Мукундх Н. Баласубраманян

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Франция

Стефан Пансерат

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Франция

Матилд Дюпон-Ниве

INRA, UMR1313 GABI Génétique Animale et Biologie Intégrative, 78350 Jouy-en-Josas, Франция

Edwige Quillet

INRA, UMR1313 GABI Génétique Animale et Biologie Intégrative, 78350 Jouy-en-Josas, Франция

Джером Монфор

INRA, UR 1037 Laboratoire de Physiologie et Génomique des Poissons (LPGP), Рен, Франция

Aurelie Le Cam

INRA, UR 1037 Laboratoire de Physiologie et Génomique des Poissons (LPGP), Рен, Франция

Франсоаз Медал

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Франция

Садасивам Й. Каушик

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Франция

Инге Гердън

INRA, UR1067 NUMEA Nutrition, Métabolisme et Aquaculture, Pôle d’Hydrobiologie INRA, 64310 Saint Pée-sur-Nivelle, Франция

Резюме

Заден план

Постигането на устойчиви практики на хранене в аквакултурата чрез намаляване на зависимостта от уловени от дива риби, чрез заместване на фуражи на основата на риба с растителни фуражи, е възпрепятствано от слабата реакция на растеж, наблюдавана при рибите, хранени с високи нива на растителни съставки. Нашата неотдавнашна стратегия за хранително програмиране на дъговата пъстърва чрез ранно краткосрочно излагане на растителна (V) диета спрямо контролна диета на основата на риба (M) на етапа на първото хранене, когато пържените пъстърви започват да консумират екзогенни фуражи, доведе до забележителни подобрения в приема на храна, растежа и използването на фуражите, когато същата риба беше предизвикана с диетата V (V-предизвикателство) на младежкия етап, няколко месеца след първоначалното излагане. Използвахме анализ на експресия на микрочипове на етапите на първо хранене и младежи, за да изведем механизмите, свързани с хранителното програмиране на приемането на растителни фуражи в пъстърва.

Резултати

Проведен е транскриптомен анализ на пъстърва от дъгова пъстърва след 3 седмично излагане или на диета V, или на диета М на първия етап на хранене (3-седмична) и на целия мозък и черен дроб на младата пъстърва след 25-дневно V-предизвикателство, като се използва дъгова пъстърва по поръчка олигонуклеотиден микрочип. Като цяло, 1787 (3-седмична + мозъчна) и 924 (3-седмична + чернодробна) тРНК сонди са били засегнати от експозицията на ранно хранене. Генната онтология и анализът на пътищата на съответните гени разкриха, че хранителното програмиране засяга пътищата на сензорно възприятие, синаптично предаване, когнитивни процеси и невроендокринни пептиди в мозъка; като има предвид, че в черния дроб са засегнати пътищата, медииращи междинния метаболизъм, ксенобиотичния метаболизъм, протеолизата и цитоскелетната регулация на клетъчния цикъл. Тези резултати предполагат, че програмираното с хранителни продукти засилено приемане на растителен фураж в дъговата пъстърва се обуславя от вероятно придобиване на вкус и предпочитания към фуражите и намалена чувствителност към промени в чернодробните метаболитни и стресови пътища.

Заключения

Това проучване очертава молекулярните механизми в мозъка и черния дроб на пъстървата, които съпътстват хранителното програмиране на приемането на растителна диета в пъстърва, засилва представата за етапа на първо хранене при яйцеядните риби като критичен прозорец за хранителното програмиране и осигурява подкрепа за използването тази стратегия за постигане на подобрения в устойчивостта на хранителните практики в аквакултурите.

Електронен допълнителен материал

Онлайн версията на тази статия (doi: 10.1186/s12864-016-2804-1) съдържа допълнителен материал, който е достъпен за оторизирани потребители.

Заден план

Наскоро се опитахме да използваме феномена на хранителното програмиране, за да подобрим приемането на растителна храна в дъговата пъстърва [34]. Две групи пъстърва, плуващи нагоре, преминаващи към екзогенно хранене, са били изложени или на контролна рибна храна и маслена диета (М-диета), или на растителна диета (V-диета) в продължение на три седмици. И двете групи са били на контролна диета М в продължение на 7 месеца. Когато двете групи млада пъстърва бяха предизвикани в продължение на 25 дни с растителна V диета, ние наблюдаваме значително по-висок прием на фураж, темп на растеж и използване на фуражите в V- в сравнение с M-рибите (вж. Фиг. 1 и [ 34]). Тези дългосрочни положителни ефекти, дължащи се на ранното излагане на растителна диета при по-късно приемане на растителна диета, предполагат, че рибите са програмирани хранително [34].

свързани

Резултати и дискусия

Профилиране на изрази

Настоящото проучване има за цел да идентифицира молекулярните механизми, които управляват положителния ефект от предишната експозиция на растителна диета върху приемането (прием на фураж и ефективност на използване) на същата растителна диета, когато се дава 7 месеца по-късно (вж. [34]). Поради това извършихме транскриптомен анализ на плуващи млади, събрани в края на ранно хранене, хранени или с диета М (на основата на риба), или с диета V (на растителна основа), както и на мозъка и черния дроб на младите, взети проби в края на V-предизвикателство, когато и двете групи са получили диета V (M-риба и V-риба). Двупосочният ANOVA, извършен върху диференциално експресирани сонди в цял запържен и юношески мозък, показва, че 1787 са трайно променени (3 седмици + мозък; вж. Допълнителен файл 1 и фиг. 2), докато двупосочната ANOVA на диференциално експресирани сонди в целият черен дроб и младежкият черен дроб показват 924 мРНК сонди, които постоянно се променят чрез експозиция в началото на храненето (3 седмици + черен дроб; вж. Допълнителен файл 1 и фиг. 2). Наблюдаваното клъстериране (както е показано в Допълнителен файл 2) дава визуален преглед на 1112 сонди с регулирана нагоре mRNA и 675 регулирани надолу mRNA сонди в мозъка, както и 573 регулирани нагоре mRNA сонди и 351 регулирани надолу тРНК сонди в черния дроб на базата на хранителна V- срещу М-история.

Диаграма на Вен, показваща диференциално експресирани тРНК сонди чрез анализ на микрочипове. Обобщение на броя на тРНК сонди, които са диференцирано изразени след ранна хранителна експозиция (3-седмична) при плужните плувки и след V-предизвикателство при младата пъстърва (мозък или черен дроб). Всички сонди с тРНК се различават значително в експресията (р [хранителна история] ≤ 0,05 и промяна в гънките ≥ 1,5) както при плуване, така и при млада пъстърва (3 седмици + мозък; 3 седмици + черен дроб). Пълните списъци с мРНК сонди са посочени в Допълнителен файл 1

Анализът на генната онтология, извършен за установяване на биологичното значение на диференциално експресираните мРНК сонди, разкрива, че гените, които реагират на предишното хранене на растенията в мозъка и черния дроб, принадлежат към отделни и взаимосвързани функционални категории (Фигури 3 и 4) . 4). Ние признаваме, че корелацията между експресията на иРНК при запържени пъстърви (3 седмици) и тази в черния дроб или мозъка при младата пъстърва не може да бъде категорична за всички гени, идентифицирани от анализа на микрочиповете. Чрез използване на DAVID за идентифициране на мрежи, в които специфично подмножество на диференциално експресираните гени допринасят за биологичен процес, последвано от прилагане на GeneMania за анализ на пътя [35–37], наблюдавахме конгруентност във връзката на коекспресията и ко- локализация, която съществува между гените (виж фиг. 5 и допълнителни файлове 3 и 4). Това засилва дискусията ни за въздействието на диференциалната експресия на иРНК при първо хранене и по-късно в мозъка или черния дроб на младата пъстърва във връзка с наблюдавания положително програмиран фенотип на V-риба.

Обобщение на функционалните генни онтологични анализи, значително обогатени въз основа на ранната хранителна история в мозъка. Биологичното значение на 1112 регулирани нагоре мРНК сонди и 675 регулирани надолу иРНК сонди в мозъка на пъстърва на базата на хранителна история е установено чрез извършване на анализ на генната онтология (GO), използвайки функционалния клъстер за анотиране и графични инструменти от DAVID (база данни) за анотации, визуализация и интегрирано откриване) биоинформатичен ресурс [137, 138]. Получените данни бяха използвани като вход в приставката DAVID Enrichment Map от лабораторията Bader [139, 140] в инструмента за визуализация на мрежата Cytoscape (версия 2.8.3) [141–143]. Възлите (кръговете) представляват отделни GO термини, а линиите представляват връзката между гените, присвоени на съответните GO термини. Сините и зелените линии представляват съответно регулирани нагоре и надолу регулирани сонди на иРНК в мозъка

Обобщение на функционалните генни онтологични анализи, значително обогатени въз основа на ранната хранителна история в черния дроб. Биологичното значение на 573 регулирани нагоре мРНК сонди и 351 регулирани надолу иРНК сонди в черния дроб на пъстърва на базата на хранителна история е установено чрез извършване на анализ на генната онтология (GO) с помощта на функционалния клъстер за анотиране и диаграми от DAVID (база данни) за анотации, визуализация и интегрирано откриване) биоинформатичен ресурс [137, 138]. Получените данни бяха използвани като вход в приставката DAVID Enrichment Map от лабораторията Bader [139, 140] в инструмента за визуализация на мрежата Cytoscape (версия 2.8.3) [141–143]. Възлите (кръговете) представляват отделни GO термини, а линиите представляват връзката между гените, присвоени на съответните GO термини. Сините и зелените линии представляват съответно регулирани нагоре и надолу регулирани сонди на иРНК в черния дроб

Пътища, значително обогатени въз основа на ранната хранителна история в мозъка: Процес на неврологичната система. а Взаимосвързан клъстер от биологични процеси, назначени чрез GO анализ с използване на DAVID, които включват когнитивни и сензорни пътища, допринасящи за процеса на неврологичната система, бяха идентифицирани и визуализирани, както е описано на фиг. . б МРНК сондите (виж списъка в Допълнителен файл 5), които са назначени да бъдат част от процеса GO процес-неврологична система (представени от възли с черни ивици), са използвани като вход в инструмента за анализ на пътя GeneMania [35–37] за генериране мрежи. Легендата на функциите (възли) представлява подмрежата на мРНК сондите, а легендата на мрежата (линии) представлява връзката между гените (виж Методи)

Гени, реагиращи на хранителна история в мозъка

Мозъкът, който е централен орган, контролиращ сензорните и хомеостатичните процеси, е може би един от най-чувствителните органи при реакция на ранните промени в качеството на наличните фуражи. Доколкото ни е известно, това проучване е първото, което изследва транскриптомни промени в мозъка на пъстърва или други хищни риби в отговор на храненето с растителни съставки. Функционалният анотационен анализ на диференциално експресираните иРНК (фиг. 3) разкрива постоянни ефекти от ранното излагане на растителна диета върху процеси като познание (фиг. 5), сензорна трансдукция (фиг. 5), метаболизъм на метионин (допълнителен файл 3) и върху няколко гена, кодиращи невропептиди и техните рецептори, които регулират централните и периферните реакции на хранене (Допълнителен файл 3).

Сензорно възприятие и трансдукция

Ранните вкусови преживявания са важни двигатели за приемане на вкус през целия живот при бозайниците. Предаването на вкусове, свързани с диетата на майката, чрез амниотична течност към плода или чрез лактация към новороденото потомство може да помогне на потомството при бъдещи диетични избори [30]. В нашето проучване един изтъкнат клъстер от гени, идентифицирани в мозъка на младата пъстърва, които трябва да бъдат засегнати от ранно излагане на диета, е присвоен на взаимосвързаните биологични пътища, засягащи сензорното възприятие, познавателните и неврологичните процеси (фиг. 5 и допълнителен файл 5).

Познание и синаптична пластичност

Метаболизъм на хомоцистеин и метионин

Апетит и хранене

Когато обмислихме да използваме ранно излагане на хранителна програма за приемане на растителна диета при дъгова пъстърва [34], умишлено насочихме към критичния етап на първо хранене, през който зависимостта от ендогенния жълтък като хранителен източник намалява и плуването пържените започват да консумират екзогенни фуражи [114]. Този период на първоначално хранене в развитието на сьомгите е придружен от синхронизирани анатомични, физиологични и поведенчески промени, включително пластичност на обонятелните и вкусови реакции [115, 116]. Настоящият мозъчен транскриптом разкрива много голям брой гени, засегнати от ранното хранене на растенията. Те кодират голямо разнообразие от протеини, които регулират сензорното възприятие, когнитивните процеси, епигенетичните промени и невропептидите, медииращи приема на фураж, които се подравняват контекстно с наблюдавания фенотип на засилено приемане на растителна диета на младежкия етап, приписван на първоначалната експозиция на растителна диета.

Гени, реагиращи на хранителна история в черния дроб

Функционалният анотационен анализ на диференциално експресираните иРНК в черния дроб (фиг. 4) разкрива, че ранното излагане на растителна диета има както краткосрочни, така и дълготрайни ефекти върху междинните метаболитни процеси (Допълнителен файл 4), зимогени, медииращи разграждането на протеина (Допълнителен файл 4), сгъване на протеини и имуномодулираща активност на пептидил-пролил изомеразите (допълнителен файл 4) и върху цитоскелетните протеини, участващи в реакцията на стрес и клетъчния цикъл (допълнителен файл 4).

Предишни проучвания са използвали нутригеномни подходи, за да идентифицират промените в чернодробната функция, дължащи се на хранене на растителни и рибни съставки [5–9]. Всички те сравняват преките ефекти върху диетата при наивни безусловни риби, хранени с различни фуражи за относително дълъг период, макар и никога от етапа на първото хранене нататък. За разлика от това, нашето проучване сравнява промените в молекулярната реакция при първо хранене (краткосрочен ефект на директна диета) с тези, предизвикани от ранното хранене на младежкия етап (индиректен ефект на дългосрочно хранително програмиране) при хранене със същата растителна диета (V-предизвикателство). Независимо от това, няколко от кандидат-гените и функционалните пътища, идентифицирани от предишните нутригеномични проучвания, бяха счетени за подходящи за обсъждане на нашите данни, по-специално по отношение на отговорите на храненето на растенията в безусловната М-риба.

Посреднически метаболизъм

Зимогени

Вътреклетъчно сгъване на протеини

V-рибите имат по-висока чернодробна експресия на няколко пептидил пролил цис-транс изомерази (PPIases), важни за вътреклетъчното сгъване на протеини [126], включително циклофилини (PPIB, PPIG) и FK506 свързващи протеини (FKBP2, FKBP7, FKBP11) (Допълнителни файлове 6 и 4). PPIB, участващ в сгъването на протеини в ендоплазмения ретикулум (ER), играе значителна роля в защитата на клетките от ER стрес [127]. Диференциалната експресия на чернодробна PPIase мРНК, наблюдавана при сьомга при преминаване към растителна диета, може да бъде свързана с наличието на анти-хранителни фактори, увеличаващи активните кислородни видове [8]. По този начин, увеличаването на множествените гени, кодиращи пептидил-пролил цис-транс-изомеразната активност, както се наблюдава при PPIB в черния дроб на хранително програмираната V-риба при повторно предизвикване на растителната диета, може да послужи за противодействие на оксидативния и ER стрес по-добре, отколкото при безусловна М-риба.

Цитоскелет

Потвърждаване на избрани цели от микрочипове, изразени чрез PCR в реално време

PCR анализ в реално време (Допълнителен файл 7) е извършен върху избрани гени, които представляват различните пътища (вж. Допълнителни файлове 1, 5 и 6), обогатени с хранителна история в мозъка или черния дроб, за да се потвърди значимостта на наблюдавания диференциален модел на експресия на иРНК в данните от микрочипа. За всички тествани гени, въпреки някои разлики в скалата на диференциалната експресия, моделът на експресия между данните от микрочипове и данните от PCR в реално време е съвпадащ (Допълнителен файл 7).

Хранително програмиране на приемането на растителна диета при телеости

Заключения