Abstract The CRISPR/Cas9 platform holds promise for modifying fish traits of interest as a precise and versatile tool for genome manipulation. To reduce introgression of transgene and control reproduction, catfish species have been studied for upscaled disease resistance and intervening of reproduction to lower the potential environmental risks of introgression of escapees’ as transgenic animals. Taking advantage of the CRISPR/Cas9-mediated system, we succeeded in integrating the cathelicidin gene from an alligator ( Alligator sinensis ; As-Cath ) into the target luteinizing hormone ( LH ) locus of channel catfish ( Ictalurus punctatus ) using two delivery systems assisted by double-stranded DNA (dsDNA) and single-stranded oligodeoxynucleotides (ssODNs), respectively. In this study, high knock-in (KI) efficiency (22.38%, 64/286) but low on-target was achieved using the ssODN strategy, whereas adopting a dsDNA as the donor template led to an efficient on-target KI (10.80%, 23/213). On-target KI of As-Cath was instrumental in establishing the LH knockout (LH − _As-Cath + ) catfish line, which displayed heightened disease resistance and reduced fecundity compared to the wild-type sibling fish. Furthermore, implanting with HCG and LHRHa can restore the fecundity, spawnability and hatchability of the new transgenic fish line. Overall, we replaced the LH gene with an alligator cathelicidin transgene and then administered hormone therapy to gain complete reproductive control of disease-resistant transgenic catfish in an environmentally sound manner. This strategy not only effectively improves the consumer-valued traits, but also guards against genetic contamination. This is a breakthrough in aquaculture genetics to confine fish reproduction and prevent the establishment of transgenic or domestic genotypes in the natural environment.

Antimicrobial peptides (AMPs) show promise in enhancing resistance against pathogens. Previously, we integrated two AMP genes, cathelicidin (Cath) from alligator (Alligator mississippiensis or A. sinensis) and cecropin (Cec) from moth (Hyalophora cecropia), into the channel catfish (Ictalurus punctatus) genome. This study examines the efficacy of exogenous AMP gene integration in improving bacterial resistance in transgenic channel catfish and assesses the direct and pleiotropic effects of gene replacement/knockout on survival and growth based on insertion site. Transgenic Cath- and Cec-expressing fish exhibited similar or higher survival rates (P > 0.05) compared to controls during the initial culture. Integration of the Cec transgene doubled the survival rate when challenged with Edwardsiella ictaluri, with knock-in (KI) of Cath further increasing bacterial resistance. Coupling Cec KI with mstn knockout (KO) increased survival 3-fold after E. ictaluri infection and growth by 50% at 4 months post-fertilization (mpf). However, random integration of Cec had a minimal effect on disease resistance and did not enhance growth. Random integration of Cath increased survival 2.5-fold and 4-fold against E. ictaluri and Flavobacterium covae, respectively, without affecting growth. Cath KI at the lh locus increased survival 4-fold when challenged with F. covae and reduced growth by 10% (P > 0.05) at 24 mpf, whereas Cath KI coupled with mc4r KO resulted in a 2.5-fold increase in survival following F. covae infection compared with controls, and increased growth by 80% at 3 mpf. Simultaneous KI of Cath and Cec, along with KO of mc4r and mstn, increased survival 4-fold against E. ictaluri, while increasing growth by 50% at 3 mpf. Dual insertion of AMP genes yielded the greatest resistance to disease. These direct and pleiotropic effects may increase comprehension and societal acceptance of genetic engineering in aquaculture.

California yellowtail (CYT), Seriola dorsalis, is a promising candidate for aquaculture due to its rapid growth and high-quality flesh, particularly in markets like Japan, Australia, China, and the United States. Soy protein has shown success as a replacement for marine protein sources in CYT diets, reducing fishmeal levels, though concerns about potential intestinal inflammation persist with the inclusion of solvent-extracted soybean meal. To address this, processing strategies like fractionation, enzymatic treatment, heat treatment, and microbial fermentation have been employed to mitigate the negative impacts of soybean meal on fish nutrition and immune systems. This study focuses on optimizing soybean meal inclusion levels by incorporating advanced soy variants into CYT diets. The eight-week feeding trial, conducted in a recirculation system, featured six diets with sequential inclusion levels (0, 50, 100%) of high protein low oligosaccharide soybean meal (Bright Day, Benson Hill, St Louis, MO) and enzyme-treated soybean meal (HP 300, Hamlet Protein Inc., Findlay, OH), replacing solvent-extracted soybean. The study compares these formulations against a soy-free animal protein-based diet. At the end of the trial, fish were sampled for growth performance, body proximate composition, intestinal morphology, and immune response from gut samples. Results showed consistent FCR ( P = 0.775), weight gain ( P = 0.242), and high survival rate (99.4 ± 0.5%) among dietary treatments ( P >0.05). Histological evaluations revealed no gut inflammation and gene expression analysis demonstrated no significant variations in immune, physiological, and digestive markers apn ( P = 0.687), mga ( P = 0.397), gpx1 (P = 0.279), atpase (P = 0.590), il1β ( P = 0.659). The study concludes that incorporating advanced soybean meal products, replacing up to 20% of fishmeal does not negatively affect CYT’s growth and intestinal health. This suggests that all three soy sources, contributing 35% of total protein (15.4 g 100 g -1 diet), can be included in practical diets without compromising CYT’s intestinal integrity or growth. These findings have positive implications for the commercial production of CYT and future research on the incorporation of plant-based proteins in aquaculture diets.

In F1 hybrids, phenotypic values are expected to be near the parental means under additive effects or close to one parent under dominance. However, F1 traits can fall outside the parental range, and outbreeding depression occurs when inferior fitness is observed in hybrids. Another possible outcome is heterosis, a phenomenon that interspecific hybrids or intraspecific crossbred F1s exhibit improved fitness compared to both parental species or strains. As an application of heterosis, hybrids between channel catfish females and blue catfish males are superior in feed conversion efficiency, carcass yield, and harvestability. Over 20 years of hybrid catfish production in experimental settings and farming practices generated abundant phenotypic data, making it an ideal system to investigate heterosis. In this study, we characterized fitness in terms of growth and survival longitudinally, revealing environment-dependent heterosis. In ponds, hybrids outgrow both parents due to an extra rapid growth phase of 2-4 months in year 2. This bimodal growth pattern is unique to F1 hybrids in pond culture environments only. In sharp contrast, the same genetic types cultured in tanks display outbreeding depression, where hybrids perform poorly, while channel catfish demonstrate superiority in growth throughout development. Our findings represent the first example, known to the authors, of opposite fitness shifts in response to environmental changes in interspecific vertebrate hybrids, suggesting a broader fitness landscape for F1 hybrids. Future genomic studies based on this experiment will help understand genome-environment interaction in shaping the F1 progeny fitness in the scenario of environment-dependent heterosis and outbreeding depression.

Previously, dietary humic substances (HSs) or protease complexes (PCs) in fingerling channel catfish Ictalurus punctatus (Rafinesque) have demonstrated potential for health enhancement. Two trials were conducted to elucidate an optimal HS or PC administration plan for growth and health promotion. The first feeding trial was conducted within a recirculating aquaculture system. Catfish fingerlings were fed a commercial control (28% protein) or supplemented diet (control + PC or HS). Diets were administered through four feeding regimens of either HS, or PC‐supplemented diet. After 60 days, continuous feeding of diets with HS or PC contributed to improved feed efficiency and weight gain of the fish. Similarly, catfish growth was enhanced following the application of HS or PC for the final 4 weeks. Serum lysozyme activity was relatively improved in catfish when a PC or HS diets were offered for 60 days. Feeding either of the supplements for the final 4 weeks improved skin lysozyme activity compared to the control group. In the second trial, catfish were fed either the commercial control diet, PC‐supplemented diet, or HS‐supplemented diet in an outdoor production environment for 60 days. Both HS and PC catfish groups had higher survival rates than the control group. Furthermore, growth performance was superior in additive‐fed groups. After HS or PC application, gut microbiota analysis from catfish fecal at two time points revealed significant variation in alpha diversity, community abundance, and beta diversity. However, the association of dietary HS or PC on improved survival, immunity, and gut microbiota modulations presents their importance as functional immunostimulants in catfish aquaculture.