An integrated and comparative approach to genetic selection of the aquaculture species Dicentrarchus labrax

The European sea bass, Dicentrarchus labrax, is one of the most important marine species cultivated in Southern Europe and has not benefited from selective breeding. One of the major goals in the sea bass (D. labrax) aquaculture industry is to understand and control the complexity of growth associated traits. The aim of the methodology developed for the studies reported in the thesis was not only to establish genetic and genomic resources for sea bass, but to also develop a conceptual strategy to efficiently create knowledge in a research environment that can easily be transferred to the aquaculture industry. The strategy involved; i) establishing an annotated sea bass transcriptome and then using it to, ii) identify new genetic markers for target QTL regions so that, iii) new QTL analysis could be performed and marker based resolution of the DNA regions of interest increased, and then iv) to merge the linkage map and the physical map in order to map the QTL confidence intervals to the sea bass genome and identify genes underlying the targeted traits. Finally to test if genes in the QTL regions that are candidates for divergent growth phenotypes have modified patterns of transcription that reflects the modified whole organism physiology SuperSAGE-SOLiD4 gene expression was used with sea bass with high growth heterogeneity. The SuperSAGE contributed to significantly increase the transcriptome information for sea bass muscle, brain and liver and also led to the identification of putative candidate genes lying in the genomic region of growth related QTL. Lastly all differentially expressed transcripts in brain, liver and muscle of the European sea bass with divergent specific growth rates were mapped to gene pathways and networks and the regulatory pathways most affected identified and established the tissue specific changes underlying the divergent SGR. Owing to the importance of European sea bass to Mediterranean aquaculture and the developed genomics resources from the present thesis and from other studies it should be possible to implement genetic selection programs using marker assisted selection.

Produção integrada em tanques de terra: "estudo comparativo da produção integrada de cinco espécies de Sparideos em sistema de policultivo simples e em sistema integrado com ostras e holotúrias" e "abordagem teórica de um estudo económico para IMTA"

O presente trabalho teve como objetivo avaliar a produção de peixes em dois diferentes sistemas de cultivo, policultivo e aquacultura multi-trófica integrada, tomando como referência o crescimento das espécies, o estudo patológico das brânquias e análise de conteúdo estomacal das espécies envolvidas no ensaio (Sparus aurata, Diplodus cervinus, D. puntazzo, D. sargus e D. vulgaris), e por fim foi feita uma abordagem teórica para identificar os custos envolvidos no sistema. Para realização do ensaio foram usados seis tanques, sendo dois tratamentos, em regime triplicado. Os resultados indicam uma boa adaptação dos peixes em ambos os sistemas. A biomassa inicial foi de 0,12 Kg.mˉ3, sendo formada por: 12% Sparus aurata (119,5g), 33% Diplodus puntazzo (134,7g), 45% D. sargus (90,3g), 3% D. cervinus (37,6g) e 7% D. vulgaris (93,1g) e em três tanques também com 42 Kg de Holoturia tubulosa, pepinos do mar, e 75 Kg de Crassostrea angulata, ostras. D. cervinus, D. vulgaris e D. sargus apresentaram baixa taxa de crescimento, ≤ 0,7g/dia, ambas as espécies, e Diplodus cervinus apresentou baixa taxa de sobrevivência em ambos os sistemas (57,8% poli cultivo e 73,3% IMTA). Diplodus puntazzo foi a espécie que melhor se adaptou ao sistema de policultivo simples. Sparus aurata foi a espécie que apresentou melhor taxa de crescimento e melhor taxa de sobrevivência nos dois sistemas. Os conteúdos alimentares apresentaram semelhança entre Diplodus cervinus, D. vulgaris e Sparus aurata, semelhantes também foram os itens alimentares identificados em D. sargus e D. puntazzo, entretanto a preferência alimentar das últimas espécies citadas são opostas as das três primeiras. S. aurata e D. puntazzo que apresentaram maior peso médio foram preferencialmente infestadas por Lamellodiscus spp.. Nas espécies com pesos médios inferiores, como D. cervinus, D. sargus e D. vulgaris foram maiores as infestações por Microcotyle spp.

Chemical communication in the Mozambique tilapia: a role for amino acids

The Mozambique tilapia (Oreochromis mossambicus) is a maternal mouthbrooding cichlid from the southern Africa. The olfactory sensitivity of the species to 20 amino acids was assessed using the electro-olfactogram (EOG). We estimated whether the olfactory potency of the polar fraction of male urine can be explained by the presence of identified amino acids. In addition, filtrate and amino acid mixture of the urine of Nile tilapia were used to estimate their olfactory potency for O.mossambicus. Finally, concentrations of the main amino acids were measured in the urine of males of different social status and the correlations between amino acid concentration and hierarchical status were explored. L-cysteine, L-glutamine and L-threonine were the most potent stimuli at M while L-proline and L-aspartate were the least potent. Four groups of amino acids were identified according to their thresholds of detection and three groups – according to the similarity of their ɣ-factors. The estimated threshold of detection for O.mossambicus mixture was higher than that for the filtrate. On the contrary, the threshold of detection for the mixture of Nile tilapia was lower than that for the filtrate The concentration of L-arginine in the urine was positively correlated with fish dominance index. Both L-arginine and L-glutamic acid concentrations had much greater variability in dominant males (DI˃0.5) than in subordinate males (DI˂0.5). The urinary concentrations of L-phenylalanine had similar variability in dominant and subordinate groups. The Mozambique tilapia has olfactory sensitivity to all twenty amino acids tested. The fish showed more acute sensitivity to conspecific urine filtrate than to the heterospecific. Olfactory potency of O.mossambicus filtrate can be largely but not fully explained by the presence of L-arginine, L-glutamic acid and L-phenylalanine. Larginine and L-glutamic acid may indicate the dominance status of the fish and, possibly, individual identity.

Cartografia da densidade bentónica do Algarve central e previsões de cenários

Os fundos marinhos do Algarve central são cada vez mais sujeitos a pressões antropológicas. A pesca, a extração de inertes para reabastecimento de praias, os recifes artificais e aquacultura costeiras são exemplos de actividades que se desenvolvem nesse espaço. O conhecimento da variação espacial da densidade bentónica é um desafio que se coloca cada vez mais à comunidade científica. Para além do interesse para o conhecimento científico é também valioso intrumento de gestão ambiental. Numa altura em que existe cada vez pressão sobre o ambiente marinho, a gestão sustentada dos espaços, compatibilizando a conservação e as actividades, assente num conhecimento científico, é cada vez mais necessária. Este estudo, teve como objectivo, a criação de modelos que descrevam espacialmente as densidades de peixes (bentónicos e demersais) e de macroinvertebrados obtidas na área de estudo, os substratos móveis até aos 30 m de profundidade no Algarve Central. E ainda, a elaboração de cenários, nomeadamente na identificação de zonas com densidades mais elevadas, impacte de dragagens e um aumento da temperatura superficial do mar. Os modelos obtidos são representativos das realidades amostradas. Os resultados indicam a existência de variação sazonal nos locais de amostragem com as maiores densidades a ocorrerem na zona central da área de estudo e também em maiores profundidades. A simulação de uma área de dragagem indica, após o período de impacto inicial que não foi contabilizado, um provável aumento de densidade como consequência do aumento de profundidade na área impactada. A simulação do aumento da temperatura superficial do mar, indica a existência de uma diminuição das densidades bentónicas.

The effect of conservation measures on the spatial and temporal variation of rocky fish assemblages in the Arrábida Marine Park

Marine protected areas (MPAs) have been widely proposed for conservation purposes and as a tool for fisheries management. The Arrábida Marine Park is the first MPA in continental Portugal having a management plan, fully implemented since 2009. The main objective of this study was to evaluate the effect of protection measures on rocky reef fish assemblages and target invertebrates through before-after and control-effect (no-take vs. fished areas) underwater visual surveys and analysis of landings trends. Second, we used surveys before, during and after implementation of the management plan to understand fishers‟ preferences for fishing grounds and adaptation to the new rules, and evaluated the reserve effect through analysis of both ecological responses and fishing effort density. Third, we identified the main oceanographic drivers influencing the structure of reef fish assemblages and predicted the community structure for the last 50 years, in light of climatic change. Overall results suggest positive responses in biomass but not yet in numbers of some commercial species, with no effects on non-target species. The reserve effect is reinforced by the increase in landings of commercial species, despite increased fishing effort density in some areas, especially with octopus traps. Fishing grounds are mainly chosen based on the distribution of target species and associated habitats, but distance to port, weather conditions and safety also influence fishers‟ choices. Moreover, different fisheries respond differently to the protection measures, and within each fishery, individual fishers show distinct strategies, with some operating in a broader area whereas others keep preferred territories. Our results also show that wind stress and temperature are the main oceanographic drivers for rocky reef fish assemblages, with tropicalization of assemblages and polewards movements of species over the last 50 years consistent with temperature trends. We believe this study provides significant lessons for marine conservation and management of coastal systems.

Evolution, gene regulation and functional analysis of BMP2 in fish

Bone morphogenetic proteins (BMPs) are multifunctional growth factors belonging to the transforming growth factor β (TGFβ) superfamily with a central role in bone formation and mineralization. BMP2, a founding member of this family, has demonstrated remarkable osteogenic properties and is clinically used to promote bone repair and fracture healing. Lack of basic data on factors regulating BMP2 expression and activity have hampered a better understanding of its role in bone formation and bone-related diseases. The objective of this work was to collect new functional data and determine spatiotemporal expression patterns in a fish system aiming towards a better understanding of BMP2 function and regulation. Transcriptional and post-transcriptional regulation of gilthead seabream BMP2 gene was inferred from luciferase reporter systems. Several bone- and cartilage-related transcription factors (e.g. RUNX3, MEF2c, SOX9 and ETS1) were found to regulate BMP2 transcription, while microRNA 20a was shown to affect stability of the BMP2 transcript and thus the mineralogenic capacity of fish bone-derived host cells. The regulation of BMP2 activity through an interaction with the matrix Gla protein (MGP) was investigated in vitro using BMP responsive elements (BRE) coupled to luciferase reporter gene. Although we demonstrated the functionality of the experimental system in a fish cell line and the activation of BMP signaling pathway by seabream BMP2, no conclusive evidence could be collected on a possible interaction beween MGP and BMP2. The evolutionary relationship among the members of BMP2/4/16 subfamily was inferred from taxonomic and phylogenetic analyses. BMP16 diverged prior to BMP2 and BMP4 and should be the result of an ancient genome duplication that occurred early in vertebrate evolution. Structural and functional data suggested that all three proteins are effectors of the BMP signaling pathway, but expression data revealed different spatiotemporal patterns in teleost fish suggesting distinct mechanisms of regulation. In this work, through the collection of novel data, we provide additional insight into the regulation, the structure and the phylogenetic relationship of BMP2 and its closely related family members.

Recreational shore fishing in southern Portugal: biological and socio-economic aspects and perspectives for management

Although overfishing is a concern for many fish stocks, it was for a long time only associated with commercial fishing exploitation, with less or no attention being given to the recreational fisheries. Recent research has shown however that the impact of recreational fishing on particular species can be considerable, and that the recreational harvest needs to be taken into account if fisheries are to be accurately assessed and effectively managed. In Portugal, the first recreational fishing regulations were only recently implemented. However, mirroring other European countries, regulations lacked scientific support, and specific knowledge of the activity was limited to a few studies with limited coverage. This thesis aimed to characterize the biological and socioeconomic aspects of the recreational shore angling activity in southern Portugal, to investigate whether the regulations in place were adequate and effective, and to provide recommendations for improved management and conservation of the inshore fisheries resources. A combined aerial-roving survey was conducted to gather data on fishing effort, catch, fishing trips and socioeconomic aspects (including anglers’ perceptions of regulations) of the recreational angling activity. The analysis of anglers’ catches suggested that compliance with daily bag limits was high, with less than 0.5% of creels exceeding the 10 kg angler-1 day-1 bag limit. Overall, 11.5% of the retained fishes were undersized, but non-compliance with minimum size limits was found to be high for some species (e.g. seabass, 73% undersized). In terms of the impact of recreational shore angling, the total estimated catches corresponded to less than 1% of the commercial landings for the same period (shared species). However, shore angling catches for white sea bream (Diplodus sargus) were found to be considerable, corresponding to 65% of the commercial landings (39.4% of total catch). In terms of anglers’ perceptions about the recreational fishing regulations in Portugal, the present study has shown that the majority of anglers accepted the existence of some kind of SRF regulations, but in general there was a partial or total disagreement with the recreational fishing restrictions recently put in place. Most anglers perceived themselves as not being involved in the decision-making process and claimed that some restrictions lacked a meaningful rationale (e.g. prohibition of fishing from piers/jetties). Fishers’ awareness with regard to specific aspects of the restrictions (such as the rationale for minimum size limits) was found to be very limited. During the same period, catches from sport fishing competitions were examined to test for differences with the recreational activity in terms of catches, and evaluate long term trends in catch and mean size of fish. Catches of the sport fishing competitions were found to be different from those observed for recreational fishing, being dominated by different species (e.g. garfish, mullets), and suggesting different fishing strategies of the the two types of anglers. High percentages of undersized fish were observed to be captured (and retained) during the competitions (in particular seabass, with 100% undersized), probably as a result of a single allowable minimum size (AMS) of 15 cm for all species in use in competitions. Lastly, catch and release fishing experiments were carried out to assess post-release mortality of three recreationally important species: two banded sea bream Diplodus vulgaris; black sea bream Spondyliosoma cantharus; and gilthead sea bream Sparus aurata. Post-release mortalities were found to be low (0-12%). The main predictor of mortality for Sparus aurata was anatomical hooking location, with 63% of the fishes that died being deeply hooked. The results support the release of fish, either from mandatory (e.g. minimum landing sizes) or voluntary practices. In summary, this thesis has demonstrated that the impact of recreational fishing for particular species is significant and needs to be taken into account for more effective management and stock assessment purposes. It has also highlighted several management issues that should be addressed in order to promote more adequate regulations in the future and prevent noncompliance issues. A periodic monitoring of the recreational fishing activity including all fishing modes (i.e. spear fishing, boat, and shore angling) would also be beneficial to ensure a timely knowledge on the global recreational fishing activity and support future management actions.

Neuroendocrinologia do comportamento social no ciclídeo africano Oreochromis mossambicus: mecanismos reguladores e modulação social da reprodução

A reprodução em teleósteos é controlada pelo eixo hipotálamo-pituitária-gónada (HPG) que modula a gametogénese, o desenvolvimento dos caracteres secundários e a expressão do comportamento reprodutor. A informação sobre fatores endógenos e exógenos é integrada no cérebro e a atividade do eixo HPG é regulada, fazendo com que traços comportamentais sejam expressos no momento e no contexto certos. Fatores exógenos relacionados com condições físicas do ambiente (e.g. temperatura e fotoperíodo) têm o papel principal no controlo da reprodução. No entanto, o estatuto social e o contexto social têm sido menos estudados. Mecanismos hormonais e neuroendócrinos são muito conservados ao longo dos vertebrados, fazendo dos peixes um bom modelo para o estudo da endocrinologia do comportamento. Os objetivos gerais deste trabalho consistem em determinar de que forma o contexto social interfere na expressão do comportamento e o papel de mecanismos hormonais e neuroendócrinos nesse processo, sendo abordados dois mecanismos, os androgénios e os neuropéptidos arginina vasotocina (AVT) e Isotocina (IT), dando-se especial relevância à AVT. A tilápia moçambicana (Oreochromis mossambicus) foi o modelo usado. A a sua biologia é bem conhecida, é muito adaptável a condições artificiais, e que tem uma importância económica crescente. Esta espécie possui um sistema social elaborado, com machos a organizarem-se em arenas reprodutoras, onde escavam depressões no substrato, para as quais atraem as fêmeas para a reprodução. Todos os trabalhos apresentados nesta dissertação tiveram como como sujeito focal o macho. Esta tese está organizada quatro capítulos. No capítulo I- Introdução geral, é apresentada uma revisão da literatura relevante para enquadrar o presente trabalho. Os capítulos II e III englobam os 4 artigos científicos que foram redigidos, denominados de artigo 1 a 4, consoante a ordem em que são apresentados na tese. O capítulo II, intitulado “Modulação social da reprodução”, é apresentado um estudo (artigo 1) que aborda o efeito do ambiente social no comportamento e no estado fisiológico da tilápia moçambicana. Com este trabalho pretendia-se perceber qual o efeito do contexto de instabilidade social nos níveis plasmáticos hormonais e a influência destes contextos na criação de padrões de comportamento. Gerou-se com sucesso um cenário de instabilidade social, através da substituição de machos dominantes entre replicados, por oposição ao contexto social estável em que os animais foram retirados e reintroduzidos no mesmo aquário. Em contexto social instável verificou-se tal como esperado, um aumento do comportamento agonístico. Apesar da agressividade não ter sido acompanhada pelo aumento dos níveis hormonais, os resultados sugerem que os androgénios funcionam como fator de reforço da integração na criação de padrões comportamento em contexto social instável, mostrando assim uma otimização do comportamento em períodos de instabilidade social. No capítulo III, intitulado “Mecanismos reguladores do comportamento social”, são apresentados três artigos e foi dividido em duas secções. Na primeira é abordado o papel dos androgénios (artigo 2) e na segunda o papel da AVT e IT (artigo 3 e 4) na regulação do comportamento social. Em relação ao estudo do papel dos androgénios (artigo 2), pretendeu-se estudar o efeito da falta de androgénios em circulação na exibição do comportamento agonístico e reprodutor. Para tal, procedeu-se à castração de machos de tilápia. A remoção integral das gónadas baixou os níveis de androgénios em cerca de 90% para a testosterona e quase 100% para 11KT e provocou uma completa abolição do comportamento reprodutor (construção do ninho, coloração nupcial e corte), no entanto o comportamento agonístico não foi afetado. Revelou-se desta forma que o mecanismo de regulação do comportamento reprodutor e agonístico é diferente, com os androgénios como agentes mediadores do comportamento reprodutor e moduladores do comportamento agonístico, uma vez que a literatura existente relaciona os androgénios com o comportamento agonístico nesta espécie. O estudo da regulação da AVT e IT em função do estatuto social foi efetuado com duas abordagens diferentes, resultando em dois artigos científicos (artigo 3 e 4). A primeira tinha como objetivo perceber se a AVT e IT estava distribuída por todo o cérebro em quantidades mensuráveis ou apenas em alguma área específica, além de perceber qual a diferença dos níveis cerebrais e glândula pituitária entre machos dominantes e subordinados. Procedeu-se ao doseamento da AVT e IT no cérebro através de cromatografia de fase líquida (high performance liquid cromatography, HPLC) em machos dominantes e subordinados (com o estatuto estabilizado há pelo menos 5 semanas). O cérebro foi dividido em 7 áreas [bolbos olfativos, telencéfalo, teto ótico, diencéfalo, cerebelo, rombencéfalo e pituitária (considerada como área cerebral para efeitos comparativos)]. Verificou-se que a área que apresentou uma maior concentração de neuro péptidos (AVT e IT) foi a pituitária, seguida dos bolbos olfactivos e finalmente as restantes áreas. A existência destes neuropéptidos no bolbo olfactivo sugere que a AVT e IT estão implicadas no mecanismo de reconhecimento social. Esta relação tem particular importância para esta espécie uma vez que a Tilápia usa o mecanismo do olfacto, por exemplo para o reconhecimento do estado reprodutivo das fêmeas. Machos subordinados apresentaram concentrações de AVT superiores na pituitária, o que sugere a influência da AVT num processo fisiológico específico relacionado com a subordinação. Uma vez que machos subordinados armazenam menos urina do que machos dominantes (machos dominantes armazenam grandes quantidades de urina que libertação de forma pulsátil, de forma dependente do contexto, aumentando o número de pulsos na presença de machos rivais ou fêmeas pré-ovuladas). A AVT pode estar a exercer um efeito antidiurético nos machos subordinados diminuindo assim a produção de urina. Machos dominantes apresentaram valores superiores de IT no rombemcéfalo, sugerindo que a isotocina pode estar relacionada com o comportamento social em dominantes. Para avaliar o efeito do estatuto na organização dos grupos neuronais produtores de AVT (situados na área pré-ótica) foram criadas condições semelhantes à situação anterior, neste caso foram contabilizados os neurónios imunorreativos à AVT na área pré-ótica e medida a área dos corpos celulares em machos dominantes, subordinados e fêmeas. Os grupos neuronais da área pré-ótica são constituídos por células parvocelulares (pPOA), magnocelulares (mPOA) e gigantocelulares (gPOA). A literatura relaciona uma maior expressão de células pPOA em machos subordinados e gPOA em dominantes, no entanto os resultados do artigo 4 mostraram que machos subordinados aumentaram a área dos corpos celulares de todos os grupos neurais, e todos os grupos apresentam projeções para pituitária (apesar de projetarem para outra áreas) sugerindo que este aumento generalizado do tamanho das células implica um aumento da produção de AVT direcionada para a pituitária. As células (principalmente a área dos corpos celulares) correlacionaram-se negativamente com o comportamento agressivo e positivamente com o comportamento de fuga, sugerindo uma inibição geral do comportamento reprodutor e agonístico em machos subordinados. O tamanho das células mPOA está inversamente associado ao peso do rim o que sugere um efeito deste grupo neural no rim provavelmente implicado no mecanismo antidiurético em machos subordinados.

Molecular structure and functional analysis of runx3 in zebrafish

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Universidade do Algarve, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, 2014

Identification and molecular characterization of bone-related micrornas: functional implications

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2014

Controle hormonal da diferenciação e inversão sexual na dourata Sparus aurata (L.)

Tese de Doutoramento, Biologia Marinha, Unidade de Ciências e Tecnologias dos Recursos Aquáticos, Universidade do Algarve, 2001

Caracterização não-invasiva da morfologia e fisiologia cardíaca de Halobatrachus didactylus: aplicação da ecocardiografia

Tese de Doutoramento, Biologia, Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, Universidade do Algarve, 2001

Contamination of farmed gilthead sea bream (Sparus aurata, Linnaeus, 1758) by the parasite Amyloodinium ocellatum: a proteomic approach

Dissertação de mestrado, Aquacultura e Pescas, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Uniersidade do Algarve, 2015

Identification of novel molecular determinants of tissue mineralization in fish

The identification of genes involved in signaling and regulatory pathways, and matrix formation is paramount to the better understanding of the complex mechanisms of bone formation and mineralization, and critical to the successful development of therapies for human skeletal disorders. To achieve this objective, in vitro cell systems derived from skeletal tissues and able to mineralize their extracellular matrix have been used to identify genes differentially expressed during mineralization and possibly new markers of bone and cartilage homeostasis. Using cell systems of fish origin and techniques such as suppression subtractive hybridization and microarray hybridization, three genes never associated with mechanisms of calcification were identified: the calcium binding protein S100-like, the short-chain dehydrogenase/reductase sdr-like and the betaine homocysteine S-methyltransferase bhmt3. Analysis of the spatial-temporal expression of these 3 genes by qPCR and in situ hybridization revealed: (1) the up-regulation of sdr-like transcript during in vitro mineralization of gilthead seabream cell lines and its specificity for calcified tissues and differentiating osteoblasts; (2) the up-regulation of S100-like and the down-regulation of bhmt3 during in vitro mineralization and the central role of both genes in cartilaginous tissues undergoing endo/perichondral mineralization in juvenile fish. While expression of S100-like and bhmt3 was restricted to calcified tissues, sdr-like transcript was also detected in soft tissues, in particular in tissues of the gastrointestinal tract. Functional analysis of gene promoters revealed the transcriptional regulation of the 3 genes by known regulators of osteoblast and chondrocyte differentiation/mineralization: RUNX2 and RAR (sdr-like), ETS1 (s100-like; bhmt3), SP1 and MEF2c (bhmt3). The evolutionary relationship of the different orthologs and paralogs identified within the scope of this work was also inferred from taxonomic and phylogenetic analyses and revealed novel protein subfamilies (S100-like and Sdr-like) and the explosive diversity of Bhmt family in particular fish groups (Neoteleostei). Altogether our results contribute with new data on SDR, S100 and BHMT proteins, evidencing for the first time the role for these three proteins in mechanisms of mineralization in fish and emphasized their potential as markers of mineralizing cartilage and bone in developing fish.

Connectivity patterns and early life history of the black-faced blenny Tripterygion delaisi (Cadenat and Blache, 1970)

Tese de doutoramento, Ciências do Mar, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015