Bacterial colonization of zebrafish (Danio rerio) and Atlantic salmon (Salmo salar) in gnotobiotic model systems

Abstract

I plommesekkstadiet er oppdrettslaks (Salmo salar) spesielt sårbar for ugunstige mikrobielle betingelser, og høy dødelighet rapporteres ofte fra oppdrettsnæringen i dette livsstadiet. Dette kan til en viss grad tilskrives skadelige vert-mikrobe interaksjoner. Økt kunnskap rundt disse interaksjonene kan derfor potensielt bidra til å redusere dødelighetsrelaterte tap i den norske oppdrettsnæringen. En ny tilnærming kan muligens være å bruke etablerte modellorganismer, slik som sebrafisk (Danio rerio), som et verktøy for bedre å forutsi effektene av vert-mikrobiota interaksjoner i økonomisk viktige fiskearter. For at dette skal være anvendelig, må sammenlignbarheten av mikrobiota-induserte vertsresponser undersøkes.

Denne studien hadde som mål å karakterisere den initielle mikrobiotaen til nyklekt sebrafisk og laks under gnotobiotiske og re-konvensjonaliserte betingelser, og å undersøke om vertsresponsene til de ulike bakterielle betingelsene var sammenlignbare mellom de to vertsorganismene på genuttrykksnivå. På grunn av en uforutsett forsinkelse i prøveanalysen hos en tredjepart, ble dessverre ikke genuttrykksresultatene returnert i tide til å inkluderes i denne studien.

Et annet mål med studien var å karakterisere vekstegenskapene til ni bakteriestammer, som tidligere hadde blitt isolert fra laksetarm, ved temperaturer relevante for oppdrett av sebrafisklarver og plommesekkyngel av laks. Vekstegenskapene til bakteriestammene ble derfor først bestemt i generelt vekstmedium. Videre ble de samme ni bakteriestammene brukt i gnotobiotiske forsøk utført med hver vertsorganisme. Vertsorganismene ble eksponert for bakteriestammene både som mono-assosiasjoner og som et mikrobielt konsortium (SynCom). Den bakterielle samfunnssammensetningen av re-konvensjonaliserte kontrollbetingelser i begge gnotobiotiske eksperimenter ble også undersøkt. De bakterielle samfunnssammensetningene ble analysert ved hjelp av Illumina-sekvensering av 16S rRNA gen-amplikon.

I det gnotobiotiske forsøket med plommesekkyngel av laks ble de gnotobiotiske betinge-lsene opprettholdt. I forsøket med sebrafisk ble indikasjoner på en bakteriell kontaminasjon observert. Det så ut til at det var en positiv sammenheng mellom SynCom-stammenes maksimale vekstrater og deres koloniseringssuksess i de vann- og vertsassosierte mikrobiotaene. Selv om mikrobiotaen i vann og fiskevev framsto som forskjellige, antydet resultatene at vertsmikrobiota ble påvirket av vannmikrobiota, men at seleksjonsfaktorer i verten gjorde dem forskjellige. Hovedfunnet i denne studien var at utformingen av det gnotobiotiske eksperimentelle systemet så ut til å påvirke sammensetningen av mikrobielle samfunn negativt, da det ble observert at hurtigvoksende, heterotrofe bakterier dominerte mikrobiotaene assosiert med fiskeverten og vannet på slutten av forsøket. Dette kan tyde på at det batch-lignende eksperimentelle systemet bidrar med et seleksjonsregime der hurtigvoksende, heterotrofe bakterier dominerer.

In the yolk sac-fry stage, farmed Atlantic salmon (Salmo salar) are especially susceptible to unfavorable microbial rearing conditions, and high mortalities are frequently reported from the aquaculture industry in this life-stage. This can to some extent be attributed to harmful host-microbe interactions. Increasing our knowledge about these interactions could therefore contribute to the reduction of mortality-related losses in the Norwegian aquaculture industry. A novel approach could potentially be to use established model organisms, such as zebrafish (Danio rerio), as a tool to better predict the effects of host-microbiota interactions in economically important fish species. For this to be applicable, the comparability of microbiota-induced host responses should be investigated.

This study aimed to characterize the initial microbiota of newly hatched zebrafish and Atlantic salmon under gnotobiotic and re-conventionalized conditions, and to assess whether host responses to various bacterial conditions were comparable between the two host organisms on the gene expression level. Unfortunately, due to an unforeseen delay in sample analysis at a third party, gene expression results were not returned in time for them to be included in this work.

In addition, the study set out to determine the growth characteristics of nine bacterial strains previously isolated from the gut of Atlantic salmon at temperatures relevant to the rearing of zebrafish larvae and salmon yolk-sac fry. To achieve this, growth characteristics were first determined for the nine bacterial strains in a general growth medium. Further, gnotobiotic experiments were performed with each host organism, using the same nine bacterial strains. Host organisms were exposed to the bacterial strains both as mono-associations, and as a microbial consortium (SynCom). The community composition of re-conventionalized control conditions kept in both gnotobiotic experiments was also investigated. Bacterial community compositions were analyzed by Illumina sequencing of 16S rRNA gene amplicons.

In the gnotobiotic experiment with salmon yolk-sac fry, gnotobiotic conditions were successfully maintained. In the zebrafish gnotobiotic experiment, indications of bacterial contaminations were observed. Further, there appeared to be a positive correlation between the SynCom strain's maximum growth rates and their colonization success in rearing water and host-associated microbiotas. Although the rearing water and fish tissue microbiotas were distinct, results suggested that the fish tissue microbiota was influenced by the water microbiota, but that host-provided selection factors made them distinguishable. The main finding of this study was that the experimental system design seemed to adversely affect the microbial community composition, as it was observed that rapid-growing heterotrophs dominated the fish tissue and end water microbiotas. This could suggest that the batch-like system design provides a selection regime in which rapid-growing heterotrophs out-compete slower-growing bacteria.