Molecular studies of Yersinia ruckeri in Norwegian aquaculture

Abstract

Yersinia ruckeri is the causative agent of yersinosis in fish, a haemorrhagic septicaemia occurring predominantly in farmed species of salmonids. In Norway, yersiniosis has been regarded as a regionally limited disease of minor concern, associated with sustained low levels of mortality and occasional acute outbreaks in Atlantic salmon hatcheries and smolts newly transferred to sea. This situation has changed in recent years, with an increasing occurrence of acute outbreaks also affecting quite large fish at sea with high mortalities. The situation has now been ameliorated to a significant degree by introduction and broad adoption of yersiniosis vaccines administered by injection. Acute yersiniosis in Norwegian aquaculture is associated with a distinct genetic lineage known as Y. ruckeri CC1 which is exclusive to Norway. In the work presented here, qPCR assays specific to Y. ruckeri and Y. ruckeri CC1 respectively were developed for screening purposes. While the virulent CC1 was identified in acute outbreaks of yersiniosis, samples from the environment were found to be frequently positive for other, putatively avirulent strains Y. ruckeri. Shedding of virulent Y. ruckeri from subclinically infected fish was found to occur during thermal delousing in the field. This phenomenon was then replicated and confirmed experimentally. Comparative genomic analysis of virulent and avirulent Y. ruckeri enabled identification of accessory genetic determinants associated with virulence, one of which, the inverseautotransporter putative invasin yrIlm, correlated fully with the virulent phenotype. Virulent isolates from Norway display duplication of this gene over time, with a single copy in isolates from the 1980s and contemporary isolates carrying two or three copies. The emergence of non-motile strains of Y. ruckeri has been associated with vaccine failure and virulence internationally. Only seven non-motile isolates were identified amongst 263 Norwegian isolates collected between 1985 and 2019. Three belong to the currently dominating virulent clone and four from a different virulent lineage which has not been identified since the early 1990s. Thus, while loss of motility was revealed in the dominant virulent lineage in Norway, the low frequency identified indicates that the escalating yersiniosis situation in recent years cannot be associated with an emergence of the non-motile phenotype. Rather, dissemination of the currently dominating virulent clone, and genetic changes in this clone, i.e. yrIlm duplication, and likely increasing stresses in the lifecycle of farmed fish seem to be the main contributing factors.

Yersinia ruckeri forårsaker yersinose hos fisk, en hemorragisk septikemi som opptrer primært i laksefisk i oppdrett. Sykdommen ble påvist i Norge for første gang i 1985 og har siden vært assosiert med kroniske tilstander og tidvis akutte utbrudd i klekkerier for Atlantisk laks, men ansett som et regionalt problem av mindre betydning for norsk akvakultur som helhet. Dette har dog endret seg i senere år med stadig økende forekomst av akutte utbrudd langs norskekysten fra omkring 2010 og fremover, som også har rammet stor fisk i sjøfasen i økende grad. Omkring 2017 ble det tatt i bruk injeksjonsvaksiner mot yersiniose langs store deler av kysten for å forhindre ytterligere eskalering. Akutt yersiniose i norsk akvakultur er assosiert med en bestemt genetisk variant, kjent som Y. ruckeri CC1, som forekommer kun i Norge. I arbeidet som presenteres her ble det utviklet qPCR assay for spesifikk deteksjon av henholdsvis Y. ruckeri og Y. ruckeri CC1 for målrettet screening. Den virulente varianten ble påvist ved akutte utbrudd av yersiniose, men ved screening av miljøprøver ble det funnet at disse ofte inneholdt Y. ruckeri, men andre, trolig avirulente stammer. Screening ved termisk avlusing i felt fant utskilling av virulent Y. ruckeri i behandlingsvannet. Det samme ble observert i dyreforsøk med subklinisk infisert fisk utsatt for termisk stress. En rekke virulens-assosierte genetiske faktorer ble identifisert ved komparativ genomisk analyse av virulente og avirulente Y. ruckeri. En av disse, det invasin-lignende yrIlm, korrelerte med en virulent fenotype. I virulente isolater fra Norge er dette genet duplisert over tid, hvor isolater fra 1980-tallet har en enkelt kopi, og isolat fra 2000 og fremover har to eller tre kopier. Y. ruckeri er beskrevet som bevegelig, men stadig økende forekomst av ikke-bevegelige isolater som mangler flagell har vært assosiert med virulens og vaksinesvikt internasjonalt. Syv ikke-bevegelige isolater ble funnet blant 263 undersøkte norske isolater. Kun tre av disse tilhører den dominerende virulente varianten. Tap av bevegelighet forekommer dermed også i den virulente varianten i norsk akvakultur, men den lave frekvensen tyder på at økende problemer med yersiniose i senere år ikke kan tilskrives utbredelse av denne ikke-bevegelige fenotypen. Derimot, spredning av den dominerende virulente varianten og andre genetiske endringer i denne, som duplisering av yrIlm, samt økt forekomst av stress, hvor ikke-medikamentell avlusing utmerker seg i høy grad, later til å være betydelige bidragsytere til økt omfang og alvorlighetsgrad av akutt yersiniose i norsk akvakultur i senere år.