ο οποίος περιελάβανε 6 ομάδεςσύνδεσης. Ακολούθησε αναζήτηση γονιδιακών τόπων ποσοτικών ιδιοτήτων(QTLs) για τους δείκτες καταπόνησης, το σωματικό βάρος και την αντοχή στοVibrio anguillarum. Η διαδικασία αυτή οδήγησε στον εντοπισμό QTLs(μικροδορυφορικών δείκτες) που σχετίζονται με τους δείκτες καταπόνησης και τοσωματικό βάρος. Ωστόσο, κανένας δείκτης δε βρέθηκε να σχετίζεται στατιστικώςμε την αντοχή στη μόλυνση από Vibrio anguillarum. Συμπερασματικά, οιμελετώμενοι δείκτες καταπόνησης παρουσιάζουν υψηλά επίπεδα συντελεστώνκληρονομικότητας στο Ευρωπαϊκό λαβράκι. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό μετον εντοπισμό QTLs σχετιζόμενων με την καταπόνηση καθιστά δυνατή τηνεπιλογή (και μέσω δεικτών, MAS) υποψήφιων γεννητόρων οι οποίοι θαπαρουσιάζουν χαμηλότερα επίπεδα καταπόνησης κατά την εκτροφή τους. Με τονίδιο τρόπο, μπορεί να επιτευχθεί και βελτίωση του ρυθμού ανάπτυξης.Δεδομένου ότι εντοπίστηκαν σχετιζόμενα QTLs και εκτιμήθηκε ένας μέτριος έωςυψηλός συντελεστής κληρονομικότητας (0,40-0,60) για τις περισσότερες από τιςπαραπάνω ιδιότητες στον πληθυσμό, πραγματοποιήθηκαν περαιτέρω αναλύσεις μετη βοήθεια γενωμικών εργαλείων με σκοπό την πληρέστερη διερεύνηση τηςαποτελεσματικότητας της γενωμικής επιλογής. Για το σκοπό αυτό, διενεργήθηκεγονοτύπηση των ατόμων της πρώτη ομάδας ιχθύων (παρτίδα 10, n=620 άτομα) μεχρήση μικροσυστοιχίας η οποία περιλάμβανε 57000 πολυμορφισμούςμονονουκλεοτιδίων (Single Nucleotide Polymorphisms, SNPs). Παράλληλα, ηδεύτερη ομάδα ιχθύων (παρτίδα 13, n=330 άτομα) συμμετείχε σε πείραμακαταπόνησης με σκοπό τη συλλογή φαινοτυπικών δεδομένων (επίπεδακορτιζόλης, λυσοζύμης και γλυκόζης). Για το σύνολο του πληθυσμού, τα επίπεδαανισορροπίας σύνδεσης μεταξύ των μονονουκλεοτιδικών πολυμορφισμών (SNP)εκτιμήθηκαν σε 0,036 (r2) και κατασκευάστηκαν 886 απλότυποι πουπεριλάμβαναν όμως μόνο το 3,696 SNP (7,4% των συνολικών SNP). Ακολούθησεανάλυση συσχέτισης γονιδιωματικών δεικτών-φαινοτύπων για όλες τις παραπάνωμετρήσεις. Η ανάλυση αυτή ανέδειξε δύο QTLs (ή δείκτης) ως σχετιζόμενες με ταεπίπεδα του γαλακτικού οξέος εξηγώντας επιπλέον το 5% της φαινοτυπικήςδιακύμανσης για την ιδιότητα. Ένα QTL (ή δείκτης) βρέθηκε να σχετίζεται με ταεπίπεδα της λυσοζύμης, εξηγώντας το 2,2% της φαινοτυπικής παραλλακτικότηταςγια την ιδιότητα. Επιπλέον, εντοπίστηκε μια γενωμική περιοχή ως πιθανώςσχετιζόμενη με το ρυθμό ανάπτυξης στο χρωμόσωμα 23 και βρέθηκαν δύογενωμικές περιοχές (QTL), στο χρωμόσωμα 16, να σχετίζονται με το σωματικόβάρος.Πραγματοποιήθηκε χαρτογράφηση κληρονομικότητας χρησιμοποιώντας, τουςαπλoτύπους και περιοχές μεγέθους 20 συνεχόμενων SNP, αλλά δεν εντοπίστηκανστατιστικά σημαντικές περιοχές, μόνο πιθανές περιοχές σχετιζόμενες με ταεπίπεδα γαλακτικού οξέος. Τέλος, εκτιμήθηκαν τα επίπεδα της αναμενόμενηςετήσιας γενετικής προόδου για τα επίπεδα του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιώνταςδύο διαφορετικές προσεγγίσεις: α) χρήση της μεθόδου της Αρίστης ΓραμμικήςΑμερόληπτης Πρόβλεψης (BLUP) και β) μέσω υποβοηθούμενης επιλογής μεδείκτες (Marker Assisted Selection, MAS). Για το σκοπό αυτό εκτιμήθηκαν οικληροδοτικές αξίες (EBV) σε δύο σενάρια: α) με βάση τον πίνακα A ο οποίοςπεριγράφει τις σχέσεις των ατόμων του πληθυσμού με βάση τα στοιχείαγενεαλογίας (κλασσικό πολυγονιδιακό πρότυπο γενετικής αξιολόγησης) και β) μευποβοηθούμενη επιλογή με χρήση δεικτών. Η σύγκριση των δύο σεναρίωνκατέδειξε υψηλότερα επίπεδα ετήσιας γενετικής προόδου (μείωση επιπέδωνγαλακτικού οξέος) κατά το σενάριο β. Συμπερασματικά, απαιτείται περαιτέρωέρευνα στην πιθανή γενωμική περιοχή η οποία βρέθηκε να σχετίζεται με τηνανάπτυξη ενώ τα ευρήματα της παρούσης αναφορικά με την αντοχή στηνκαταπόνηση (επίπεδα γαλακτικού οξέος) στο Ευρωπαϊκό λαβράκι μπορούν νααξιοποιηθούν και πρακτικά μέσω κατάλληλου προγράμματος επιλογής το οποίοστοχεύει στη μείωση των επιπέδων καταπόνησης.Δεδομένου ότι εντοπίστηκε περιορισμένος αριθμός γενωμικών περιοχών ωςσχετιζόμενες με τους μελετηθέντες φαινότυπους διενεργήθηκε περαιτέρωανάλυση με εκτίμηση των συντελεστών κληρονομικότητας και ανάλυσησυσχέτισης γενωμικών δεικτών-φαινοτύπων. Συγκεκριμένα, εκτιμήθηκε οσυντελεστής κληρονομικότητας για τις διάφορες ιδιότητες σε δύο σενάριαεκτίμησης των συγγενικών σχέσεων των ατόμων του πληθυσμού. Στο πρώτο, οισχέσεις μεταξύ των ατόμων του πληθυσμού προσδιορίστηκαν μέσω γενεαλογίας(Pedigree Relationship Matrix, PRM) ενώ στο δεύτερο μέσω γενωμικών δεικτώνμε βάση το γονότυπο των ατόμων για n = 50.136 μονονουκλεοτιδικούς δείκτες(SNPs) (Genomic Relationship Matrix, GRM)). O συντελεστής κληρονομικότηταςγια τους δείκτες καταπόνησης κατά το A’ σενάριο κυμάνθηκε από 0,31 έως 0,63ενώ σε συγκρίσιμα επίπεδα (0,43 έως 0,64) εκτιμήθηκε και κατά το β σενάριο. Γιατο σωματικό βάρος, ο συντελεστής κληρονομικότητας κυμάνθηκε από 0,54 έως0,75 στην πρώτη περίπτωση και από 0,54 έως 0,61 στη B΄ περίπτωση.Διενεργήθηκε επίσης εκτίμηση των ατομικών κληροδοτικών αξιών στις δύοπαραπάνω περιπτώσεις (ΕΒV και GEBV, αντίστοιχα). Ο συντελεστής συσχέτισηςμεταξύ EBV-GEBV κυμάνθηκε από 0,78 έως 0,85 για τους δείκτες καταπόνησηςκαι από 0,85 έως 0,91 για το σωματικό βάρος. Η ακρίβεια της επιλογής κυμάνθηκεαπό 0,78 έως 0,99 ενώ η ακρίβεια της εκτίμησης των κληροδοτικών αξιώνκυμάνθηκε από 0,32 έως 0,78 για όλους τους φαινότυπους με ακριβέστερεςεκτιμήσεις κατά την χρήση του πίνακα γονιδιωματικών σχέσεων (GRM).Επιπλέον, επιλέγοντας το 45% του πληθυσμού ως μελλοντικούς υποψήφιουςγεννήτορες, προβλέφθηκε υψηλότερη ετήσια γενετική πρόοδος για κάθε ιδιότητακατά την εκτίμηση των κληροδοτικών τιμών μέσω του πίνακα GRM. Τααποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν την αποτελεσματικότητα της γενωμικήςεπιλογής έναντι της παραδοσιακής προσέγγισης κατά την εκτίμηση τωνκληροδοτικών αξιών των ατόμων.Εκτός από το Ευρωπαϊκό λαυράκι, υπάρχει περιορισμένη γνώση αναφορικά με τογενετικό υπόβαθρο της αναπτυξιακής ικανότητας των σχετικά νέων ειδών ιχθύωνστις ιχθυοκαλλιέργειες, όπως η συναγρίδα και το μυτάκι. Η γνώση αυτή μπορεί νααξιοποιηθεί κατά το σχεδιασμό προγραμμάτων γενετικής βελτίωσης με σκοπό τηβελτίωση της παραγωγικότητάς τους. Στα πλαίσια αυτής της προσπάθειας,χρησιμοποιήθηκε ένας επιλεγμένος αριθμός ιχθύων του είδους μυτάκι (129 άτομα)και της συναγρίδας (131 άτομα). Τα άτομα αυτά γονοτυπήθηκαν χρησιμοποιώνταςμια στοχαστική μέθοδο γονοτύπησης επόμενης γενιάς (ddRAD) ενώ παράλληλασυλλέχθηκαν φαινοτυπικά δεδομένα που σχετίζονται με την ανάπτυξη κατά ταπρώιμα στάδια. Οι ανακαλυφθέντες μονονουκλεοτιδικοί πολυμορφισμοίσυνδυάστηκαν κατάλληλα και κατασκευάστηκε ο πρώτος γενετικός χάρτηςσύνδεσης για τα δύο είδη, ο οποίος περιλάμβανε 24 ομάδες σύνδεσης. Επιπλέον,πραγματοποιήθηκε πιλοτική χαρτογράφηση γονιδιακών τόπων ποσοτικώνιδιοτήτων (QTL) για τα δύο είδη, η οποία αποκάλυψε πιθανούς γονιδιακούς τόπους(QTL) που σχετίζονται με την ανάπτυξη κατά τα πρώιμα στάδια. Η συγκριτικήγενωμική ανάλυση των περιοχών αυτών σε σχέση με το γονιδίωμα αναφοράς τηςτσιπούρας και του Ευρωπαϊκού λαυρακιού, αποκάλυψε ότι οι περιοχές αυτέςβρίσκονται εγγύς γονιδίων (ή τόπων) σχετιζόμενων με την ανάπτυξη στα δύο είδη.Η ίδια ανάλυση αποκάλυψε υψηλά επίπεδα ομολογίας μεταξύ των ειδώνεπικυρώνοντας την ποιότητα των γενετικών χαρτών για τα νέα είδη. Παράλληλαδιαπιστώθηκαν υψηλότερα επίπεδα ομολογίας μεταξύ των νέων ειδών με τηντσιπούρα έναντι του Ευρωπαϊκού λαυρακιού. Το αποτέλεσμα αυτό μπορεί ναθεωρηθεί αναμενόμενο, καθόσον τα δύο νέα είδη παρουσιάζουν φυλογενετικάμεγαλύτερη εγγύτητα με την τσίπουρα σε σχέση με το Ευρωπαϊκό λαβράκι.Συμπερασματικά, τα νέα γενετικά δεδομένα στα είδη συναγρίδα και μυτάκικατέδειξαν πιθανές γενωμικές περιοχές σχετιζόμενες με την ανάπτυξη κατά ταπρώιμα στάδια. Επιπλέον, λόγω της υψηλής γενετικής ομολογίας τωνγονιδιωμάτων των νέων ειδών με αυτό της τσιπούρας, γονιδιακοί τόποι (QTL) πουέχουν εντοπιστεί στην τσιπούρα μπορούν εν δυνάμει να αποδειχθούν ιδιαίτεροιχρήσιμοι στα δύο νέα είδη.