DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0349197
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42149815
تاريخ النشر: 2026-05-18
المؤلف: Lewis D. Taylor وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة الأمراض في تربية الأحياء المائية والميكروبيوتا
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة دور فيتامين د الغذائي في تعديل الاستجابات المناعية في جلد سمك السلمون الأطلسي، وهو عامل حاسم في تربية الأحياء المائية بسبب الآثار الاقتصادية والرفاهية للأمراض المعدية. تركز الأبحاث على التغيرات النسخية في جلد السلمون بعد ستة أشهر من مكملات فيتامين د، كاشفة عن إجمالي 151 جينًا معبرًا عنه بشكل مختلف. ومن الجدير بالذكر أن 27 من هذه الجينات مرتبطة بوظائف مناعية رئيسية، بما في ذلك الالتهاب، وعرض المستضدات، وكلا من المناعة الفطرية والتكيفية.
تشير النتائج إلى أن مكملات فيتامين د قد تعزز قدرات الجلد المناعية من خلال تقليل الالتهاب وتعزيز الدفاعات الفطرية. قد يؤدي هذا التعديل في الاستجابات المناعية الجلدية إلى تحسين المقاومة ضد مختلف مسببات الأمراض المرتبطة بالجلد في السلمون، مما يبرز الفوائد المحتملة لفيتامين د الغذائي في ممارسات تربية الأحياء المائية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور المزدوج للجلد كحاجز واقي وواجهة حاسمة لتخليق المغذيات، وخاصة فيتامين د₃ (كوليكالسيفيرول)، في البشر وغيرها من الفقاريات. في خطوط العرض الشمالية، يحد ضوء الشمس المحدود خلال الشتاء من تخليق فيتامين د الطبيعي، مما يجعل المصادر الغذائية، مثل سمك السلمون الأطلسي (Salmo salar)، ضرورية. سمك السلمون الأطلسي غني بفيتامين د، وتختلف مستوياته مع الظروف البيئية، مما يجعله مرشحًا مناسبًا للتغذية الحيوية من خلال المكملات الغذائية في تربية الأحياء المائية. قد تؤثر هذه التغذية الحيوية بشكل كبير على تعبير الجينات الجلدية وتعزز الدفاعات المناعية ضد مسببات الأمراض.
فيتامين د حاسم للصحة، حيث يؤثر على الاستجابات المناعية عبر أنواع مختلفة من الفقاريات. يمكن أن تؤدي النقص إلى حالات طويلة الأمد مثل الكساح وترتبط بمشاكل صحية قصيرة الأمد، بما في ذلك العدوى التنفسية واضطرابات الجلد. في الأسماك، مثل سمك السلمون قوس قزح (Oncorhynchus mykiss)، يضعف نقص فيتامين د سلامة الجلد، مما يزيد من القابلية للإصابة بالعدوى. تؤكد الدراسة على إمكانية فيتامين د في تعزيز الاستجابات المناعية في سمك السلمون الأطلسي، الذي يكون عرضة لمسببات الأمراض الجلدية. تهدف إلى التحقيق في تأثيرات التغذية الحيوية لفيتامين د على تعبير الجينات في جلد سمك السلمون الأطلسي، باستخدام تسلسل RNA لتقييم التغيرات في أنماط تعبير الجينات العامة ومسارات الجينات المرتبطة بالمناعة بعد ستة أشهر من التعزيز الغذائي.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم إنشاء مجموعتين تجريبيتين من سمك السلمون الأطلسي في منشأة تربية المياه العذبة التابعة لمعهد البحر في نيو بورت، أيرلندا. تم اشتقاق مجموعة واحدة من سلالة نرويجية مزروعة تجاريًا، بينما نشأت الأخرى من سلالة أيرلندية مربية في الأسر مخصصة لبرامج الإطلاق التجريبي في المحيط. عند بدء التغذية الأولى في أبريل 2023، تم إطعام اليرقات في البداية نظام غذائي تجاري قياسي لمدة أسبوع قبل الانتقال إلى الأعلاف التجريبية. تم مراقبة السلمون يوميًا بواسطة موظفين بحثيين مدربين، وتم إجراء الدراسة تحت موافقة لجنة أخلاقيات البحث الحيواني في كلية جامعة دبلن (رقم مرجع أخلاقيات البحث AREC-23-01-Hulsey).
تم صياغة الأنظمة الغذائية التجريبية بناءً على علف سمك السلمون التجاري بمستوى أساسي من فيتامين د. احتوى النظام الغذائي الضابط على 866 ميكروغرام/كجم من فيتامين د₃ (كوليكالسيفيرول)، بينما تم إثراء النظام الغذائي العالي بفيتامين د إلى 1779 ميكروغرام/كجم. حافظت كلا النظامين الغذائيين على تركيبة أساسية ثابتة من 50% بروتين خام و21% دهون خام، مع اختلافهما فقط في تركيزات فيتامين د₃. تم قياس مستويات فيتامين د₃ المحددة باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة وطيف الكتلة، وتم توفير كلا النظامين الغذائيين بحرية للسلالات السمكية المعنية.
النتائج
كشفت تحليل تسلسل RNA (RNAseq) عن اختلافات كبيرة في تعبير الجينات بين مجموعات العلاج العالية والمنخفضة من فيتامين د في جلد سمك السلمون الأطلسي. أظهرت المكتبات، التي تتكون من 12 عينة (n = 6 لكل مجموعة)، متوسط حجم قدره 13.1 جيجابايت ومعدل خريطة إجمالي قدره 86.46%. من بين 33,195 جينًا معبرًا عنه، كان هناك 151 جينًا معبرًا عنه بشكل مختلف بشكل كبير (قيمة p المعدلة ≤ 0.05)، مع 131 جينًا تم تقليل تعبيرها و20 جينًا تم زيادة تعبيرها. ومن الجدير بالذكر أن الجين msl (شبيه مخلل المليين) أظهر أعلى زيادة في التعبير مع تغيير لوغاريتمي قدره 4.34، بينما أظهر lncrna106412 (RNA غير مشفر طويل) أكبر تقليل في التعبير مع تغيير لوغاريتمي قدره -7.02.
من بين الجينات المعبر عنها بشكل مختلف، تم تحديد 27 منها كجينات مناعية محتملة، مصنفة إلى المناعة الفطرية، المناعة التكيفية، الالتهاب، وعرض المستضدات. تشمل النتائج الرئيسية زيادة تعبير الجينات المتعلقة بالدفاع المضاد للميكروبات مثل bpifcl (عائلة تحتوي على طي مضاد للبكتيريا/زيادة النفاذية، مثل)، cats (كاثيبسين S)، وlysc2 (ليسوزيم). بالإضافة إلى ذلك، تم زيادة تعبير الجينات المعنية بعرض المستضدات والمناعة التكيفية، مثل b2m (بيتا-2-ميكروغلوبولين) وccr12b.1 (مستقبل كيموكين) بشكل كبير أيضًا. تشير هذه النتائج إلى أن مكملات فيتامين د قد تلعب دورًا حاسمًا في تعديل الاستجابات المناعية في سمك السلمون الأطلسي.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير لفيتامين د على تعبير الجينات في جلد سمك السلمون الأطلسي، كما يتضح من تحديد 151 جينًا معبرًا عنه بشكل مختلف (DEGs) بعد علاج فيتامين د. ترتبط هذه الجينات بعمليات فسيولوجية متنوعة، وخاصة في الوظائف المناعية مثل المناعة الفطرية، المناعة التكيفية، الالتهاب، وعرض المستضدات. ومن الجدير بالذكر أن 27 من DEGs مرتبطة بالاستجابات المناعية، مما يشير إلى أن فيتامين د قد يعزز قدرة السلمون على مكافحة مسببات الأمراض. تؤكد الدراسة على زيادة تعبير الجينات المتعلقة بالببتيدات المضادة للميكروبات والاستجابات المناعية الفطرية، مثل ليسوزيم وكاثيبسين S، والتي تعتبر حاسمة للدفاع ضد مسببات الأمراض.
بالإضافة إلى ذلك، تشير الأبحاث إلى أن مكملات فيتامين د تؤدي إلى تقليل تعبير العديد من الجينات المؤيدة للالتهابات، مما قد يقلل من الالتهاب ويحسن الاستجابات المناعية ضد العدوى البكتيرية. تكشف تحليل إثراء مجموعة الجينات (GSEA) أيضًا أن فيتامين د يؤثر على النشاط المناعي والسيتوكيني داخل الجلد، مع مسارات غنية مرتبطة بنشاط مستقبلات المناعة ووظائف الحويصلات داخل الخلوية. تشير النتائج إلى أن تغذية سمك السلمون الأطلسي بفيتامين د قد تعزز كل من القيمة الغذائية للاستهلاك البشري وصحة المناعة للأسماك، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في الآثار الوظيفية لهذه التغيرات في تعبير الجينات استجابة لمسببات الأمراض المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0349197
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42149815
Publication Date: 2026-05-18
Author(s): Lewis D. Taylor et al.
Primary Topic: Aquaculture disease management and microbiota
Overview
This study investigates the role of dietary vitamin D in modulating immune responses in the skin of Atlantic salmon, a critical factor in aquaculture due to the economic and welfare implications of infectious diseases. The research focuses on the transcriptomic changes in salmon skin following six months of vitamin D supplementation, revealing a total of 151 differentially expressed genes. Notably, 27 of these genes are associated with key immune functions, including inflammation, antigen presentation, and both innate and adaptive immunity.
The findings suggest that vitamin D supplementation may enhance the skin’s immune capabilities by reducing inflammation and bolstering innate defenses. This modulation of cutaneous immune responses could lead to improved resistance against various skin-associated pathogens in salmon, highlighting the potential benefits of dietary vitamin D in aquaculture practices.
Introduction
The introduction highlights the dual role of skin as a protective barrier and a crucial interface for nutrient synthesis, particularly vitamin D₃ (cholecalciferol), in humans and other vertebrates. At northern latitudes, limited sunlight during winter restricts natural vitamin D synthesis, making dietary sources, such as Atlantic salmon (Salmo salar), essential. Atlantic salmon are rich in vitamin D, and their levels fluctuate with environmental conditions, making them suitable candidates for biofortification through dietary supplementation in aquaculture. This biofortification could significantly impact skin gene expression and enhance immunological defenses against pathogens.
Vitamin D is critical for health, influencing immune responses across various vertebrate species. Deficiency can lead to long-term conditions like rickets and is associated with short-term health issues, including respiratory infections and skin disorders. In fish, such as rainbow trout (Oncorhynchus mykiss), insufficient vitamin D compromises skin integrity, increasing vulnerability to infections. The study emphasizes the potential of vitamin D to enhance immune responses in Atlantic salmon, which are prone to skin pathogens. It aims to investigate the effects of vitamin D biofortification on gene expression in the skin of Atlantic salmon, utilizing RNA sequencing to assess changes in general gene expression patterns and specific immune-related gene pathways following six months of dietary augmentation.
Methods
In this study, two experimental populations of Atlantic salmon were established at the Marine Institute’s freshwater rearing facility in Newport, Ireland. One population was derived from a Norwegian commercially farmed strain, while the other originated from a captive-bred Irish strain intended for experimental ocean release programs. Upon the commencement of the first feeding in April 2023, the fry were initially fed a standard commercial diet for one week before being transitioned to experimental feeds. The salmon were monitored daily by trained research staff, and the study was conducted under the approval of The University College Dublin Animal Research Ethics Committee (Research Ethics Reference Number AREC-23-01-Hulsey).
The experimental diets were formulated based on a commercial salmon feed with a baseline level of vitamin D. The control diet contained 866 µg/kg of vitamin D₃ (cholecalciferol), while the high vitamin D diet was enriched to 1779 µg/kg. Both diets maintained a consistent basal composition of 50% crude protein and 21% crude lipid, differing solely in their vitamin D₃ concentrations. The specific vitamin D₃ levels were quantified using liquid chromatography and mass spectrometry, and both diets were provided ad libitum to the respective salmon populations.
Results
The RNA sequencing (RNAseq) analysis revealed significant differences in gene expression between high and low vitamin D treatment groups in Atlantic salmon skin. The libraries, consisting of 12 samples (n = 6 for each group), exhibited a mean size of 13.1 Gb and a total mapping rate of 86.46%. Out of 33,195 expressed genes, 151 were significantly differentially expressed (adjusted p-value ≤ 0.05), with 131 genes downregulated and 20 upregulated. Notably, the gene msl (mellein synthase-like) showed the highest upregulation with a log2 fold change of 4.34, while lncrna106412 (long non-coding RNA) exhibited the greatest downregulation with a log2 fold change of -7.02.
Among the differentially expressed genes, 27 were identified as putative immune genes, categorized into innate immunity, adaptive immunity, inflammation, and antigen presentation. Key findings include the upregulation of antimicrobial defense-related genes such as bpifcl (bactericidal/permeability-increasing fold containing family C, like), cats (cathepsin S), and lysc2 (lysozyme). Additionally, genes involved in antigen presentation and adaptive immunity, such as b2m (beta-2-microglobulin) and ccr12b.1 (chemokine receptor), were also significantly upregulated. These results suggest that vitamin D supplementation may play a crucial role in modulating immune responses in Atlantic salmon.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant impact of vitamin D on gene expression in the skin of Atlantic salmon, as evidenced by the identification of 151 differentially expressed genes (DEGs) following vitamin D treatment. These genes are implicated in various physiological processes, particularly in immune functions such as innate immunity, adaptive immunity, inflammation, and antigen presentation. Notably, 27 of the DEGs are associated with immune responses, suggesting that vitamin D may enhance the salmon’s ability to combat pathogens. The study emphasizes the upregulation of genes related to antimicrobial peptides and innate immune responses, such as lysozyme and cathepsin S, which are crucial for pathogen defense.
Additionally, the research indicates that vitamin D supplementation leads to the downregulation of several pro-inflammatory genes, potentially reducing inflammation and improving immune responses against bacterial infections. Gene set enrichment analysis (GSEA) further reveals that vitamin D influences immune and cytokine activity within the skin, with enriched pathways linked to immune receptor activity and intracellular vesicle functions. The findings suggest that biofortifying Atlantic salmon with vitamin D could enhance both the nutritional value for human consumption and the immune health of the fish, warranting further investigation into the functional implications of these gene expression changes in response to various pathogens.