Effect of peptide diets on fish skeletal development

Abstract

Towards a future with increasing food demands, a growing supplier industry as aquaculture faces the daily challenge of high quality and welfare standards of the products. A hindrance to this continuous loop of quality is the development of skeletal deformities. Their presence is frequently accompanied by increased mortality, reduced growth, or unmarketability of the final product. Given the direct correlation between appropriate larval nutrition and normal fish skeletal development, three experimental diets with partial peptide incorporation (0% - C, 6% - P6 and 12% - P12) were tested in the present thesis based on the beneficial correlation between dietary peptide incorporation and harmonious larval skeletal development. The experimental design aimed to examine the effect of small dietary peptide incorporation not only on larval skeletal quality, but also on the integrity of a normal post-larval vertebral column. For this purpose, a swimming challenge test was applied for the controlled induction of haemal lordosis. Before the evaluation of the diets, a preliminary experiment on the recovery potential of haemal lordosis in zebrafish allowed the identification of biological processes and associated gene targets regulating the musculoskeletal changes under an exercise-induced deformity in the model species. This enabled the following evaluation of the experimental diets for the same species. Results highlighted a beneficial effect of the P12 diet on total zebrafish performance (growth, survival, skeletal development) under the condition of early provision. A similar result was obtained from the application of the feeding regimes on seabass, where we also observed that a 12% substitution with peptides was able to enhance the total seabass larval development in terms of their digestive function and ossification process. This is the first comparative study between a freshwater and marine species suggesting a nutritional control of harmonious larval and post-larval skeletal development. Zebrafish is proposed as an efficient tool for future nutrient evaluations before their application on aquaculture species. The potential commercial utilization of small peptides is underlined, on the condition of clarification of feeding duration necessities and stage-specific dietary requirements.

Οδεύοντας προς ένα μέλλον με αυξημένες διατροφικές ανάγκες, μια αναπτυσσόμενη βιομηχανία όπως η υδατοκαλλιέργεια αντιμετωπίζει καθημερινά τις προκλήσειςτης υψηλής ποιότητας αλλά και της καλής διαβίωσης των ιχθύων. Εμπόδιο στην εκπλήρωση των προκλήσεων αυτών είναι η ανάπτυξη των σκελετικών παραμορφώσεων. Η παρουσία τους συχνά συνοδεύεται από αυξημένη θνησιμότητα, μειωμένη ανάπτυξη καθώς και μη εμπορευσιμότητα των ιχθύων. Στηριζόμενοι στην άμεση επίδραση της διατροφής κατά τα πρώιμα οντογενετικά στάδια στη σκελετική ανάπτυξη των ιχθύων, δοκιμάστηκαν τρεις πειραματικές δίαιτες με μερική ενσωμάτωση ολιγοπεπτιδίων (0% - C, 6% - P6 και 12% - P12), ως απόρροια της προϋπάρχουσας γνώσης περί ευεργετικής επίδρασης των διατροφικών υδρολυμένων πρωτεϊνών στα νυμφικά στάδια των ιχθύων. Στοχεύθηκε η επίδραση των ολιγοπεπτιδίων όχι μόνο στην ποιότητα του σκελετού των νυμφών, αλλά και στην ακεραιότητα της σπονδυλικής στήλης στο στάδιο του ιχθυδίου. Για το σκοπό αυτό, εφαρμόστηκε μια δοκιμασία κολυμβητικής άσκησης για την ελεγχόμενη πρόκληση αιματικής λόρδωσης. Πριν από την αξιολόγηση των πειραματικών διαιτών, ερευνήθηκε η δυνατότητα αποκατάστασης της αιματικής λόρδωσης στο zebrafish. Αυτό επέτρεψε τον προσδιορισμό των βιολογικών διεργασιών και γονιδίων-στόχων σχετιζόμενων με μυοσκελετικές αλλαγές σαν απόρροια της άσκησης στο στάδιο του ιχθυδίου. Τα αποτελέσματα αυτά διευκόλυναν την ακόλουθη αξιολόγηση των πειραματικών διαιτών στο ίδιο είδος. Συγκεκριμένα αναδείχθηκε η ευεργετική επίδραση της δίαιτας P12 στην ανάπτυξη του zebrafish (αύξηση, επιβίωση, σκελετική ανάπτυξη) όταν αυτή χορηγείται αποκλειστικά κατά την εκτροφή. Η ίδια πειραματική δίαιτα αναδείχθηκε και από τα πειράματα στο λαβράκι, όπου ήταν ικανή να ενισχύσει τη λειτουργία της πέψης και τη διαδικασία οστεοποίησης των νυμφών. Πρόκειται για την πρώτη συγκριτική μελέτη των σκελετικών αποκρίσεων ενός είδους του γλυκού νερού και ενός θαλάσσιου είδους έναντι ενός διατροφικού παράγοντα. Το zebrafish προτείνεται ως ένα αποτελεσματικό και γρήγορο εργαλείο για μελλοντικές αξιολογήσεις θρεπτικών συστατικών πριν από την εφαρμογή τους σε είδη υδατοκαλλιέργειας. Υπογραμμίζεται η δυνατότητα εμπορικής αξιοποίησης των ολιγοπεπτιδίων, υπό την προϋπόθεση της αποσαφήνισης του βέλτιστου οντογενετικού σταδίου για την χορήγηση τους.

Dans un avenir où la demande alimentaire ne cesse de croître, un secteur en pleine expansion comme l'aquaculture est confronté au défi quotidien de garantir des normes élevées de qualité et de bien-être animal. Un obstacle à cette boucle continue de qualité est le développement de déformations squelettiques qui engendrent une mortalité, une croissance réduite et une noncommercialisation du produit final. Compte tenu de la corrélation directe entre une nutrition larvaire appropriée et le développement squelettique normal des poissons, la présente thèse vise à optimiser la qualité du squelette des poissons par une approche nutritionnelle. En se basant sur de précédentes études qui mettent en évidence une corrélation bénéfique entre l'incorporation de peptides alimentaires et le développement squelettique harmonieux des larves, trois régimes alimentaires expérimentaux avec une incorporation partielle de peptides (0 % - C, 6 % - P6 et 12 % - P12) ont été testés dans la présente thèse. La conception expérimentale a permis d’examiner l'effet de l'incorporation de petits peptides alimentaires non seulement sur la qualité squelettique des larves, mais aussi sur l'intégrité de la colonne vertébrale post-larvaire. Dans ce but, un test de défi de nage a été appliqué pour induire de manière contrôlée une lordose hémalienne en réponse à un courant de nage accru. Avant l'évaluation des régimes alimentaires, une expérience préliminaire sur le potentiel de récupération de la lordose hémalienne chez le poisson zèbre a permis d'identifier les processus biologiques et les gènes associés régulant les changements musculosquelettiques en réponse à une déformation induite par l'exercice chez l'espèce modèle. L’évaluation des régimes alimentaires expérimentaux a ensuite été réalisée chez cette même espèce. Les résultats ont mis en évidence un effet bénéfique du régime P12 sur les performances globales des poissons zèbres (croissance, survie, développement squelettique) sous réserve d'une mise à disposition précoce de ce régime. Un résultat similaire a été obtenu sur le bar européen, où nous avons également observé qu'une substitution de 12 % avec des peptides pouvait améliorer le développement larvaire total du bar en termes de fonction digestive et de processus d'ossification. Ce projet constitue également la première étude comparative entre une espèce d'eau douce et une espèce marine suggérant un contrôle nutritionnel du développement squelettique harmonieux des larves et des post-larves. Le poisson zèbre est proposé comme un outil efficace et rapide pour l'évaluation future des nutriments avant leur application aux espèces en aquaculture. Le potentiel d'utilisation commerciale de petits peptides est souligné, à condition de clarifier les besoins en durée d'alimentation et les exigences spécifiques à chaque stade de développement.