Investigating growth-related life history traits in gilthead seabream (Sparus aurata) and European seabass (Dicentrarchus labrax) using systems biology

Abstract

Fish domestication is a human-driven evolutionary process aimed at improving key production traits, such as growth and reproductive performance. Although relatively recent compared to terrestrial species, it has already resulted in significant genetic and phenotypic changes. Understanding the mechanisms underlying domestication is critical for the sustainable development of aquaculture, yet it remains complex due to the polygenic nature of the associated traits and their interaction with environmental and epigenetic factors. This dissertation focuses on two major Mediterranean aquaculture species, gilthead seabream (Sparus aurata) and European sea bass (Dicentrarchus labrax), using systems biology approaches to study domestication and growth-related traits. Two main research directions were pursued: (a) investigation of the candidate genes vgll3 and six6 at the DNA, RNA, and phenotypic levels in both species, and (b) genome-wide analysis to identify new genes and regulatory regions associated with domestication. At the genetic level, vgll3 and six6 showed differentiation between wild and farmed populations, with SNPs (SNPvgll3 and SNPsix6) potentially involved in domestication, along with neighboring regulatory elements related to key biological functions. At the gene expression level, vgll3 in gilthead seabream exhibited genotype-dependent differences affecting transcriptional pathways linked to muscle development and reproduction, while six6 showed subtler differences. In European sea bass, SNPsix6 influenced gene expression mainly in heterozygous larvae without causing extensive changes in the overall transcriptome, whereas morphometric analysis revealed genotype-dependent phenotypic differences, particularly in larval stages, affecting body length, trunk, fins, and head dimensions. These differences decreased in later developmental stage, suggesting a role for six6 in early development. The second approach, based on the analysis of many SNPs (593,479 in sea bass and 5,282,885 in seabream) from Pool-Seq data of farmed and wild Mediterranean populations, identified regions of high genetic divergence associated with domestication. In sea bass, chromatin remodeling and epigenetic regulation were highlighted as important for adaptation to farming environments, while in seabream, CpG islands and regions associated with growth and metabolism emphasized the role of DNA methylation in domestication. Overall, this dissertation demonstrates that fish domestication is a complex, species-specific process shaped by the interplay of genetic, epigenetic, and environmental factors. The study emphasizes the pivotal role of specific genes, such as vgll3 and six6, in early development, muscle physiology, and morphological traits, while also highlighting the importance of polygenic and epigenetic mechanisms, including DNA methylation and chromatin remodeling, in phenotypic adaptation. These findings confirm that understanding these mechanisms can guide the development of practical, sustainable genetic improvement strategies for Mediterranean aquaculture.

Η εξημέρωση στα ψάρια είναι μια καθοδηγούμενη από τον άνθρωπο εξελικτική διαδικασία που στοχεύει στη βελτίωση σημαντικών παραγωγικών χαρακτηριστικών, όπως τα χαρακτηριστικά αύξησης και η αναπαραγωγική απόδοση. Παρόλο που είναι μια σχετικά πρόσφατη διαδικασία σε σύγκριση με χερσαία είδη, έχει ήδη επιφέρει σημαντικές γενετικές και φαινοτυπικές αλλαγές. Η κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν την εξημέρωση είναι κρίσιμη για τη βιώσιμη ανάπτυξη της ιχθυοκαλλιέργειας, ωστόσο παραμένει πολύπλοκη λόγω της πολυγονιδιακής φύσης των σχετιζόμενων χαρακτηριστικών και της αλληλεπίδρασής τους με περιβαλλοντικούς και επιγενετικούς παράγοντες. Η παρούσα διατριβή εστιάζει σε δύο βασικά μεσογειακά είδη ιχθυοκαλλιέργειας, την τσιπούρα (Sparus aurata) και το Ευρωπαϊκό λαβράκι (Dicentrarchus labrax), χρησιμοποιώντας τη βιολογία συστημάτων για τη μελέτη της εξημέρωσης και των χαρακτηριστικών αύξησης. Δύο ερευνητικές κατευθύνσεις ακολουθήθηκαν: (α) μελέτη των υποψήφιων γονιδίων vgll3 και six6 σε επίπεδο DNA, RNA και φαινοτύπου και στα δύο είδη, και (β) ανάλυση σε επίπεδο γονιδιώματος για τον εντοπισμό νέων γονιδίων και ρυθμιστικών περιοχών. Σε γενετικό επίπεδο, τα vgll3 και six6 εμφάνισαν διαφοροποίηση μεταξύ φυσικών και εκτρεφόμενων πληθυσμών, με SNPs (SNPvgll3 και SNPsix6) πιθανώς εμπλεκόμενα στην εξημέρωση και γειτονικά ρυθμιστικά στοιχεία που σχετίζονται με βασικές βιολογικές λειτουργίες. Σε επίπεδο γονιδιακής έκφρασης, το vgll3 στην τσιπούρα εμφάνισε διαφορές εξαρτώμενες από τους γονοτύπους SNPvgll3, επηρεάζοντας μεταγραφικές οδούς συνδεδεμένες με τη μυϊκή ανάπτυξη και την αναπαραγωγική διαδικασία, ενώ η έκφραση six6 παρουσίασε πιο ήπιες διαφοροποιήσεις. Στο Ευρωπαϊκό λαβράκι, το SNPsix6 επηρέασε την έκφραση του γονιδίου, κυρίως στις ετερόζυγες προνύμφες, χωρίς όμως να προκαλέσει εκτεταμένες αλλαγές στο ολικό μεταγράφωμα, ενώ η μορφομετρική ανάλυση στο λαβράκι ανέδειξε φαινοτυπικές διαφοροποιήσεις ανάλογα με τον γονότυπο SNPsix6, ιδιαίτερα στο στάδιο των προνυμφών, με διαφοροποιήσεις στο μήκος σώματος, κορμού, πτερυγίων και κεφαλής. Οι διαφορές αυτές μειώθηκαν σε μεταγενέστερο στάδιο, υποδηλώνοντας το ρόλο του γονιδίου six6 στα πρώιμα αναπτυξιακά στάδια. Η δεύτερη προσέγγιση, μέσω ανάλυσης μεγάλου αριθμού SNPs (593.479 στο Ευρωπαϊκό λαβράκι και 5.282.885 στην τσιπούρα) από Pool-Seq δεδομένα μεταξύ εκτρεφόμενων και φυσικών πληθυσμών από τη Μεσόγειο, αποκάλυψε περιοχές υψηλής γενετικής απόκλισης που σχετίζονται με την εξημέρωση. Στο λαβράκι αναδείχθηκε η σημασία της αναδιαμόρφωσης της χρωματίνης και της επιγενετικής ρύθμισης για την προσαρμογή στο περιβάλλον εκτροφής, ενώ στην τσιπούρα εντοπίστηκαν CpG νησίδες και περιοχές συνδεδεμένες με χαρακτηριστικά όπως η αύξηση και ο μεταβολισμός, υπογραμμίζοντας τον ρόλο της μεθυλίωσης του DNA στην εξημέρωση. Συνολικά, η παρούσα διατριβή δείχνει ότι η εξημέρωση των ψαριών αποτελεί μια πολύπλοκη, ειδοειδική διαδικασία που διαμορφώνεται από τη συνεργασία γενετικών, επιγενετικών και περιβαλλοντικών παραγόντων. Η μελέτη υπογραμμίζει τον καθοριστικό ρόλο συγκεκριμένων γονιδίων, όπως τα vgll3 και six6, στην πρώιμη ανάπτυξη, τη μυϊκή φυσιολογία και τη μορφολογική διαμόρφωση, ενώ παράλληλα αναδεικνύει τη σημασία πολυγονιδιακών και επιγενετικών μηχανισμών, όπως η μεθυλίωση του DNA και η αναδιαμόρφωση της χρωματίνης, στη φαινοτυπική προσαρμογή. Τα ευρήματα επιβεβαιώνουν ότι η κατανόηση αυτών των μηχανισμών μπορεί να καθοδηγήσει την ανάπτυξη πρακτικών, βιώσιμων στρατηγικών γενετικής βελτίωσης για τη μεσογειακή ιχθυοκαλλιέργεια.