New challenges in genetic selection to improve the competitiveness of the aquaculture sector

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. El sector de la acuicultura es un sector relativamente reciente que ha superado en producción a la pesca extractiva. Como consecuencia de la creciente demanda de alimentos para la población mundial, la producción de pescado ha tenido que evolucionar rápidamente y aumentar sus producciones mediante la acuicultura. Por parte de la investigación y de la empresa se han realizado progresos en el ámbito de la reproducción, de la alimentación, del manejo de los lotes, de la prevención de enfermedades y de las instalaciones. Sin embargo, han sido muy escasas las estrategias dirigidas a la mejora genética de las especies acuícolas. Dentro de los programas de mejora genética, el primer criterio de selección se ha centrado en los caracteres de crecimiento. En la actualidad, están empezando a considerarse otros caracteres como la calidad del pescado íntegro y de la carne, y está adquiriendo mayor relevancia la resistencia a enfermedades debido a las grandes pérdidas económicas que ocasiona. En este sentido, la presente tesis doctoral se centra en la propuesta de programas de mejora genética en dorada (Sparus aurata) y corvina (Argyrosomus regius) que mejoren la competitividad del sector. Por un lado, en el caso de la dorada, que es una especie en la que se ha avanzado más en el estudio de la componente genética para los caracteres de crecimiento, la tesis se centra en la propuesta de selección para caracteres más innovadores como es la resistencia a enfermedades y el perfil de ácidos grasos del filete. Por otro lado, en la corvina se ha comenzado con el estudio de parámetros genéticos para caracteres productivos como el crecimiento o composición del filete ya que al ser una especie emergente se carece de esta información. El estudio de resistencia a enfermedades en dorada se realizó mediante un reto a juveniles de dorada que fueron inoculados mediante una inyección intraperitoneal con el patógeno Photobacterium damselae subsp. Piscicida. Previa a la inoculación se realizó una extracción de sangre en la que se determinaron marcadores inmunológicos innatos (nivel de peroxidasa y actividad bactericida) y adquiridos (inmunoglobulinas M). El objetivo del estudio fue determinar si estos marcadores inmunológicos en condiciones nativas podían ser considerados como criterio de selección. Los resultados nos mostraron una correlación genética positiva y alta del peso corporal de los peces frente a la resistencia al patógeno y los días a la muerte, por lo que los peces de mayor peso ofrecían mayor resistencia al patógeno y tardaban más tiempo en morir. Por otro lado, marcadores inmunes como la actividad peroxidasa mostraron heredabilidades medias y una tendencia a una correlación genética positiva con el peso corporal de los peces. Por lo que la actividad peroxidasa se podría incluir en un programa de mejora genética junto con el peso del pez dando lugar a lo que se ha llamado un pez “coping style”, más resistentes no solo a enfermedades sino también a condiciones ambientales, y con mejores caracteres de crecimiento. El estudio de parámetros genéticos para el perfil de ácidos grasos en el filete de dorada se realizó en una población que fue criada hasta peso comercial en una jaula en el mar Mediterráneo. Dichos individuos fueron muestreados al inicio y al final del engorde para peso corporal y longitud total. Tras el sacrificio de los peces se analizaron diferentes variables de calidad de la carne (proteína, colágeno, grasa y humedad) y el perfil de ácidos grasos del filete. El filete de dorada mostró un elevado porcentaje de ácidos grasos monoinsaturados (MUFA, 44,4%), destacando el 18:1n9c (33,6%), seguido por el porcentaje de ácidos grasos polinsaturados (PUFA, 29,8%), destaca el 22:6n3 (6,8%) y finalmente el porcentaje de ácidos grasos saturados fue 28,3%, siendo el mayoritario el 16:0. Se observó una heredabilidad media para los caracteres de crecimiento y las variables de calidad de la carne, excepto para el colágeno que mostró una heredabilidad baja. Respecto al perfil de ácidos, se observó una heredabilidad media para el ácido graso 18:1n9c, para MUFA y para el ratio n3/n6; y baja para el 22:6n3. Además, se observó una correlación fenotípica negativa entre el contenido en grasa del filete y el porcentaje de PUFA. Por tanto, una selección para incrementar el peso de la dorada acompañada de un incremento del contenido de grasa del filete puede conducir a una disminución del porcentaje de PUFA. El poder incluir el perfil de ácidos grasos del filete como criterio de selección puede ser interesante desde el punto de vista del consumidor por el papel de estos en las enfermedades cardiovasculares y desde el punto de vista del animal por su relación con su sistema inmune. Para poder llevar a cabo el estudio de parámetros genéticos en la corvina (Argyrosomus regius), fue previamente necesario el desarrollo de un test de parentesco mediante un panel de marcadores moleculares microsatélites, ya que no se contaba con él como sucedía en el caso de la dorada. Los paneles de microsatélites son una herramienta robusta y muy eficaz en la realización del pedigrí. El estudio se llevó a cabo con una población de reproductores de corvina y sus descendientes, procedente del grupo Avramar S.L. Inicialmente se probaron 21 marcadores microsatélites, pero tras su ensayo por mala calidad de amplificación, ser poco polimórficos, patrón de bandas poco claro y alelos intermedios nos quedamos con un panel con 8 marcadores microsatélites específicos e interespecíficos de corvina, el cual se denominó Super Multiplex Argyrosomus regius (SMAr). Con este panel se mostraron unos resultados de asignación del 95% a una única pareja posible de progenitores. Finalmente, el estudio en corvina se centró en analizar caracteres de interés comercial, como variables de crecimiento (peso y longitud), caracteres morfológicos (longitud estándar y altura en el punto medio y en el pedúnculo de la aleta caudal) obtenidos mediante análisis de imágenes y calidad de la carne (contenido de grasa, proteína, humedad y colágeno). Se realizó en la población de corvina procedente de un lote de reproductores de la empresa Alevines del Sureste, del grupo Avramar S.L., que fueron criadas en dos ambientes diferentes (jaula y tanque). Los resultados mostraron que los peces criados en la jaula presentaban mayores valores de caracteres de crecimiento, morfológicos y un mayor porcentaje de grasa, en cuanto al porcentaje de proteína este fue menor que en los peces procedentes del tanque. Además, se obtuvieron heredabilidades medias para caracteres de crecimiento, caracteres morfológicos y porcentaje de grasa, lo que nos indican que son criterios que se pueden incluir en un programa de mejora genética, para obtener individuos mejorados para dichas variables. El análisis de imágenes se mostró de gran utilidad para evaluar variables de crecimiento y morfológicas, nos aporta gran cantidad de información y valores más objetivos, ya que evitamos los errores de las mediciones manuales. Por los resultados expuestos, podemos concluir que la selección para resistencia a enfermedades va a ser uno de los objetivos de mayor interés en la dorada en concreto, y en las especies acuícolas en general. En otros caracteres de calidad, como el contenido en grasa y su perfil de ácidos grasos, hay que seguir investigando para ver cómo pueden ser implementados en los esquemas de selección. Finalmente, el desarrollo de nuevas especies y tecnologías es otro de los objetivos en acuicultura y sobre ellas se debe comenzar a estudiar en programas de mejora genética. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. The aquaculture sector is a relatively recent sector and which has overtaken extractive fishing in terms of production. As a consequence of the growing demand for food for the world’s population, fish production has had to evolve rapidly and increase its production through aquaculture. Research and companies have advanced in the areas of breeding, feeding, herd management, disease prevention, and facilities. However, there have been very few strategies aimed at genetic improvement of aquaculture species. Within genetic improvement programs, the first selection criterion has focused on growth traits. Nowadays, other traits are starting to be considered, such as whole fish and meat quality, and disease resistance is becoming more relevant since it can cause major economic losses. In this sense, this doctoral thesis focuses on the proposal of possible genetic improvement programs in gilthead sea bream (Sparus aurata) and meagre (Argyrosomus regius) to improve the competitiveness of the sector. On the one hand, in the case of sea bream, a species in which more progress has been made in the study of the genetic component for growth traits, the thesis focuses on the proposal of selecting for more innovative traits such as disease resistance and the fatty acid profile of the fillet. On the other hand, the study of genetic parameters for productive traits such as growth or fillet composition has been initiated in meagre, as it is an emerging species and such information is lacking. The study of disease resistance in gilthead sea bream was conducted by challenging juvenile gilthead sea bream that were inoculated by intraperitoneal injection with the pathogen Photobacterium damselae subsp. piscicida. Before inoculation, blood was drawn and innate (peroxidase level and bactericidal activity) and acquired (immunoglobulin M) immune markers were determined. The aim of the study was to determine whether these immunological markers under native conditions could be considered selection criteria. The results showed a positive and high genetic correlation of fish body weight with pathogen resistance and days to death, whereby heavier fish offered greater resistance to the pathogen and took longer to die. On the other hand, immune markers, such as peroxidase activity, showed a medium heritability and a tendency for positive genetic correlation with fish body weight. Therefore, peroxidase activity could be included in a genetic improvement program along with fish weight, resulting in what has been termed a “coping style” fish, more resistant not only to disease but also to environmental conditions, and with better growth traits. The study of the genetic parameters of the fatty acid profile in sea bream fillet was carried out in a population that was reared to commercial weight in a cage in the Mediterranean Sea. Samples were taken from those individuals at the beginning and at the end of fattening to determine body weight and total length. After the fish had been slaughtered, different meat quality variables (protein, collagen, fat, and moisture) and the fatty acid profile of the fillet were analyzed. Gilthead sea bream fillet showed a high percentage of monounsaturated fatty acids (MUFA, 44.4%), with 18:1n9c (33.6%) standing out, followed by the percentage of polyunsaturated fatty acids (PUFA, 29.8%), with 22:6n3 (6.8%) standing out, and finally the percentage of saturated fatty acids was 28.3%, with 16:0 being the majority. Medium heritability was observed for growth traits and meat quality variables, except for collagen, which showed low heritability. Regarding the acid profile, medium heritability was observed for 18:1 fatty acid, for MUFA and for ration3/n6; and low for 22:6n3. In addition, a negative phenotypic correlation was observed between fillet content and percentage of PUFA. Therefore, a selection for increased gilthead sea bream weight accompanied by an increase in fillet fat content may lead to a decrease in PUFA. From the consumer’s point of view, it may be interesting to include the fatty acids profile of the fillet as a selection criterion because of their role in cardiovascular diseases and from the animal’s point of view because of their relationship with its immune system. To carry out the study of genetic parameters in meagre (Argyrosomus regius), it was necessary to previously develop a parentage test using a microsatellite molecular marker panel, since none was available unlike in gilthead sea bream. Microsatellite panels are a robust and very effective tool for parentage testing. The study was conducted with a population of meagre broodstock and their offspring from the Avramar S.L. group. Initially, 21 microsatellite markers were tested, but after testing them for poor amplification quality, low polymorphism, unclear banding pattern and intermediate alleles, we were left with a panel with eight meagre-specific and interspecific microsatellite markers, which was named Super Multiplex Argyrosomus regius (SMAr). The results of the 95% assignment to a single pair of possible parents, using the exclusion method implemented in Vitassing software (v.8_2.1), are shown. Finally, the study in meagre focused on the analysis of characteristics of commercial interest, such as growth variables (weight and length), morphological characteristics (standard length and height at the midpoint and peduncle of the caudal fin) obtained by image analysis, and meat quality (fat, protein, moisture, and collagen content). The study was carried out on a population of 616 meagre from a batch of broodstock from the company Alevines del Sureste, belonging to the Avramar S.L. group, which were reared in two different environments (cage and tank). The results showed that the fish reared in the cage presented higher values of growth and morphological characteristics and a higher percentage of fat, while the percentage of protein was lower than in the fish in the tank. In addition, mean heritabilities were obtained for growth characteristics, morphological characteristics and fat percentage, indicating that these are criteria that can be included in a genetic improvement program to obtain improved individuals for these variables. Image analysis proved very useful for evaluating growth and morphological variables, providing us with a large amount of information and more objective values, since this avoided possible errors in the case of manual measurements. From the results presented, we can conclude that selection for disease resistance will be one of the most interesting targets in gilthead sea bream in particular, and in aquaculture species in general. In other quality traits, such as fat content and fatty acid profile, further research is needed to see how these can be implemented in selection schemes. Finally, the development of new species and technologies is another objective in aquaculture that should be studied in breeding programs.European Maritime and Fisheries Fund (EMFF) through the PROGENSA III project (Mejora de la Competitividad del Sector de la Dorada a Través de la Selección Genética, JACUMAR program), These studies were also funded by Fondo Europeo Marítimo y de Pesca (FEMP) code PR.FEM.PPA201700.14. Fundación Séneca through the GENECOR project (Desarrollo de un programa piloto de Mejora Genética en corvina (Argyrosomus regius), 21002/PI/18), I was founded by a pre-doctoral research fellow 20716/FPI/18. Fundación Séneca. Cofinanciado por grupo Avramar, Alevines del Sureste S.L. Región de Murcia (Spain)”.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos: Paper 1.-: Antonio Vallecillos, Elena Chaves-Pozo, Marta Arizcun, Rubén Pérez, Juan M. Afonso, Concepción Berbel, Jaume Pérez-Sánchez, Emilio María-Dolores y Eva Armero, 2021. Genetic Parameters for Photobacterium damselae subsp. piscicida Resistance, Immunological Markers and Body Weight in Gilthead Seabream (Sparus aurata). Aquaculture 543, 736892. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2021.736892 Paper 2.-: Antonio Vallecillos, María Marín, Martina Bortoletti, Javier López, Juan M. Afonso, Guillermo Ramis, Marta Arizcun, Emilio María-Dolores y Eva Armero, 2021. Genetic Analysis of the Fatty Acid Profile in Gilthead Seabream (Sparus aurata). Animals 11, 2889. https://doi.org/10.3390/ani11102889 Paper 3.-: Antonio Vallecillos, Emilio María-Dolores, Javier Villa, Francisco Rueda, José Carrillo, Guillermo Ramis, Mohamed Soula, Juan M. Afonso y Eva Armero, 2022. Development of the first microsatellite multiplex PCR panel for meagre (Argyrosomus regius), a commercial aquaculture species. Fishes-17201632022, Cuartil Q2. (ISSN 2410-3888). Paper 4.-: Antonio Vallecillos, Emilio María-Dolores, Javier Villa, Francisco Miguel Rueda, José Carrillo, Guillermo Ramis, Mohamed Soula, Juan Manuel Afonso y Eva Armero, 2021. Phenotypic and Genetic Components for Growth, Morphology and Flesh-Quality Traits of Meagre (Argyrosomus regius) Reared in Tank and Sea Cage. Animals 11, 3285. https://doi.org/10.3390/ani11113285Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Técnicas Avanzadas en Investigación y Desarrollo Agrario y Alimentario (TAIDA