Immunological and histological responses of Atlantic salmon (Salmo salar) smolts following a Yersinia ruckeri breach in RAS

Abstract

Et flertall av landbaserte oppdrettsanlegg for atlantisk laks (Salmo salar) i Norge bruker Recirculating Aquaculture Systems (RAS) som gir en høyere grad av biosikkerhet sammenlignet med konvensjonelle gjennomstrømningssystemer. Det er imidlertid mange tilfeller av sykdomsutbrudd rapportert i RAS som fører til store økonomiske tap. Hovedmålet med denne avhandlingen var å simulere et biosikkerhetsutbrudd i RAS med Yersinia ruckeri som modellpatogen og å studere immunresponsen til atlantisk laksesmolt. Y. ruckeri er den forårsakende agenten til rødmunnsyke (EMS), en sykdom som hovedsakelig er utbredt under smoltstadiet, men som i de siste årene har blitt et problem i smolt og postsmoltstadiet. I tillegg ble to typer fôr testet. Det var tre behandlingsgrupper: T1 = mottok et spesialisert RAS-kosthold, men systemet ble ikke infisert, T2 = mottok et plantebasert kosthold og systemet ble infisert, og T3 = mottok et spesialisert RAS-kosthold og systemet ble infisert. Systemet ble infisert ved at inntaksvannet ble tilsatt en fersk kultur av Y. Ruckeri (108 kolonidannende enheter (cfu)/mL) i en konsentrasjon på 1% (v/v) per totalt daglig volum (ca. 20 L/dag). Prøver av nyre og milt for qPCR og histologi ble samlet inn ved ulike tidspunkter (f.eks. ved forberedelse (F1), før infeksjon (F2), 1 dag etter infeksjon (F3), 3 dager etter infeksjon (F4), 7 dager etter infeksjon (F5), 14 dager etter infeksjon (F6)). Hematopoietisk nekrose, fibrøst bindevev rundt tubuli, tilstedeværelse av melano-makrofager og generell celletetthet i hodenyren pluss mild celletetthet, lymfocyttisk uttømmelse av den hvite pulpa med tilstedeværelse av melano-makrofager i milten ble observert i prøver innsamlet ved tidspunkt F4, F5 og F6. Disse patologiene er typiske for Yersinia ruckeri-infeksjon, men vevene var ikke bemerkelsesverdig påvirket. Genekspresjonsanalyse viste en markant nedregulering av de pro-inflammatoriske genene interleukin 1-beta (il-1b) og interleukin-8 (il-8) i hodenyre. Genet tumor-nekrosefaktor alfa (tnfa) viste en markant oppregulering ved 7 dpi sammenlignet med før infeksjon og 3 dpi innen T3 i milten, mens det ble observert en markant nedregulering i nyrehode. Det ble observert en markant nedregulering av det betennelsesdempende genet interleukin-10 (il-10) i T3 ved 7 dpi sammenlignet med T1 i hodenyren, mens ingen endring ble observert i milten. Membranbundet immunoglobulin (mIgM) viste markant nedregulering i T2 og T3 sammenlignet med T1 i hodenyren, mens det ble observert en oppregulering av genet i T3 ved 7 dpi sammenlignet med før infeksjonstidspunktet. Hepcidin (hep) ble markant nedregulert i milten ved T2 og T3. Sammenligning mellom vevene viste markant høyere nivåer av genuttrykk av il-1b, il-8, hep, mIgM og tnfa i hodenyre sammenlignet med milten, mens det ikke ble observert noen markant forskjell i genene lys, cath og il-10. Denne dataen viser et lite antall gener som uttrykkes forskjellig i forbindelse med Yersinia ruckeri-infeksjon som følge av brudd på biosikkerhet i RAS. En mer omfattende studie er nødvendig for å forstå immunresponsen hos laksesmolt mot Yersinia i RAS-systemet.

A majority of land-based Atlantic salmon (Salmo salar) aquaculture farms in Norway use Recirculating Aquaculture Systems (RAS) which provides a higher degree of biosecurity compared to conventional flow-through systems. However, there are numerous instances of disease outbreaks reported in RAS leading to heavy economic losses. The main objective of this thesis was to simulate a biosecurity breach in RAS using Yersinia ruckeri as a model pathogen and study the immune response of Atlantic salmon smolts. Y. ruckeri is the causative agent of Enteric Red Mouth (ERM), a disease mostly prevalent during smolt stage but in recent years has become an issue smolts and post-smolts. In addition, two types of diets were tested. There were 3 treatment groups: T1 = received a specialized RAS diet but the system was not infected, T2 = received a plant-based diet and the system was infected, and T3 = received a specialized RAS diet and the system was infected. Infection of the system was carried by spiking the intake water with a fresh culture of Y. ruckeri (108 colony forming units (cfu)/mL) at 1% (v/v) per total daily volume (ca. 20 L/day). Head kidney and spleen samples for qPCR and histology were collected at time points (e.g. At priming (F1), before infection (F2), 1 day post infection (F3), 3 days post infection (F4), 7 days post infection (F5), 14 days post infection (F6)). Haematopoietic necrosis, fibrous connective tissue surrounding the tubules, presence of melano-macrophages and general cell congestion in the head kidney and mild cell congestion, lymphocytic depletion of the white pulp with the presence of melano- macrophages in the spleen was observed in samples collected over time point F4, F5 and F6. These pathologies are typical to Yersinia ruckeri infection, but the tissues were not significantly affected. Gene expression studies revealed a significant downregulation of pro-inflammatory genes interleukin-1beta (il- 1b) and interleukin-8 (il-8) in head kidney. Gene tumor necrosis factor alpha (tnfa) showed a significant upregulation at 7 dpi compared to before infection and 3 dpi within T3 in spleen while a significant downregulation was observed in head kidney. A significant downregulation in anti-inflammatory gene interleukin-10 (il-10) in T3 at 7 dpi compared to T1 in the head kidney was observed while no changes were seen in the spleen. Membrane bound immunoglobulin (mIgM) showed significant downregulation in T2 and T3 compared to T1 in the head kidney, whereas an upregulation of the gene was observed within T3 at 7 dpi compared to before infection time point. Hepcidin (hep) was significantly downregulated in spleen within T2 and T3. Between tissue comparison revealed a significantly higher gene expression levels of il-1b, il-8, hep, mIgM and tnfa in head kidney compared to spleen, whereas no significant difference was seen in the genes lys, cath and il-10. This data reveals a small number of differentially expressed genes to Yersinia ruckeri infection as a result of biosecurity breach in RAS. A more comprehensive study is required to fully understand the immune response of Atlantic salmon smolts against Yersinia in RAS.