Effects of fish meal replacement on growth performance, energy metabolism, and stress responses of juvenile olive flounder (Paralichthys olivaceus) under chronic and acute temperature stresses

Abstract

최근 기후변화로 인한 지구 온난화로 수온 변동이 심해지는 등 급격한 환경 변화가 일어나고 있으며, 이로 인해 양식 어류의 대량 폐사 및 질병 발생이 발생하고 있다. 기후변화에 따른 어획량 감소로 어분 생산량은 시간이 지남에 따라 감소할 것으로 예측된다. 어분은 배합사료의 중요한 원료임에도 불구하고 지속가능한 양식을 위해서는 배합사료 내 어분 함량을 줄일 수밖에 없는 상황이다. 따라서, 본 연구는 한국, 일본, 중국 등 아시아 국가에서 상업적으로 중요한 양식 어종인 넙치(Paralichthys olivaceus)의 치어기를 대상으로 사료 내 어분 대체와 만성 및 급성 수온 스트레스에 따른 생리적 반응이 어떤 관계가 있는지 파악하기 위해 수행되었다. 평균 13.6 ± 0.02 g (평균 ± SEM)의 치어기 넙치 480마리를 24개의 직사각형 수조(수조당 20마리씩)에 무작위로 배치했다. 각 12개의 수조는 실험 기간 동안 19.5℃ 의 일정한 수온에서 사육된 그룹(비스트레스 그룹: NS) 또는 19.5℃에서 30℃까지 매주 1.5℃씩 상승된 수온에서 사육된 그룹(만성 수온 스트레스 그룹: CTS)으로 배치했다. 각 NS 및 CTS 그룹은 사료 내 어분 함량이 0, 20, 40, 60%인 네 가지 어분 대체 사료로 구성되었다(2×4 요인 배치, 실험구 당 N = 3). 8주간의 사육 실험 후 NS 그룹의 어류는 급성 열 스트레스에 노출되었다(30℃에서 2시간의 수온 스트레스 및 19.5℃에서 2시간 회복: ATS). 스트레스를 받은 치어기 넙치와 스트레스를 받지 않은 치어기 넙치의 성장 성능과 스트레스 및 면역 관련 측정을 조사했다. 만성 노출 실험 결과, CTS 그룹은 NS 그룹에 비해 최종 어체중(FBW), 증체율(WG), 일간 성장률(SGR), 사료 효율(FE), 비만도 및 내장 지수가 유의하게 낮았다(P <0.05). 또한 NS 그룹과 CTS 그룹 모두에서 어분 대체의 메인 이펙트가 있었으며, 어분 대체 수준이 증가함에 따라 FBW, WG, SGR 및 FE가 일반적으로 감소했다. 수온 스트레스가 전어체 일반 성분에 미치는 유의한 메인 이펙트가 있었으며, CTS 그룹의 조단백질 함량이 NS 그룹보다 유의하게 높았다. 혈장 포도당(GLU), 중성 지방(TG), 총 단백질(TP) 및 글루타민산 옥살로초산 트렌스아미나제(GOT) 수치에 대한 수온에 따른 메인 이펙트가 유의하게 관찰되어 CTS 그룹의 수치가 NS 그룹보다 유의하게 높았음을 보여주었다. 혈장 총 콜레스테롤(TCHO)과 TG에는 어분 대체에 따라 유의한 차이가 있었으며, 어분 대체 수준이 증가함에 따라 TCHO 수치가 유의하게 증가한 반면, TG 수치의 변화 패턴은 반비례하는 것으로 나타났다. 온도 스트레스와 어분 대체 수준은 슈퍼옥시드 디스뮤타아제(SOD), 면역 글로불린 M (IgM), 라이소자임(LZM)에 미치는 영향은 없었지만, 글루타치온 과산화효소(GPX) 활성에는 스트레스와 대체 수준 간 유의한 상호작용이 나타나 FM0 그룹의 수준이 FM20 및 FM60 그룹보다 유의하게 높았지만 온도 스트레스의 영향은 발견되지 않았다. 혈장 코르티솔 수치에 대한 온도 스트레스의 유의한 메인 이펙트가 관찰되어 CTS 그룹이 NS 그룹에 비해 유의하게 높은 코르티솔 수치를 보였다. 간 조직에서 AMP-활성 단백질 효소 베타(AMPKβ), 페록시좀 증식체 활성화 수용체 감마(PPARγ), 열 충격 단백질 70 (HSP70), 포도당 6-인산(G6pase)의 상대적 유전자 발현 수준에는 수온 스트레스나 어분 대체 모두 영향을 미치지 않았다. 급성 노출 실험의 결과는 혈장 효소 및 대사 산물의 전반적인 변화 패턴이 만성 노출 실험의 결과와 어느 정도 비교할 수 없음을 보였다. FM0 실험구의 혈장 TCHO, TG, TP, GOT 수치는 FM60 실험구보다 유의하게 높았지만, FM0 실험구의 혈장 GLU와 글루타민산 피루빈산 트랜스아미나제(GPT) 수치는 FM60 실험구보다 유의하게 낮았다. 실험 사료를 먹은 넙치의 혈장 GPX, SOD, IgM 및 LZM 수준에는 차이가 없었다. 혈장 코르티솔과 HSP70 수치는 실험 사료에 의해 크게 영향을 받지 않았다. FM0 실험구의 HSP70 및 G6pase의 상대적 발현 수준은 FM60 실험구보다 유의하게 높았으나 AMPKβ 및 PPARγ 수준에는 차이가 관찰되지 않았다. 종합하면, 만성 스트레스에 노출되었을 때 어분 함량이 낮은 사료를 공급한 치어기 넙치의 전반적인 영양생화학적 반응 패턴과 급성 노출 실험의 반응 패턴은 일부 다르게 나타났다. 다시 말해, 수온 스트레스로 인한 항상성 유지의 생리적 반응은 만성 노출 조건과 급성 노출 조건에 따라 다를 수 있으며, 치어기 넙치에 저어분 사료를 공급할 시 급성 온도 스트레스에 비교적 취약할 수 있다고 판단된다. |Global warming attributed to climate change is causing rapid environmental changes including high fluctuation in water temperature, resulting in mass mortality and disease outbreaks in aquaculture practices. Fish meal production is predicted to decrease over time due to reduction in capture production of fishes for use of fish meal in association with climate change. Regardless the fact that fish meal is an important ingredient for aquafeed, there is no choice but to reduce fish meal content in aquafeed for sustainable aquaculture. Therefore, the current study was conducted to understand what relationship between manipulation of fish meal content and physiological responses under chronic and acute temperature stress exists in juvenile olive flounder (Paralichthys olivaceus), a commercially important aquaculture fish species in Asia countries, including Rep. of Korea, Japan, and China. Four hundred eighty juveniles averaging 13.6 ± 0.02 g (mean ± SEM) were randomly distributed into each of the 24 rectangular tanks (20 fish per tank). Each set of 12 tanks was assigned to either constant water temperature group reared at 19.5℃ (named as non-stressed group: NS) or gradually increased water temperature group reared at from 19.5℃ to 30℃ (1.5℃ increment/week) (named as chronic temperature-stressed group: CTS) throughout the trial. Each NS and CTS group consisted of four fish meal replacement treatments including 0, 20, 40, and 60% fish meal content in diet (2 × 4 factorial arrangement; N = 3 per treatment). Following the 8-week trial, fish from the NS group were exposed to acute temperature stress (2-h heat shock at 30℃ and 2-h recovery at 19.5℃, named as acute temperature-stressed group: ATS). Growth performance and stress- and immune-related measurements for stressed and non-stressed juveniles were investigated. Results from the chronic exposure experiment showed that the CTS group had significantly lower final body weight (FBW), weight gain (WG), specific growth rate (SGR), feed efficiency (FE), condition factor, and viscerosomatic index than the NS group (P < 0.05). There was also a significant main effect of the fish meal replacement in both NS and CTS groups showing that FBW, WG, SGR, and FE generally decreased with increasing fish meal replacement level. There was a significant main effect of temperature stress on nutrient composition of the whole body, showing that crude protein content of the CTS group was significantly higher than that of the NS group. A significant temperature stress main effect on plasma glucose (GLU), triglyceride (TG), total protein (TP), and glutamic oxaloacetic transaminase (GOT) levels was observed, exhibiting that those of the CTS group were significantly higher than the NS group. There was a significant main effect of fish meal replacement on plasma total cholesterol (TCHO) and TG, showing that the TCHO level was significantly increased with increasing fish meal replacement level, whereas the pattern of change in the TG level was inverse. There was no effect of temperature stress and fish meal replacement level on superoxide dismutase (SOD), immunoglobulin M (IgM), and lysozyme (LZM); however, a significant interaction between the stress and replacement level on glutathione peroxidase (GPX) activity was observed, showing that its level of the FM0 group was significantly higher than that of the FM20 and FM60 groups, whereas no effect of the temperature stress was detected. A significant main effect of the temperature stress on plasma cortisol level was observed, showing that the CTS group had a significantly higher cortisol level compared to the NS group. There was neither the temperature stress nor fish meal placement effects on relative gene expression levels of Adenosine monophosphate-activated protein kinase beta (AMPKβ), peroxidase proliferator-activated receptor gamma (PPARγ), heat shock protein 70 (HSP70), and glucose 6-phosphatase (G6pase) in liver tissue. Results from the acute exposure experiment show that the overall pattern of changes in the plasmatic enzymes and metabolites were, to some extent, incomparable to those from the chronic exposure experiment. Plasma TCHO, TG, TP, and GOT levels of the FM0 diet were significantly higher than those of the FM60 diet, whereas plasma GLU and glutamic pyruvic transaminase (GPT) levels of the FM0 diet were significantly lower than those of the FM60 diet. There was no difference in plasma GPX, SOD, IgM, and LZM levels of the juveniles fed the experimental diets. Plasma cortisol and HSP70 levels were not significantly affected by the experimental diets. Relative expression levels of HSP70 and G6pase of the FM0 diet were significantly higher than those of the FM60 diet, whereas no difference in its levels of AMPKβ and PPARγ was observed. Taken together, the overall pattern of changes in the juveniles fed the low fish meal contained diets when exposed to the chronic stress was, to some extent, incomparable to those from the acute exposure experiment. Thus, it is suggested that physiological responses of homeostasis from temperature stress could be variable between the chronic and acute exposure conditions, and the low fish meal fed olive flounder juveniles could be less tolerable to acute temperature stress.