Interactive effects of dietary and environmental challenges on digestive function and intestinal homeostasis in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)

Abstract

Aquaculture is challenged by various dietary and environmental factors. A widely debated and studied dietary challenge is the inclusion of plant ingredients containing anti-nutritional factors (ANFs) in salmonids diet. ANFs may adversely affect growth, nutrient utilisation and health of the fish. In addition, aquaculture production is challenged by changes in the environment. Environmental changes can alter several water quality parameters which may directly or indirectly affect the health and performance of the fish. Both dietary and environmental factors interact with gastrointestinal (GI) mucosa and may be harmful to the mucosal barrier. Individually, these challenges may not be a problem, but taken together, problems may start to occur. The complex environment in the GI tract (GIT) consisting of microorganisms, nutrients, anti-nutrients and toxins, makes this organ of the fish vulnerable to diseases. However, the mucosa has developed a barrier function which prevents the penetration of microorganisms and unwanted substances through the lumen. The function of the mucosal barrier is regulated in a way that it will not disturb the absorption of nutrients, water and electrolytes. This function has a crucial role in maintaining gut homeostasis. Challenge to the mucosal barrier, beyond its tolerance, adversely affects the function and integrity of this first line of defence. This in turn results in disturbance of gut homeostasis. The digestive function of the GIT is also sensitive to changes in diet and environment. As absorption is one of the key roles of the GI mucosa, this parameter has been studied under different conditions. Disturbance of the gut homeostasis and mucosal barrier impairment may adversely affect digestive function of the GIT. Different species of fish may respond to the challenges differently. Thus, it is important to gain more knowledge on mucosal barrier function and sensitivity in different fishes. Further, it is important to understand how the interaction of dietary and environmental challenges may affect the fish GI mucosal barrier integrity and homeostasis. It is noteworthy to investigate whether digestive function of the GIT is altered in relation to impairment of mucosal barrier function and intestinal homeostasis. To expand our knowledge on the mucosal barrier function, an in vivo experiment was performed with rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) fed diets based on fish meal (FM) or increasing levels of soybean meal (SBM) as a dietary challenge to induce soybean mealinduced enteritis (SBMIE). Mucosal barrier function was evaluated in relation to SBMIE by applying the most commonly used in vivo markers in human and mammals: plasma D-lactate, orally administered sugars (sucralose, lactulose and l-rhamnose), and PCR-based detection of bacterial translocation. Orally administered sugar molecules were added to the feed 3 days before sampling. Feeding SBM at 37.5% inclusion level resulted in SBMIE in the distal intestine (DI). Plasma D-lactate level increased linearly with increasing level of SBM inclusion in the diet without increased D-lactate concentration in intestinal content. PCRbased bacterial detection revealed that the risk of bacterial translocation was increased in fish with SBMIE. Neither plasma endotoxin nor sucralose: l-rhamnose (S:R) ratio differed significantly between fish with and without SBMIE. Plasma lactulose: l-rhamnose ratio (L:R) was increased in fish with SBMIE. The plasma level of sugar markers, however, showed large variation among individuals. These results suggest that plasma D-lactate and bacterial translocation were suitable in vivo markers to study intestinal barrier function in salmonids.

Akvakulturindustrien står ovenfor mange utfordringer, inkludert tilgang på nok bærekraftige fôrråvarer av høy kvalitet og endringer i klimaet. En stor andel av dagens laksefôr består av planteingredienser som inneholder ulike antinæringsstoffer (ANFs). ANFs kan påvirke vekst, fôrutnyttelse og helsen hos fisk. I tillegg er akvakulturproduksjonen utfordret av stadige endringer i miljøet, som kan endre viktige vannkvalitetsparametere som direkte eller indirekte kan påvirke helsen og ytelsen til fisken. Både fôret og miljømessige faktorer kan påvirke tarmens slimlag og skade tarmbarrieren. Alene trenger ikke disse utfordringene være et problem, men med flere faktorer sammen, kan problemer oppstå. Det komplekse miljøet i mage-tarmkanalen (GIT) består bl.a. av mikroorganismer, næringsstoffer, antinæringsstoffer og giftstoffer, noe som gjør at dette organet er utsatt for sykdommer. Imidlertid har tarmen utviklet en barrierefunksjon som hindrer inntrengning av uønskede mikroorganismer og stoffer fra tarmlumen. Funksjonen til slimhinnebarrieren er regulert på en slik måte at den ikke skal forstyrre absorpsjon av næringsstoffer, vann og elektrolytter, og barrierefunksjonen har en avgjørende rolle i å opprettholde tarmens homeostase. Når slimhinnebarrieren påvirkes negativt av ulike eksterne faktorer som fôr eller miljø, kan integriteten til denne første forsvarslinje svekkes, og dette kan igjen føre til forstyrrelser i tarmens homeostase. Tarmens evne til å fordøye næringsstoffer er også følsom for endringer i både fôrets sammensetning og miljø. Ettersom absorpsjon er en av nøkkelrollene til tarmen, er denne parameteren undersøkt under mange forskjellige forhold. Forstyrrelse av tarmen homeostase og slimhinnebarrierens funksjon kan påvirke fordøyelseskapasiteten, og ulikefiskearter kan reagere forskjellig på slike utfordringer. Det er derfor viktig å skaffe mer kunnskap om slimhinnebarrieren og undersøke hvor sensitive ulike fisker er. Videre er det viktig å forstå hvordan samspillet mellom ulike fôr og miljømessige utfordringer kan påvirke fiskens tarmens homeostase og slimhinnebarrierer. Det er derfor viktig å undersøke effekt av ulike faktorer på tarmhomeostase og hvordan dette påvirker tarmbarriere og fordøyelsesfunksjon. For å utvide vår kunnskap om tarmens barrierefunksjon, ble et in vivo forsøk utført med regnbueørret (Oncorhynchus mykiss) som fikk fôr basert på fiskemel (FM) eller økende nivåer av soyamel (SBM) som utfordring for å indusere soya-indusert enteritt (SBMIE). Tarmens barrierefunksjon ble vurdert i forhold til SBMIE ved å bruke de mest brukte in vivo markørene fra forskning på mennesker og pattedyr: plasma D-laktat, endotoksiner, oralt administrerte sukkerarter (sukralose, laktulose og L-rhamnose), og PCR-basert deteksjon av bakteriell translokasjon. Oralt administrerte sukkermolekyler ble tilsatt i fôret tre dager før prøvetaking. Det høyeste inkluderingsnivået på 37,5% SBM i fôret resulterte i SBMIE i baktarmen (DI). Plasma D-laktat nivået økte lineært med økende grad av SBM nivå i fôret uten at øket Dlaktatkonsentrasjon ble observert i tarminnholdet. PCR-basert deteksjon av bakterier i plasma avslørte at risikoen for bakteriell translokasjon økte i fisk med SBMIE. Verken plasma endotoksin eller sukralose:l-rhamnose (S:R) ratioen var signifikant forskjellig mellom fisk med og uten SBMIE. Plasma laktulose:l-rhamnose ratioen (L:R) økte i fisk med SBMIE. Plasmanivået av sukkermarkørene, viste imidlertid stor variasjon mellom individer. Disse resultatene tyder på at plasma D-laktat og PCR-basert detektering av bakteriell translokasjon kan være egnede in vivo markører for å studere tarmbarriere hos laksefisk.