Abstract The potential of genomic selection to improve production traits has been widely demonstrated in many aquaculture species. Atlantic salmon breeding programmes typically consist of sibling testing schemes, where traits that cannot be measured on the selection candidates are measured on the candidates’ siblings (such as disease resistance traits). While annual testing on close relatives is effective, it is expensive due to high genotyping and phenotyping costs. Therefore, accurate prediction of breeding values in distant relatives could significantly reduce the cost of genomic selection. The aims of this study were (i) to evaluate the impact of decreasing the genomic relationship between the training and validation populations on the accuracy of genomic prediction for two key target traits; body weight and resistance to sea lice; and (ii) to assess the interaction of genetic relationship with SNP density, a major determinant of genotyping costs. Phenotype and genotype data from two year classes of a commercial breeding population of Atlantic salmon were used. The accuracy of genomic predictions obtained within a year class was similar to that obtained combining the data from the two year classes for sea lice count (0.49 - 0.48) and body weight (0.63 - 0.61), but prediction accuracy was close to zero when the prediction was performed across year groups. Systematically reducing the relatedness between the training and validation populations within a year class resulted in decreasing accuracy of genomic prediction; when the training and validation populations were set up to contain no relatives with genomic relationships >0.3, the accuracies fell from 0.48 to 0.27 for sea lice count and from 0.63 to 0.29 for body weight. Lower relatedness between training and validation populations also tended to result in highly biased predictions. No clear interaction between decreasing SNP density and relatedness between training and validation population was found. These results confirm the importance of genetic relationships between training and selection candidate populations in salmon breeding programmes, and suggests that prediction across generations using existing approaches would severely compromise the efficacy of genomic selection.

Summary Classical neurotransmitters are mainly known for their roles as neuromodulators, but they also play important roles in the control of developmental and regenerative processes. Here, we used the lamprey model of spinal cord injury to study the effect of serotonin in axon regeneration at the level of individually identifiable descending neurons. Pharmacological and genetic treatments after a complete spinal cord injury showed that endogenous serotonin inhibits axonal regeneration in identifiable descending neurons through the activation of serotonin 1A receptors and a subsequent decrease in cAMP levels. RNA sequencing revealed that changes in the expression of genes that control axonal guidance could be a key factor on the serotonin effects during regeneration. This study provides new targets of interest for research in non-regenerating mammalian models of traumatic CNS injuries and extends the known roles of serotonin signalling during neuronal regeneration.

Abstract Structural variants (SVs) are a major source of genetic and phenotypic variation, but remain challenging to accurately type and are hence poorly characterized in most species. We present an approach for reliable SV discovery in non-model species using whole genome sequencing and report 15,483 high-confidence SVs in 492 Atlantic salmon ( Salmo salar L.) sampled from a broad phylogeographic distribution. These SVs recover population genetic structure with high resolution, include an active DNA transposon, widely affect functional features, and overlap more duplicated genes retained from an ancestral salmonid autotetraploidization event than expected. Changes in SV allele frequency between wild and farmed fish indicate polygenic selection on behavioural traits during domestication, targeting brain-expressed synaptic networks linked to neurological disorders in humans. This study offers novel insights into the role of SVs in genome evolution and the genetic architecture of domestication traits, along with resources supporting reliable SV discovery in non-model species.

ABSTRACT Sea lice ( Caligus rogercresseyi ) are ectoparasitic copepods which have a large negative economic and welfare impact in Atlantic salmon ( Salmo salar ) aquaculture, particularly in Chile. A multi-faceted prevention and control strategy is required to tackle lice, and selective breeding contributes via cumulative improvement of host resistance to the parasite. While host resistance has been shown to be heritable, little is yet known about the individual loci that contribute to this resistance, the potential underlying genes, and their mechanisms of action. In this study we took a multifaceted approach to identify and characterise quantitative trait loci (QTL) affecting hose resistance in a population of 2,688 Caligus-challenged Atlantic salmon post-smolts from a commercial breeding programme. We used low and medium density genotyping to collect genome-wide SNP marker data for all animals. Moderate heritablility estimates of 0.28 and 0.24 were obtained for lice density (as a measure of host resistance) and growth during infestation respectively. Three QTL explaining between 7 and 13 % of the genetic variation in resistance to sea lice (as represented by the traits of lice density) were detected on chromosomes 3, 18 and 21. Characterisation of these QTL regions was undertaken using RNA sequencing and pooled whole genome sequencing data. This resulted in the identification of a shortlist of potential underlying causative genes, and candidate functional mutations for further study. For example, candidates within the chromosome 3 QTL include a putative premature stop mutation in TOB1 (an anti-proliferative transcription factor involved in T cell regulation) and an uncharacterized protein which showed significant differential allelic expression (implying the existence of a cis-acting regulatory mutation). While host resistance to sea lice is polygenic in nature, the results of this study highlight significant QTL regions together explaining a moderate proportion of the heritability of the trait. Future investigation of these QTL may enable improved knowledge of the functional mechanisms of host resistance to sea lice, and incorporation of functional variants to improve genomic selection accuracy.

Abstract Sex determination (SD) mechanisms are exceptionally diverse and show high evolutionary rates in fish. Pleuronectiformes is an emblematic fish group characterized by its adaptation to demersal life and its compact genomes. Here, we present a chromosome-level genome assembly of Senegalese sole, a promising European aquaculture species. We combined long- and short-read sequencing and a highly dense genetic map to obtain a contiguous assembly of 613 Mb (N50 = 29.0 Mb, 99% of the assembly in the n = 21 chromosomes of its karyotype). The correspondence between this new assembly and the Senegalese sole chromosomes was established by fluorescence in situ hybridization with BAC probes. Orthology within Pleuronectiformes was assessed by using the chromosome-level genomes of six important commercial flatfishes covering a broad phylogenetic spectrum of the order. A total of 7936 single-gene orthologues, shared by the six species, were used to identify syntenies in Pleuronectiformes and to explore chromosome evolutionary patterns in the order. Whole genome resequencing of six males and six females enabled the identification of 41 fixed allelic variants in the follicle stimulating hormone receptor ( fshr ) gene, homozygous in females and heterozygous in males, consistent with an XX / XY chromosome system. The observed association between fshr SNPs and sex was confirmed at the species level in a broad sample, which allowed tuning up a molecular sexing tool. Fshr demonstrated differential gene expression between male and female gonads since 86 days post-fertilization, when the gonad was still an undifferentiated primordium, concomitant with the activation of other testis and ovary marker genes, such as amh and cyp19a1a genes, respectively. Interestingly, the Y-linked fshr allele, which included 24 non-synonymous variants, expressed to a higher level than the X-linked allele at all stages. We hypothesize a molecular mechanism hampering the action of the follicle stimulating hormone that would drive the undifferentiated gonad toward testis.

ABSTRACT Background Infectious Salmonid Anaemia virus (ISAV) is an orthomyxovirus responsible of large losses in Atlantic salmon ( Salmo salar ) aquaculture. Current available treatments and vaccines are not fully effective, and therefore selective breeding to produce ISAV-resistant strains of Atlantic salmon ( Salmo salar ) is a high priority for the industry. Genomic selection and potentially genome editing can be applied to enhance the disease resistance of aquaculture stocks, and both approaches can benefit from increased knowledge on the genomic mechanisms of resistance to ISAV. To improve our understanding of the mechanisms underlying resistance to ISAV in Atlantic salmon we performed a transcriptomic study in ISAV-infected salmon with contrasting levels of resistance to this virus. Results Three different tissues (gills, head kidney and spleen) were collected on 12 resistant and 12 susceptible fish at three timepoints (pre-challenge, 7 and 14 days post infection) and RNA sequenced. The transcriptomes of Infected and non-infected fish and of resistant and susceptible fish were compared at each timepoint. The results show that the responses to ISAV are organ-specific; an important response to the infection was observed in the head kidney, with up-regulation of immune processes such as interferon and NLR pathways, while in gills and spleen the response was more moderate. In addition to immune related genes our results suggest that other processes such as ubiquitination or ribosomal processing are important during early infection to ISAV. Moreover, the comparison between resistant and susceptible have also highlighted some interesting genes related to ubiquitination, intracellular transport or the inflammasome. Conclusions Atlantic salmon infection by ISAV revealed an organ-specific response, implying differential function during the infection. An early immune response was observed in the head kidney, while gills and spleen showed modest responses in comparison. Comparison between resistance and susceptible samples have highlighted genes of interest for further studies, for instance those related to ubiquitination or the inflammasome.

Abstract Background Infectious Salmon Anaemia Virus (ISAV) is an Orthomixovirus that currently represents a large problem for salmonid aquaculture worldwide. Prevention and treatment methods are only partially effective. Genetic selection and genome engineering strategies have potential to develop ISAV resistant salmon stocks. However, this requires a detailed understanding of the genomic regulation of ISAV pathogenesis. Here, we used single cell RNA sequencing on a salmonid cell line to provide a high dimensional insight into the transcriptional landscape that underpin host-virus interactions during ISAV infection at the single cell level. Results Salmon head kidney 1 (SHK-1) cells were single-cell RNA sequenced before challenge, and at 24h, 48h, and 96h post-ISAV challenge. The results revealed marked changes in the host transcriptome at 48h and 96h post-infection, even in uninfected cells, potentially suggesting paracrine signalling. This paracrine activation of uninfected cells seemed to be unspecific, involving pathways such as mRNA sensing, ubiquitination or proteasome, and also the up-regulation of the mitochondrial ribosome genes. At 24h post infection, cells showed expression signatures consistent with viral entry, with up-regulation of genes such as PI3K, FAK or JNK. At 48h and 96h, infected cells showed a clear anti-viral response, characterised by the expression of IFNA2 or IRF2. Conclusions This study has increased our understanding of the cellular response of Atlantic salmon during ISAV infection, and revealed potential host-virus interactions at the cellular level. The results highlight the value of single-cell sequencing to characterise cell culture models of viral infection, and the results can be exploited in future functional studies to increase the resistance of Atlantic salmon to ISAV.

Abstract Background Salmonid species have followed markedly divergent evolutionary trajectories in their interactions with sea lice. While sea lice parasitism poses significant economic, environmental, and animal welfare challenges for Atlantic salmon ( Salmo salar ) aquaculture, coho salmon ( Oncorhynchus kisutch ) exhibit near-complete resistance to sea lice, achieved through a potent epithelial hyperplasia response leading to rapid louse detachment. The molecular mechanisms underlying these divergent responses to sea lice are unknown. Results We characterized the cellular and molecular responses of Atlantic salmon and coho salmon to sea lice using single-nuclei RNA sequencing. Juvenile fish were exposed to copepodid sea lice ( Lepeophtheirus salmonis ), and lice-attached pelvic fin and skin samples were collected 12 h, 24 h, 36 h, 48 h, and 60 h after exposure, along with control samples. Comparative analysis of control and treatment samples revealed an immune and wound-healing response that was common to both species, but attenuated in Atlantic salmon, potentially reflecting greater sea louse immunomodulation. Our results revealed unique but complementary roles of three layers of keratinocytes in the epithelial hyperplasia response leading to rapid sea lice rejection in coho salmon. Our results suggest that basal keratinocytes direct the expansion and mobility of intermediate and, especially, superficial keratinocytes, which eventually encapsulate the parasite. Conclusions Our results highlight the key role of keratinocytes in coho salmon’s sea lice resistance and the diverged biological response of the two salmonid host species when interacting with this parasite. This study has identified key pathways and candidate genes that could be manipulated using various biotechnological solutions to improve Atlantic salmon sea lice resistance.

Background: Sea lice are parasitic copepods that cause large economic losses to salmon aquaculture worldwide. Frequent chemotherapeutic treatments are typically required to control this parasite, and alternative measures such as breeding for improved host resistance are desirable. Insight into the host-parasite interaction and mechanisms of host resistance can lead to improvements in selective breeding, and potentially novel treatment targets. In this study, RNA sequencing was used to study the skin transcriptome of Atlantic salmon parasitized with sea lice (C. rogercresseyi). The overall aims were to compare the transcriptomic profile of skin at louse attachment sites and 'healthy' skin, and to assess differences between animals with varying levels of resistance to the parasite. Results: Atlantic salmon were challenged with C. rogercresseyi, growth and lice count measurements were taken for each fish. 21 animals were selected and RNA-Seq was performed on skin from a louse attachment site, and skin distal to attachment sites for each animal. These animals were classified into family-balanced groups according to the traits of resistance (high vs low lice count), and growth during infestation (an indication of tolerance). Overall comparison of skin from louse attachment sites versus healthy skin showed that 4,355 genes were differentially expressed, indicating local up-regulation of several immune pathways and activation of tissue repair mechanisms. Comparison between resistant and susceptible animals highlighted expression differences in several immune response and pattern recognition genes, and also myogenic and iron availability factors. Genomic regions showing signs of differentiation between resistant and susceptible fish were identified using an Fst analysis. Conclusions: Comparison of the skin transcriptome between louse attachment sites and healthy skin has yielded a detailed profile of genes and pathways with putative roles in the local host immune response to C. rogercresseyi. The difference in skin gene expression profile between resistant and susceptible animals led to the identification of several immune and myogenic pathways potentially involved in host resistance. Components of these pathways may be targets for studies aimed at improved or novel treatment strategies, or to prioritise candidate functional polymorphisms to enhance genomic selection for host resistance in commercial salmon farming.

Genomic selection increases the rate of genetic gain in breeding programmes, which results in significant cumulative improvements in commercially important traits such as disease resistance. Genomic selection currently relies on collecting genome-wide genotype data accross a large number of individuals which requires substantial economic investment. However, global aquaculture production predominantly occurs in small and medium sized enterprises for whom this technology can be prohibitively expensive. For genomic selection to benefit these aquaculture sectors more cost-efficient genotyping is necessary. In this study the utility of low and medium density SNP panels (ranging from 100 to 9000 SNPs) to accurate predict breeding values was tested and compared in four aquaculture datasets with different characteristics (species, genome size, genotyping platform, family number and size, total population size, and target trait). A consistent pattern of genomic prediction accuracy was observed across species, with little or no reduction until SNP density was reduced below 1,000 SNPs. Below this SNP density, heritability estimates and genomic prediction accuracies tended to be lower and more variable (93% of maximum accuracy achieved with 1,000 SNPs, 89% with 500 SNPs, and 70% with 100 SNPs). Now that a multitude of studies have highlighted the benefits of genomic over pedigree-based prediction of breeding values in aquaculture species, the results of the current study highlight that these benefits can be achieved at lower SNP densities and at lower cost, raising the possibility of a broader application of genetic improvement in smaller and more fragmented aquaculture settings.