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Publication
Microbiome and transcriptome ontogeny with a focus on the fish immune system: insights into developmental biology and host-bacteria interactions
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Aquaculture hatcheries face persistent challenges concerning poor larvae quality and high mortality rates. The early developmental stages and the transition from larvae to juveniles are critical periods characterized by heightened vulnerability to environmental stressors. Researchers have turned to next-generation sequencing techniques, which have provided invaluable insights into organism biology and symbiotic bacteria. In the present research, RNA-seq and 16S rRNA gene sequencing have been employed to illuminate the microbiome and transcriptome during fish early development, focusing on two commercially farmed species, gilthead sea bream, and European sea bass. This investigation further delves into the host's vital biological responses to pathogens, such as the complement system, using a comprehensive phylogenetic analysis, and reveals that species-specific gene duplication and functional diversity of complement C3 may enhance the capacity of fish to activate complement through direct interaction of C3 isoforms with pathogenic agents. Designing bacterial genus-specific primers and complementary techniques like quantitative PCR enables targeted tracking of the colonization of larvae by abundant bacteria during their ontogeny. The analyses of the microbiome and transcriptome revealed dynamic profiles of bacteria and host gene expression during larval development, underscoring their potential interaction and stage-specific adaptability to rearing practices. This uncovers new management opportunities as manipulating microbiome profiles may be a potentially effective method to modulate larvae quality during the hatchery phase. Comparing larvae from different sites, stages, and species identified the different changes in the core gene expression or microbiome profiles during metamorphosis at the hatchery phase. This investigation also hints at the intriguing interaction between the microbiota and specific pathways, such as muscle development, immune response, and energy homeostasis. The study demonstrates how rearing water, live feed, season, and age are coupled with host selection of beneficial bacteria and are the main drivers of the microbiome in fish larvae. This comprehensive investigation contributes new knowledge to improve management strategies and fish health in the hatchery phase. The importance of this research extends beyond aquaculture, as transcriptome and microbiome changes associated with age provide crucial insights into the basic biology of the host and the changing holobiont throughout development.
Os incubatórios de aquicultura enfrentam desafios persistentes relativos à má qualidade das larvas e às altas taxas de mortalidade. Os estágios iniciais de desenvolvimento e a transição de larvas para juvenis são períodos críticos caracterizados por maior vulnerabilidade a estressores ambientais. Os pesquisadores recorreram a técnicas de sequenciamento de última geração, que forneceram informações valiosas sobre a biologia dos organismos e das bactérias simbióticas. Na presente pesquisa, o sequenciamento do gene RNA-seq e 16S rRNA foi empregado para iluminar o microbioma e o transcriptoma durante o desenvolvimento inicial dos peixes, com foco em duas espécies cultivadas comercialmente, a dourada e o robalo europeu. A análise transcriptômica comparou estágios larvais críticos durante a metamorfose usando dourada e larvas de linguado senegalês coletadas de vários incubatórios comerciais, principalmente nos estágios de flexão e metamorfose média. O agrupamento dos perfis de expressão gênica obtidos foi determinado pela idade e peso em uma análise de PCA das 25 bibliotecas de dourada. Genes diferencialmente expressos foram identificados comparando larvas em diferentes estágios/grupos de desenvolvimento, onde a comparação I (flexão vs. metamorfose média) identificou 2.243 e a comparação II (metamorfose precoce vs. metamorfose média) resultou em 2.299 transcritos expressos diferencialmente. Este estudo investiga ainda mais as respostas biológicas vitais do hospedeiro a patógenos, como o sistema complemento, usando uma análise filogenética abrangente, e revela que a duplicação genética específica da espécie e a diversidade funcional do complemento C3 podem aumentar a capacidade dos peixes de ativar o complemento através interação direta de isoformas C3 com agentes patogênicos. A dourada (Sparus aurata) teve nove transcritos do gene c3 altamente expressos no fígado, embora, como relatado em outros peixes, também ocorra expressão extra-hepática. O sequenciamento do gene do RNA ribossômico 16S foi usado para traçar o perfil das comunidades bacterianas dos ovos e da água dos reprodutores de três incubatórios comerciais. As proteobactérias foram os filos mais comuns e dominantes nas amostras (49,7% em média). Vibrio sp. foi o gênero mais representado (7,1%), seguido por Glaciecola (4,8%), Pseudoalteromonas (4,4%) e Colwellia (4,2%), em ovos e água nos locais. Os desinfetantes à base de iodo usados rotineiramente reduziram ligeiramente a carga bacteriana dos ovos, mas não alteraram significativamente a sua composição. O projeto de primers específicos do gênero bacteriano e técnicas complementares como PCR quantitativa permite o rastreamento direcionado da colonização de larvas por bactérias abundantes durante sua ontogenia. Iniciadores eficientes específicos de gênero foram projetados para onze gêneros bacterianos, incluindo Alkalimarinus, Colwellia, Enterovibrio Marinomonas, Massilia, Oleispira, Phaeobacter, Photobacterium, Polaribacter, Pseudomonas e Psychrobium. Os microbiomas da água, da alimentação viva e das larvas de peixes diferiam, mas partilhavam as mesmas bactérias centrais, que incluíam Vibrio e Pseudoalteromonas. A criação de água e alimentos vivos teve uma contribuição diferente para a microbiota larval: a transferência de Vibrio foi mais provável com Artemia e rotíferos do que com algas e água. A estação (janeiro e maio) teve um efeito menor na composição microbiana nos incubatórios. Larvas mais jovens (até 23 dias pós-eclosão, dph) e mais velhas (42-77 dph) tinham diferentes comunidades microbianas, e a carga bacteriana aumentou com a idade. A seleção da microbiota do hospedeiro foi evidente no início da alimentação em comparação com o meio da metamorfose, e as larvas iniciais foram colonizadas por algumas bactérias, e. Bifidobacterium, Lactobacillus, Bacteroides e Blautia, que podem ser benéficos para o desenvolvimento. A análise funcional previu interações significativas entre o hospedeiro e a microbiota durante o desenvolvimento larval ligadas ao crescimento e resistência das bactérias ao hospedeiro ou à resposta a mudanças na fisiologia e morfologia do hospedeiro nos estágios intermediários da metamorfose (larvas mais velhas). As análises do microbioma e do transcriptoma revelaram perfis dinâmicos de bactérias e expressão gênica do hospedeiro durante o desenvolvimento larval, ressaltando sua interação potencial e adaptabilidade específica do estágio às práticas de criação. Isto revela novas oportunidades de gestão, uma vez que a manipulação de perfis de microbioma pode ser um método potencialmente eficaz para modular a qualidade das larvas durante a fase de incubação. A comparação de larvas de diferentes locais, estágios e espécies identificou as diferentes mudanças na expressão genética central ou nos perfis do microbioma durante a metamorfose na fase de incubação. Esta investigação também sugere a intrigante interação entre a microbiota e vias específicas, como o desenvolvimento muscular, a resposta imune e a homeostase energética. O estudo demonstra como a água de criação, a alimentação viva, a estação e a idade estão associadas à seleção do hospedeiro de bactérias benéficas e são os principais impulsionadores do microbioma nas larvas de peixes. Esta investigação abrangente contribui com novos conhecimentos para melhorar as estratégias de manejo e a saúde dos peixes na fase de incubação. A importância desta pesquisa vai além da aquicultura, uma vez que as alterações no transcriptoma e no microbioma associadas à idade fornecem informações cruciais sobre a biologia básica do hospedeiro e a mudança do holobiont ao longo do desenvolvimento.
Os incubatórios de aquicultura enfrentam desafios persistentes relativos à má qualidade das larvas e às altas taxas de mortalidade. Os estágios iniciais de desenvolvimento e a transição de larvas para juvenis são períodos críticos caracterizados por maior vulnerabilidade a estressores ambientais. Os pesquisadores recorreram a técnicas de sequenciamento de última geração, que forneceram informações valiosas sobre a biologia dos organismos e das bactérias simbióticas. Na presente pesquisa, o sequenciamento do gene RNA-seq e 16S rRNA foi empregado para iluminar o microbioma e o transcriptoma durante o desenvolvimento inicial dos peixes, com foco em duas espécies cultivadas comercialmente, a dourada e o robalo europeu. A análise transcriptômica comparou estágios larvais críticos durante a metamorfose usando dourada e larvas de linguado senegalês coletadas de vários incubatórios comerciais, principalmente nos estágios de flexão e metamorfose média. O agrupamento dos perfis de expressão gênica obtidos foi determinado pela idade e peso em uma análise de PCA das 25 bibliotecas de dourada. Genes diferencialmente expressos foram identificados comparando larvas em diferentes estágios/grupos de desenvolvimento, onde a comparação I (flexão vs. metamorfose média) identificou 2.243 e a comparação II (metamorfose precoce vs. metamorfose média) resultou em 2.299 transcritos expressos diferencialmente. Este estudo investiga ainda mais as respostas biológicas vitais do hospedeiro a patógenos, como o sistema complemento, usando uma análise filogenética abrangente, e revela que a duplicação genética específica da espécie e a diversidade funcional do complemento C3 podem aumentar a capacidade dos peixes de ativar o complemento através interação direta de isoformas C3 com agentes patogênicos. A dourada (Sparus aurata) teve nove transcritos do gene c3 altamente expressos no fígado, embora, como relatado em outros peixes, também ocorra expressão extra-hepática. O sequenciamento do gene do RNA ribossômico 16S foi usado para traçar o perfil das comunidades bacterianas dos ovos e da água dos reprodutores de três incubatórios comerciais. As proteobactérias foram os filos mais comuns e dominantes nas amostras (49,7% em média). Vibrio sp. foi o gênero mais representado (7,1%), seguido por Glaciecola (4,8%), Pseudoalteromonas (4,4%) e Colwellia (4,2%), em ovos e água nos locais. Os desinfetantes à base de iodo usados rotineiramente reduziram ligeiramente a carga bacteriana dos ovos, mas não alteraram significativamente a sua composição. O projeto de primers específicos do gênero bacteriano e técnicas complementares como PCR quantitativa permite o rastreamento direcionado da colonização de larvas por bactérias abundantes durante sua ontogenia. Iniciadores eficientes específicos de gênero foram projetados para onze gêneros bacterianos, incluindo Alkalimarinus, Colwellia, Enterovibrio Marinomonas, Massilia, Oleispira, Phaeobacter, Photobacterium, Polaribacter, Pseudomonas e Psychrobium. Os microbiomas da água, da alimentação viva e das larvas de peixes diferiam, mas partilhavam as mesmas bactérias centrais, que incluíam Vibrio e Pseudoalteromonas. A criação de água e alimentos vivos teve uma contribuição diferente para a microbiota larval: a transferência de Vibrio foi mais provável com Artemia e rotíferos do que com algas e água. A estação (janeiro e maio) teve um efeito menor na composição microbiana nos incubatórios. Larvas mais jovens (até 23 dias pós-eclosão, dph) e mais velhas (42-77 dph) tinham diferentes comunidades microbianas, e a carga bacteriana aumentou com a idade. A seleção da microbiota do hospedeiro foi evidente no início da alimentação em comparação com o meio da metamorfose, e as larvas iniciais foram colonizadas por algumas bactérias, e. Bifidobacterium, Lactobacillus, Bacteroides e Blautia, que podem ser benéficos para o desenvolvimento. A análise funcional previu interações significativas entre o hospedeiro e a microbiota durante o desenvolvimento larval ligadas ao crescimento e resistência das bactérias ao hospedeiro ou à resposta a mudanças na fisiologia e morfologia do hospedeiro nos estágios intermediários da metamorfose (larvas mais velhas). As análises do microbioma e do transcriptoma revelaram perfis dinâmicos de bactérias e expressão gênica do hospedeiro durante o desenvolvimento larval, ressaltando sua interação potencial e adaptabilidade específica do estágio às práticas de criação. Isto revela novas oportunidades de gestão, uma vez que a manipulação de perfis de microbioma pode ser um método potencialmente eficaz para modular a qualidade das larvas durante a fase de incubação. A comparação de larvas de diferentes locais, estágios e espécies identificou as diferentes mudanças na expressão genética central ou nos perfis do microbioma durante a metamorfose na fase de incubação. Esta investigação também sugere a intrigante interação entre a microbiota e vias específicas, como o desenvolvimento muscular, a resposta imune e a homeostase energética. O estudo demonstra como a água de criação, a alimentação viva, a estação e a idade estão associadas à seleção do hospedeiro de bactérias benéficas e são os principais impulsionadores do microbioma nas larvas de peixes. Esta investigação abrangente contribui com novos conhecimentos para melhorar as estratégias de manejo e a saúde dos peixes na fase de incubação. A importância desta pesquisa vai além da aquicultura, uma vez que as alterações no transcriptoma e no microbioma associadas à idade fornecem informações cruciais sobre a biologia básica do hospedeiro e a mudança do holobiont ao longo do desenvolvimento.
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Keywords
Desenvolvimento Holobiont Microbioma Patógenos Sistema imunológico Transcriptoma