Decoding Springtime Oxidation in Postsmolt Atlantic Salmon: Implications for Redox Signaling and Growth

Abstract

Fisk er en integrert del av akvatiske økosystemer, og deres evne til å takle miljøendringer er en viktig global bekymring. Oppdrettet atlantisk laks i sjømerder er eksponert for ulike miljøforhold, inkludert endringer i daglengde og temperatur, som kan påvirke deres fysiologiske og atferdsmessige responser, inkludert deres oksidative status. Økt daglengde og temperatur om våren stimulerer veksten hos atlantisk laks, ledsaget av økt oksidativt stress. Imidlertid er de underliggende mekanismene fortsatt uklare. Derfor har forståelsen av hvordan disse miljøfaktorene påvirker fiskens redoks-status betydelige implikasjoner for optimalisering av akvakulturforhold og forbedring av fiskevelferd. Produksjonen av frie radikaler (ROS) er en uunngåelig del av aerobt liv, og ROS som opprettholdes på basalnivå er essensielt for manifestasjonen av ulike cellulære funksjoner. I denne avhandlingen er hypotesen at disse miljøfaktorene regulerer redoks-metabolismen hos atlantisk laks og påvirker deres fysiologiske tilstand. Målet med denne avhandlingen var å undersøke effektene av ulike eksperimentelle betingelser, implantasjon av veksthormon (GH), varierende daglengde og kombinasjonen av daglengde og temperatur gjennom vår, sommer og høst, på redoks-metabolisme og vekst hos atlantisk laks. Tre fiskeforsøk ble gjennomført med følgende variabler: 1) ekstra GH kombinert med høyt eller lavt nivå av antioksidantvitaminer (C og E), 2) variasjon i dag-lengde og 3) den kombinerte effekten av variasjon av daglengde og temperatur. En innledende studie utforsket forholdet mellom GH-implantasjon og oksidativt stress, da vevsoksidasjonen økte hos atlantisk laks om våren og tidlig sommer sammen med økende veksthastighet. I dette studiet ble atlantisk laks fôret med lavt eller høyt nivå av vitamin C og E i 12 uker. Dette gjorde det mulig å undersøke effektene av antioksidantvitaminer på redoks-statusen hos laks. Etter 6 uker ble halvparten av fisken implantert med GH oppløst i sesamolje, mens den andre halvparten fikk en implantasjon kun med sesamolje (sham), som resulterte i en 2 × 2 faktoriell design. Resultatene viste at GH-implantasjon økte veksthastigheten, men førte også til økt oksidativt stress hos atlantisk laks, som ble tydeliggjort ved reduserte konsentrasjoner av vitamin C og E i lever og muskel, samt økte nivåer av malondialdehyd bare i leveren. I tillegg påvirket GH uttrykket av gener og metabolismeveier involvert i aktiviteten til antioksidant enzymer og redoks-balansen. Høye nivåer av antioksidant-vitaminer reduserte oksidativt stress ved å påvirke disse prosessene, men hadde ingen effekt på veksthastigheten. Disse funnene antyder et samspill mellom GH, antioksidantvitaminer og redoks-regulering hos atlantisk laks. Vi undersøkte effekten av sesongendringer på redoks balansen ved å gjennomføre to forsøk; ett med variabel dag-lengde ved konstant temperatur, og ett med kombinasjon av variabel temperatur og dag-lengde for å simulere forholdene om våren og sommeren. Resultatene viste at endringer i daglengde for å simulere vår og tidlig sommer uten samtidig økning i temperatur er tilstrekkelig for å stimulere vekst og endre den oksidative tilstanden i vevet hos atlantisk laks. Dette vises ved reduksjon av lagrene av antioksidanter og økning i malondialdehyd (MDA) nivåer i fiskens vev. Endringer i aktiviteten til antioksidant enzymer og relaterte genuttrykksprofiler ble observert, med en tydelig oppregulering av gener som er involvert i opprettholdelsen av redoks-homeostase, som peroksiredoksiner i hjernen i april. Når temperaturen varierte parallelt med dag-lengden, førte det også til økt oksidasjon, men redoks-metabolismen var forskjellig fra den i forsøk 2, blant annet med lavere oksidativ aktivitet i vevet i august. Disse forsøkene bekreftet at antioksidantresponser hos atlantisk laks ved eksponering for miljøendringer var vevsspesifikke og avhengige av tid på året. Forsøkene viste også en Nrf2-mediert (nukleær faktor erytroid 2-relatert faktor 2) respons på oksidativt stress, siden Nrf2 og Nrf2-målgener var oppregulert. Videre var uttrykksprofilene til gener som er involvert i vekst- og cellesyklus-regulering korrelert med genuttrykks-profilene for oksidativt stress, noe som indikerer en tett sammenheng mellom oksidativ status og fysiologiske prosesser hos atlantisk laks. Disse funnene understreker betydningen av redoksregulering hos atlantisk laks, samt dens potensielle betydning for andre fysiologiske prosesser i fisken.

Fish are integral to aquatic ecosystems, and their response to environmental change is a major global concern. Farmed Atlantic salmon in sea cages are exposed to various environmental conditions, including changes in day length and temperature, which influence their physiological and behavioral responses, including oxidative status. Increased daylength and temperature in spring stimulate Atlantic salmon growth, accompanied by increased oxidative stress. However, the underlying mechanisms are still unclear. Therefore, understanding how these environmental factors affect the redox status of the fish has substantial implications for optimizing aquaculture conditions and improving fish welfare. The production of free radical species (ROS) is an inevitable part of aerobic life, and ROS maintained at basal levels are essential for the manifestation of various cellular functions. In this thesis, we hypothesize that these environmental factors differentially regulate the redox metabolism of Atlantic salmon during spring and summer and subsequently affect their physiological conditions. This thesis aimed to investigate the effects of various interventions, including the implantation of growth hormone (GH), seasonally varying photoperiod, and a combination of photoperiod and temperature on the redox metabolism and growth performance of Atlantic salmon. Three fish trials were conducted, including the following variables: extra GH, levels of dietary antioxidant vitamins, photoperiod, and the combined effect of photoperiod and temperature. As tissue oxidation increased in Atlantic salmon during the spring and early summer, along with an increase in specific growth rate, an initial study explored the relationship between GH implantation and oxidative stress. In this study, Atlantic salmon were fed low- or high-vitamin diets for 12 weeks. This allowed us to investigate the effects of dietary antioxidant nutrients on the redox status of fish during development. After 6 weeks, half of the fish were implanted with GH, while the other half were sham-implanted, giving a 2 × 2 factorial design. The results showed that GH implantation increased growth rate but also led to increased oxidative stress in Atlantic salmon, as evidenced by decreased vitamin C and E concentrations in the liver and muscle and increased malondialdehyde levels only in the liver. Additionally, GH affected the expression of genes and pathways involved in antioxidant enzyme activities and redox balance. High-dose dietary antioxidants were found to lower oxidative stress by affecting these processes but had no effect on growth rate. These findings suggest an interaction between GH signaling, antioxidant nutrients, and redox regulation in developing Atlantic salmon. When investigating the impact of seasonal change on the antioxidant response, two trials were conducted under variable photoperiod at constant temperature and a combined temperature and photoperiod to simulate spring and summer conditions, respectively. The results demonstrated that change in photoperiod without the concomitant increase in temperature is sufficient to stimulate growth and change the tissue oxidative state in Atlantic salmon during spring and early summer, as evidenced by depletion of intracellular antioxidants and increases in malondialdehyde (MDA) levels. Changes in tissue antioxidant enzyme activities and related gene expression profiles were observed, with a distinct upregulation of genes involved in maintaining redox homeostasis such as peroxiredoxins in the brain in April. When temperature varied in parallel with photoperiod, different profiles of redox metabolism were observed, with lower tissue oxidative activity in August, likely due to the differential regulation of many genes and pathways of antioxidant enzymes and redox balance. These trials confirmed the tissue-specific and temporal antioxidant responses of Atlantic salmon exposed to environmental changes. These trials also revealed a nuclear factor-erythroid 2-related factor 2 (Nrf2)-mediated oxidative stress response, with an upregulation of the oxidative stress response transcription factor, Nrf2, and Nrf2 target genes. Furthermore, the expression profiles of genes involved in growth signaling and cell cycle regulation were correlated to oxidative stress patterns, indicating a close association between oxidative status and physiological processes in Atlantic salmon. These findings highlight the significance of redox regulation in Atlantic salmon from spring and summer and its potential importance in physiological processes.