This study investigated the effects of crowding stress on liver and gut health in genetically improved farmed tilapia (GIFT, Oreochromis niloticus). Fish averaging 18.90 ± 0.01 g were reared at low (LD, 5 g/L) or high densities (HD, 100 g/L) for 14 days. The analysis revealed that the HD group significantly increased serum cortisol, glucose and adrenocorticotropic hormone (ACTH) levels in GIFT (P < 0.05). Serum alanine aminotransferase (ALT) and aspartate aminotransferase (AST) levels were elevated in the HD group (P < 0.05). TUNEL staining of liver tissues revealed that the fluorescence intensity indicating apoptosis was significantly higher in the HD group (P < 0.05). Additionally, the HD group exhibited increased expression of p53 and Caspase3 in the liver (P < 0.05). In comparison to the LD group, the HD group showed a significant increase in gut superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) activities, as well as malondialdehyde (MDA) content (P < 0.05). The expressions of inflammatory-related genes (tnfα, il-1β, il-8, and il-6) and pro-apoptotic genes (p53 and Caspase7) were significantly upregulated in the gut of the HD group (P < 0.05). Serum contents of D-lactate and diamine oxidase (DAO) were significantly elevated in HD group as comparison to LD group (P < 0.05), and significantly higher serum FITC-CM-dextran was observed in HD group versus LD group following oral gavage (P < 0.05). Furthermore, the HD group down-regulated the expressions of gut tight junction proteins (tjp2a, hif-1a, and zo-1) (P < 0.05), and significantly up-regulated the protein expression of phosphorylated myosin light chain 2 (P-MLC2) (P < 0.05). The 16S rDNA gene sequencing results indicated that the relative abundance of Cetobacterium was significantly lower (P < 0.05), and Enterovibrio and Weissella were significantly higher in the HD group (P < 0.05). Overall, crowding stress negatively affects GIFT liver and gut health, which is caused by inducing hepatic and intestinal apoptosis, impairing intestinal barrier function, and disrupting the gut microbiota.

Accumulated evidences demonstrate that intestinal microbiome can inhibit viral infection. However, our knowledge of the signaling pathways and specific commensal microbes that mediate the antiviral response is limited. Here, a rhabdoviral infection model in zebrafish allows us to investigate the modes of action of microbiome-mediated antiviral effect. We observed that antibiotics-treated and germ-free zebrafish exhibited greater viral infection. Mechanistically, depletion of the intestinal microbiome alters TLR2-Myd88 signaling, and blunts neutrophil response and type I interferon (IFN) production. Moreover, a single commensal bacterium, Cetobacterium somerae, recapitulated TLR2- and type I IFN-dependent antiviral effect of the microbiome in gnotobiotic zebrafish, and C. somerae exopolysaccharides (CsEPS) was the effector molecule that engaged TLR2 to mediate antiviral function. Together, our results suggest a conserved role of intestinal microbiome in regulating type I IFN response among vertebrates, and reveal that the intestinal microbiome inhibits viral infection through a CsEPS-TLR2-type I IFN signaling axis in zebrafish.

Abstract Background Aquaculture plays an important role in global protein supplies and food security. The ban on antibiotics as feed additive proposes urgent need to develop alternatives. Gut microbiota plays important roles in the metabolism and immunity of fish, and has the potential to give rise to novel green inputs for fish culture. However, our understanding of fish gut microbiome is still lacking. Results We identified 575,856 non-redundant genes by metagenomic sequencing of the intestinal content samples of grass carp. Taxonomic and functional annotation of the gene catalogue revealed specificity of the gut microbiome of grass carp compared with mammals. Co-occurrence analysis indicated exclusive relations between the genera belonging to Proteobacteria and Fusobacteria/Firmicutes/Bacteroidetes, suggesting two independent ecological groups of the microbiota. The association pattern of Proteobacteria with the gene expression modules of fish gut and liver was consistently opposite to that of Fusobacteria, Firmicutes and Bacteroidetes, implying differential functionality of Proteobacteria and Fusobacteria/Firmicutes/Bacteroidetes. Therefore, the two ecological groups were divided into two functional groups, i.e., Functional Group 1: Proteobacteria; Functional Group 2: Fusobacteria/Firmicutes/Bacteroidetes. Further analysis revealed that the two functional groups differ in genetic capacity for carbohydrate utilization, virulence factors and antibiotic resistance. Finally, we proposed that the ratio of “Functional Group 2/Functional Group 1” can be used as a biomarker that efficiently reflects the structural and functional characteristics of the microbiota of grass carp. Conclusions The gene catalogue is an important resource for investigating the gut microbiome of grass carp. Multi-omics analysis provides insights into functional implications of the main phyla that comprise the fish microbiota, and shed lights on targets for microbiota regulation.

Probiotics as green inputs have been reported to regulate metabolism and immunity of fish. However, the mechanisms by which probiotics improve growth and health of fish are unclear. Therefore, the aim of this study was to investigate the effect of Bacillus subtilis HGCC-1, an indigenous probiotic isolated from fish, on growth performance, host lipid metabolism, liver inflammation and gut microbiota of golden pompano. 160,000 golden pompanos with the initial body weight of 93.6 ± 5.0 g was randomly assigned to two dietary groups: Control and HGCC-1 (control diet supplemented with 0.3 g/kg Bacillus subtilis HGCC-1 fermentation product), and after three weeks of feeding, 26 golden pompanos were randomly collected from each group for gut microbiome and host phenotype analysis. Dietary supplementation with Bacillus subtilis HGCC-1 significantly promoted growth performance (P < 0.05) and enhanced feed utilization. Besides, HGCC-1 improved liver health and alleviated hepatic steatosis and inflammation. Furthermore, Bacillus subtilis HGCC-1 enhanced intestinal lipid absorption, promoted hepatic utilization of dietary fat by improving hepatic lipid uptake/transport and fatty acid β-oxidation to provide energy, and reduced hepatic TG level (P < 0.05), which may be the potential mechanism of Bacillus subtilis HGCC-1-mediated growth promotion. Finally, Bacillus subtilis HGCC-1 significantly altered the structure and function of gut microbiota (P < 0.05), leading to enrichment of beneficial taxa such as Bacillus (P < 0.0001) and increased of the ratio of "Functional Group 2/Functional Group 1" (P = 0.00092). Interestingly, the ratio of "Functional Group 2/Functional Group 1" was linked to the growth traits (Spearman, P < 0.05), while the intestinal abundance of Bacillus was correlated with serum TG in fish (Spearman, R = 0.47, P = 0.00091), suggesting a role of the intestinal microbiota in HGCC-1 mediated effect on growth and lipid metabolism. In summary, Bacillus subtilis HGCC-1 promotes growth performance, alleviate hepatic steatosis and enhances liver health via regulating gut microbiota in golden pompano, which ultimately showed as beneficial effect of fish growth and health.