Polyploids can be defined as organisms with one or more additional chromosome sets with respect to the number most frequently found in nature for a given species. Triploids, organisms with three sets of homologous chromosomes, are found spontaneously in both wild and cultured populations and can be easily induced in many commercially relevant species of fish and shellfish. The major consequence of triploidy is gonadal sterility, which is of advantage in the aquaculture of molluscs since it can result in superior growth. In fish, the induction of triploidy is mainly used to avoid problems associated with sexual maturation such as lower growth rates, increased incidence of diseases and deterioration of the organoleptic properties. Triploidy can also be used to increase the viability of some hybrids, and is regarded as a potential method for the genetic containment of farmed shellfish and fish. This review focuses on some current issues related to the application of induced polyploidy in aquaculture, namely: 1) the artificial induction of polyploidy and the effectiveness of current triploidisation techniques, including the applicability of tetraploidy to generate auto- and allotriploids; 2) the performance capacity of triploids with respect to diploids; 3) the degree and permanence of gonadal sterility in triploids; and 4) the prospects for the potential future generalised use of triploids to avoid the genetic impact of escapees of farmed fish and shellfish on wild populations. Finally, directions for future research on triploids and their implementation are discussed.

Background In gonochoristic vertebrates, sex determination mechanisms can be classified as genotypic (GSD) or temperature-dependent (TSD). Some cases of TSD in fish have been questioned, but the prevalent view is that TSD is very common in this group of animals, with three different response patterns to temperature. Methodology/Principal Findings We analyzed field and laboratory data for the 59 fish species where TSD has been explicitly or implicitly claimed so far. For each species, we compiled data on the presence or absence of sex chromosomes and determined if the sex ratio response was obtained within temperatures that the species experiences in the wild. If so, we studied whether this response was statistically significant. We found evidence that many cases of observed sex ratio shifts in response to temperature reveal thermal alterations of an otherwise predominately GSD mechanism rather than the presence of TSD. We also show that in those fish species that actually have TSD, sex ratio response to increasing temperatures invariably results in highly male-biased sex ratios, and that even small changes of just 1–2°C can significantly alter the sex ratio from 1∶1 (males∶females) up to 3∶1 in both freshwater and marine species. Conclusions/Significance We demonstrate that TSD in fish is far less widespread than currently believed, suggesting that TSD is clearly the exception in fish sex determination. Further, species with TSD exhibit only one general sex ratio response pattern to temperature. However, the viability of some fish populations with TSD can be compromised through alterations in their sex ratios as a response to temperature fluctuations of the magnitude predicted by climate change.

In many species of cultured finfish, females exhibit higher growth rates than males and attain larger sizes. In addition, in some species, males mature before reaching marketable size. Together, this results in a larger dispersion of sizes and an overall reduction in production. Therefore, there is great interest from the private sector to produce all-female stocks. This review concentrates on the use of oestrogens for sex control, discussing the advantages of producing monosex female stocks for finfish aquaculture, and pointing out those cases in which hormonal sex reversal technology is worth applying. The biological basis on which hormonal sex manipulation rests, the process of sex differentiation—which, compared to that of other vertebrates, is quite labile in teleost fish—is described in order to understand the effects of treatments. Sex control is typically achieved by exposing sexually undifferentiated fish to exogenous steroids in order to direct the process of sex differentiation towards the desired sex. These treatments finish months or years before marketing and steroid residues disappear in less than a month after the end of treatment. The currently available methods to produce monosex female stocks, the direct and the indirect methods, are explained, comparing their respective advantages and disadvantages. Feminizing treatments are also used to produce all-male stocks in some species. Thus, this review concentrates on the use of oestrogens for sex control, either in the direct method of feminization or in the indirect method of masculinization. So far, oestrogens have been applied to at least 56 different species, using 12 different oestrogenic substances (three natural and nine synthetic). Special attention is given to the method of administration, including immersion and dietary treatment, and to the variables of the hormonal treatment itself: steroids used, dose, timing and duration of treatments. The importance of correct treatment timing in relation to the degree of gonadal development is emphasized and the outcome of the treatment evaluated in terms of survival, gonadal morphology and sex ratios, growth performance and deformities. Next, the current methods to produce all-female or essentially all-female stocks are presented for 35 different species, including eels, salmonids, cyprinids, poecilids, cichlids, gouramies and flatfishes. A section on regulatory issues discusses the advantages of using the indirect method of feminization, when feasible, and emphasizes the convenience of using the natural oestrogen estradiol-17β rather than synthetic oestrogens. A guideline for the development of monosex technology in new species is presented. The overall goal is to emphasize the use of the indirect method, which means that fish that reach the marketplace have never been exposed to steroids. If this method is not feasible, as it happens in many species, an alternative is the use of the direct method, applied in an optimized protocol, to achieve maximum treatment efficiency with minimum exposure to steroids.

Sex ratio shifts in response to temperature are common in fish and reptiles. However, the mechanism linking temperature during early development and sex ratios has remained elusive. We show in the European sea bass (sb), a fish in which temperature effects on sex ratios are maximal before the gonads form, that juvenile males have double the DNA methylation levels of females in the promoter of gonadal aromatase (cyp19a), the enzyme that converts androgens into estrogens. Exposure to high temperature increased the cyp19a promoter methylation levels of females, indicating that induced-masculinization involves DNA methylation-mediated control of aromatase gene expression, with an observed inverse relationship between methylation levels and expression. Although different CpGs within the sb cyp19a promoter exhibited different sensitivity to temperature, we show that the increased methylation of the sb cyp19a promoter, which occurs in the gonads but not in the brain, is not a generalized effect of temperature. Importantly, these effects were also observed in sexually undifferentiated fish and were not altered by estrogen treatment. Thus, methylation of the sb cyp19a promoter is the cause of the lower expression of cyp19a in temperature-masculinized fish. In vitro, induced methylation of the sb cyp19a promoter suppressed the ability of SF-1 and Foxl2 to stimulate transcription. Finally, a CpG differentially methylated by temperature and adjacent to a Sox transcription factor binding site is conserved across species. Thus, DNA methylation of the aromatase promoter may be an essential component of the long-sought-after mechanism connecting environmental temperature and sex ratios in vertebrate species with temperature-dependent sex determination.

The European sea bass (Dicentrarchus labrax) is a temperate-zone euryhaline teleost of prime importance for aquaculture and fisheries. This species is subdivided into two naturally hybridizing lineages, one inhabiting the north-eastern Atlantic Ocean and the other the Mediterranean and Black seas. Here we provide a high-quality chromosome-scale assembly of its genome that shows a high degree of synteny with the more highly derived teleosts. We find expansions of gene families specifically associated with ion and water regulation, highlighting adaptation to variation in salinity. We further generate a genome-wide variation map through RAD-sequencing of Atlantic and Mediterranean populations. We show that variation in local recombination rates strongly influences the genomic landscape of diversity within and differentiation between lineages. Comparing predictions of alternative demographic models to the joint allele-frequency spectrum indicates that genomic islands of differentiation between sea bass lineages were generated by varying rates of introgression across the genome following a period of geographical isolation. The European sea bass is an economically important fish species, which is subject to intense selective breeding. Here, the authors sequence the genome of the European sea bass and highlight gene family expansions underlying adaptation to salinity change, as well as the genomic architecture of speciation between two divergent sea bass lineages.

DNA methylation is one of the main epigenetic mechanisms for the regulation of gene expression in eukaryotes. In the standard model, methylation in gene promoters has received the most attention since it is generally associated with transcriptional silencing. Nevertheless, recent studies in human tissues reveal that methylation of the region downstream of the transcription start site is highly informative of gene expression. Also, in some cell types and specific genes it has been found that methylation of the first intron, a gene feature typically rich in enhancers, is linked with gene expression. However, a genome-wide, tissue-independent, systematic comparative analysis of the relationship between DNA methylation in the first intron and gene expression across vertebrates has not been explored yet. The most important findings of this study are: (1) using different tissues from a modern fish, we show a clear genome-wide, tissue-independent quasi-linear inverse relationship between DNA methylation of the first intron and gene expression. (2) This relationship is conserved across vertebrates, since it is also present in the genomes of a model pufferfish, a model frog and different human tissues. Among the gene features, tissues and species interrogated, the first intron’s negative correlation with the gene expression was most consistent. (3) We identified more tissue-specific differentially methylated regions (tDMRs) in the first intron than in any other gene feature. These tDMRs have positive or negative correlation with gene expression, indicative of distinct mechanisms of tissue-specific regulation. (4) Lastly, we identified CpGs in transcription factor binding motifs, enriched in the first intron, the methylation of which tended to increase with the distance from the first exon–first intron boundary, with a concomitant decrease in gene expression. Our integrative analysis clearly reveals the important and conserved role of the methylation level of the first intron and its inverse association with gene expression regardless of tissue and species. These findings not only contribute to our basic understanding of the epigenetic regulation of gene expression but also identify the first intron as an informative gene feature regarding the relationship between DNA methylation and gene expression where future studies should be focused.

Abstract Sexual systems are highly diverse and have profound consequences for population dynamics and resilience. Yet, little is known about how they evolved. Using phylogenetic Bayesian modelling and a sample of 4614 species, we show that gonochorism is the likely ancestral condition in teleost fish. While all hermaphroditic forms revert quickly to gonochorism, protogyny and simultaneous hermaphroditism are evolutionarily more stable than protandry. In line with theoretical expectations, simultaneous hermaphroditism does not evolve directly from gonochorism but can evolve slowly from sequential hermaphroditism, particularly protandry. We find support for the predictions from life history theory that protogynous, but not protandrous, species live longer than gonochoristic species and invest the least in male gonad mass. The distribution of teleosts’ sexual systems on the tree of life does not seem to reflect just adaptive predictions, suggesting that adaptations alone may not fully explain why some sexual forms evolve in some taxa but not others (Williams’ paradox). We propose that future studies should incorporate mating systems, spawning behaviours, and the diversity of sex determining mechanisms. Some of the latter might constrain the evolution of hermaphroditism, while the non-duality of the embryological origin of teleost gonads might explain why protogyny predominates over protandry in teleosts.

Abstract The Catalan Initiative for the Earth BioGenome Project (CBP) is an EBP-affiliated project network aimed at sequencing the genome of the >40 000 eukaryotic species estimated to live in the Catalan-speaking territories (Catalan Linguistic Area, CLA). These territories represent a biodiversity hotspot. While covering less than 1% of Europe, they are home to about one fourth of all known European eukaryotic species. These include a high proportion of endemisms, many of which are threatened. This trend is likely to get worse as the effects of global change are expected to be particularly severe across the Mediterranean Basin, particularly in freshwater ecosystems and mountain areas. Following the EBP model, the CBP is a networked organization that has been able to engage many scientific and non-scientific partners. In the pilot phase, the genomes of 52 species are being sequenced. As a case study in biodiversity conservation, we highlight the genome of the Balearic shearwater Puffinus mauretanicus, sequenced under the CBP umbrella.

Abstract Modern humans exhibit phenotypic traits that are shared across independent domestication events, suggesting the human self-domestication hypothesis. Epigenetic changes may facilitate early self-domestication in humans, since they can be the first layer of response to a novel environment. Here, we argue that fish provide model systems to study epigenetic drivers in human self-domestication. To do this, we compare genes that carry epigenetic changes in early domesticates of European sea bass with 1) anatomically modern humans and 2) neurodevelopmental cognitive disorders with abnormal self-domestication traits, i.e., schizophrenia, Williams syndrome and autism spectrum disorders. We found that genes with epigenetic changes in fish and in modern vs ancient humans were shared and were involved in processes like limb morphogenesis and phenotypes like abnormal snout morphology and hypopigmentation. Moreover, early domestication in fish and neurodevelopmental cognitive impairment in humans affected paralogue genes involved in processes such as neural crest differentiation and ectoderm differentiation. We conclude that parallel epigenetic changes may occur at the initial steps of domestication in absence of deliberate selection in phylogenetically distant vertebrates. These findings pave the way for future studies using fish as models to investigate epigenetic changes as drivers of human-self domestication and as triggers of cognitive disorders.

Abstract MicroRNAs (miRNAs) are important post-transcriptional regulators of gene expression in a wide variety of physiological processes, including those related to the reproductive system. Although in the last decade a plethora of miRNAs has been reported, the miRNA alterations occurred by environmental cues and their biological functions have not yet been elucidated. With the aim to identify epigenetic regulations mediated by miRNAs in the gonads in a climate change scenario, zebrafish ( Danio rerio ) were subjected to high temperatures during sex differentiation (18-32 days post fertilization, dpf), a treatment that results in male-skewed sex ratios. Once the fish reached adulthood (90 dpf), ovaries and testes were sequenced by high-throughput technologies. About 101 million high-quality reads were obtained from gonadal samples. Analyses of the expression levels of the miRNAs identified a total of 23 and 1 differentially expressed (DE) miRNAs in ovaries and testes, respectively, two months after the heat treatment. Most of the identified miRNAs were involved in human sex-related cancer. After retrieving 3’ UTR regions, ~400 predicted targets of the 24 DE miRNAs were obtained, some with reproduction-related functions. Their synteny in the zebrafish genome was, for more than half of them, in the chromosomes 7, 2, 4, 3 and 11 in the ovaries, chromosome 4 being the place where the predicted sex-associated-region ( sar ) is localized in wild zebrafish. Further, spatial localization in the gonads of two selected miRNAs (miR-122-5p and miR-146-5p) showed exclusive expression in the ovarian germ cells. The present study expands the catalog of sex-specific miRNAs and deciphers, for the first time, thermosensitive miRNAs in the zebrafish gonads that might be used as potential epimarkers to predict environmental past events.