Health of farmed fish: its relation to fish welfare and its utility as welfare indicator

This brief review focuses on health and biological function as cornerstones of fish welfare. From the function-based point of view, good welfare is reflected in the ability of the animal to cope with infectious and non-infectious stressors, thereby maintaining homeostasis and good health, whereas stressful husbandry conditions and protracted suffering will lead to the loss of the coping ability and, thus, to impaired health. In the first part of the review, the physiological processes through which stressful husbandry conditions modulate health of farmed fish are examined. If fish are subjected to unfavourable husbandry conditions, the resulting disruption of internal homeostasis necessitates energy-demanding physiological adjustments (allostasis/acclimation). The ensuing energy drain leads to trade-offs with other energy-demanding processes such as the functioning of the primary epithelial barriers (gut, skin, gills) and the immune system. Understanding of the relation between husbandry conditions, allostatic responses and fish health provides the basis for the second theme developed in this review, the potential use of biological function and health parameters as operational welfare indicators (OWIs). Advantages of function- and health-related parameters are that they are relatively straightforward to recognize and to measure and are routinely monitored in most aquaculture units, thereby providing feasible tools to assess fish welfare under practical farming conditions. As the efforts to improve fish welfare and environmental sustainability lead to increasingly diverse solutions, in particular integrated production, it is imperative that we have objective OWIs to compare with other production forms, such as high-density aquaculture. However, to receive the necessary acceptance for legislation, more robust scientific backing of the health- and function-related OWIs is urgently neede

Physiological and proteomic responses to single and repeated hypoxia in juvenile Eurasian perch under domestication - clues to physiological acclimatation and humoral immune modulations.

peer reviewe

Fish domestication in aquaculture: modulations of stress physiology and immune system in a percid fish, the Eurasian perch (Perca fluviatilis L.).

In cultured fish, stress is regarded as an important cause of impaired health, and particularly resistance to infectious disease, since it can directly or indirectly affect the immune system. Methods to reduce stress responses associated with such immunosuppressive effects are thus actively searched out. It is assumed that domestication may be associated with a reduction in stress responsiveness because stress-resistant animals may be positively selected along captive rearing as a result of an improved fitness. Fish domestication is very recent and the adaptive potential to farming conditions may still be high for numerous species including Eurasian perch for which adaptability to captivity conditions is not yet clarified. The general objective of the present thesis was thus to evaluate the physiological and immune responses of Eurasian perch juveniles to some potentially stressful husbandry conditions and to examine whether these responses can be modulated along domestication. In this respect, we exposed Eurasian perch juveniles from distinct generational levels (F1 vs F4/F5) to chronic confinement, single or repeated hypoxia, and repeated water emersion. We measured usual stress indicators and several immune parameters. Proteomic analyses were also performed to resolve serum proteins. Finally, fish were genetically characterized using a microsatellite approach. Our results showed that Eurasian perch was affected by chronic confinement and environmental hypoxia. Under chronic confinement, only F1 juveniles displayed an increased sensitivity of the HPI axis (higher serum cortisol rise) to an acute handling stressor and a cellular stress response (higher HSP70 level in hepatocytes) in comparison to the respective control groups. Proteomic analyses further evidenced down-regulation of some immune serum proteins in F1 individuals while up-regulation was observed only in the F4 fish. During hypoxia, both generations displayed serum and hematological readjustments (spleen contraction leading to increased red blood cell count, hyperglycemia, up-regulation of C3 components). Under repeated exposure to this stressor, the results suggested the development of acclimation mechanisms (lower hyperglycemia, increased serum transferrin abundance) but also immune depression (lower lysozyme activity and abundance of C3 components). These responses appeared to be similar in both generations. Therefore, chronic confinement and repeated hypoxia negatively affected some immune parameters and domestication reduced the stress responsiveness of fish confronted to chronic confinement but not to hypoxia, probably owing to the different capacity of these stressors to severely affect internal homeostasis. Repeated water emersion did not result in an important chronic stress response since only alpha-2-macroglobulins (a2Ms) abundance was up-regulated in the serum of stressed fish. With the exception of the acute cortisol response (20 min post stressor) observed following netting and anesthesia, we did not detect any cortisol increase throughout the experimental periods when fish were confronted to chronic confinement, single or repeated hypoxia or repeated water emersion. This result suggested that cortisol is not an ideal stress indicator in perch because its increase might be absent or short-lasting under the tested conditions. Using cortisol, it might be difficult to detect such stressing situations since appropriate sampling events should be performed in a relatively short-time window. Domestication was also accompanied by complex changes in the abundance of some immune and acute phase protein isoforms/fragments (i.e. C3 complement components, Wap65, LAAO, fibrinogen, transferrin, Ig heavy and light chains and a2Ms). At present, it is not possible to conclude on the overall disease resistance of domesticated fish since we mainly investigated immune changes in serum and since bacterial challenges were not conducted in optimal conditions. More information should also be obtained on the differentially expressed protein isoforms and fragments as they can greatly differ in their activities. Finally, we observed that the fish from higher domestication level (F4, F5) were globally able to develop similar physiological and immune responses to stressors than the F1 generation despite a low genetic diversity. Actually, the microsatellite analysis highlighted a reduced allelic number, heterozygosity and higher genetic homogeneity along generations. Inbreeding was however not detected (low occurrence of linkage disequilibrium and negative Fis values). Taken together, these results confirm that inbreeding depression did not occur and suggest that loss of genetic diversity at neutral loci and possibly at coding regions may, to some extent, not be considered deleterious under stable and nearly optimal farming conditions. Further investigations such as QTL or associated genetic marker studies would be needed to further improve our knowledge on the connection between the observed phenotypic and genotypic data. All in all, it can be hypothesized that a reduction in stress sensitivity may be part of domestication, depending on the stressor characteristics, and that this change is rather independent of the genetic diversity in farmed stocks.Chez les poissons d’élevage, le stress est une cause importante d’altération de la santé, en particulier de la résistance aux maladies infectieuses, car il peut affecter directement ou indirectement le système immunitaire. Dès lors, des méthodes visant à réduire les réponses au stress liées à de tels effets immunosuppresseurs sont activement recherchées. Dans ce contexte, la domestication pourrait être associée à une réduction de la sensibilité au stress, les animaux résistants étant positivement sélectionnés au cours de l’élevage en raison de leur meilleure forme physique. Chez le poisson, la domestication est très récente et le potential d’adaptation aux conditions d’élevage reste très élevé pour de nombreuses espèces dont la Perche commune. Chez cette dernière, l’adaptatiblité aux conditions de vie captive n’est actuellement pas encore clarifiée. L’objectif général de cette thèse était d’évaluer les réponses physiologiques et immunitaires des juvéniles de la Perche commune exposés à des conditions d’élevage potentiellement stressantes et d’examiner si ces réponses pouvaient être modulées au cours de la domestication. Pour ce faire, nous avons exposé des juveniles de Perche commune appartenant à des niveaux générationnels distincts (F1 vs F4/F5) à du confinement chronique, à un stress d’hypoxie unique ou répété, et à un stress d’exondation répétée. Nous avons mesuré des marqueurs de stress classiques et divers paramètres immunitaires. Des analyses protéomiques ont également été menées pour étudier les variations d’abondance des protéines sériques. Finalement, les poissons ont été caractérisés génétiquement à l’aide une approche microsatellite. Nos résultats montrent que la Perche commune peut être affectée par le confinement chronique et par le stress d’hypoxie. Lors du confinement chronique, les juvéniles F1 ont montré une sensibilité accrue au niveau de l’axe HPI (élévation plus importante du cortisol dans le serum) après un stress aigu de capture et d’anesthésie et une réponse de stress cellulaire (abondance plus élevée d’HSP70 au niveau du foie) en comparaison avec leurs groupes contrôles respectifs. L’analyse protéomique a également mis en évidence une plus faible abundance de plusieures protéines immunitaires dans le sérum chez les individus F1 alors que, chez les poissons F4, ces protéines immunitaires étaient uniquement sur-exprimées. Durant l’hypoxie, les deux générations ont présenté des réajustements sériques et hématologiques (contraction de la rate menant à une augmentation du nombre de globules rouges, hyperglycémie, abundance plus élevée de composants C3). Lors d’une exposition répétée à ce stresseur, les résultats suggèrent le développement de mécanismes d’acclimatation (hyperglycémie moins élevée, abundance plus élevée de transferrine dans le serum) mais aussi une depression immunitaire (activité lysozyme et abundance de composants C3 plus faibles). Ces réponses étaient similaires pour chacune des générations. Ainsi, le confinement chronique et l’hypoxie répétée ont affecté négativement certains paramètres immunitaires. De plus, la domestication a été accompagnée d’une réduction de la sensibilité au stress chez les poissons confrontés au confinement chronique mais pas à l’hypoxie, ceci étant probablement en rapport avec la capacité de ces stresseurs à affecter plus ou moins sévèrement l’homéostasie du poisson. Le stress d’exondation répétée n’a pas induit d’ importante réponse chronique au stress étant donné que seule l’abondance des alpha-2-macroglobulines (a2Ms) était augmentée dans le serum des individus stressés. A l’exception de l’élévation rapide (endéans 20 minutes) du cortisol à la suite du stress de capture et d’anesthésie, nous n’avons pas détecté d’augmentation de la cortisolémie dans les différentes experimentations soit lorsque les poissons étaient confrontés au stress de confinement chronique, d’hypoxie unique ou répétée et d’exondation répétée. Ce résultat suggère que le cortisol n’est pas un indicateur de stress idéal chez la Perche parce que son augmentation semble absente ou de courte durée dans les conditions testées. Par la mesure de l’élévation du cortisol (si elle existe), il pourrait dond être difficile de détecter de telles situations stressantes puisque tout échantillonnage devrait être effectué dans un laps de temps relativement court après le stress. La domestication était aussi accompagnée de changements complexes de l’abondance de diverses protéines immunitaires et de phase aigue (composants C3, Wap65, LAAO, fibrinogène, transferrine, chaines lourdes et légères d’Ig et a2Ms). Actuellement, il n’est pas possible de déterminer la résistance globale aux maladies des poissons domestiqués car nous avons essentiellement étudié les modulations immunitaires au niveau du sérum et parce que les infections bactériennes expérimentales n’ont pu être menées dans des conditions optimales. Il est aussi nécessaire d’obtenir de plus amples informations sur les isoformes et/ou fragments de ces protéines différentiellement exprimées car elles peuvent fortement différer en terme d’activité. Finalement, nous avons observé que les poissons appartenant à un niveau de domestication plus élevé (F4, F5) étaient globalement capables de déveloper des réponses physiologiques et immunitaires aux stresseurs similaires à celles de la génération F1 malgré une plus faible diversité génétique. En effet, l’analyse microsatellite a démontré une réduction du nombre d’allèles, de l’hétérozygotie et une plus grande homogénéité génétique au cours des générations. Nous n’avons cependant pas mis en évidence un quelconque niveau de consanguinité (faible niveau de déséquilibre de liaison et valeurs de Fis négatives). Dans l’ensemble, les résultats confirment l’absence de dépression de consanguinité et suggèrent que la perte de diversité génétique aux loci neutres voire peut-être dans les régions codantes pourrait ne pas s’avérer dommageable dans des conditions d’élevage constantes et pratiquement optimales. D’autres analyses telles que les QTL ou les études de marqueurs génétiques associés sont maintenant nécéssaires pour améliorer nos connaissances de la relation entre les données phénotypiques et génotypiques. En conclusion, la domestication peut s’accompagner d’une réduction de la sensibilité au stress, en fonction des caractéristiques de ce dernier, et que ce changement peut se reveler, dans une certainte mesure, relativement indépendent de la diversité génétique de la population d’élevage.(DOCSC03) -- FUNDP, 201

Corticosteroids and the stress response in percid fish

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