Interaction between dietary lipids and zinc in Atlantic salmon (Salmo salar)

Abstract

Sink (Zn) er et av de viktige sporstoffene for fisk. Imidlertid har den raske utviklingen av oppdrettsnæringen for atlantisk laks ført til en stor erstatning av marine ingredienser med plantebaserte ingredienser, noe som har resultert i redusert innhold og tilgjengelighet av Zn i fôret. Derfor må ekstra Zn tilføres i plantebasert fôr. På grunn av miljøhensyn har EU imidlertid begrenset maksimal Zn-tilskudd i fôr til laksefisk til 180 mg kg-1, og EFSA har foreslått å redusere det ytterligere til 150 mg Zn kg-1. Derfor er det viktig å utvide kunnskapen om hvordan øke tilgjengeligheten eller utnyttelsen av Zn. I tillegg til Zn har også andre komponenter blitt betydelig endret i laksefôr, som reduksjoner i n-3 langkjedede flerumettede fettsyrer (n-3 LC-PUFA), mettede fettsyrer (SFA), kolesterol (CHO), og økning i fettinnholdet. Kunnskapen om hvordan Zn-tilgjengeligheten eller utnyttelsen påvirkes av disse diettkomponentene hos fisk er imidlertid fortsatt begrenset. I tillegg kan tarmens fetttransport, en viktig fysiologisk prosess for å regulere tarmfett, bli påvirket av Zn og SFA i dietten. Kunnskap på dette området hos atlantisk laks er fortsatt begrenset. Videre kan postprandiale plasma mineral-/lipidprofiler reflektere interaksjonen mellom dietter og mineral-/lipidabsorpsjon. Imidlertid er postprandiale plasmadynamikk for Zn og lipider som påvirkes av diettkomponenter, begrenset undersøkt hos atlantisk laks. Derfor har denne doktorgradsavhandlingen som mål å undersøke hele kroppens og vevenes Zn status, tarmens Zn- og fettopptak og transport, kombinert med postprandiale plasma Zn og lipidprofiler som påvirkes av diettkomponenter, inkludert fettinnhold, Zn, n-3 LC-PUFA, SFA og CHO. Fire fôringsforsøk i denne avhandlingen er oppsummert, inkludert to kortsiktige fôringsforsøk (Papir I), et langsiktig fôringsforsøk (Papir II), og et middels langt fôringsforsøk (Papir III). Spesifikt, i Papir I, ble to en-måneds fôringsforsøk gjennomført, med interaksjonen mellom Zn og fettinnhold i forsøket 1, og med interaksjonen mellom Zn og n-3 LC-PUFA i forsøket 2. I Papir II ble atlantisk laks (fisk som vokste fra 1,6 kg til 4,5 kg, åtte måneders fôringsforsøk) fôret med en av fem eksperimentelle dietter, inkludert fire dietter med høyt/lavt nivå av Zn/fett, og en femte diett som inneholder et høyere nivå av n-3 LC-PUFA enn alle andre dietter (med høyt Zn og høyt fettinnhold). I Papir III ble atlantisk laks fôret med en av fire eksperimentelle dietter som inneholder høye/lave nivåer av SFA/CHO i tre måneder. I Papir I og Papir III ble prøver samlet på forskjellige postprandiale tidspunkter, fra 0 t–36/38t. I Papir II ble prøver samlet på midten (fiskens vekt ~2,5 kg) og ved avslutningen av fôringsforsøket. Resultatene viste at redusert Zn-nivå i dietten betydelig reduserte Zn-nivåene i hele kroppen og i forskjellige vev (plasma, lever, ryggvirvler, muskler og hud) (Papir II), oppregulerte tarmens mRNA-ekspresjon relatert til Zn-influx (Papir II), og reduserte postprandialt Zn-nivå i plasma (8°C-9°C) (Papir I, forsøk 1) hos atlantisk laks. Derimot ble ikke postprandialt Zn-nivå i plasma påvirket av Zn i dietten under høyere temperaturforhold (Papir I, forsøk 2, 10°C-12°C). I tillegg økte redusert fettinnhold i fôret betydelig Zn-nivåene i plasma, lever og hud, og hadde en tendens til å øke Zn-konsentrasjonen i hele kroppen og retensjonen av Zn i dietten (Papir II). Videre hadde økt nivå av n-3 LC-PUFA i fôret en tendens til å øke retensjonen av Zn i dietten og Zn-konsentrasjonen i hele kroppen (Papir II). Imidlertid påvirket verken SFA eller CHO i dietten Zn-status i hele kroppen (Papir III). Videre økte redusert fettinnhold i fôret betydelig selen (Se)-statusen i muskler og hud (Papir II). Økt SFA i fôret økte betydelig Se- og jern (Fe)-statusen i hele kroppen (Papir III). Når det gjelder plasma lipidparametere, hadde økt CHO i fôret en tendens til å øke postprandialt nivå av astaxantin i plasma (Papir III). Samlet viser resultatene i denne avhandlingen at redusert fettinnhold i dietten økte Zn- og Se-status hos atlantisk laks. I tillegg kan reduksjon av fettinnhold i dietten og økning av n-3 LC-PUFA i dietten være to mulige strategier for å redusere Zn-nivået til mindre enn 180 mg kg-1 i plantebasert fôr under sjøvannsfase. Videre ble utvalgte markører relatert til tarmens Zn-opptak og transport ikke påvirket av fettinnhold og n-3 LC-PUFA i dietten. I tillegg ble Zn-innholdet i hele kroppen ikke påvirket av verken CHO eller SFA i dietten. I tillegg ble utvalgte markører relatert til tarmens triacylglyseroltransport ikke påvirket av verken SFA (10%-24% av totalt fett) eller Zn (120-200 mg Zn kg-1 og 100-180 mg Zn kg-1) i dietten.

Zinc (Zn) is one of the important trace elements for fish. However, the rapid development of the Atlantic salmon farming industry has forced the huge substitution of plant-based ingredients for marine-based ingredients, resulting in reductions of Zn content and availability in feed. Therefore, additional Zn must be provided in plant-based feed. However, due to environmental considerations, the EU restricted the maximal Zn supplementation in salmonids feed to 180 mg kg -1, and the EFSA suggested further reducing it to 150 mg Zn kg -1. Therefore, it is important to expand the knowledge on increasing Zn availability or utilization. Except for Zn, other components are also hugely changed in salmon feed correspondingly, such as reductions in n-3 long-chain polyunsaturated fatty acids (n-3 LC-PUFA), saturated fatty acids (SFA), cholesterol (CHO), and increase in the fat level. However, knowledge on the Zn availability or utilization as affected by the above dietary components in fish is still limited. In addition, intestinal fat transport, an important physiological process to regulate intestinal fat, might be affected by dietary Zn and SFA. Knowledge on this area in Atlantic salmon is still limited. Furthermore, postprandial plasma mineral/lipid profiles can reflect the interaction between diets and mineral/lipid absorption. However, postprandial plasma kinetics of Zn and lipids as affected by dietary components are limitedly investigated in Atlantic salmon. Therefore, this PhD thesis aims to investigate whole-body and tissues Zn status, intestinal Zn and fat uptake and transport, combined with postprandial plasma Zn and lipids profiles as affected by dietary components, including fat level, Zn, n-3 LC-PUFA, SFA and CHO. Four feeding trials in the present thesis are summarized, including two short-term feeding trials (Paper I), a long-term feeding trial (Paper II), and a medium-term feeding trial (Paper III). Specifically, in Paper I, two one-month feeding trials were conducted, with the interaction between dietary Zn and fat level in trial 1, and with the interaction between dietary Zn and n-3 LC-PUFA in trial 2. In Paper II, Atlantic salmon (fish growth from 1.6 kg to 4.5 kg, eight-months feeding trial) were fed one of five experimental diets, including four diets containing high/low levels of Zn/fat, and a fifth diet containing a higher level of n-3 LC-PUFA than all other diets (with high Zn and high fat level). In Paper III, Atlantic salmon were fed one of four experimental diets containing high/low levels of SFA/CHO for three months. In Paper I and Paper III, samples were collected at different postprandial time points, ranging from 0 h–36/38h. In Paper II, samples were collected at the middle (fish weight ~2.5 kg) and the termination of the feeding trial. Results showed that reduced dietary Zn level significantly reduced whole-body and different tissues (plasma, liver, vertebra, muscle and skin) Zn levels (Paper II), upregulated intestinal mRNA expression related to Zn influx (Paper II), and reduced postprandial plasma Zn level (8°C-9°C) (Paper I, trial 1) in Atlantic salmon. On the contrary, the postprandial plasma Zn level was not affected by the dietary Zn under higher temperature conditions (Paper I, trial 2, 10°C-12°C). In addition, reduced fat level in feed significantly increased plasma, liver and skin Zn levels, and tended to increase the whole-body Zn concentration and dietary Zn retention (Paper II). Furthermore, increased n-3 LC-PUFA level in feed tended to increase dietary Zn retention and whole-body Zn concentration (Paper II). However, dietary SFA and CHO did not impact whole-body Zn status (Paper III). Further, reduced fat level in feed significantly increased muscle and skin selenium (Se) status (Paper II). Increased SFA in feed significantly increased whole-body Se and iron (Fe) status (Paper III). In the case of plasma lipid parameters, increased CHO in feed tended to increase the postprandial plasma astaxanthin level (Paper III). Overall, the results presented in this thesis show that reduced dietary fat level increased Zn and Se status in Atlantic salmon. In addition, reducing dietary fat level and increasing dietary n-3 LC-PUFA could be two feasible strategies to reduce Zn level to less than 180 mg kg-1 in plant-based feed during seawater phase. Furthermore, selected markers related to intestinal Zn uptake and transport were not affected by dietary fat level and n-3 LC-PUFA. Additionally, whole-body Zn content was not affected by either dietary CHO or SFA. In addition, selected markers related to intestinal triacylglycerol transport were not affected by either dietary SFA (10%-24% of total fatty acid) or Zn (120-200 mg Zn kg -1 and 100-180 mg Zn kg -1).