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.

Piscirickettsia salmonis is one of the main infectious diseases affecting coho salmon (Oncorhynchus kisutch) farming. Current treatments have been ineffective for the control of the disease. Genetic improvement for P. salmonis resistance has been proposed as a feasible alternative for the control of this infectious disease in farmed fish. Genotyping by sequencing (GBS) strategies allow genotyping hundreds of individuals with thousands of single nucleotide polymorphisms (SNPs), which can be used to perform genome wide association studies (GWAS) and predict genetic values using genome-wide information. We used double-digest restriction-site associated DNA (ddRAD) sequencing to dissect the genetic architecture of resistance against P. salmonis in a farmed coho salmon population and identify molecular markers associated with the trait. We also evaluated genomic selection (GS) models in order to determine the potential to accelerate the genetic improvement of this trait by means of using genome-wide molecular information. 764 individuals from 33 full-sib families (17 highly resistant and 16 highly susceptible) which were experimentally challenged against P. salmonis were sequenced using ddRAD sequencing. A total of 4,174 SNP markers were identified in the population. These markers were used to perform a GWAS and testing genomic selection models. One SNP related with iron availability was genome-wide significantly associated with resistance to P. salmonis defined as day of death. Genomic selection models showed similar accuracies and predictive abilities than traditional pedigree-based best linear unbiased prediction (PBLUP) method.

Nile tilapia (Oreochromis niloticus) is one of the most produced farmed fish in the world and represents an important source of protein for human consumption. Farmed Nile tilapia populations are increasingly based on genetically improved stocks, which have been established from admixed populations. To date, there is scarce information about the population genomics of farmed Nile tilapia, assessed by dense single nucleotide polymorphism (SNP) panels. The patterns of linkage disequilibrium (LD) may affect the success of genome-wide association studies (GWAS) and genomic selection and can also provide key information about demographic history of farmed Nile tilapia populations. The objectives of this study were to provide further knowledge about the population structure and LD patterns, as well as, estimate the effective population size (Ne) for three farmed Nile tilapia populations, one from Brazil (POP A) and two from Costa Rica (POP B and POP C). A total of 55, 56 and 57 individuals from POP A, POP B and POP C, respectively, were genotyped using a 50K SNP panel selected from a whole-genome sequencing (WGS) experiment. Two principal components explained about 20% of the total variation and clearly discriminated between the three populations. Population genetic structure analysis showed evidence of admixture, especially for POP C. The contemporary Ne values calculated based to LD values, ranged from 71 to 141. No differences were observed in the LD decay among populations, with a rapid decrease of r2 when increasing inter-marker distance. Average r2 between adjacent SNP pairs ranged from 0.03 to 0.18, 0.03 to 0.17 and 0.03 to 0.16 for POP A, POP B and POP C, respectively. Based on the number of independent chromosome segments in the Nile tilapia genome, at least 4.2 K SNP are required for the implementation of GWAS and genomic selection in farmed Nile tilapia populations.

Abstract Background Breeding for disease resistance has become a highly desirable strategy for mitigating infectious disease problems in aquaculture. However, knowledge of the genetic relationship between resistance and other economically important traits, such as growth, is important to assess prior to including disease resistance into the breeding goal. Our study assessed the genetic correlations between growth and survival traits in a large bacterial infection challenge experiment. A population of 2,606 coho salmon individuals from 107 full-sibling families were challenged with the bacteria Piscirickettsia salmonis . Growth was measured as average daily gain prior (ADG0) and during (ADGi) the experimental infection and as harvest weight (HW). Resistance was measured as Survival time (ST) and binary survival (BS). Furthermore, individual measures of bacterial load (BL) were assessed as new resistance phenotypes and to provide an indication of genetic variation in tolerance in salmonid species. Results Significant moderate heritabilities were estimated for ADG0 (0.30 ± 0.05), HW (0.38 ± 0.03), and for the survival traits ST (0.16 ± 0.03) and BS (0.18 ± 0.03). In contrast, heritabilities for ADGi and log-transformed BL were low (0.07 ± 0.02 (significant) and 0.04 ± 0.03, respectively), although these increased to moderate significant levels (0.20 ± 0.09 and 0.12 ± 0.05, respectively) when traits were assessed in survivors only. Significant and favorable genetic correlations were found between ADG0 and the growth traits ADGi (0.40 ± 0.16) and HW (0.64 ± 0.09), as well as with resistance as ST (0.43 ± 0.18), indicating that fish with higher genetic growth rate early on and prior to infection not only tend to maintain their genetic growth advantage until harvest, but also tend to grow faster and survive longer during infection. Furthermore, no robust unfavorable genetic correlations between ADG0 and any of the other traits considered in this study, in particular BL, was identified. Adding log BL as covariates into the models for growth under infection and survival provided an indication for genetic variation in tolerance. Conclusions These results suggest that selective breeding for early growth would be expected to simultaneously increase survival time and growth performance during an infection with Piscirickettsia salmonis after accounting for variation in bacterial load, and harvest weight in this coho salmon population, without negatively impacting on pathogen burden.

Infectious pancreatic necrosis (IPN) is a viral disease with considerable negative impact on the rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) aquaculture industry. The aim of the present work was to detect genomic regions that explain resistance to infectious pancreatic necrosis virus (IPNV) in rainbow trout. A total of 2,278 fish from 58 full-sib families were challenged with IPNV. Of the challenged fish, 768 individuals were genotyped (488 resistant and 280 susceptible), using a 57K single nucleotide polymorphisms (SNPs) panel Axiom, Affymetrix. A genome-wide association study (GWAS) was performed using the phenotypes time to death (TD) and binary survival (BS), along with the genotypes of the challenged fish using a Bayesian model (Bayes C). Heritabilities for resistance to IPNV estimated using pedigree information, were 0.39 and 0.32 for TD and BS, respectively. Heritabilities for resistance to IPNV estimated using genomic information, were 0.50 and 0.54 for TD and BS, respectively. The Bayesian GWAS detected a SNP located on chromosome 5 explaining 18% of the genetic variance for TD. A SNP located on chromosome 23 was detected explaining 9% of the genetic variance for BS. The proximity of Sentrin-specific protease 5 (SENP5) to a significant SNP makes it a candidate gene for resistance against IPNV. However, the moderate-low proportion of variance explained by the detected marker leads to the conclusion that the incorporation of all genomic information, through genomic selection, would be the most appropriate approach to accelerate genetic progress for the improvement of resistance against IPNV in rainbow trout.

Domestication of Atlantic salmon started approximately forty years ago, using both artificial and natural selection strategies. Such selection methods are likely to have imposed distinctive selection signatures on the salmon genome. Therefore, identifying differences in selection signatures may give insights into the mechanism of selection and candidate genes of biological and productive interest. Here, we used two complementary haplotype-based statistics, the within-population integrated Haplotype Score test (|iHS|) and the cross-population Extended Haplotype Homozygosity test (XP-EHH) to compare selection signatures in four populations of Atlantic salmon with a common genetic origin. Using |iHS| we found 24, 14, 16 and 26 genomic regions under selection in Pop-A, Pop-B, Pop-C, and Pop-D, respectively. While using the XP-EHH test we identified 27, 25 and 15 potential selection regions in Pop-A/Pop-B, Pop-A/Pop-C and Pop-A/Pop-D, respectively. These genomic regions harbor important genes such igf1r and sh3rf1 which have been associated with growth related traits in other species. Our results contribute to the detection of candidate genes of interest and help to understand the evolutionary and biological mechanisms for controlling complex traits under selection in Atlantic salmon.

Piscirickettsia salmonis is the etiological agent of Salmon Rickettsial Syndrome (SRS), and is responsible for considerable economic losses in salmon aquaculture. The bacteria affect coho salmon (CS) (Oncorhynchus kisutch), Atlantic salmon (AS) (Salmo salar) and rainbow trout (RT) (Oncorhynchus mykiss) in several countries, including: Norway, Canada, Scotland, Ireland and Chile. We used Bayesian genome-wide association (GWAS) analyses to investigate the genetic architecture of resistance to P. salmonis in farmed populations of these species. Resistance to SRS was defined as the number of days to death (DD) and as binary survival (BS). A total of 828 CS, 2,130 RT and 2,601 AS individuals were phenotyped and then genotyped using ddRAD sequencing, 57K SNP Affymetrix® Axiom® and 50K Affymetrix® Axiom® SNP panels, respectively. Both trait of SRS resistance in CS and RT, appeared to be under oligogenic control. In AS there was evidence of polygenic control of SRS resistance. To identify candidate genes associated with resistance, we applied a comparative genomics approach in which we systematically explored the complete set of genes adjacent to SNPs which explained more than 1% of the genetic variance of resistance in each salmonid species (533 genes in total). Thus, genes were classified based on the following criteria: i) shared function of their protein domains among species, ii) shared orthology among species, iii) proximity to the SNP explaining the highest proportion of the genetic variance and, iv) presence in more than one genomic region explaining more than 1% of the genetic variance within species. Our results allowed us to identify 120 candidate genes belonging to at least one of the four criteria described above. Of these, 21 of them were part of at least two of the criteria defined above and are suggested to be strong functional candidates influencing P. salmonis resistance. These genes are related to diverse biological processes, such as: kinase activity, GTP hydrolysis, helicase activity, lipid metabolism, cytoskeletal dynamics, inflammation and innate immune response, which seem essential in the host response against P. salmonis infection. These results provide fundamental knowledge on the potential functional genes underpinning resistance against P. salmonis in three salmonid species.

One of the main pathogens affecting rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) farming is the facultative intracellular bacteria Piscirickettsia salmonis. Current treatments, such as antibiotics and vaccines, have not had the expected effectiveness in field conditions. Genetic improvement by means of selection for resistance is proposed as a viable alternative for control. Genomic information can be used to identify the genomic regions associated with resistance and enhance the genetic evaluation methods to speed up the genetic improvement for the trait. The objectives of this study were to i) identify the genomic regions associated with resistance to P. salmonis; and ii) identify candidate genes associated with the trait. We experimentally challenged 2,130 rainbow trout with P. salmonis and genotyped them with a 57 K SNP array. Resistance to P. salmonis was defined as time to death (TD) and as binary survival (BS). Significant heritabilities were estimated for TD and BS (0.48 ± 0.04 and 0.34 ± 0.04, respectively). A total of 2,047 fish and 26,068 SNPs passed quality control for samples and genotypes. Using a single-step genome wide association analysis (ssGWAS) we identified four genomic regions explaining over 1% of the genetic variance for TD and three for BS. Interestingly, the same genomic region located on Omy27 was found to explain the highest proportion of genetic variance for both traits (2.4 and 1.5% for TD and BS, respectively). The identified SNP in this region is located within an exon of a gene related with actin cytoskeletal organization, a protein exploited by P. salmonis during infection. Other important candidate genes identified are related with innate immune response and oxidative stress. The moderate heritability values estimated in the present study show it is possible to improve resistance to P. salmonis through artificial selection in the current rainbow trout population. Furthermore, our results suggest a polygenic genetic architecture and provide novel insights into the candidate genes underpinning resistance to P. salmonis in O. mykiss.

Nile tilapia (Oreochromis niloticus) is one of the most cultivated and economically important species in world aquaculture. Faster male development during grow-out phase is considered a major problem that generate heterogeneous sizes of fish at harvest. Identifying genomic regions associated with sex determination in Nile tilapia is a research topic of great interest. The objective of this study was to identify genomic variants associated with sex determination in three commercial populations of Nile tilapia. Whole-genome sequencing of 326 individuals was performed, and a total of 2.4 million high-quality bi-allelic single nucleotide polymorphisms (SNPs) were identified. A genome-wide association study (GWAS) was conducted to identify markers associated with the binary sexual trait (males = 0; females = 1). A mixed logistic regression GWAS model was fitted and a genome-wide significant signal comprising 36 SNPs, located on chromosome 23 spanning a genomic region of 536 kb, was identified. Ten out of these 36 genetic variants, intercept the anti-Mullerian hormone gene. Other significant SNPs were located in the neighboring Amh gene region. This gene has been strongly associated with sex determination in several vertebrate species, playing an essential role in the differentiation of male and female reproductive tissue in early stages of development. This finding provides useful information to better understand the genetic mechanisms underlying sex determination in Nile tilapia.

Nile Tilapia (Oreochromis niloticus) is the second most important farmed fish in the world and a sustainable source of protein for human consumption. Several genetic improvement programs have been established for this species in the world and so far, they are mainly based on conventional selection using genealogical and phenotypic information to estimate the genetic merit of breeders and make selection decisions. Genome-wide information can be exploited to efficiently incorporate traits that are difficult to measure in the breeding goal. Thus, SNPs are required to investigate phenotype–genotype associations and determine the genomic basis of economically important traits. We performed de novo SNP discovery in three different populations of farmed tilapias. A total of 29.9 million non-redundant SNPs were identified through Illumina (HiSeq 2500) whole-genome resequencing of 326 individual samples. After applying several filtering steps including removing SNP based on genotype and site quality, presence of Mendelian errors, and non unique position in the genome, a total of high quality 50,000 SNP were selected for validation purposes. These SNPs were highly informative in the three populations analyzed showing between 43,869 (94%) and 46,139 (99%) SNP in HWE; 37,843 (76%) and 45,171(90%) SNP with a MAF higher than 0.05 and; 43,450 (87%) and 46,570 (93%) SNPs with a MAF higher than 0.01. The final list of 50K SNPs will be very useful for the dissection of economically relevant traits, enhancing breeding programs through genomic selection as well as supporting genetic studies in farmed populations Nile tilapia using dense genome-wide information.