Abstract Atlantic salmon migrates from rivers to sea to feed, grow and develop gonads before returning to spawn in freshwater. These habitat shifts require great phenotypic plasticity. To address the unresolved question of how the shift in diet between fresh and saltwater affects the regulation of metabolic function, we fed salmon contrasting diets in each of the two life stages. Combining transcriptomics with comparative genomics, we found that lipid metabolism undergoes a concerted shift between fresh- and saltwater stages. Lipogenesis and lipid transport become less active in liver after transition to saltwater, while genes for lipid uptake in gut are more expressed in lipid-rich seawater environments. We assess how the whole-genome duplication that gave rise to the salmonids has impacted the evolution of lipid metabolism, and find signatures of pathway-specific selection pressure on gene duplicates, as well as a limited number of cases of increased gene dosage.

Abstract Muscle fat content is an important production trait in Atlantic salmon ( Salmo salar ) because it influences the flavor, texture, and nutritional properties of the fillet. Genomic selection can be applied to alter muscle fat content, however how such selection changes the underlying molecular physiology of these animals is unknown. Here, we examine the link between genomic prediction and underlying molecular physiology by correlating genomic breeding values for fat content to liver gene expression in 184 fish. We found that Salmon with higher genomic breeding values had higher expression of genes in lipid metabolism pathways. This included key lipid metabolism genes hmgcrab , fasn-b , fads2d5 , and fads2d6 , and lipid transporters fatp2f , fabp7b , and apobc . We also found several regulators of lipid metabolism with negative correlation to genomic breeding vales, including pparg-b , fxr-a , and fxr-b . A quantitative trait loci analysis for variation in gene expression levels (eQTLs) for 167 trait associated genes found that 71 genes had at least one eQTL, and that most were trans eQTLs. Closer examination revealed distinct eQTL clustering on chromosomes 3 and 6, indicating the presence of putative common regulator in these regions. Taken together, these results suggest that increased fat content in high genomic breeding value salmon is associated with elevated lipid synthesis, elevated lipid transport, and reduced glycerolipid breakdown; and that this is at least partly achieved by selection on genetic variants that impact the function of top-level transcription factors involved in liver metabolism. Our study sheds light on how genomic selection alters lipid content in Atlantic salmon, and the results could be used to prioritize SNPs to improve the efficiency of genomic selection in the future.

ABSTRACT Background Chitin is a common component in the natural diet of many fish, and a range of chitinases with the potential to down chitin have been identified. Yet whether chitin is metabolized in fish is still unclear. Here we used a combination of chitinase activity assay, transcriptomics, and 16S rRNA bacterial analysis to assess the effect of chitin supplementation on Atlantic salmon gene expression and microbial community. Results Atlantic salmon express multiple genes associated with chitin metabolism, and we show that the expression and activity of Atlantic salmon chitinases are not affected by the addition of dietary chitin. We do, however, demonstrate an association between gut microbial composition, chitinase activity in the gut, and host chitinase expression. Conclusion The findings presented here support the idea that chitin metabolism genes are linked to the maintenance of a chitin-based barrier in the teleost gut. These results contribute to a greater understanding of chitin metabolism in fish.

Abstract Atlantic salmon ( Salmo salar ) is the most valuable farmed fish globally and there is much interest in optimizing its genetics and rearing conditions for growth and feed efficiency. Marine feed ingredients must be replaced to meet global demand, with challenges for fish health and sustainability. Metabolic models can address this by connecting genomes to metabolism, which converts nutrients in the feed to energy and biomass, but such models are currently not available for major aquaculture species such as salmon. We present SALARECON, a model focusing on energy, amino acid, and nucleotide metabolism that links the Atlantic salmon genome to metabolic fluxes and growth. It performs well in standardized tests and captures expected metabolic (in)capabilities. We show that it can explain observed hypoxic growth in terms of metabolic fluxes and apply it to aquaculture by simulating growth with commercial feed ingredients. Predicted limiting amino acids and feed efficiencies agree with data, and the model suggests that marine feed efficiency can be achieved by supplementing a few amino acids to plant- and insect-based feeds. SALARECON is a high-quality model that makes it possible to simulate Atlantic salmon metabolism and growth. It can be used to explain Atlantic salmon physiology and address key challenges in aquaculture such as development of sustainable feeds. Author summary Atlantic salmon aquaculture generates billions of euros annually, but faces challenges of sustainability. Salmon are carnivores by nature, and fish oil and fish meal have become scarce resources in fish feed production. Novel, sustainable feedstuffs are being trialed hand in hand with studies of the genetics of growth and feed efficiency. This calls for a mathematical-biological framework to integrate data with understanding of the effects of novel feeds on salmon physiology and its interplay with genetics. We have developed the SALARECON model of the core salmon metabolic reaction network, linking its genome to metabolic fluxes and growth. Computational analyses show good agreement with observed growth, amino acid limitations, and feed efficiencies, illustrating the potential for in silico studies of potential feed mixtures. In particular, in silico screening of possible diets will enable more efficient animal experiments with improved knowledge gain. We have adopted best practices for test-driven development, virtual experiments to assay metabolic capabilities, revision control, and FAIR data and model management. This facilitates fast, collaborative, reliable development of the model for future applications in sustainable production biology.

Background: It has been suggested that the high phospholipid (PL) requirement in Atlantic salmon (Salmo salar) fry is due to insufficient intestinal de-novo synthesis causing low lipoprotein (LP) production and reduced transport capacity of dietary lipids. However, there has not been performed any in-depth ontological analysis of intestinal PL and LP synthesis with development of salmon. Therefore in this paper we used RNA-seq technology to test the hypothesis that the high PL requirement in salmon fry was associated with undeveloped PL synthesis and LP formation pathways in intestine. There was a special focus on the understanding homologous genes, especially from salmonid-specific fourth vertebrate whole-genome duplication (Ss4R), contribution to salmonid specific features of regulation of PL metabolic pathways. The study was performed in stomach, pyloric caeca and hindgut at 0.16g (1 day before first-feeding), 2.5g and 10g of salmon. Results: In general, we found an up-regulation of de-novo phosphatidylcholine (PtdCho) synthesis, phosphatidylethanolamine (PtdEtn) and LP formation pathways in pyloric caeca of salmon between 0.16g and 10g. Thirteen genes in these pathways were highly (q<0.05) up-regulated in 2.5g salmon compared to 0.16g, while only five more significant (q<0.05) genes were found when the fish grew up to 10g. Different homologous genes were found dominating in stomach, pyloric caeca and hindgut. However, the expression of dominating genes in PL and LP synthesis pathways was much higher in pyloric caeca than stomach and hindgut. Salmon-specific homologous (Ss4R) genes had similar expression during development, while other homologs had more diverged expression. Conclusions: An increasing capacity for PL synthesis and LP formation was confirmed in pyloric caeca. The up-regulation of the de-novo PtdCho pathway confirms that the salmon fry have increasing requirement for dietary PtdCho compared to adult. The similar expressions between Ss4R homologous genes suggest that the functional divergence of these genes was incomplete compared to homologs derived from other whole genome duplication. The results of the present study have provided new information on the molecular mechanisms of phospholipid synthesis and lipoprotein formation in fish.

Domestication of Salmo salar has imposed strong selection for production traits since the 1970s. The domestication has also imposed a radical shift in diet. Whereas wild salmon eats invertebrates, crustaceans and fish, the dietary lipids in domestic feed has since 1990 gradually shifted from fish oil (FO) to vegetable oil (VO), causing a decrease intake of long-chain polyunsaturated fatty acids (LC-PUFA). We tested the hypothesis that this shift has induced domestication-specific features of lipid metabolism in a 96-day feeding trial of domesticated and wild salmon fed diets based on FO, VO or phospholipids (PL). We addressed this by sampling tissues central in fat uptake (pyloric caeca) and processing (liver) and quantifying RNA expression and fatty acid composition. Domesticated salmon grew faster than wild salmon, with higher gene expression in glucose and lipid metabolism pathways. The promoters of differentially expressed genes were enriched for transcription factors involved in circadian clock regulation. Domesticated salmon had lower expression of cry2 and nr1d1, genes involved in negative regulation of circadian rhythm, with possible implications for the diurnal cycle of feed ingestion and basal metabolic rate. Only wild salmon showed a significant impact on growth of VO versus PL or FO feed, whereas domesticated but not wild salmon upregulated key LC-PUFA synthesis genes fads2d5 and fads2d6a in response to VO diet. Domesticated salmon had higher LC-PUFA but lower 18:3n-3 and 18:2n-6 in liver when fed VO, suggesting that domesticated salmon can better compensate for dietary shortage of LC-PUFA compared to wild salmon.

With declining wild fish populations, farmed Atlantic salmon (Salmo salar) has gained popularity as a source for healthy long-chain highly unsaturated fatty acids (LC-HUFA) including 20:5n-3 and 22:6n-3. However, the introduction of plant-based oil in fish diets has reduced the content of these beneficial LC-HUFA. The capability of biosynthesis of LC-HUFAs depends on fatty acids supplied in diets and the genetic potential residing in the fish. Key proteins involved in LC-HUFA synthesis in salmon include fatty acid desaturases 2 (Fads2). In a recent study we used CRISPR/Cas9 to generate two F0 mutant strains of salmon, 1) Δ6abc/5Mt with mutations in Δ5fads2, Δ6fads2-a, Δ6fads2-b and Δ6fads2-c genes, and 2) Δ6bcMt with mutations in Δ6fads2-b and Δ6fads2-c genes. The CRISPR mutated salmon (crispants) had reduced levels of LC-HUFA and expression of targeted fads2 genes. In present study we apply whole transcriptome analysis on these fads2 crispants. Our purpose is to evaluate the genetic mosaicism in fads2 crispants and the effect these mutations had on other lipid metabolism pathways in fish. Both Δ6abc/5Mt and Δ6bcMt crispants demonstrated high percentage of indels within all intended target genes, though different indel types and percentage were observed between individuals. Skipping of a CRISPR-targeted exon was observed in Δ6fads2-a gene of Δ6abc/5Mt salmon. The Δ6abc/5Mt fish also displayed several disruptive indels which resulted in over 100 differentially expressed genes (DEGs) enriched in lipid metabolism pathways in liver. This includes up-regulation of srebp1 genes as well as genes involved in fatty acid de-novo synthesis, fatty acid β-oxidation and lipogenesis. Both elovl5 and elovl2 genes were not changed, suggesting that the genes were not targeted by Srebp1. The mutation of Δ6bcMt surprisingly resulted in over 3000 DEGs which were enriched in factors encoding genes involved in mRNA regulation and stability.