ASSESSMENT OF THE LONG-TERM IMPACT OF HIGH PLANT PROTEIN DIETS ON THE INTESTINAL STATUS OF THE ON-GROWING GILTHEAD SEA BREAM (Sparus aurata, L.)

Abstract

Aunque el uso de altos niveles de fuentes de proteína vegetal en piensos para doradas de engorde se ha alcanzado con éxito en cuanto al crecimiento, estas dietas todavía están asociadas a efectos negativos en la eficiencia nutricional y en la capacidad inmunitaria. El intestino es el órgano donde se produce la primera interacción entre el pez, los nutrientes y las bacterias del medio, y desarrolla un papel crucial en la digestión de los nutrientes y la respuesta infamatoria e inmune. Esta tesis doctoral se centra en el impacto de distintas dietas con altos niveles de proteína vegetal, y especialmente, en la evaluación del estatus intestinal de las doradas de engorde alimentadas con altos niveles de sustitución de la harina de pescado durante un periodo largo de tiempo.

Los cambios observados en el intestino se caracterizaron mediante el uso de distintas estrategias, como el análisis de la digestibilidad y la retención de amino ácidos, de la excreción de amonio, de la actividad de enzimas digestivos, de los cambios histológico o de la expresión de genes relacionados con la función y el mantenimiento de la arquitectura intestinal, así como técnicas ómicas para el análisis del proteoma y de la microbiota intestinal. Se ensayaron distintos niveles de sustitución de harina de pescado, pero el impacto de las dietas con una sustitución completa, bien complementada con subproductos de origen marino o suplementada con aminoácidos libres sintéticos, recibió mayor atención.

La sustitución completa de la harina de pescado provocó una reducción, aunque ligera, del crecimiento y de la eficiencia digestiva y nutritiva de la dorada de engorde, aunque el impacto sobre el crecimiento era mayor cuando los peces eran alimentados desde la época de juveniles con estas dietas. La digestibilidad y el nivel de síntesis de proteína se vio alterada, aunque no se observaron diferencias significativas en la actividad enzimática digestiva. No obstante, el impacto de las fuentes vegetales cuando no había fuentes de proteína marina en la dieta era especialmente crítico para la supervivencia de los peces. En el intestino de estos peces solo se observaron diferencias menores relacionadas con la inflamación a nivel histológico, pero también se observó una disminución en la expresión génica de genes involucrados en la inflamación y la respuesta inmune. El análisis de la microbiota intestinal reveló cambios significativos en la composición de su composición, especialmente en el intestino posterior, sugiriendo una posible falta de capacidad de regular la respuesta inmune y de modular la colonización de bacterias patógenas tras un largo periodo de alimentación con esta dieta. Por otro lado, el análisis del proteoma de la mucosa intestinal también mostró un claro impacto sobre distintos procesos biológicos relacionados con el mantenimiento del homeostasis intestinal y de la integridad epitelial. Por el contrario, no se observó un impacto de la sustitución de la harina de pescado a nivel de expresión génica o del proteoma cuando se incorporaba a la dieta una fuente de proteína marina complementaria, aunque sí que se observaron algunos signos menores de inflamación.

Por último, se desarrolló un sistema ex vivo para estudiar la respuesta inflamatoria e inmune de la mucosa intestinal a la presencia de distintas bacterias, y se realizó un ensayo preliminar en dorada para evaluar el efecto de la dieta sobre esta respuesta.

En resumen, en este trabajo se ha realizado una evaluación extensa y detallada de los efectos a nivel intestinal de la inclusión de altos niveles de proteína vegetal en la dieta para doradas de engorde. Los resultados indican que las alteraciones en la capacidad inmune, la homeostasis y la microbiota intestinal aparecían solo cuando la proteína procedía exclusivamente de fuentes vegetales, y podrían explicar la mayor mortalidad registrada con esta dieta.

Malgrat que la utilització d'alts nivells de proteïna vegetal en pinsos per a dorades en la fase d'engreixament s'ha aconseguit amb èxit en quan al creixement, aquestes dietes encara s'associen amb freqüència amb efectes negatius en l'eficiència nutricional i la capacitat immunitària. L'intestí és l'òrgan on es produeix la primera interacció entre el peix, els nutrients de la dieta i les bactèries de l'ambient, i juga un paper fonamental en la digestió dels nutrients i en la resposta inflamatòria i immune. Aquesta tesi doctoral es centra en l'impacte de diferents dietes experimentals amb un alt nivell de proteïna vegetal, i especialment, en l'avaluació de l'estat de l'intestí de les dorades d'engreixament alimentades durant un llarg període amb alts nivells de substitució de farina de peix.

Els distints canvis observats a nivell intestinal es van descriure mitjançant l'ús de distintes estratègies, com l'anàlisi de la digestibilitat i la retenció dels aminoàcids, de l'excreció d'amoni i de l'activitat enzimàtica, dels canvis histològic o de l'expressió de gens relacionats amb la funció i el manteniment de l'estructura intestinal, així com tècniques òmiques per a l'anàlisi del proteoma i de la microbiota intestinal. Es van assatjar diferents nivells de substitució de farina de peix, però l'impacte de les dietes amb substitució completa, bé complementada amb subproductes d'origen marí o suplementada amb aminoàcids lliures sintètics, va rebre major atenció.

La substitució completa de la farina de peix va tenir un efecte lleugerament negatiu sobre el creixement i l'eficiència digestiva i nutritiva de la dorada d'engreixament, encara que l'impacte era major quan els peixos eren alimentats des de la fase de juvenils amb aquesta dieta. La digestibilitat i el nivell de síntesis de proteïna es va veure alterada, encara que no s'observaren diferències significatives en l'activitat dels enzims digestius. No obstant, l'impacte de les fonts vegetals quan s'eliminaven per complet les fonts de proteïna marina de la dieta era especialment crític en la supervivència dels peixos. En l'intestí d'aquests peixos sols s'observaren xicotets indicis d'inflamació a nivell histològic, però també es va observar una disminució l'expressió de gens involucrats amb el procés inflamatori i la resposta immune. L'estudi de la microbiota intestinal va revelar canvis significatius en la composició, especialment a l'intestí posterior, suggerint una possible falta de capacitat de regular la resposta immunitària i de modular la colonització per part de patògens després d'un llarg període d'alimentació amb aquesta dieta. D'altra banda, l'anàlisi del proteoma de la mucosa intestinal també va mostrar un impacte clar sobre diferents processos biològics relacionats amb el manteniment de l'homeòstasi intestinal i de la integritat de l'epiteli. Per contra, no es van observar un impacte de la substitució de la farina de peix a nivell d'expressió gènica o proteoma quan s'incloïa a la dieta una font complementària de proteïna d'origen marí, encara que sí que s'observaven alguns signes d'inflamació.

Per últim, es va desenvolupar un sistema ex vivo per avaluar la resposta inflamatòria i immune de la mucosa intestinal davant la presència de diferents bactèries, i es va realitzar un assaig preliminar per determinar l'efecte de la dieta sobre aquesta resposta.

En resum, en aquest treball s'ha realitzat una avaluació extensa i detallada dels efectes a nivell intestinal de la inclusió d'alts nivells de fonts de proteïna vegetal a les dieta per a les dorades d'engreixament. Els resultats indiquen que les alteracions en la capacitat immunitària, l'homeòstasi i la microbiota intestinal eren observades solament quan la proteïna era exclusivament obtinguda de fonts vegetals, i podrien explicar la major mortalitat observada amb aquesta dieta.

Although the inclusion of plant protein sources at high levels in aquafeeds for on-growing gilthead seabream has been successfully achieved on gilthead seabream in terms of growth, these diets are still associated to detrimental effects in feed efficiency and immune capacity. The intestine is the organ where takes place the first interaction of the host with dietary antigen or environmental bacteria, and plays a major role in the digestion of nutrients and the inflammatory and the immune response. The present PhD thesis focus on the impact of classical formulated high plant protein diets on fish performance, but especially, on evaluation of the intestinal status in on-growing fish long-term fed with high levels of fishmeal replacement.

Changes at intestinal level were characterized by using different approaches, including protein and amino acid digestibility and retention and ammonia excretion, digestive enzyme activity, histology, expression of genes related with inflammation, immunity, structure and digestion, but also using whole tissue-level techniques for the analysis of the impact on proteome and gut microbiota. Different levels of fishmeal replacement were assayed, although the impact of diets with total replacement, complemented by inclusion of alternative marine by-products or supplemented by free amino acids, received greater attention.

Total fish replacement produced a negative but minor impact on the growth and nutritive and digestive performance of on-growing gilthead seabream. Nevertheless, when fish were fed from juvenile stage with plant protein based diets, a higher negative impact in growth terms was noticed. Digestibility and metabolic use of amino acids was altered, but no differences were observed in the digestive enzyme activities. Nonetheless, feeding fish with total dietary fishmeal replacement by plant protein without any marine protein source was especially critical for survival rate. In these fish, gut histological assessment only revealed minor alterations related with an inflammatory response, but gene expression assay showed a down-regulation of several genes involved in the inflammatory and immune response. Moreover, a drastic change in the microbiota composition was observed, especially at the hindgut, revealing a possible lack of capacity to regulate a defensive response and to face with pathogen colonisation after a long-term coupling with these diet. Likewise, gut mucosa proteome analysis also suggests an impact on biological processes related with the maintenance of gut homeostasis and the epithelial integrity. In contrast, total fishmeal replacement did not induce alterations at transcript or proteomic level when diet was complemented with marine ingredients, although some minor inflammatory signs were reported.

On the other hand, an ex vivo system to study the inflammatory and immune response of the gut mucosa to the presence of different bacteria was developed, and a preliminary assay evaluating the impact of the diet on this response was performed.

To sum up, present works represents a wide assessment at intestinal level of the effects of including plant protein sources at high levels in aqua feeds for on-growing gilthead seabream. Results indicate that alterations in the immune capacity, the gut homeostasis and the microbiota were observed when protein was exclusively provided by plant sources, and could explain the higher mortality reported with this diet.