Abstract Single nucleotide polymorphism (SNP) arrays, also named « SNP chips », enable very large numbers of individuals to be genotyped at a targeted set of thousands of genome-wide identified markers. We used preexisting variant datasets from USDA, a French commercial line and 30X-coverage whole genome sequencing of INRAE isogenic lines to develop an Affymetrix 665 K SNP array (HD chip) for rainbow trout. In total, we identified 32,372,492 SNPs that were polymorphic in the USDA or INRAE databases. A subset of identified SNPs were selected for inclusion on the chip, prioritizing SNPs whose flanking sequence uniquely aligned to the Swanson reference genome, with homogenous repartition over the genome and the highest Minimum Allele Frequency in both USDA and French databases. Of the 664,531 SNPs which passed the Affymetrix quality filters and were manufactured on the HD chip, 65.3% and 60.9% passed filtering metrics and were polymorphic in two other distinct French commercial populations in which, respectively, 288 and 175 sampled fish were genotyped. Only 576,118 SNPs mapped uniquely on both Swanson and Arlee reference genomes, and 12,071 SNPs did not map at all on the Arlee reference genome. Among those 576,118 SNPs, 38,948 SNPs were kept from the commercially available medium-density 57K SNP chip. We demonstrate the utility of the HD chip by describing the high rates of linkage disequilibrium at 2 kb to 10 kb in the rainbow trout genome in comparison to the linkage disequilibrium observed at 50 kb to 100 kb which are usual distances between markers of the medium-density chip.

Abstract In aquaculture, sterile triploids are commonly used for production as sterility gives them potential gains in growth, yields, and quality. However, they cannot be reproduced, and DNA parentage assignment to their diploid or tetraploid parents is required to estimate breeding values for triploid phenotypes. No publicly available software has the ability to assign triploids to their parents. Here, we updated the R package APIS to support triploids induced from diploid parents. First, we created new exclusion and likelihood tables that account for the double allelic contribution of the dam and the recombination that can occur during female meiosis. As the effective recombination rate of each marker with the centromere is usually unknown, we set it at 0.5 and found that this value maximizes the assignment rate even for markers with high or low recombination rates. The number of markers needed for a high true assignment rate did not strongly depend on the proportion of missing parental genotypes. The assignment power was however affected by the quality of the markers (minor allele frequency, call rate). Altogether, 96–192 SNPs were required to have a high parentage assignment rate in a real rainbow trout dataset of 1,232 triploid progenies from 288 parents. The likelihood approach was more efficient than exclusion when the power of the marker set was limiting. When more markers were used, exclusion was more advantageous, with sensitivity reaching unity, very low false discovery rate (<0.01), and excellent specificity (0.96–0.99). Thus, APIS provides an efficient solution to assign triploids to their diploid parents.

Abstract Evolutionary processes leave footprints across the genome over time. Highly homozygous regions may correspond to positive selection of favourable alleles, while maintenance of heterozygous regions may be due to balancing selection phenomena. We analyzed 176 genomes coming from 20 sequenced US fish and 156 fish from three different French lines that were genotyped using a HD Axiom Trout Genotyping 665K SNP Array. Using methods based on either Run of Homozygosity or Extended Haplotype Homozygosity, we detected selection signals in four domesticated rainbow trout populations. Nine genomic regions composed of 253 genes, mainly located on chromosome 2 but also on chromosomes 12, 15, 16, and 20, were identified under positive selection in all four populations. In addition, four heterozygous regions containing 29 genes putatively under balancing selection were also shared by the four populations and located on chromosomes 10, 13, and 19. Whatever the homozygous or heterozygous nature of the region, we always found some genes highly conserved among vertebrates due to their critical roles in cellular and nuclear organisation, embryonic development or immunity. We identify new promising candidate genes involved in rainbow trout fitness, as well as genes already detected under positive selection in other fishes ( auts2, atp1b3, zp4, znf135, igf-1α, brd2, col9a2, mrap2, pbx1, emilin-3 ). These findings represent a genome-wide map of signatures of selection common over rainbow trout populations, which is the foundation to understand the processes in action and to identify what kind of diversity should be preserved, or conversely avoided in breeding programs, in order to maintain or improve essential biological functions in domesticated rainbow trout populations.

Abstract Honey bees, Apis mellifera , have experienced the full impacts of globalisation, including the recent invasion by the parasitic mite Varroa destructor which has become one of the main causes of colony losses worldwide. Despite its lethal effects, some colonies have developed defence strategies conferring colony resistance and, assuming non-null heritability, selective breeding of naturally resistant bees could be a sustainable way to fight infestations. Here we report on the largest genome-wide association study performed on honey bees to understand the genetic basis of multiple phenotypes linked to varroa resistance. This study was performed on whole genome sequencing of more than 1,500 colonies belonging to different ancestries and combined in a meta-analysis. Results show that varroa resistance is polygenic. A total of 60 genetic markers were identified as having a significant impact in at least one of the tested populations pinpointing several regions of the honey bee genome. Our results also support strategies for genomic selection in honey bee breeding.

Abstract Background Selective breeding is a promising solution to reduce fish farms vulnerability to heat peaks which intensity and frequency are predicted to increase due to climate change. However, limited information about the genetic architecture of acute hyperthermia resistance in fish is available. Two batches of sibs from a rainbow trout commercial line were produced. The first batch (N=1,382) was phenotyped for acute hyperthermia resistance at nine months, and the second batch (N=1,506) was phenotyped for main production traits (growth, body length, muscle fat content and carcass yield) at twenty months. Fish were genotyped on a 57K SNP array, and their genotypes were imputed at high-density thanks to their parents being genotyped on a 665K SNP array. Results The heritability estimate of resistance to acute hyperthermia in juveniles was 0.29 ± 0.05, confirming the potential of selective breeding for this trait. Genetic correlations between acute hyperthermia resistance and main production traits at near harvest age were all close to zero. Hence, selecting for acute hyperthermia resistance should not impact the main production traits, and reversely. The genome-wide association study revealed that resistance to acute hyperthermia is highly polygenic; altogether, the six detected QTL explained less than 5% of the genetic variance. Two of these QTL, including the most significant one, might explain acute hyperthermia resistance differences across INRAE isogenic lines of rainbow trout. The phenotypic mean differences between homozygotes at peak SNP were up to 69% of the phenotypic standard deviation, showing promising potential for marker-assisted selection. We identified 89 candidate genes within the six QTL regions, among which the most convincing functional candidate genes were dnajc7 , hsp70b , nkiras2 , cdk12 , phb , fkbp10 , ddx5 , cygb1 , enpp7 , pdhx and acly . Conclusions This study provides valuable insight on the genetic architecture of acute hyperthermia resistance in juvenile rainbow trout. The potential for the selective breeding of this trait was shown to be substantial and should not interfere with selection for main production traits. Identified functional candidate genes give a new insight on physiological mechanisms involved in acute hyperthermia resistance, such as protein chaperoning, oxidative stress response, homeostasis maintenance and cell survival.

Abstract Accurately measuring individual feed intake is required to include feed efficiency (FE) as an objective in commercial breeding programs. Phenotyping individual feed intake through direct measurements remains complex in fish reared in groups. One way to overcome this challenge is to find proxies for estimating FE. This study aimed to investigate the correlations between fish FE and potential predictive criteria in rainbow trout Oncorhynchus mykiss . As predictive criteria, we considered the variations of body weight assessed as thermal growth coefficients (TGC) and the feeding behaviour assessed as the number of feed demands over a period and the proportion of the demands made before noon. Feed intake was assessed over three different periods in ten isogenic lines allowing a recording for each of the ten genotypes while keeping fish in groups. The protocol consisted of two successive feed deprivation and refeeding phases after initial basal growth periods. Correlations were then calculated between FE, measured either as feed conversion ratio (FCR) or residual feed intake (RFI), and the different indirect criteria. We found positive phenotypic correlations between FCR and RFI over the feed intake measurement periods (r ⩾ 0.79, P < 0.001). Assessment of the relationship between FE traits (FCR and RFI) calculated over the three measurement periods and TGC revealed no significant association. We found significant positive correlations between RFI calculated from the first feed intake measurement period and feeding behaviour, assessed as the number of feed demands (r = 0.42-0.49, P ⩽ 0.022). Nevertheless, such correlations were not established for the two other measurement periods following feed deprivation. While we demonstrated that the weight variations during feed deprivation are not a good proxy for FE (FCR or RFI) in rainbow trout, we also highlighted the interest in exploring more the relationships between FE and feeding behaviour in fish.

Abstract Triploidy is very useful in both aquaculture and some cultivated plants as the induced sterility helps to enhance growth and product quality, as well as acting as a barrier against the contamination of wild populations by escapees. To use genetic information from triploids for academic or breeding purposes, an efficient and robust method to genotype triploids is needed. We developed such a method for genotype calling from SNP arrays, and we implemented it in the R package named GenoTriplo. Our method requires no prior information on cluster positions and remains unaffected by shifted luminescence signals. The method relies on starting the clustering algorithm with an initial higher number of groups than expected from the ploidy level of the samples, followed by merging groups that are too close to each other to be considered as distinct genotypes. Accurate classification of SNPs is achieved through multiple thresholds of quality controls. We compared the performance of GenoTriplo with that of fitPoly, the only published method for triploid SNP genotyping with a free software access. This was assessed by comparing the genotypes generated by both methods for a dataset of 1232 triploid rainbow trout genotyped for 38,033 SNPs. The two methods were consistent for 89% of the genotypes, but for 26% of the SNPs, they exhibited a discrepancy in the number of different genotypes identified. For these SNPs, GenoTriplo had >95% concordance with fitPoly when fitPoly genotyped better. On the contrary, when GenoTriplo genotyped better, fitPoly had less than 50% concordance with GenoTriplo. GenoTriplo was more robust with less genotyping errors. It is also efficient at identifying low-frequency genotypes in the sample set. Finally, we assessed parentage assignment based on GenoTriplo genotyping and observed significant differences in mismatch rates between the best and second-best couples, indicating high confidence in the results. GenoTriplo could also be used to genotype diploids as well as individuals with higher ploidy level by adjusting a few input parameters. Author Summary To cultivate plants, fish and shellfish more profitable for both farmers and consumers, one can utilize individuals one can utilize individuals with three chromosome sets instead of the two found in fertile populations that are diploids. These individuals, called triploids, are generally sterile and then often exhibit higher growth and quality of products, such as seedless fruits or better flesh quality for fish and shellfish. To be able to improve performances of the sterile triploids by selective breeding, it is important to know the versions of the genes present in the three chromosome sets of triploids. Until now, few methods existed to identify these three versions, and none have been demonstrated as sufficiently effective. It is the reason why we developed the GenoTriplo software. We demonstrate in this paper the possibility to accurately genotype triploids, as well as how it can be used to reconstruct pedigree information of triploid progeny. Ultimately, we expect that it can help select for reproduction the parents that have the best triploid progeny for the traits of interest such as growth, vigour or product quality.

Abstract Background Viral Nervous Necrosis (VNN) is major disease affecting of European sea bass. Understanding the biological mechanisms that underlie VNN resistance is thus important for the welfare of farmed fish and the sustainability of production systems. This study aimed at identifying key genomic regions and genes that determine VNN resistance in sea bass. Results We generated a dataset of around 900,000 single nucleotide polymorphisms (SNPs) identified from whole-genome sequencing (WGS) in the parental generation in two different commercial populations (pop A and pop B) comprising 2371 and 3428 European sea bass with phenotypic records for binary survival in a VNN challenge. In each commercial population, three cohorts were submitted to the redspotted grouper nervous necrosis virus (RGNNV) challenge by immersion and genotyped on a 57K SNP chip. After imputation of WGS SNPs from their parents, QTL mapping was performed using a Bayesian Sparse Linear Mixed Model (BSLMM). We found several QTL regions on different linkage groups (LG), most of which are specific to a single population, but a QTL region on LG12 was shared by both commercial populations. This QTL region is only 127 kB wide, and we identified IFI6, an interferon induced protein at only 1.9 kB of the most significant SNP. An unrelated validation population with 4 large families was used to validate the effect of the QTL, for which the survival of the susceptible genotype ranges from 39.8 to 45.4%, while that of the resistant genotype ranges from 63.8 to 70.8%. Conclusions We could precisely locate the genomic region implied in the main resistance QTL at less than 1.9 kb of the interferon alpha inducible protein 6 (IFI6), which has already been identified as a key player for other viral infections such as hepatitis B and C. This will lead to major improvements for sea bass breeding programs, allowing for greater genetic gain by using marker-assisted genomic selection to obtain more resistant fish. Further functional analyses are needed to evaluate the impact of the variant on the expression of this gene.

Abstract Background With the increased number of honeybee breeding plans worldwide, records from queens with diversified mating strategies need to be considered. Breeding queens might be inseminated with drones produced by a single drone-producing queen (DPQ), or by a group of sister-DPQs. Often, only the dam of DPQ(s) is reported in the pedigree. Furthermore, datasets might include colony phenotypes from DPQs that were open mated in different locations. Using simulation, we investigated the impact of the mating strategy on estimates of genetic parameters and breeding values, when the DPQs were treated in different ways in the statistical evaluation model. We quantify the bias and standard error of estimates when breeding queens are mated to a single or a group of DPQs, assuming that this information is either known or not. We also investigated two alternative strategies to accommodate phenotypes of open-mated DPQs in the genetic evaluation, adding either a dummy pseudo sire in the pedigree, or a non-genetic effect to the statistical evaluation model to account for the origin of the DPQs’ mates. Results When breeding queens were inseminated with semen from drones of a single DPQ and this was known, estimates of genetic parameters and genetic trends were more precise. If they were inseminated using drones from a single or a group of DPQs, and this information was not known, erroneous assumptions led to considerable bias in the estimates. For colony phenotypes of open-mated DPQs, adding a dummy pseudo sire in the pedigree for each mating location led to considerable overestimation of genetic variances, while correcting for the mating area by adding a non-genetic effect in the evaluation model gave unbiased estimates. Conclusions Knowing only the dam of the DPQ(s) in the mating may lead to erroneous assumptions on how DPQs were used and cause severe biases in estimates of genetic parameters and genetic trends. Therefore, keeping track in the pedigree of which DPQ(s), and not only which dam of DPQ(s) are used, is recommended. Records from DPQ colonies with queens open mated to a heterogeneous drone population can be integrated by adding non-genetic effects to the statistical evaluation model.

Abstract In France, rainbow trout ( Oncorhynchus mykiss ) farming traditionally used flow-through systems, which raised concerns about environmental impacts, including limited freshwater availability, and the use of ingredients from intensive agriculture and fishing. To address the growing demand for sustainable food products, there is an increasing interest in organic aquaculture. In this study, we employed an attributional life cycle assessment (LCA) to analyse the environmental impacts of rainbow trout production. We simulated conventional and organic production practices in a hypothetical fish farm to evaluate the differences in environmental impacts at the farm level. The potential impacts were calculated using a product-based functional unit (one tonne of trout) under the two production scenarios and were also expressed using a surface-based functional unit (m 2 y). Our life cycle impact assessment revealed that organic farming significantly reduced environmental impacts per tonne of trout in seven out of the nine selected impact categories. Notably, freshwater ecotoxicity exhibited the greatest difference, with organic systems showing a 55% decrease. The only exceptions were freshwater eutrophication and water dependence, where organic production led to higher impacts per tonne of trout. In conventional farming, emissions amounted to 14 kg of P eq./tonne, whereas in organic farming, the emissions were slightly higher (15 kg of P eq./tonne). For water dependence, one tonne of trout production in the conventional system mobilized 128 10 3 m 3 vs. 185 10 3 m 3 in the organic system. The environmental benefits of organic production were even more marked when using a surface-based functional unit (m 2 y). We demonstrated the benefits of organic trout production from an environmental perspective. However, our findings highlight the caution needed when interpreting LCA comparisons of such production systems that can be highly influenced by methodological choices such as the functional unit used.