In Gefangenschaft gezüchteter Lachs epigenetisch anders als seine wilden Verwandten • Aliona Sukhoputova • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Genetik, Evolution, Ichthyologie

Lachslachs ist epigenetisch anders als seine wilden Verwandten.

Abb. 1. In Gefangenschaft gezüchtete Lachse werden durch Abschneiden der Fettflosse (Fettflosse) markiert. Auf der linken Seite – Flecken, das Stadium des Fischlebens, bei dem das Markieren stattfindet; auf der rechten Seite – Adulter Lachs mit und ohne Markierung aus dem Meer. Bilder von captainquinn.com und wdfw.wa.gov

Im 20. Jahrhundert erkannte die Menschheit den Schaden, der den natürlichen Lachspopulationen durch unkontrollierte Fischerei zugefügt wurde. Es gab Programme, um die Anzahl der verschiedenen atlantischen Lachsarten wiederherzustellen: Eier und Bratlinge werden unter besonderen Bedingungen gezüchtet und dann in die Natur entlassen. Trotz der kontinuierlichen Verbesserung der Zuchtprogramme sind in Gefangenschaft gezüchtete Lachse weniger an das Leben im Meer angepasst als wilde. Die neue Studie zeigte, dass einer der Hauptgründe für die verringerte Anpassungsfähigkeit gefangener Lachse epigenetische Veränderungen sind. Künstliche Bedingungen in den frühen Stadien führen zu einer Abnahme der Aktivität von Genen, deren Arbeit für die Anpassung an das Meerwasser, das richtige Funktionieren der Muskeln usw. notwendig ist.

Die Menschheit züchtet seit mehr als hundert Jahren Lachse, und kürzlich machte der Anteil der Fischerei etwa 70% des weltweiten Fangs dieses Fisches aus.Noch vor 40 Jahren wurde auf diese Weise weniger als ein Viertel der Lachse geerntet, obwohl die Gesamtfangmenge in dieser Zeit fast um das Vierfache gestiegen ist (von 750 Tausend Tonnen auf mehr als 3 Millionen Tonnen). In Gefangenschaft gezüchtet, füllen die Fische auch die natürlichen Populationen auf, die im 20. Jahrhundert durch Massenfischerei stark betroffen waren.

Zuvor sah der Lebenszyklus künstlich gezüchteter Lachse so aus. Kaviar und Zuchtbrut wurden aus Flüssen gebracht, in denen natürliche Lachspopulationen spawnen. In der Pflanze wurden die Eier durch Mischen der Geschlechtsprodukte der Weibchen und der Männchen befruchtet. Dann wurden die Eier in Süßwasserinkubatoren gehalten, mit einem konstanten kleinen Fluss. Etwa drei Monate nach der Befruchtung schlüpfen die Jungtiere (freie Embryonen), die sich mehrere Wochen nicht ernähren und kaum schwimmen (Abb. 2). Die meiste Zeit liegen sie am Boden und ernähren sich von den im Dottersack gespeicherten Nährstoffen. Wenn der Eigelbbestand aufgebraucht ist, beginnt die Brut ein aktives Leben, bleibt nahe am Boden und ernährt sich von Plankton. Nachdem sie die Länge von 4-8 cm erreicht haben, bewegen sich die Jungtiere zur verschachtelten Stufe. Bei den Sprenkeln ist die gesprenkelte Farbe charakteristisch, sie ernähren sich aktiv vom Fluss mit Würmern, Mollusken, Insekten und Bodenbewuchs.Nach ein paar Monaten oder sogar einigen Jahren, je nach Art, verschwindet die gestreifte Farbe, die Fische erreichen 10-15 cm und wandern an die Mündung des Flusses. Diese Phase wird Smolt genannt und dauert von einigen Tagen bis zu mehreren Monaten. An der Mündung passt sich der Fisch dem salzigen Meerwasser an, dessen Schwanz und Schuppen zunehmen, die Farbe wird leuchtend silber. Dieser Prozess wird Smoltifikation genannt, nach der der Lachs in die Lauben geht und in das Meerwasser geht. Im Meer verbringen Fische 1-5 Jahre (abhängig von der Art), ernähren sich von anderen Fischen, Krabbenlarven, Mollusken usw. Dann kehren sie zur Mündung ihres ursprünglichen Flusses zurück.

Abb. 2 Der Lebenszyklus von Atlantischem Lachs und Coho in einem Brautkleid. Bilder von boomerangclub.ru und nativfishsociety.org

Alle Lachsfische haben eine erstaunliche Fähigkeit, den Geruch zu nutzen, um genau den Fluss zu finden, an dem sie geschlüpft sind. Lachs, der in einer Fischfarm angebaut wurde, kehrte zum Laichen in diese Anlage zurück, wo er gefangen wurde. In der Natur steigt Lachs gegen die Strömung von der Mündung des Flusses zu den Laichplätzen und demonstriert erstaunliche Geschicklichkeit und Ausdauer. Zu dieser Zeit hören die Fische auf zu fressen, und wenn sie ihr Ziel erreichen, bereiten sie sich auf das Laichen vor: die Männchen bekommen eine helle Paarungsfarbe,und die Weibchen wählen einen Platz für das Nest, graben ein Loch mit abrupten Bewegungen des Schwanzes und legen darin die Eier, die zu diesem Moment gereift sind. Zur gleichen Zeit produziert das Männchen, das das Weibchen bewacht, das das Nest baut, Milch. Das Weibchen kann bis zu drei Nester bilden. Nach dem Laichen bewacht es seine Nester und das Männchen sucht nach anderen Weibchen, die das Nest bauen. Bei den meisten Arten kommt die Fortpflanzung nur einmal im Leben vor: Sowohl Männchen als auch Weibchen sterben innerhalb einer Woche nach dem Laichen.

Allerdings ist der Nährwert von Lachsen nach dem Laichen sehr gering und er sinkt, wenn er sich den Fluss hinauf bewegt. Daher durfte der Lachs in Fischzuchtbetrieben nicht die Geschlechtsreife erreichen und außerdem laichen. Und um die Produktion fortzusetzen, wurden Kaviar und Milt aus den natürlichen Laichgründen von Lachs zurückgebracht. Brütereien, die sich auf natürliche Populationen auswirkten, unterschieden sich daher kaum von der konventionellen Fischerei. Es gibt andere Probleme, die durch künstliche Zucht von Lachs verursacht werden; siehe zum Beispiel, Aquakultur von Lachs kann zum Aussterben der natürlichen Population von rosa Lachs führen, "Elements", 18.12.2007.

Im Laufe der Zeit wurde klar, dass die Fischerei von den Weltmeeren zu groß war und dass die natürlichen Lachspopulationen im Laufe der Jahre immer weniger wurden.Für eine Reihe von Arten und Regionen wurde die Fischerei verboten, aber dies reichte nicht aus, um die natürliche Bevölkerung wiederherzustellen. Daher waren Ende des 20. Jahrhunderts viele Fischzuchtbetriebe teilweise oder vollständig auf Zuchtfische umgestiegen, die nach ihrer Rückkehr laichen durften. Dank der Kontrolle der Überlebensrate der am meisten gefährdeten frühen Entwicklungsstadien von Lachsen leben in solchen Pflanzen weitaus mehr Fische als in natürlichen Bedingungen. Von der Smolifizierung bis zur Rückkehr des Lachses zum Laich gibt es keine zusätzliche Kontrolle und das Überleben der Fische wird durch ihre Anpassungsfähigkeit an das Leben in freier Wildbahn gewährleistet.

Studien zeigen, dass künstlich gezüchtete Lachse im Meer weniger erfolgreich sind als ihre wilden Verwandten: Sie werden schneller müde und entkommen den Räubern schlechter (CM Chittenden et al., 2010). – und wild geborener Coho-Lachs). Die verringerte Fitness von in Gefangenschaft gezüchtetem Fisch ist ein ernstes Problem für die Wiederherstellung natürlicher Lachspopulationen.

Bei Lachsen, die seit Generationen auf Fischfarmen laichen, kann eine Art Selektion stattfinden. Als Nebeneffekt erhöht sich die relative Überlebensrate dieser Jungfische, die besser an die Bedingungen in künstlichen Reservoirs und Inkubatoren angepasst sind.Darüber hinaus beschränkt sich die genetische Vielfalt dieser Fische auf jene Gene, die zur Fischproduktion genutzt wurden, wodurch eine künstliche Population entstanden ist. Daher werden Maßnahmen zum Austausch von Genen zwischen Wildlachsen und in Gefangenschaft gehaltenen Tieren getroffen: Sie züchten Fisch in unmittelbarer Nähe zu natürlichen Laichplätzen, so dass Wildtiere in künstliche Reservoire zurückfallen und in Gefangenschaft gezüchtete Fische in freier Wildbahn hinterlassen können. Es wurde angenommen, dass ein solcher Austausch von Genen die oben beschriebenen Probleme lösen wird. Es zeigte sich jedoch, dass nur eine Generation für signifikante Veränderungen der Genexpression in heimischen Lachsen im Vergleich zu Wild ausreicht (M. R. Christie, 2012. Genetische Anpassung an die Gefangenschaft kann in einer einzigen Generation auftreten). Und das bedeutet, dass in der Gefangenschaft gezüchtete Lachse sich von der gleichzeitigen Wildheit unterscheiden, und in der Genetik kann es nichts geben.

In Kanada wurde eine Studie durchgeführt, in der die Hypothese getestet wurde, dass in Gefangenschaft gezüchteter Lachs sich von Wildtieren unterscheidet, nicht wegen des Unterschieds in der Menge der Gene, sondern aufgrund ihrer unterschiedlichen Regulierung. Tatsache ist, dass Gene selbst nicht bestimmen, was das Tier sein wird. Erstens,Zusätzlich zu den Genen wird die Entwicklung des Organismus ständig von äußeren Bedingungen beeinflusst (zum Verhältnis von Gen-Beiträgen und Umwelt siehe auch. Tendenz zur emotionalen Überernährung oder Unterernährung wird nicht vererbt, Elements, 13. September 2017). Zweitens kann das im Körper vorhandene Gen aus verschiedenen Gründen "angeschaltet" oder "ausgeschaltet" werden. In der Regel sind die Sätze der Arbeitsgene in verschiedenen Entwicklungsstadien, in verschiedenen Organen und sogar in einzelnen Zellen verschieden. Genexpression im Körper ist sehr schwer zu regulieren. Neben einer Vielzahl von Signalstoffen kann die Expression beispielsweise die räumliche Anordnung von DNA beeinflussen (verschiedene Bereiche können unterschiedlich gefaltet sein, was zur Arbeit von Genen in diesen Bereichen beiträgt oder umgekehrt) oder durch Markierung mit Methylgruppen, die durch Bindung an regulatorische Regionen von Genen abgehen Sie sind manchmal vorübergehend und manchmal dauerhaft. Solche Veränderungen treten während des gesamten Lebens auf, sind aber besonders während der Bildung von Gameten und der frühen Entwicklung aktiv (siehe Fisch Danio Rerio erben DNA-Modifikationen von Vater, "Elements", 21.06.2013). Sie verändern zwar die Arbeit von Genen, nicht aber die DNA selbst, daher werden sie im Allgemeinen als epigenetisch bezeichnet, das heißt "über den Genen" (siehe Video).Epigenetische Veränderungen können sowohl unter der Wirkung von Produkten anderer Gene als auch unter der Einwirkung der äußeren Umgebung auftreten.

Die Forscher untersuchten den Methylierungsgrad verschiedener DNA-Stellen in wilden und heimischen Lachsen von zwei Flüssen in British Columbia auf der Smolta-Stufe. An beiden Flüssen, dem Capilano River und dem Queensam River, kommt es zum natürlichen Laichen von Lachs (Oncorhynchus kisutch). Beide Flüsse haben kleine künstliche Äste für die Lachszucht. In beiden Fällen ist die Brüterei so angeordnet und ausgestattet, dass der Fisch, der in der Pflanze laicht, und die Fische, die in der Natur laichen, eine einzige Population bilden. Zunächst haben Wissenschaftler überprüft, ob dies zutrifft. Die Analyse der genetischen Variabilität zeigte, dass Fische, die in Gefangenschaft und unter natürlichen Bedingungen eines Flusses wachsen, Verwandte sind. Und zwischen den Flüssen gibt es bereits einige signifikante genetische Unterschiede.

Der Grad der DNA-Methylierung bei in Gefangenschaft gezüchteten Fischen war signifikant höher als bei wilden. Dies legt nahe, dass viele Gene, die in wilden Smolts arbeiten, nicht in der gleichen Intensität in Haustieren funktionieren.

Unter den Orten mit erhöhter Methylierung gab es viele, die mit der ionischen Homöostase und der Kontrolle des Flüssigkeitsspiegels im Körper in Verbindung standen. Die verringerte Aktivität dieser DNA-Stellen kann die zuvor erwähnten Komplikationen während der Smolifizierung, dh Anpassungen an Meerwasser, bei heimischem Lachs erklären (J. M. Shrimpton et al., 1994).Oncorhynchus Kisutch) vor und nach der Salzwasserexposition).

Eine übermäßige Menge an Methylgruppen wurde auch in den Genen gefunden, die an der Bildung von Kontakten zwischen Nerven und Muskeln beteiligt sind. Dies beeinträchtigt wiederum die Koordination von Muskelbewegungen und kann die Ursache für die oben erwähnte Ermüdung und schlechte Vermeidung von Räubern bei Lachs, der im Vergleich zu Wildlachs gezüchtet wird, sein.

Darüber hinaus erwiesen sich einige Gene, die mit der Immunantwort und dem Ernährungsverhalten in Zusammenhang stehen, sowie Gene, deren Produkte an der Regulation der Expression vieler anderer Genomregionen beteiligt sind, als weitgehend ausgeschaltet.

Eines der interessantesten Ergebnisse dieser Arbeit ist, dass die Veränderungen im Grad der Methylierung in den beiden Fischfabriken, die an der Studie teilnahmen, gleich waren. Überschüssige Methylgruppen in Hausmolchen im Vergleich zu Wilden aus dem gleichen Fluss wurden auf den gleichen DNA-Segmenten beobachtet.Es stellt sich heraus, dass die vom Menschen geschaffenen Bedingungen, und nicht zufällige Unterschiede, zu dem beobachteten negativen Effekt führen: die verringerte Fitness von heimischen Lachsen im Ozean. Nun gilt es, genau zu ermitteln, welche Bedingungen in der Fischzucht geändert werden müssen, um dies zu korrigieren und dadurch die Arbeit von Programmen zur Wiederherstellung von Lachs in der Natur zu verbessern.

Quelle: Jérémy Le Luyer, Martin Laporte, Terry D. Beacham, Karia H. Kaukinen, Ruth E. Mitler, Jong S. Leong, Eric B. Rondeau, Ben F. Koop und Louis Bernatchez. Parallele epigenetische Veränderungen durch Brütereiaufzucht in einem pazifischen Lachs // PNAS. 2017. DOI: 10.1073 / pnas.1711229114.

Alena Suhoputova


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