De første transgene plantene i Norge ble produsert rundt 1986 ved hjelp av Agrobacterium-mediert genmodifisering. Frem til 2018 har det blitt produsert tusenvis av transgene mikroorganismer, planter og dyr i Norge. De aller fleste eukaryote arter med metoder som setter inn det fremmende DNAet sammen med et eller flere markørgener/seleksjonsgener/vektorelementer. Ofte også innsatt i en mer eller mindre tilfeldig posisjon i genomet/på et kromosom.

Ny teknologi som med en fellesbetegnelse kan kalles gen-editering, gjør det mulig å gjøre endringer eller posisjonere genetiske elementer i en eller flere på forhånd bestemt plass(-er) i genomet. Teknologisk omfatter dette en rekke ulike systemer for gen-editering som har til felles at nukleaser guides til riktig kutteposisjon i DNAet. Det gir kutt i dobbelttråd DNA i en bestemt posisjon og dette brukes per i dag typiske til å lage mutanter der et gen er avslått eller i det minste gir et inaktivt produkt.

I løpet av bare 5 år har mulighetene med slike metoder eksplodert. Gen-editering gir blant annet muligheter til å slå av gener, sette inn genpakker for nye eller alternative metabolske spor, reparere mutasjoner, øke genaktivitet, redusere genaktivitet med mer.

Vi vil informere om våre forsøk med gen-editering i laks, marine alger og planter og om utvikling av ny teknologi på feltet.

Vi har utviklet en protokoll for å slå ut gener (knock-out) vha CRISPR/Cas9 i laks. Men videre optimalisering av CRISPR/Cas9 teknologien for å gjøre spesifikke endringer eller sette inn genetiske elementer (knock-in) ved homolog rekombinasjon i genomet er nødvendig. Det primære målet med AQUACRISPR-prosjektet er å videreutvikle og etablere metoden for laks. Det sekundære målet er å bruke disse verktøyene for å forklare mekanismer bak noen viktige biologiske egenskaper i fisk som kjønnsmodning, pigmentering, immunfunksjoner og eggkvalitet. Strategien for å oppnå dette er 1.) Forbedring av knock-in protokollen i sebrafisk og medaka ved å teste ulike design for donor DNA  2). Implementere beste praksis fra sebrafisk og medaka til laks og ørret 3.) Anvende metoden til knock-in av gunstige genetiske varianter laks. Vi har forsøkt ulike tilnærminger for knock-in. Dette inkluderer både innsetting av nye gener og utveksling av enkelt SNPer. Tilnærmingene og resultatene av denne banebrytende teknologien vil bli presentert.

Vår hypotese er at den forbedrede CRISPR-metoden er overførbar fra modellart til oppdrettsarter, slik at funksjonelle studier av viktige livshistorieegenskaper kan gjennomføres. Resultatene fra dette vil generere en viktig kunnskapsbase, og åpner for muligheten for å introdusere gunstige genetiske varianter i fremtidens oppdrettsfisk.

Marine mikroalger er primærprodusenter av flerumettede fettsyrer som omega-3, og har potensiale til å dekke det økende behovet for disse fettsyrene i oppdrettsnæringen og for mennesket. Kommersiell utnyttelse av omega-3 fra mikroalger er utfordrende på grunn av lave biomassekonsentrasjoner og derfor høye produksjonskostnader. Vekst av mikroalger dyrket ved høy tetthet i bioreaktorer vil være lysbegrenset, og denne effekten forsterkes av at alger som får lite lys produserer store mengder pigmenter. Høyt pigmenterte alger nært lyskilden vil absorbere mye mer lysenergi enn det de kan bruke til fotosyntese, overskuddsenergi går tapt som varme, og mindre lysenergi vil derfor være tilgjengelig for cellene som befinner seg dypere inn i kulturen. Under slike forhold avgjøres produktivitet og produksjonskostnader av hvor effektivt lysenergi omdannes til kjemisk energi og hvor mye biomasse som kan produseres per volumenhet, som videre vil kunne benyttes til dannelse av kommersielt interessante næringsstoffer. Redusert pigmentinnhold i cellene er forventet å kunne begrense tap av energi som varme, øke lysgjennomtrengingen i bioreaktoren og dermed føre til økt produktivitet i kulturen. Optimalisering av algestammer som gjør dem bedre egnet til dyrking i bioreaktorer kan oppnås ved hjelp av genredigering. Genediteringsteknikken CRISPR/Cas gjør små og målrettede genetiske endringer i algenes arvestoff mulig, uten at det vil være rester av fremmed DNA i den genmodifiserte algen. Vi har benyttet oss av CRISPR/Cas teknologien for å slå ut gener som er involvert i oppbygging av pigment-protein kompleksene som utgjør algenes lyshøstingsantenne. Fysiologiske og molekylære effekter av endringene i lyshøstingskompleksene vil bli presentert.

Å forstå mekanismene som regulerer laksens kjønnsmodning er viktig. Tidlig kjønnsmodning er et problem som gir redusert størrelse, kvalitet, og velferd for laksen, i tillegg til økt risiko for innkryssing med villaks ved rømming. For å kunne forbedre produksjonen er det derfor viktig å lære mer om hvordan puberteten styres. Pubertetsgenet vgll3 er knyttet til alder ved kjønnsmodning i laks, hvor ulike genetiske varianter gir tidlig eller sein kjønnsmodning. Det samme genet finnes i mennesker, hvor det også har blitt assosiert med tidlig pubertet. Hvordan pubertetsgenet fungerer, og hvilke vev og stadier som er viktige har til nå vært ukjent. I vår studie har vi analysert reguleringen av vgll3 i forskjellige vev fra laks, og vi har sammenlignet ulike modningsstadier for å belyse dette. Resultatene våre viser at vgll3 blir regulert i laksens gonader ved starten og gjennom kjønnsmodningen i kjønnscellenes støtteceller. Vgll3 er en del av et nettverk av gener (Hippo-pathway) som er med på å regulere celledeling. Våre analyser viser at dette nettverket er nedregulert under kjønnsmodningen i hannlaks. Det tyder på at vgll3 fungerer som en brems på celledeling i gonadene, og er dermed en viktig faktor som styrer laksens alder ved kjønnsmodning. Med dette har vi tatt et stort steg mot å forstå hvordan laksens kjønnsmodning styres.

Utskifting av fiskeolje og fiskemel med planteingredienser i fôret til oppdrettslaks har redusert nivåene av de sunne marine omega-3 fettsyrene EPA (20:5n-3) og DHA (22:6n-3) i laksens filet. Laksen er til en viss grad i stand til å omdanne den korte omega-3 fettsyren ALA (18:3n-3) fra planteoljer til EPA og DHA, og det er kjent at fôret påvirker denne prosessen. Tidligere studier har vist at genetisk bakgrunn påvirker fettsyresammensetningen i laksens muskel. I denne studien har vi estimert genetiske parametere til individuelle muskelfettsyrer og deres korrelasjoner til viktige produksjonsegenskaper, med det formål å evaluere potensialet for seleksjon for økt nivå av marint omega-3 i muskelen til atlanterhavslaks. Resultatene er basert på analyser av 668 laks med gjennomsnittsvekt på 3,6 kg, fôret med et fiskeolje-rikt fôr. 

Resultatene viste at det er potensiale i å øke innholdet av marine omega-3 fettsyrer i laksefilet ved avl. Individuelle omega-3 fettsyrer (i % av totale fettsyrer) hadde ulik arvbarhet og ulike korrelasjoner til andre egenskaper. EPA hadde arvbarhet på 0,09, positiv genetisk korrelasjon til muskelfett (0,60) og luseresistens (0,47), og lav korrelasjon til innvollsfett (-0,17). DHA hadde arvbarhet på 0,26, positiv genetisk korrelasjon til innvollsfett (0,61) og en genetisk korrelasjon til muskelfett på 0,06.

Selv om DHA hemmer omdanningen av ALA til DHA, tyder flere resultater på at noe aktivitet opprettholdes i laks fôret med fiskeolje-rikt fôr. Blant annet en negativ korrelasjon mellom start- (ALA) og endepunktet (DHA) i omdannings-sekvensen, og positive korrelasjoner mellom nærliggende fettsyrer i sekvensen. 

Den kvantitative mengden av alle fettsyrer øker med økt mengde fett i muskel, og korrelasjonen mellom mengden av de individuelle fettsyrene og andre egenskaper speiler korrelasjonen mellom mengde muskelfett og de andre egenskapene. 

I presentasjonen diskuterer vi ulike potensielle seleksjonsstrategier for å øke EPA og DHA i filet.

Sammenhengen mellom resistens mot sykdom og infektivitet, dvs hvor smittsomme individer er, ble undersøkt i smitteforsøk med amøbegjellesykdom (AGD) og infeksiøs pankreas nekrose (IPN) hos atlantisk laks. Begge forsøkene hadde som mål å teste om seleksjon for økt motstand mot sykdom også reduserer infektiviteten og dermed risikoen for at en epidemi skal spre seg.

I IPN-forsøket brukte vi fisk med kjent IPN-genotype og smittet fisk som var henholdsvis homozygot mottagelig (ss) eller heterozygot (Rs) med donorer som var enten homozygot mottagelig (ss), heterozygot (Rs) eller homozygot resistent (RR). Resipienter som var Rs hadde svært lav dødelighet, uavhengig av donor-genotype. Når resipientene var ss-genotype, var tid til død mye kortere med ss- donorer enn med Rs eller RR donorer, noe som indikerer at fisk som er mer mottagelig for sykdom også er mer smittsomme (smitter raskere). Videre beregnet vi hvor mange fisk av ulike genotyper som trengs for å unngå at en epidemi skal oppstå. Frekvensen av ss-genotype må være under 0.5% for å unngå epidemi, da disse er både svært mottagelige og svært smittsomme. Selv uten ss-fisk, må andelen RR fisk være mer enn 7-12 % for å forhindre epidemi.

I AGD forsøket ble fisk med ukjent mottagelighet smittet med fisk som i et annet forsøk hadde vist seg å ha enten høy eller lav motstand mot AGD. Fisken som ble smittet ble gjellescoret to ganger i uka fram til all fisken hadde påvist AGD. Resultatene viste at tiden fram til fisken ble infisert var uavhengig av hva slags donor som ble brukt, men fisken som ble smittet av mer mottagelige donorer fikk høyere gjellescore enn fisk som ble smittet av mer resistente donorer. Dette tyder på at fisk med dårlig motstandskraft mot AGD også kan forårsake mer alvorlige infeksjoner når de smitter annen fisk.

Begge forsøkene bekrefter at seleksjon for høyere motstandskraft mot sykdom kan ha epidemiologiske konsekvenser ved at mer motstandskraftig fisk kan forhindre sjukdom hos annen fisk i populasjonen. For IPN viser dette seg ved at en forholdsvis liten andel RR-fisk kan forhindre epidemi dersom resten av populasjonen er Rs; for AGD ved at mer motstandsdyktig fisk (f.eks. selektert for AGD-resistens) gir mindre alvorlig infeksjoner hos annen fisk de smitter. Dette forlenger tiden det tar før fisken må behandles mot AGD og reduserer dermed antall behandlinger.