an investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous...

156
An investigation of functional diversity of endogenous cellulase and expression of other digestive enzyme genes in freshwater crayfish (Cherax) species Dammannagoda Acharige Lalith Keerthiratne BSc (Agriculture) sp. Hons, MSc (Agriculture) School of Earth, Environmental and Biological Sciences Science and Engineering Faculty Queensland University of Technology Brisbane, Australia A thesis submitted in fulfilment of requirements for the degree of Doctor of Philosophy 2014

Upload: others

Post on 27-Mar-2020

10 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

Aninvestigationoffunctionaldiversityofendogenouscellulase

andexpressionofotherdigestiveenzymegenesinfreshwater

crayfish(Cherax)species

       

Dammannagoda Acharige Lalith Keerthiratne BSc (Agriculture) sp. Hons, MSc (Agriculture) 

      

School of Earth, Environmental and Biological Sciences 

Science and Engineering Faculty 

Queensland University of Technology 

Brisbane, Australia   

           

A thesis submitted in fulfilment of requirements for the degree of  Doctor of Philosophy 

2014 

Page 2: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

ii  

                                  

Keywords

Cherax, freshwater crayfish, redclaw, yabby, marron, soluble cellulose, starch, endo‐

beta‐glucanase,  endogenous  cellulases,  endo‐beta‐mannanase,  digestive  enzymes, 

digestibility,  transcriptome,  transcripts,  enzyme  expression,  gene  expression, 

hepatopancreas, midgut gland, next generation sequencing, ion torrent, ion proton 

   

Page 3: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

iii  

Statementoforiginalauthorship   

QUT Verified Signature  Lalith Dammannagoda Acharige August, 2014   

   

Page 4: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

iv  

Workspublishedorsubmittedforpublicationbytheauthorincorporatedintothethesis

 

Statement of contribution to jointly authored works in the thesis. 

1. Dammannagoda L. K., Pavasovic A., Hurwood D. A. & Mather P. B. (2013). Effects 

of  soluble dietary  cellulose on  specific  growth  rate,  survival  and digestive enzyme 

activities  in three freshwater crayfish (Cherax) species. Aquaculture Research online 

version doi:10.1111/are.12209 

 

This manuscript  is  incorporated  as  Chapter  2  of  this  thesis.    The  first  author was 

responsible  for  conducting  the  research,  analysis  and  interpretation  of  data,  and 

written  work  for  this  manuscript.  The  co‐authors  were  involved  in  refining  the 

experimental design and provided conceptual, logistical and editorial support. 

 

2. Dammannagoda L. K., Pavasovic A., Prentis P.  J., Hurwood D. A & Mather P. B. 

(2014).  Expression  and  characterisation  of  digestive  enzyme  genes  from 

hepatopancreatic  transcripts  from  redclaw  crayfish  (Cherax  quadricarinatus). 

Aquaculture Nutrition (accepted). 

 

This manuscript  is  incorporated  as  Chapter  3  of  this  thesis.    The  first  author was 

responsible  for  conducting  the  research,  analysis  and  interpretation  of  data,  and 

written work for this manuscript. The co‐authors provided conceptual, logistical and 

editorial  support.  In  addition,  the  second  and  third  co‐authors  were  involved  in 

refining the experimental design and data analysis.   

 3. Dammannagoda  L.  K.,  Prentis  P.  J.,  Amin  S.,  Hurwood  D.  A, Mather  P.  B.  & 

Pavasovic  A.  Expression  patterns  of  selected  digestive  enzyme  genes  in  the 

hepatopancreas of redclaw (Cherax quadricarinatus) fed two different carbohydrate 

sources. (manuscript in preparation for submission to BMC Genomics) 

 

This manuscript  is  incorporated  as  Chapter  4  of  this  thesis.    The  first  author was 

responsible  for  conducting  the  research,  analysis  and  interpretation  of  data,  and 

Page 5: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

v  

written work for this manuscript. The co‐authors provided conceptual, logistical and 

editorial  support.  In  addition,  the  second  and  last  co‐authors  were  involved  in 

refining the experimental design and data analysis. The third co‐author helped with 

tissue extraction and data analysis.  

   

Page 6: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

vi  

Acknowledgments

This Thesis is dedicated to my late father, my mother and all teachers who have 

taught and enlightened me through giving knowledge. 

First and foremost, my sincere thanks go to my supervisors, Prof. Peter Mather, Dr. 

David Hurwood (School of Earth, Environmental and Biological Sciences, Science and 

Engineering  Faculty, Queensland University  of  Technology)  and Dr. Ana  Pavasovic 

(School  of  Biomedical  Sciences,  Faculty  of  Health,  Queensland  University  of 

Technology)  for all  their help and  support given  to me  to make my PhD  journey a 

successful  one.  Thanks  to  their  excellent  supervision,  advice,  guidance  and 

constructive  comments  during  the  project  period  and  writing  this  thesis.  In 

particular, thanks to Peter for taking heed and guiding this project to the completion, 

thanks  to David  for  his  eye  for  details  during  editing manuscripts  and  this  thesis. 

Special thanks to Ana who has been closely following me up from the beginning and 

teaching me A, B, C of my project. Her encouragements and motivations “fuelled” 

and kept me on  the  track.  I was  lucky  to have such a great “class  teacher”  for my 

PhD. I gratefully appreciate her friendly attitude and enormous support given to me 

during my candidature.  

I would also thank to Dr. Peter Prentis (School of Earth, Environmental and Biological 

Sciences,  Science  and  Engineering  Faculty,  Queensland  University  of  Technology) 

who  opened  my  eyes  to  the  new  world  of  genetics,  RNA  and  next  generation 

sequencing and for his significant contribution made for the second and third studies 

of  my  PhD  project.  Thank  you  for  your  excellent  teaching,  a  wide  range  of 

information related to RNA extraction and next generation sequencing and for your 

friendliness! 

I am grateful  for  the  time  spent and generous help given by Associate Prof. Flavia 

Hugens  and Dr.  Irani Ratnayake  (School of Biomedical  Sciences,  Faculty of Health, 

Queensland  University  of  Technology)  teaching  me  quantitative  real‐time  PCR 

experiments and data analysis. I would also like to extend my gratitude to Dr. Patrick 

Danoy  (Roche,  Australia)  for  demonstrating  me  conducting  real‐time  PCR 

Page 7: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

vii  

experiments  using  LightCycler96®  and  data  analysis.  You  didn’t  hesitate  to make 

several visits to QUT just for this purpose!    

I would  like  to  thank QUT  for awarding me QUTPRA  scholarship and providing me 

necessary facilities to conduct my PhD project here. Thanks to all  in QUT Molecular 

Genetic Resource Facility (MGRF) and technical staff at Banyo Pilot Plant Precinct for 

the  help  given  to  me  during  my  project  period.  Specially,  Vincent  Chand  who 

facilitated  arranged  and  organised  everything  for  freshwater  crayfish  growth  trial 

conducted  in Banyo and genetics works  in MGRF  laboratory.  I would also  thank  to 

Ms. Kylie Agnew‐Francis and Hamish Kelly for fast‐track sequencing my samples and 

to Shane Russell for providing me some equipment for Banyo Aqualab.  I also thank 

to administration, technical, academic and research staff within the school of Earth, 

Environmental  and  Biological  Sciences  for making  a  friendly  environment  with  a 

feeling of belonging to a community of people.  

My  sincere  thanks  go  to  Kristian  Just  (Technical  Account  Manager,  Ridley  Agri 

Products Pty Ltd)  for donating us shrimp meal and other  feed  ingredients  to make 

our experimental diets. I greatly acknowledge the support and cooperation given by 

freshwater  crayfish  suppliers  (Redclaw:  Debbie White,  Peter  and  Ethel Moore  – 

Cherax park, Theebine, Gympie, QLD; Marron: Peter McGinty – Aquatic Resources 

Management Pty  Ltd., Manjimup west, WA; Yabby: Peter and Margaret Burns – B 

and  B  yabby  farm, Mudgee,  NSW)  by  supplying  us  good  quality  animals.  Special 

thanks to Cherax Park for donating us redclaw for the third study. 

I would  like  to  thank members  of  Physiology Genomics  Lab  (PGL) where  our  lab 

group met  regularly and discussed  issues  related  to our project works,  shared our 

experiences and  learnt new knowledge. Special thanks to Shorash Amin and Mohd 

Yousuf Ali  for helping me with my project work. Thanks  to all my  fellow postgrads 

from  past  and  present with  special mention  Dr.  Eleanor  Adamson,  Dr. Matthew 

Krosch,  Dr.  Litticia  Bryant,  Dr.  Kumaran  Nagalingam,  Karma  Wnagchuck,  Coralie 

Siegel, Amal Al Saadi, Feni  Iranawati, Norainy Mohd Husin,  Jobina Lopez, Melodina 

Fabillo, Purnika Ranasinghe, Li Xin Eow, Yuvarin Boontop, Dania Aziz, Md. Lifat Rahi, 

Sandya  Nanayakkara,  (School  of  Earth,  Environmental,  Biological  Sciences), 

Page 8: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

viii  

Nadeesha  Jayasundara,  Imalka  Tennakoon  (School  of  Biomedical  Sciences)  Prasad 

Neelawala, Suresh Shanaka  (Business  school), Dr.  Isuru Wickramasinghe  (School of 

Chemistry, Physics and Mechanical Engineering), Dr. Lahiru Ratnayake, Dr. Chanaka 

Abeysinghe for their valuable support given to me not only in university life but also 

in my personal life.  

I  should  thank  Terrence  (and his  family,  Shyama  and  little Nevi), my brother who 

came to Australia ten years before me for his PhD and was always encouraging me to 

come to QUT and do a PhD. As my elder brother, he always wants to see that I am 

progressing  in  my  higher  education.  Unless  his  continuous  influence  and 

encouragement, I would not have got my mind motivated and decided to do a PhD. 

Moreover, his presence in Brisbane made everything easy for me in settling down to 

new  destination  which  could  be  a  rare  opportunity  for  many  new  international 

students.  

Last but not  least, my deepest thanks with  love go to my wife, Kaumudi  for taking 

care of most of household matters and looking after our two sons, leaving me away 

from those responsibilities while I am busy with my studies. I would like to recognise 

the  sacrifice  she made  and  her  patience  to  get me  through  this  journey. My  last 

words, but above all, are  for my  little two sons, Anurag and Nethul  for making our 

lives happier with bringing new hopes day by day.   

              

Page 9: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

ix  

Abstract

Contribution  of  farmed  crustacean  species  to  global  aquaculture  production  is 

currently only 9.6 per cent and  is mainly composed of farmed marine species. With 

the  ongoing  decline  in most  commercial  crustacean  fisheries,  freshwater  crayfish 

farming has gained significant attention over the  last couple of decades as a viable 

addition  to  the existing commercial  fisheries of other  types of marine crustaceans. 

Current  commercial  farming  practices  however,  are  not  fully  developed  and  are 

failing  to meet  the  current  growth  in world market demand. Redclaw  is  the most 

widely  farmed  Australian  native  species  of  freshwater  crayfish  followed  by  yabby 

and marron; the three species  in the genus (Cherax) that are farmed commercially. 

Lack  of  appropriate  information  about  specific  nutrient  requirements  and 

appropriate  feeding practices  for Cherax species has,  to date,  limited development 

of  their  aquaculture.  To  address  this  significant  knowledge  gap,  the  current  study 

investigated  growth  and  digestive  enzyme  activities  of  the  three  major  Cherax 

species fed soluble cellulose.  In addition, redclaw hepatopancreas was profiled and 

expressed  sequence  tags  (ESTs)  were  characterised  with  reference  to  digestive 

metabolism.  Furthermore,  deep  sequencing  was  used  to  assess  differentially 

expressed  digestive  enzyme  genes  from  the  hepatopancreas  in  redclaw  fed  two 

different carbohydrate sources.  

Effects  of  soluble  dietary  cellulose  on  growth,  survival  and  digestive  enzyme 

activities  in  three  Australian  freshwater  crayfish  species  (redclaw:  Cherax 

quadricarinatus,  marron:  C.  tenuimanus,  yabby:  C.  destructor)  were  evaluated. 

Separate  individual  feeding  trials were  conducted  on  late‐stage  juveniles  of  each 

species  in an automated recirculating freshwater, culture system. Animals were fed 

either a test diet (TD) that contained 20% soluble cellulose or a reference diet (RD) 

substituted with  the same amount of corn starch, over a 12 week period. Redclaw 

fed  with  RD  showed  significantly  higher  (p<0.05)  specific  growth  rates  (SGR) 

compared with animals fed the TD, while SGR of marron and yabby fed the two diets 

were  not  significantly  different.  Marron  and  yabby  showed  significantly  higher 

cellulase activity when fed the RD (p<0.05) while expressed cellulase activity levels in 

redclaw  were  not  significantly  different  between  diets.  Amylase  and  protease 

Page 10: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

x  

activity in all three species were significantly higher in animals fed with RD (p<0.05). 

Results  indicate  that  test animals of all  three species appear  to utilise starch more 

efficiently  than  soluble  dietary  cellulose  in  their  diet.  No  significant  difference  in 

cellulase activity observed between redclaw  fed the two diets however, suggests a 

better ability  to utilise complex structural polysaccharides  in  their diets, compared 

with the other two species. 

Higher endogenous  cellulase  activities  and molecular evidence  for  an endogenous 

corresponding gene(s) that produce endo‐β‐1, 4 glucanase in redclaw have directed 

recent research at assessing the characteristics of redclaw carbohydrase enzyme(s). 

While  a  number  of  digestive  enzymes  and  enzyme  activity  studies  have  been 

conducted  on  this  species,  currently  there  is  very  little  information  available  on 

genes  encoding  digestive  enzymes  or  their  relative  expression  levels  related  to 

digestive capacity. Here, the redclaw hepatopancreas was dissected from an animal 

acclimated  to  the  experimental  conditions  and  normal  shrimp  feed. 

Hepatopancreatic  transcriptomes  were  profiled  for  ESTs  using  a  next  generation 

sequencing (NGS) approach (Ion Personal Genome machine) and all resulting contigs 

were assembled using Trinity software, referenced to the NR database at NCBI and 

annotated using Blast2GO software. All contigs were then screened against protein 

databases  and  the  nucleotide  database  using  BLASTx.  Annotated  contigs  were 

characterised  in  particular,  paying  special  attention  to  the  animal’s  digestive 

metabolism.  While  endoglucanases  were  the  most  abundant  group  of  digestive 

enzymes found, a number of novel transcripts were also detected. Here we provide 

the  first  report  for  the  presence  and  expression  of  an  endo‐β‐mannanase  in 

freshwater  crayfish hepatopancreas. This novel gene  showed  significant alignment 

with  a GH5  family protein  reported  from marine  Limnoriids  that  are wood borers 

and  that do not possess  symbiotic microbes  in  their  gut  system.   Most expressed 

digestive genes in redclaw were involved in carbohydrate metabolism demonstrating 

that  redclaw  have  an  innate  capacity  to  digest  a  wide  range  of  carbohydrate 

substrates.  

Expression patterns of digestive enzyme genes in the hepatopancreas of redclaw fed 

two different carbohydrate sources (soluble cellulose and corn starch), at 20 per cent 

Page 11: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

xi  

inclusion  level were then explored to  investigate differential expression patterns of 

digestive  enzyme  genes  in  response  to  those  two  ingredients  that  have  different 

structural complexities.  Pre‐adult redclaw were starved for 48 hours following which 

they  were  fed  with  their  respective  diets.  After  90  minutes  of  feeding  time, 

hepatopancreatic tissue was dissected for RNA extraction and transcriptome analysis 

using the  Ion Proton NGS platform. High quality mRNA samples from three animals 

from each diet were then bar corded and sequenced on two separate chips (PI). All 

contigs  resulting  from  both  chips  were  assembled  (Trinity)  and  annotated  using 

Blast2GO  software,  referenced  to  the NR database  at NCBI. All  contigs were  then 

screened  against  protein  databases  using  BLASTx.  The  transcripts  we  sequenced 

showed a vast array of expressed genes  in redclaw hepatopancreas and analysis of 

ESTs  from  both  test  groups  revealed  that most  redclaw  digestive  enzyme  genes 

expressed  are  involved  in  carbohydrate metabolism.  Soluble  cellulose  in  the  diet 

resulted in more genes being expressed and at higher expression levels, in particular, 

genes  that produced enzymes  involved  in hydrolysis of  lignocellulosic material.    In 

contrast,  dietary  soluble  cellulose  resulted  in  lower  expression  of  alpha  amylase 

compared  with  dietary  starch  in  the  redclaw  hepatopancreas.  A  wide  range  of 

redclaw digestive enzyme genes and presence of a number of isoforms, suggest that 

this  species  has  innate  genetic  capacity  to  utilise  a  wide  range  of  carbohydrate 

substrates  of  different  structural  complexity  and  a  special  ability  to  digest 

lignocellulosic  materials.  Digestive  enzyme  gene  expression  patterns  in  the 

hepatopancreas of redclaw reflect natural feeding behaviour. 

The data  generated here  can  contribute  significantly  to our  current  knowledge of 

redclaw and other Australian freshwater crayfish nutrition and provide an important 

resource  for  improving  our  understanding  of  their  digestive  physiology.  The 

transcriptome  studies  provide  preliminary  findings  on  digestive  enzyme  gene 

expression in redclaw hepatopancreas and important information about the species’ 

genetic make‐up. As revealed here, there is a potential to incorporate complex plant 

polysaccharides  into their diets when  formulating a specific diet  in order to reduce 

overall  feed  cost.  Together,  the  data  generated  can  help  to  identify  low‐cost 

potential  feed  ingredients  that are well matched  to  the animal’s digestive enzyme 

Page 12: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

xii  

activities  and  genetic  capacity  and  that  can  be  utilised  efficiently  by  them when 

specific formulated diets are developed.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 13: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

xiii  

Noteonthesispreparation

Chapter 2 to 4 of this thesis represent individual, independent studies that each have 

a  discrete  set  of  specific  objectives  and  introduction  and  discussion  sections 

particular to each study. As such, there  is some necessary repetition of  information 

in  the  General  Introduction  (Chapter  1)  and  General  Discussion  and  conclusions 

sections (Chapter 5) when compared with the introductions and discussions sections 

of chapter 2 to 4.   

   

Page 14: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

xiv  

Tableofcontents

KEY WORDS .................................................................................................................................... II 

STATEMENT OF ORGINAL AUTHORSHIP ......................................................................................... III 

WORKS PUBLISHED OR SUBMITTED FOR PUBLICATION BY THE AUTHOR INCORPORATED INTO THE 

THESIS ........................................................................................................................................... IV 

ACKNOWLEDGMENTS .................................................................................................................... VI 

ABSTRACT ..................................................................................................................................... IX 

NOTE ON THESIS PREPARATION ................................................................................................... XIII 

TABLE OF CONTENTS .................................................................................................................... XIV 

LIST OF FIGURES .......................................................................................................................... XVI 

LIST OF TABLES .......................................................................................................................... XVIII 

CHAPTER1: GENERAL INTRODUCTION .......................................................................................... 1 

1.1 THE CONTRIBUTION FROM AQUACULTURE TO WORLD FOOD SUPPLY ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 1 

1.2 CRUSTACEAN AQUACULTURE ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 2 

1.3 FRESHWATER CRAYFISH AND CRAYFISH AQUACULTURE ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 3 

1.4 CHERAX SPECIES ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 4 

1.5 REDCLAW (CHERAX QUADRICARINATUS) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 6 

1.6 OTHER ECONOMICALLY IMPORTANT CHERAX SPECIES ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 7 

1.6.1 Yabby (Cherax destructor) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 7 

1.6.2 Marron (Cherax tenuimanus) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 9 

1.7 AQUA FEEDS AND FRESHWATER CRAYFISH NUTRITION ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 10 

1.8 NUTRITION AND DIGESTIVE PHYSIOLOGY OF FRESHWATER CRAYFISH ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 13 

1.8.1 Crayfish natural habitats and feeding behaviour ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 13 

1.8.2 Nutritional requirements of redclaw ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 13 

1.8.3 Digestive enzymes ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 17 

1.8.4 Endogenous cellulase ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 19 

1.8.5 Digestive enzyme gene expression and transcriptome analysis ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 20 

1.9 CELLULOSE AND BIOLOGICAL DEGRADATION OF CELLULOSE ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 22 

1.10 CELLULOSE PLANT MATERIAL AND CRAYFISH DIET FORMULATION: IMPORTANCE OF ENDOGENOUS CARBOHYDRASES‐  

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 22 

1.11 CURRENT STUDY ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 24 

CHAPTER2: EFFECTS OF SOLUBLE DIETARY CELLULOSE ON SPECIFIC GROWTH RATE, SURVIVAL 

AND DIGESTIVE ENZYME ACTIVITIES IN THREE FRESHWATER CRAYFISH (CHERAX) SPECIES ............ 26 

ABSTRACT ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 28 

2.1 INTRODUCTION ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 29 

2.2 MATERIALS AND METHODS ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 31 

2.2.1 Preparation of experimental diets ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 31 

2.2.2 Experimental animals and culture conditions ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 33 

2.2.3 Digestive enzyme analyses ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 34 

2.2.4 Statistical analyses ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 36 

2.3 RESULTS ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 37 

2.3.1 Feeding trial ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 37 

2.3.2 Enzyme activity levels ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 39 

Page 15: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

xv  

2.4 DISCUSSION ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 39 

2.5 ACKNOWLEDGMENTS ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 45 

CHAPTER3: EXPRESSION AND CHARACTERISATION OF DIGESTIVE ENZYME GENES FROM 

HEPATOPANCREATIC TRANSCRIPTS FROM REDCLAW CRAYFISH (CHERAX QUADRICARINATUS) ..... 46 

ABSTRACT ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 48 

3.1 INTRODUCTION ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 49 

3.2 MATERIALS AND METHODS ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 51 

3.2.1 Collection of tissues and RNA extraction ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 51 

3.2.2 cDNA synthesis, library preparation and sequencing‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 52 

3.2.3 Analysis ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 52 

3.3 RESULTS ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 54 

3.3.1 Transcriptome sequencing and reads assembly ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 54 

3.3.2 Functional annotation of transcripts and gene ontology (GO) assignment ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 54 

3.3.3 Identification of candidate digestive genes in redclaw hepatopancreas ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 55 

3.4 DISCUSSION ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 59 

3.5 ACKNOWLEDGMENTS ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 69 

3.6 SUPPLEMENTARY MATERIAL ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 70 

CHAPTER4: EXPRESSION PATTERNS OF SELECTED DIGESTIVE ENZYMES GENES IN THE 

HEPATOPANCREAS OF REDCLAW (CHERAX QUADRICARINATUS) FED TWO DIFFERENT 

CARBOHYDRATE SOURCES ............................................................................................................ 76 

ABSTRACT ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 78 

4.1 INTRODUCTION ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 79 

4.2 MATERIALS AND METHODS ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 82 

4.2.1 Experimental animals and diets ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 82 

4.2.2 Total RNA extraction ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 82 

4.2.3 mRNA enrichment‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 83 

4.2.4 cDNA synthesis, library preparation and sequencing‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 83 

4.2.5 Analysis ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 83 

4.2.6 Quantitative PCR validation ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 84 

4.3 RESULTS ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 84 

4.3.1 Transcriptome sequencing and reads assembly ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 84 

4.3.2 Functional annotation and gene ontology (GO) assignment ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 86 

4.3.3 Candidate digestive enzyme genes and their expression ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 86 

4.3.4 Real‐time PCR validation ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 88 

4.4 DISCUSSION ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 88 

4.5 SUPPLEMENTARY MATERIAL ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 93 

CHAPTER5: GENERAL DISCUSSION AND CONCLUSIONS .............................................................102 

REFERENCE ..................................................................................................................................113 

APPENDICES ‐ PUBLICATIONS .......................................................................................................138 

   

Page 16: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

xvi  

ListofFigures FIGURE 1.1.NATURAL DISTRIBUTIONS OF YABBIES, MARRON, AND REDCLAW (WINGFIELD 2008) ................................. 5  FIGURE 1.2. REDCLAW CRAYFISH (C. QUADRICARINATUS VON MARTENS 1868) ©DAVE WILSON (SOURCE: 

HTTP://WWW.ARKIVE.ORG) .................................................................................................................. 7  FIGURE 1.3. YABBY CRAYFISH (C. DESTRUCTOR CLARK 1936) ©R.B. MCCORMACK .................................................. 8  FIGURE 1.4. MARRON CRAYFISH (C. TENUIMANUS SMITH 1912) ©CHRIS LUKHAUP ................................................. 9  FIGURE 1.5. INTERNAL ANATOMY OF FEMALE CRAYFISH SHOWING THE MAIN ORGANS, EXCEPT THE MUSCULATURE AND 

ENDOCRINE SYSTEM (AFTER HOLDICH & REEVE 1988) .............................................................................. 17 FIGURE 2.1. MEAN WET BODY WEIGHT MEASURED BI‐WEEKLY FOR THREE SPECIES FED TWO DIETS OVER THE 12 WEEKS 

TRIAL PERIOD. DATA POINTS REPRESENT MEAN ±SE .................................................................................. 38  FIGURE 3.1. TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCE ALIGNMENT OF REDCLAW ENDOGLUCANASE SEQUENCES (CQ|EG_1, 

CQ|EG_2 AND CQ|EG_3) REFERENCED TO CHERAX QUADRICARINATUS COMPLETE Β‐1, 4 ENDOGLUCANASE PROTEIN (CQ COMPLETE EG: AAD38027.1). IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK AND GREY 

RESPECTIVELY. ................................................................................................................................... 57  FIGURE 3.2. PARTIAL ALIGNMENT OF REDCLAW (C.Q|EM_1) ENDO‐Β‐MANNANASE TRANSLATEDAMINO ACID SEQUENCE 

COMPARED WITH THREE GH5 FAMILY PROTEINS FROM L. QUADRIPUNCTATA (GH5A: ADE58567.1, GH5C: ADE58568.1, GH5E: ADE58569.1). IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK AND GREY 

RESPECTIVELY. ................................................................................................................................... 58  FIGURE 3.3. NUCLEOTIDE SEQUENCE ALIGNMENT OF REDCLAW (CQ) ENDO‐Β‐MANNANASE SEQUENCES REFERENCE TO 

LIMNORIA QUADRIPUNCTATA (LQ) GH5A (ADE58567.1). IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK 

AND GREY RESPECTIVELY. ..................................................................................................................... 59  FIGURE 3.4.  EVOLUTIONARY RELATIONSHIP (NEIGHBOUR‐JOINING CONSENSUS TREE) OF REDCLAW ENDO‐Β‐MANNANASE 

(C.Q|EM_1) COMPARED WITH MANNANASE SEQUENCES FROM OTHER CRUSTACEAN, MOLLUSC AND INSECT 

SPECIES. L. QUADRIPUNCTATA (GH5A: ADE58567.1, GH5C: ADE58568.1, GH5E: ADE58569.1), D. PULEX (EFX71597.1), BIOMPHALARIA GLABRATA (AAV91523.1), APLYSIA KURODAI (BAJ60954.1), HALIOTIS DISCUS DISCUS (BAI99559.1), CALLOSOBRUCHUS MACULATUS (ADU33271.1), GASTROPHYSA VIRIDULA (ADU33333.1). (SCALE BAR REPRESENTS MEAN SUBSTITUTIONS PER SITE) .................................................. 60 

 FIGURE 3.5. TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCE ALIGNMENT OF REDCLAW (CQ) CHITINASE REFERENCE TO SCYLLA 

SERRATA (SS) CHITINASE PROTEIN (ABY85409.1). IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK AND GREY 

RESPECTIVELY. ................................................................................................................................... 61  FIGURE 3.6.  TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCE ALIGNMENT OF ALPHA AMYLASE OF REDCLAW (CQ|AA_1, CQ|AA_2, 

CQ|AA_3, AND CQ|AA_4) REFERENCE TO D. PULEX ALPHA AMYLASE PROTEIN (D. PULEX_AA‐EFX66437.1). IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK AND GREY RESPECTIVELY. ............................................. 62 

  FIGURE 3.7. TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCE ALIGNMENT OF REDCLAW TRYPSIN ESTS (CQ|TRYPSIN_1, 

CQ|TRYPSIN_2 AND CQ|TRYPSIN_3) REFERENCE TO FOUR TYPES OF CARIBBEAN SPINY LOBSTER (PANULIRUS ARGUS) TRYPSINS (TRYPSIN 1A: ADB66711.1, TRYPSIN 1B: ADB66712.1, TRYPSIN 2: ADB66713.1, TRYPSIN 3: ADB66714.1). IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK AND GREY RESPECTIVELY. ...................... 63 

 FIGURE 4.1 PAIRWISE COMPARISONS OF TRANSCRIPT ABUNDANCE BETWEEN TWO DIET TREATMENT GROUPS. (A) MA PLOT 

FOR DIFFERENTIAL EXPRESSION ANALYSIS. LOG (FOLD CHANGE OR RATIO) [LOG (TD/RD)]  FOR EACH GENE BETWEEN 

THE TWO SAMPLES AGAINST THE GENE’S LOG (AVERAGE EXPRESSION) [½LOG (RD*TD)] IN THE TWO SAMPLES. (B) VOLCANO PLOT FOR FALSE DISCOVERY RATE (‐LOG10FDR) AS A FUNCTION OF LOG (FOLD CHANGE) BETWEEN THE 

SAMPLES. TRANSCRIPTS THAT WERE DIFFERENTIALLY EXPRESSED (UP REGULATED OR DOWN REGULATED ARE SHOWN 

IN RED. ............................................................................................................................................ 85 

Page 17: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

xvii  

Supplementary sections  FIGURE S 3.1  FUNCTIONAL ANNOTATION OF REDCLAW (C. QUADRICARINATUS) ACROSS DIFFERENT GO TERM CATEGORIES.

 ...................................................................................................................................................... 70  FIGURE S 3.2 ALIGNMENT OF TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCE OF REDCLAW AMPLIFIED CHITINASE GENE FRAGMENT 

(C_AMP) WITH TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCES OF CHITINASE FRAGMENTS RESULTED FROM THE 

TRANSCRIPTOME (C_SEQ1 AND C_SEQ2). IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK AND GREY 

RESPECTIVELY (69.8% PAIRWISE IDENTITY AND 64.2% COLUMN WISE IDENTITY). .......................................... 71  FIGURE S 3.3 ALIGNMENT OF TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCE OF REDCLAW AMPLIFIED ENDO‐Β‐MANNANASE GENE 

FRAGMENT (MANN_AMP) WITH TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCES OF ENDO‐Β‐MANNANASE RESULTED FROM 

THE TRANSCRIPTOME (MANN_SEQ1 AND MANN_SEQ2). IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK AND 

GREY RESPECTIVELY (ESTIMATED AT 85.2% AND 85.8% PAIR WISE AND COLUMN WISE IDENTITY, RESPECTIVELY). 71  FIGURE S 3.4 ALIGNMENT OF TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCE OF REDCLAW AMPLIFIED LIPASE GENE FRAGMENT 

(LIP_AMP) WITH TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCES OF LIPASE (LIP_SEQ1) RESULTED FROM THE 

TRANSCRIPTOME. IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK AND GREY RESPECTIVELY (ESTIMATED AT 

100.0% PAIR WISE AND COLUMN WISE IDENTITY). ................................................................................... 72  FIGURE S 3.5 ALIGNMENT OF TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCE OF REDCLAW AMPLIFIED TRYPSIN GENE FRAGMENTS 

(T1_AMP AND T2_AMP) WITH TRANSLATED AMINO ACID SEQUENCES OF TRYPSIN RESULTED FROM THE 

TRANSCRIPTOME (T_SEQ1 AND T_SEQ2). IDENTICAL AND SIMILAR RESIDUES ARE SHADED BLACK AND GREY 

RESPECTIVELY (ESTIMATED AT 69.9% PAIR WISE AND 47.4% COLUMN WISE IDENTITY). .................................. 72  FIGURE S 4.1. RELATIVE CONCENTRATIONS OF SELECTED DIGESTIVE ENZYME AND OTHER GENES IN REFERENCE (RD) AND 

TREATED (TD) SAMPLES EVALUATED BY RELATIVE QUANTITATIVE REAL‐TIME PCR (FOR GENE NAMES, SEE TABLE S 4.1) .............................................................................................................................................. 101 

  

    

             

Page 18: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

xviii  

ListofTables TABLE 2.1 COMPOSITION OF RD AND TD DIETS. ............................................................................................... 32  TABLE 2.2 CULTURE CONDITIONS MAINTAINED FOR EACH SPECIES DURING THE EXPERIMENT. ..................................... 33  TABLE 2.3 SPECIFIC GROWTH RATE (±SEM) AND SURVIVAL RATE (%) ESTIMATED FOR THREE SPECIES FED TWO DIETS OVER 

12 WEEK TRIAL. DIFFERENT SUPERSCRIPTS INDICATE SIGNIFICANT DIFFERENCES (P<0.05) ................................ 37  TABLE 2.4 SPECIFIC ENZYME ACTIVITY LEVELS (±SEM) IN THE MIDGUT GLAND. SPECIFIC ACTIVITY IS EXPRESSED AS UNITS 

PER MILLIGRAM OF PROTEIN. COLUMN FIGURES SHOWING DIFFERENT SUPERSCRIPTS ARE SIGNIFICANTLY DIFFERENT 

(P<0.05) ......................................................................................................................................... 39  TABLE 3.1 ANNOTATION RESULTS ................................................................................................................... 55  TABLE 3.2 LIST OF SELECTED CANDIDATE GENES REPRESENTED REDCLAW DIGESTIVE ENZYMES ..................................... 56  TABLE 4.1 SUMMARY OF SEQUENCE AND ASSEMBLY DATA ................................................................................... 85  TABLE 4.2 SUMMARY OF BLAST AND ANNOTATION RESULTS................................................................................. 86  TABLE 4.3  SELECTED CANDIDATE DIGESTIVE ENZYME GENES AND STATISTICS ........................................................... 87 

 Supplementary sections  TABLE S 3.1 TOP 10 BLASTX RESULTS FOR CHERAX QUADRICARINATUS ENDO‐Β‐GLUCANASE, ................................... 73  TABLE S 3.2  LIST OF PRIMERS DESIGNED FOR SELECTED CANDIDATE GENES ............................................................. 74  TABLE S 3.3 TOP 10 BLASTX RESULTS FOR SELECTED GENE FRAGMENTS SEQUENCED FOR PCR VALIDATION ................. 75  TABLE S 4.1. LIST OF SELECTED DIGESTIVE ENZYME AND OTHER GENE PRIMERS USED FOR QRT‐PCR VALIDATION IN 

REDCLAW. ........................................................................................................................................ 93  TABLE S 4.2. BLASTX RESULTS FOR SELECTED CANDIDATE DIGESTIVE ENZYME GENES FROM THE RD TRANSCRIPTOME (FIRST 

10 RESULTS) ..................................................................................................................................... 94  TABLE S 4.3. BLASTX RESULTS FOR SELECTED CANDIDATE DIGESTIVE ENZYME GENES FROM THE TD TRANSCRIPTOME (FIRST 

10 RESULTS) ..................................................................................................................................... 97  TABLE S 4.4. KEGG PATHWAYS OF REDCLAW HEPATOPANCREATIC GENES (PATHWAYS THAT ONLY 100 OR MORE 

SEQUENCES ARE INVOLVED, ARE SHOWN). ............................................................................................. 100 

Page 19: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

1  

CHAPTER1: GeneralIntroduction

1.1 Thecontributionfromaquaculturetoworldfoodsupply

Produce  from  fisheries  play  an  important  role  in  human  diet  and  provide  a  good 

source of high quality animal protein,  lipids and other essential nutrients  (Tacon et 

al. 2010). The contribution from fisheries and aquaculture to world food supply and 

economic growth has become a key factor for global food security and it is estimated 

that total production from capture fisheries and aquaculture will exceed that of beef, 

pork  and  poultry  over  the  next  decade  (FAO  2012).  Global  per  capita  fish 

consumption  has  increased  significantly  since  the  1960s  (9.9  kg)  and  had  almost 

doubled by 2010 (18.6 kg). This contributed 16.6 per cent on average to total animal 

protein  consumption  by  humans  and  accounted  for  6.5  per  cent  of  all  protein 

consumed  (FAO 2012). According  to  the FAO  (2010, 2012), production  from world 

capture  fisheries  has  continued  to  remain  stable  at  around  90 million  tonnes  per 

annum over the  last decade.  In 2006, wild harvests actually declined by 2.2 million 

tonnes in comparison with 2005, mostly as a result of environmentally‐driven effects 

(e.g. El Nino) on anchoveta catches compared with previous years (FAO 2007, 2009). 

In addition, many wild fisheries are currently threatened by rising organic pollution, 

toxic contamination, coastal degradation, and climate change  (Garcia & Rosenberg 

2010).  

Marine  capture  fisheries  in  particular,  are  now  considered  to  have  reached  their 

maximum sustainable yield  in many countries (FAO 2010). FAO (2012) has reported 

that most of the top ten harvested marine fish species that account for 30 per cent 

of total marine capture fish production are now fully exploited and hence have little 

potential  for  further  expansion  of  production. Moreover,  over  time wild  capture 

fisheries have gradually shifted from targeting large and valuable carnivorous species 

to  smaller,  less  valuable  species  (Naylor  et  al.  2000). Under  these  circumstances, 

with declining profitability and no apparent additional supply available from marine 

capture fisheries, production from aquaculture will need to  increase significantly to 

meet rising global demand for seafood. FAO (2012) has estimated that aquaculture 

Page 20: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

2  

will  have  to  provide  at  least  an  additional  23 million  tonnes  of  aquatic  food  to 

maintain the current level of per‐capita consumption, by 2030. 

In  contrast  to  wild  fisheries  production,  output  from  aquaculture  has  shown 

significant growth over recent decades and has increased 12 fold over the last three 

decades with an annual rate of increase of 8.8 per cent (FAO 2012) while terrestrial 

farmed meat, egg, and milk production have grown at only 3.0%, 3.4%, and 1.5%, 

respectively  (Tacon  et  al.  2010). World  aquaculture  production  in  2010  in  total, 

accounted  for 40.3 per  cent of  the world’s  food  fish  supply  and mean  supply per 

consumer had increased from 7.8 kg (2006) to 8.7 kg (2010) (FAO 2012).  

Aquaculture provides an alternative source of fish and other aquatic organisms, and 

as  such  can  reduce pressures placed by overfishing on wild  fisheries  (Naylor et al. 

2000).   Production  and markets  for  lower‐value  farmed  species have  increased  in 

both  developing  and  industrialised  countries  (Naylor  et  al.  2000).  Recent  data 

suggests that while supply of fish from aquaculture continues to outstrip projections 

for  growth,  a more  focussed  approach will  be  needed  in  the  future  to  optimise 

growth and supply from this industry. This is needed in order to offset the effects of 

static production from capture fisheries and to meet growing protein requirements 

of an increasing human population, worldwide (FAO 2009). 

1.2 Crustaceanaquaculture

Global  aquaculture  is  dominated  by  freshwater  fishes with  the  contribution  from 

farmed crustacean species currently only 9.6 per cent  (5.7 million  tonnes) which  is 

composed nearly 30 per cent from freshwater and 70 per cent from marine waters 

(FAO  2012).  The main  farmed  decapod  crustaceans  used  in  aquaculture  include 

marine  and  brackish  water  shrimp  and  prawns,  freshwater  prawns,  freshwater 

crayfish,  clawed  and  spiny  lobsters,  and  crabs. The  key  farmed marine  crustacean 

species  currently  are white  leg  shrimp  (Penaeus  vannamei),  (2.75 million  tonnes) 

followed by giant tiger prawn (Penaeus monodon) (FAO 2012). Production of tropical 

freshwater prawns  remains of  significant  interest  since  the  farming  system used  is 

regarded  in general,  to be more  sustainable  than marine shrimp culture, a  system 

Page 21: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

3  

that employs higher stocking densities and  that  requires high value coastal culture 

sites  (Wickins  &  Lee  2002).  Of  all  major  taxa  used  in  aquaculture,  culture  of 

crustacean  species  has  expanded most  rapidly  over  the  last  few  decades  and  on 

average,  this  industry  grew  by more  than  15%  per  year  from  1970  to  2006  (FAO 

2009). While total production of crustaceans is comparatively low in quantity relative 

to  finfish  and  mollusc  culture,  in  value  terms,  it  provides  a  very  significant 

contribution  (i.e.  23%  of  total world  production  from  aquaculture  in  2006)  (FAO 

2009). 

Currently  the  contribution  from  farming  of  freshwater  crustaceans  to  total 

freshwater  aquaculture  production  is  relatively  low  (6.4  per  cent)  and  is mainly 

characterised  by  freshwater  shrimp,  Chinese  mitten  crab  and  some  freshwater 

crayfish species (FAO 2012). Farming of freshwater crayfish is dominated worldwide 

by  production  from  Australia,  Europe,  China  and  the  southern  states  (mainly 

Louisiana) of USA  (Holdich 1993; Wickins &  Lee 2002). Approximately 1/3 of  total 

freshwater crayfish production is based on red swamp crayfish (Procambarus clarkii) 

together with  the white  river  crayfish  (Procambarus  zonangulus)  (Ackefors  2000), 

that are mainly cultured in the USA and China (Wickins & Lee 2002; Harlio lu & Harlio 

lu 2006) but substantial production is now also coming from several other countries 

in central (Mexico) and south America (Argentina). 

1.3 Freshwatercrayfishandcrayfishaquaculture

Freshwater  crayfish  are  decapod  crustaceans  that  are members  of  three  families. 

Cambaridae, mainly represented  in North America and eastern Asia; Astacidae that 

occur mainly in Eurasia but also in the western USA (Holdich 1993) and a third family 

(Parastacidae)  that  is  confined  to  the  southern  hemisphere,  primarily  to Australia 

and New Zealand (Holdich 1993; Huner 1995; Crandall & Buhay 2008). 

North America and Australia have the highest diversity of freshwater crayfish species 

(Rouse 1995; Lawrence & Jones 2002). Despite this high diversity of taxa, commercial 

farming of freshwater crayfish is currently limited to approximately only 10 species. 

Key  commercially produced  species  include 3 astacids  (the noble  crayfish  (Astacus 

Page 22: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

4  

astacus),  the  narrow‐clawed  crayfish  (A.  leptodactylus)  and  the  signal  crayfish 

(Pacifastacus  leniusculus)),  4  cambarids  (the  calico  crayfish  (Orconectes  immunis), 

the white  river  crayfish  (Procambarus  acutus  acutus),  the  red  swamp  crayfish  (P. 

clarkii), and  the white  river  crayfish  (P.  zonangulus)) and 3 parastacid  species  (the 

yabby  (Cherax  albidus/destructor),  redclaw  (C.  quadricarinatus),  and  marron  (C. 

tenuimanus)) (Huner 1995).  

Freshwater crayfish in general, have a number of excellent characteristics that make 

them  ideal  for  aquaculture production  (Holdich  1993). Unlike  shrimp  and prawns, 

they  do  not  possess  a  free‐living  (planktonic)  larval  stage  that  necessitates  a 

hatchery  cycle  and  different  dietary  compositions,  so  juvenile  crayfish  tend  to 

resemble adult crayfish and have similar dietary requirements (Holdich 1993; Jones 

1995a).  This  is  highly  advantageous  as  it  diminishes  the  need  for  expensive  and 

sophisticated hatcheries typically required for most farmed crustacean species with 

a planktonic larval phase in their development. Consequently, culture of crayfish is in 

general considered easier than that of most marine shrimps and freshwater prawns, 

which  in general possess multiple  larval stages  (Curtis & Jones 1995; Holdich 1995; 

Jones 1995a; Masser & Rouse 1997; Jones et al. 2000; Jones & Ruscoe 2000; Rodgers 

et  al.  2006).  Furthermore,  many  freshwater  crayfish  species  are  opportunistic, 

polytrophic  and  omnivorous/detritivorous  feeders,  hence  they  can  be  fed  with 

relatively  inexpensive  feeds  that do not  require high animal protein  levels  so  that 

low‐cost plant ingredients can often be substituted into their diets.  

1.4 Cheraxspecies

Australia possesses a rich diversity of freshwater crayfishes all of which belong to the 

family Parastacidae and consists of 9 genera  (Rouse 1995; Crandall & Buhay 2008) 

and more  than  100  species  (Holdich  1993).  To  date  the  aquaculture  industry  for 

parastacids, however, has focused on only three species, all members of the genus 

Cherax  that  have  been  identified  as  candidate  commercial  aquaculture  species 

(Rouse  1995;  Lawrence &  Jones  2002; Wingfield  2008).  The  three  Cherax  species 

include redclaw  (C. quadricarinatus, Von Martens), yabby  (C. destructor, Clark) and 

marron (C. tenuimanus, Smith). 

Page 23: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

5  

The  three  native  Cherax  species  cultured  in  Australia  occur  naturally  in  disjunct 

geographical  regions.  Yabby  occur  across  southern  and  central  Australia, marron 

occur only  in  south‐western Australia while  redclaw  is  found only across northern 

Australia  (Figure 1.1)  (Lawrence &  Jones 2002). All  three species have been widely 

translocated,  however,  for  commercial  aquaculture  production  (Wingfield  2008). 

Yabby culture is practiced across the species’ natural distribution with production in 

New South Wales  (NSW), South Australia  (SA) and Victoria  (Vic). Western Australia 

(WA) has a translocated yabby population that has been established successfully  in 

culture and now provides the highest share of national yabby production (Wingfield 

2008). Marron  farming  is  largely  restricted  to  southern WA, where  the  species  is 

native  but  with  also  substantial  production  now  coming  from  mainland  SA  and 

Kangaroo  Island where  the  species  has  been  translocated  for  commercial  culture 

(Wingfield  2008).  Redclaw,  although  native  to  the  Northern  Territory  (NT)  and 

northern  Queensland,  is  mostly  produced  in  southern  and  eastern  parts  of 

Queensland, areas outside of the species’ natural distribution (Wingfield 2008). 

 

 

 

 

 

 

 

  

Figure 1.1.Natural distributions of yabbies, marron, and redclaw (Wingfield 2008) 

Total  annual  production  of  freshwater  crayfish  in  Australia  has  frequently  been 

dominated by yabby which is cultured extensively in farm dams (Holdich 1993) and is 

harvested  opportunistically  (Wingfield  2008).  In  the  recent  past,  however, much 

attention has been focussed on the culture of redclaw as the physical, biological and 

commercial  attributes  make  this  species  an  excellent  candidate  for  commercial 

aquaculture (Jones 1990; Holdich 1993; Webster et al. 2002a, 2002b). 

Page 24: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

6  

1.5 Redclaw(Cheraxquadricarinatus)

While  redclaw  (Figure 1.2)  is a  relatively new entrant  into crustacean aquaculture, 

global production of  this  species has grown  rapidly  (Saoud et al. 2013, 2012). Key 

characteristics  that  have  contributed  to  the  success  of  redclaw  as  an  aquaculture 

species  include  relatively  rapid  growth  rate, with  individuals  reaching  commercial 

size (40 – 200 g) within 6 – 9 months under optimum culture conditions (Wickins & 

Lee 2002). They also show behavioural characteristics that are favourable for culture 

including;  gregariousness, non‐aggressiveness, non‐burrowing habit  and  so  culture 

technologies are straightforward and relatively simple to develop  (Masser & Rouse 

1997).  Redclaw  is  also  physiologically  adaptable  and  can  tolerate  relatively  high 

stocking  densities,  low  oxygen  concentrations  (>1  ppm),  as well  as wide  range  of 

water quality conditions  including variation  in water hardness and alkalinity  (20  to 

300 ppm), and pH (6.5 to 9) (Masser & Rouse 1997). In addition, this species can also 

survive  in  a wide  range  of  temperatures  and  salinities,  hence  it  is  classified  as  a 

eurythermal, mesohaline  species  (Meade  et  al.  2002;  Austin  1995;  Karplus  et  al. 

1998;  Nyström  2002).  Both male  and  female  redclaw  can  reach  sexual maturity 

within  7  to  9 months  under  optimal  culture  conditions  and  they  are  year‐around 

breeders that spawn 3 to 5 times per annum with a fecundity rate ranging from 100 

to  1000  eggs/spawn  depending  on  size  of  the  animal  under  controlled  conditions 

(Jones 1995a; Masser & Rouse 1997).  Importantly,  redclaw  can also utilise a wide 

range of feed resources efficiently (Jones 1995b; Masser & Rouse 1997). 

Favourable  ecological  and  physiological  characteristics  and  potential  economic 

importance  in  both  the  aquaculture  and  the  ornamental  aquarium  industry  have 

resulted  in  wide  translocations  of  redclaw  within  Australia  and  more  widely 

internationally  (Saoud  et  al.  2013).  In Australia,  redclaw  has  been  translocated  to 

parts  of Western  Australia  and  New  South Wales  and more  widely,  it  has  been 

introduced  to and  is now  cultured  successfully  in many  countries  including; North 

America  (USA),  Central  America  (Mexico,  Costa  Rica,  Guatemala),  South  America 

(Ecuador, Argentina, Uruguay),  the Caribbean  (Jamaica, Puerto Rico) Europe  (Italy, 

Greece, Spain),  the Middle East  (Israel), Africa  (Zambia), South East Asia  (Malaysia, 

Thailand,  Taiwan,  Singapore,  Indonesia,  Vietnam),  Japan  and  China  (reviewed  in 

Page 25: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

7  

Saoud et al. 2013; Ghanawi & Saoud 2012). Feral populations of this species (escapes 

from  farms)  have  also  been  recorded  recently  in  several  countries  (South  Africa, 

Mexico,  Jamaica, Singapore, and Puerto Rico) as production of  redclaw  is now, no 

longer restricted to Oceania (Saoud et al. 2013). 

 

 

 

 

 

Figure 1.2. Redclaw crayfish (C. quadricarinatus von Martens 1868) ©Dave Wilson 

(Source: http://www.arkive.org) 

Wide  translocation  and  significant  commercial  interest  in  redclaw  farming  has 

resulted  in much  attention  being  directed  towards  domestication  of  this  species, 

including  various  aspects  of  husbandry  and  production  optimisation.  Some  key 

questions  that  require  immediate  attention  however,  include  establishing  the 

species’  specific nutritional  requirements  and understanding digestive  capacity,  as 

the industry moves to developing specific formulated low‐cost diets for this species. 

Unlike other farmed Cherax species, specific dietary requirements for redclaw have 

been investigated in some detail, in a number of nutritional studies (see Sections 1.7 

and 1.8). 

1.6 OthereconomicallyimportantCheraxspecies

1.6.1 Yabby (Cherax destructor) 

Yabby (Figure 1.3) are smaller in size than both redclaw and marron and only reach 

140 to 280 g in size and grow at an average rate of 20 – 40 g per year (Rouse 1995). 

Yabby production  is only practiced  in Australia and most comes  from trapping wild 

yabbies in farm dams, a practice that is extended to stocking existing dams built for 

water  retention.  This  approach  has  made  yabby  production  very  cost‐effective 

Page 26: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

8  

(Lawrence  &  Jones  2002).  Yabbies  show  high  fecundity  (spawn  3  ‐  4  times  per 

season) and reach sexual maturity early, at 20 grams in size before one year of age. 

This can however, have negative impacts and potentially results in a large number of 

undersized  animals  when  juvenile  survival  rate  is  high.  High  rates  of  early 

reproduction can also often result in overcrowding and hence retard growth leading 

to poor returns for farmers (Lawrence & Jones 2002). 

 

 

 

 

 

Figure 1.3. Yabby crayfish (C. destructor Clark 1936) ©R.B. McCormack  

(Source: http://www.aabio.com.au)  

Yabbies are considered to be the hardiest of the three aquacultured Cherax species 

because they can tolerate relatively poor water quality and significant temperature 

fluctuations. Tolerance range for temperature varies from 7 to 340C, however, their 

optimum  range  is  22  to  300C  (Rouse  1995).  Yabbies  do  not  grow well  at winter 

temperatures  below  150C  and  growth  ceases  all  together  at  temperatures  above 

340C  (Lawrence &  Jones 2002). They  can also  survive  fluctuations  in water  salinity 

(up to approximately one third that of seawater) and changes in water quality, such 

as decreased oxygen levels (lower than 1 ppm) in stagnant water, and more so than 

what is observed in other Cherax species (Lawrence & Jones 2002). Yabbies are also 

deep  burrowers,  are  considered  to  be  territorial  and  can  also  remain  dormant  in 

burrows  for  long  periods  during  dry  conditions  (Rouse  1995;  Lawrence  &  Jones 

2002). 

C. destructor cultured extensively in farm dams are usually provided only periodically 

with  cheap  commercial  pellets  as  a  supplementary  feed,  hence  underfeeding  is  a 

major  and  widespread  problem  in  yabby  culture  (Lawrence  &  Jones  2002). 

Page 27: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

9  

Development of a nutritionally complete diet for yabbies has not yet been achieved 

while some progress is being made (Jones et al. 1996; Lawrence & Jones 2002). 

1.6.2 Marron (Cherax tenuimanus) 

Marron (Figure 1.4) is one of the largest freshwater crayfish species in the world and 

achieves  the  highest  farm  gate  prices  for  freshwater  crayfish  species  currently 

farmed  in Australia  (Lawrence 2007). They are highly  regarded as a  luxury product 

(Wickins  &  Lee  2002).  Although  they  can  reach  over  2  kg  in  size  (Rouse  1995), 

marron in general, are harvested at smaller sizes and most commonly are sold in the 

100 ‐ 200 g size range (Wickins & Lee 2002). Marron can grow to between 60 to 150 

g within 12 months, and between 100 to 300 g after 24 months (Lawrence & Jones 

2002).   They are, however, very susceptible to changes  in water quality and do not 

grow  at  temperatures below  12.50C, with best  growth  achieved  at  a  temperature 

range of 22 to 250C (Rouse 1995). Marron also require water of low salinity level (6 ‐ 

8 ppt) and a comparatively high dissolved oxygen  level (above 6 ppm) (Lawrence & 

Jones  2002).  Therefore,  design  and management  of  grow‐out  systems  can  affect 

marron production significantly. 

 

 

 

 

 

Figure 1.4. Marron crayfish (C. tenuimanus Smith 1912) ©Chris Lukhaup  

(Source: Souty‐Grosset et al. 2006) 

Marron take 2 to 3 years to reach sexual maturity and are seasonal spawners, usually 

spawning  in  the  spring  as  water  temperature  increases  above  110C  and  when 

photoperiod extends beyond 12 hours (Mills et al. 1994). They can also be difficult to 

spawn under  controlled  conditions  (Rouse 1995)  and  are  considered  to be  a non‐

burrowing and territorial species (Rouse 1995). 

Page 28: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

10  

1.7 Aquafeedsandfreshwatercrayfishnutrition

Like other  terrestrial  farming  sectors, efficient aquaculture  relies on provision and 

supply  of  essential  nutrients  in  feeds  (Tacon & Metian  2008)  as    this  is  the most 

important  factor  that  directly  affects  growth  rate,  health,  and  production  costs 

(Lopez‐Lopez et al. 2005).  Intensification and global development of aquaculture  is 

increasing demand for nutritious, cheap formulated aqua feeds (Smith et al. 2001). 

This  is because,  feed and  feeding  represent  the  largest operating cost  in most  fish 

and crustacean farming ventures (Tacon & Metian 2008), in many cases contributing 

between 50% (Martinez‐Cordova et al. 2003; Thompson et al. 2004; Thompson et al. 

2006;  Stickney  2009)  and  80%  of  total  production  costs  in  intensive  culture 

(Thompson et al. 2010).  

Protein is the most expensive and the most important feed component contributing 

to  growth  of  farmed  aquatic  animals  (Cortes‐Jacinto  et  al.  2003), with  fish meal 

considered  to be  the most desirable  animal protein  ingredient  for aquatic  species 

due to its high protein content, good digestibility, and high palatability (Thompson et 

al. 2005a). Fish meal and  fish oil have been used widely, particularly  in  formulated 

diets  for  carnivorous  species  as  they  provide  high  quality  essential  amino  acids 

(lysine, methionine) and fatty acids (eicosapentanoic acid (EPA), docosahexanoic acid 

(DHA)  that  are  not  found  in  plant  proteins  or  vegetable  oils  (Naylor  et  al.  2000). 

Many  intensive and semi‐intensive aquaculture systems use 2 to 5 fold the amount 

of fish protein  in the form of fish meal  in feed provided to cultured species than  is 

produced in harvested fish. In modern culture systems, herbivorous and omnivorous 

species  are  also  fed  at  high  rates  with  commercial  feeds  due  to  high  stocking 

densities  that cannot be supported  from natural  food sources  (Naylor et al. 2000).  

Aquaculture feeds currently utilise approximately one third of the worlds’ total fish 

meal production and the proportion of  fish meal used  in aquaculture  feed  is much 

higher than the protein provided in swine and poultry feeds (Naylor et al. 2000). 

Rising fish meal and fish oil prices and declining availability of high quality fish meal 

are a growing concern  for aquafeed manufacturers worldwide  (Naylor et al. 2000; 

Saoud et al. 2008). Dependency of aquaculture as an  industry on these major  feed 

Page 29: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

11  

ingredients  from  capture  fisheries  is  also  not  considered  to  be  ecologically  or 

economically  sustainable  over  the  long‐term  (Tacon & Metian  2008;  Tacon  et  al. 

2010) as the system cannot continue to rely on finite stocks of wild‐caught fish that 

are  already  classified  as  fully  exploited,  overexploited  or  depleted  (Naylor  et  al. 

2000;  FAO  2010,  2012).  Therefore,  price  of  fish meal  and  fish  oil  has  risen with 

increasing demand and  long‐term availability of these two  inputs  in the future  is  in 

doubt (Thompson et al. 2006). Development and use of alternative high‐protein feed 

ingredients  from  agricultural  by‐products  and  cheaper  plant  materials  as  feed 

supplements  is now recognized as an  international research priority and  imperative 

for the industry (Smith et al. 2001; Tacon & Metian 2008).  

A  review by Naylor et al.  (2000)  suggested  that  reduction of  fish meal and  fish oil 

inputs  in aquafeeds  is a major priority  for  the aquaculture  feed  industry and more 

scientific research will need to be focused on  identifying specific feed requirements 

for  farmed aquatic herbivores and omnivores. These species do not rely so heavily 

on  feeds  containing  a  high  animal  protein  content  and  in  theory,  therefore  can 

reduce dependency of  the  feed  industry on  fish meal  and  fish oil. Hardy & Tacon 

(2002)  have  suggested  that  replacement  of  fish meal  and  fish  oil with  alternative 

feed  ingredients  in aquafeeds, will be much easier for herbivorous and omnivorous 

aquaculture species including  carps, tilapia and freshwater crustaceans, than for the 

more nutritionally‐demanding carnivorous  species  such as   salmon,  trout and eels. 

There  is evidence however, that cultured Atlantic salmon can be raised successfully 

on  an  aquafeed  that  contains  vegetable  oils  that  replaced  fish  oil  100  per  cent. 

Moreover, 75 per cent of fish meal can easily be replaced by non‐animal proteins for 

farmed  salmon  (Bell  &  Waagbo  2008).  This  outcome  demonstrates  that  with 

significant research attention it is possible to largely bypass the use of animal protein 

and fish oil in some aqua feeds. Considerable advances in this field have been made 

over  recent  years  and  potential  novel  protein  sources  including  biomass  derived 

from bio‐ethanol production, cereal glutens, microbial proteins, oilseed and legume 

meals have all been evaluated as potential aquafeed ingredients to replace fishmeal 

and  fish  oil  in  aquafeeds  (Bostock  et  al.  2010). Despite  this,  problems, with  anti‐

nutritional  factors, poor palatability  (Saoud  et al.  2008),  inappropriate  amino  acid 

Page 30: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

12  

balances, insufficient levels of lysine and methionine and relatively poor digestibility 

(Naylor et al. 2000) of plant origin ingredients (e.g. soybean meal, cotton seed meal, 

alfa‐alfa) have often  limited  inclusion  levels of many alternative feed  ingredients  in 

aquafeeds.  

Lack  of  appropriate  information  about  specific  nutrient  requirements  and 

appropriate feeding practices for freshwater crayfish species have to date become a 

major  constraint  to  develop  a  species‐specific  diet  for  their  aquaculture  (Jones & 

Roscoe  1996c).  Limited  knowledge  has  resulted  in  manufacturers  often  over‐

formulating  feeds,  and  sometimes  exceeding minimum  required  levels  of  specific 

nutrients  (Naylor  et  al.  2000).  Formulated  feed  currently  available  in  the market 

under  the name of  “crayfish pellets”  is  a modification of  chicken pellets made by 

replacing expensive fish meal with cheaper ingredients without having any scientific 

base but is simply made cheaper as an alternative to expensive shrimp feed available 

for farmers.   Farmers therefore, often tend to simply choose these cheaper feed or 

other existing  formulated diets developed  for other  terrestrial animal  species  that 

apparently  do  not  meet  freshwater  crayfish  specific  nutrient  requirements  and 

typically practice overfeeding. Such practices can lead to depressed dissolved oxygen 

levels  and  increased  water  pollution  (Lawrence  &  Jones  2002)  in  the  culture 

environment  that ultimately may  impact negatively on production  capacity of  the 

system. With a shift from extensive to more  intensive culture systems (Saoud et al. 

2012), it will therefore, be necessary to develop species‐specific formulated diets for 

freshwater crayfish species to promote their aquaculture development (Webster et 

al. 1994, 2002; Curtis & Jones 1995). Formulated freshwater crayfish feeds also need 

to be less expensive than traditional shrimp feeds while offering a complete nutrient 

profile matched  to  each  species’  individual  nutritional  requirements  (Saoud  et  al. 

2012).  Thus,  we  need  to  develop  a  better  understanding  of  the  utilisation  and 

digestibility of  feed  ingredients by  specific cultured  species. This  is necessary  for a 

number of reasons,  in particular,  in order to reduce the requirement  for expensive 

protein  for  energy  in  feeds,  as well  as  to  explore  non‐protein  alternative  energy 

sources including carbohydrates and lipids (Medale & Kaushik 2008).  

Page 31: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

13  

1.8 Nutritionanddigestivephysiologyoffreshwatercrayfish

1.8.1 Crayfish natural habitats and feeding behaviour  

Crustaceans, including freshwater crayfish, have adapted to a wide range of habitats 

within  the  aquatic environment  (Linton  et al. 2009)  and hence  in  general, display 

polytrophic  feeding  habits  (Hill  &  Lodge  1994;  Vogt  2002;  Beatty  2006).  Many 

crustaceans  are  described  as  omnivores  and/or  detritivores  (Momot  et  al.  1978; 

D’Abramo & Robinson 1989; Jones 1990; Brown 1995a; Momot 1995; Nyström 2002; 

Garza de Yta et al. 2012). This classification indicates that they rely on a broad range 

of plant‐based ingredients and that they tend to consume relatively high amounts of 

carbohydrates  in  their  natural  diets  (Hill &  Lodge  1994;  Vogt  2002;  Linton  et  al. 

2009). Carbohydrates in general show better protein‐sparing ability than some other 

nutritional components  (Pavasovic et al. 2006).    Juvenile crayfish appear to be  less 

selective  in their choice of feed  items at the beginning of their development but as 

they  grow, preferences often  change  toward  consumption of more plant material 

(Figueiredo & Anderson 2003). This would suggest that it is possible to incorporate a 

variety  of  plant  derived  compounds  into  feed  formulations  for  practical  diets  for 

redclaw aquaculture (Jones 1990; Campaná‐Torres et al. 2005, 2006, 2008; Pavasovic 

et al. 2007a), a practice that can reduce the cost of feed significantly. 

Investigations into the nutritional and economic importance of natural food items is 

useful because data gathered can be used to assess the overall nutritional budget of 

pond‐raised crustaceans. A nutritional  study of C. destructor by Duffy et al.  (2011) 

demonstrated  that  reasonable  growth  rates  can  be  achieved  using  commercial 

pelleted  diets  that  contain  a  crude  protein  level  as  low  as  19% when  there  are 

sufficient  levels of naturally occurring  food  items present  in  the pond. This  finding 

suggests  an  opportunity  to  reduce  the  cost  of  formulated  feeds  by  including 

relatively lower levels of expensive animal protein sources in formulated feeds. 

1.8.2 Nutritional requirements of redclaw 

Dietary  requirements of  crustaceans are affected by  several  factors  including  size, 

age  and  relative  digestibility  of  feed  ingredients  (Guillaume  1997).  Research  on 

nutritional  requirements  of  redclaw  has  increased  rapidly with  the  establishment 

Page 32: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

14  

and  expansion  of  the  industry  (Saoud  et  al.  2012).  Dietary  requirements  for  a 

number of  ingredients have been determined  for  juvenile  redclaw but  in  general, 

only  limited  information  is available  for adult animals. Corte´s‐Jacinto et al.  (2004) 

suggested that formulated diets with 20% – 30% crude protein and 5% – 10%  lipids 

can provide good growth rates with high survival for redclaw and can potentially be 

made inexpensively by incorporating plant rather than animal feed ingredients.  

A  number  of  nutritional  studies  have  investigated ways  to  reduce  animal  protein 

levels  in  formulated  feeds,  in particular  the percentage of  fish meal  for  freshwater 

crayfish  while  maintaining  optimum  growth  rates  including  C.  quadricarinatus 

(Cortés‐Jacinto et al. 2003; Cortés‐Jacinto et al. 2004; Muzinic et al. 2004; Thompson 

et al. 2004; Campana‐Torres et al. 2005; Cortés‐Jacinto et al. 2005; Thompson et al.  

2005a;  Thompson  et  al.  2006;  Metts  et  al.  2007;  Pavasovic  et  al.  2007a).  C. 

destructor (Jones et al. 1996a, 1996b, 1996c), C. tenuimanus (Morrissy 1989; Fotedar 

2004), Astacus astacus  (Ackefors  et al. 1992)  and P.    clarkii  (Hubbard  et al. 1986; 

Lochmann et al. 1992). For C. quadricarinatus, Cortes‐Jacinto et al.  (2003) defined 

31% to be the optimum dietary protein inclusion level for 1 g juvenile crayfish (20% 

fish meal (FM)) while Webster et al. (1994) indicated that smaller juveniles required 

33%  dietary  protein  (28%  FM) when  grown  communally  in  recirculating  systems. 

Manomaitis  (2001) reported that hatchlings of 0.02 g required 40% dietary protein 

while 30% protein was sufficient  for  larger  (3.0 g) animals. Campana‐Torres  (2006, 

2008) found that digestibility values of nutrients (protein, carbohydrates and  lipids) 

were slightly higher in juveniles than in adults. This may reflect a faster metabolism 

during the early stages of growth where  juveniles require more protein than adults 

for metabolism.  

Jones  &  Ruscoe  (1996a)  argued  that  redclaw  does  not  seem  to  have  a  specific 

requirement for high levels of proteins and that they can be cultured successfully on 

a  diet  composed  primarily  of material  of  plant  origin.  Likewise,  Thompson  et  al. 

(2005a)  have  shown  that  relative  dietary  protein  requirement  can  be  reduced  if 

other plant‐protein  ingredients are  included. Furthermore,  in earthen pond culture, 

it  is  not  necessary  to  supply  high  protein  diets  because  redclaw  can  obtain  a 

substantial  proportion  of  their  nutrient  requirements  from  natural  food  sources 

Page 33: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

15  

(Jones  1990;  Jones  &  Ruscoe  1996b)  a  behaviour  that  can  spare  proteins  in 

formulated diets  (Metts et al. 2007). Saoud et al.  (2012) suggested  that diets with 

25% or greater protein inclusion are suitable for redclaw that are cultured in earthen 

ponds  where  natural  feed  materials  are  available  while  redclaw  grown  in 

intensive/closed recirculation systems need diets with approximately 35% or greater 

protein inclusion level.  

Dietary  lipids also play an  important  role as a  source of energy and essential  fatty 

acids  (Hernandez  et  al.  2002).  Linoleic  (18:2n‐6),  linolenic  (18:3n‐3), 

eicosapentaenoic  EPA  (20:5n‐3)  and  docosahexaenoic  DHA  (22:6n‐3)  acids  are 

considered  as  essential  fatty  acids  (EFA)  for  crustaceans,  since  they  are  not 

synthesised endogenously (Kanazawa & Koshio 1994). Linton et al. (2009) observed 

high amounts of lipids in the midgut gland of C. destructor and Engaeus sericatus and 

dominant  fatty  acids  present  were  16:0,  16:1n‐7,  18:1n‐9,  18:2n‐6  and  18:3n‐3, 

respectively.  Presence  of  this  range  of  fatty  acids  is  a  good  indication  of  the 

consumption of terrestrial plant matter by crayfish as the  latter two fatty acids can 

only be synthesized by plants. Lipid used as an energy source can also spare dietary 

proteins,  but  less  effectively  than  do  carbohydrates  (Cortes‐Jacinto  et  al.  2005). 

Lipids can also  reduce nitrogenous waste production  (D’Abramo & Robinson 1989; 

Lim & Sessa 1995; Cho & Bureau 2001). 

Carbohydrates are generally considered to be the most economical and inexpensive 

source  of  energy  in  crustacean  feeds  (Sanchez‐Paz  et  al.  2006).  Although, 

carbohydrates are not considered to be essential nutrients as are proteins and lipids 

(Ali 1996), they can contribute a considerable proportion to the total diet, so animal 

feeds often  tend  to contain  relatively high  levels of carbohydrates  (Stickney 2009). 

The primary uses of carbohydrates  in aquaculture diets are as an energy source to 

spare protein, so protein can be directed primarily for growth (Stickney 2009). 

The  ability  to  utilise  different  forms  of  carbohydrate will  vary with  the  individual 

digestive physiology of each species (Johnston 2003) and it is generally less efficient 

in aquatic organisms than  in terrestrial, domesticated animals. Degree of utilisation 

is  usually  determined  by  carbohydrate  structure  (monosaccharide,  disaccharide, 

Page 34: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

16  

oligosaccharide  or  polysaccharide)  and  in  general,  crustaceans  are  better  able  to 

utilise more  complex  carbohydrates  (e.g.  polysaccharides:  starch,  chitin  etc.)  than 

simple  sugars  (e.g. monosaccharides: glucose)  (Shiau 1997; Pavasovic  et al. 2006). 

Freshwater  prawn,  M.  rosenbergii  grow  poorly  when  their  formulated  feed  is 

supplemented with glucose but show good growth on diets with high levels of starch 

(a  polysaccharide)  (Stickney  2009). A  similar  result with  a  significant  difference  in 

feed  conversion  ratio,  protein  efficiency  ratio  and  survival  rate was  obtained  for 

Penaeus  monodon  fed  with  starch  or  dextrin  (oligosaccharides)  compared  with 

individuals  fed  with  glucose  (Shiau  &  Peng  1992).  Such  findings  indicate  that 

crustaceans  like  P.  monodon,  may  have  a  lower  protein  requirement  if  starch, 

instead  of  glucose  or  dextrin,  is  used  as  the  carbohydrate  source  (Shiau &  Peng 

1992). This  reflects an apparent better protein‐sparing ability of starch  than either 

glucose or dextrin (Pavasovic et al. 2006). Consequently, much of the carbohydrate 

included in prepared feeds for crustaceans is currently provided in the form of starch 

(Sanchez‐Paz et al. 2006; Stickney 2009). 

A  number  of  studies  have  reported  that  addition  of  cellulose  in  the  diet  did  not 

improve  growth  in  some marine  prawn  species  (Ali  1993).  The  relatively  recent 

discovery  however,  of  endogenous  cellulase  enzymes  secreted  in  the 

hepatopancreas of commercially  important cultured decapod crustaceans  including 

prawns,  lobsters,  crabs and  freshwater  crayfish  (Yokoe & Yasumasu 1964; Glass & 

Stark 1995; Xue et al. 1999; Moss et al. 2001; Gonzalez‐Pena et al. 2002; Pavasovic et 

al. 2004) has  led  to much  interest  in assessing  the potential  to  incorporate plant‐

derived  ingredients  into  crustacean  formulated  feeds.  For  example,  C. 

quadricarinatus are able to consume diets containing some plant‐derived ingredients 

more  efficiently  than  diets  containing  animal‐derived  ingredients  due  to  the 

presence of endogenous cellulases in their gut.  Other studies, that have investigated 

digestive enzymes in C. quadricarinatus have also demonstrated the ability of these 

crayfish to utilise nutrients from plant matter successfully, but, this ability appears to 

be related to the type of cellulose etc. included (Campana‐Torres et al. 2006, 2008). 

Page 35: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

17  

1.8.3 Digestive enzymes  

In  the  crustacean digestive  system,  the hepatopancreas  (Figure 1.5) plays a major 

role  in  digestion  and  has  various  functions  including  synthesis  and  secretion  of 

digestive enzymes, absorption and storage of nutrients, metabolism and release of 

stored reserves during the intermoult period (Ceccaldi 1998; Vogt 2002). 

Figure 1.5. Internal anatomy of female crayfish showing the main organs, except the 

musculature and endocrine system (after Holdich & Reeve 1988) 

Freshwater crayfish possess a variety of digestive enzymes  that  include; proteases, 

lipases  and  carbohydrases  in  the midgut  gland  (hepatopancreas)  and  gastric  fluid 

(Zwilling & Neurath 1981; Brown 1995a; Hammer et al. 2000; Figueiredo et al. 2001). 

This  suggests  that  they  can  digest  a  variety  of  feed  ingredients  and may  have  a 

diversity  of  feeding  habits  (Figueiredo  et  al.  2001;  López‐López  et  al.  2003,  2005; 

Pavasovic  et  al.  2007a).  Activity  of  digestive  enzymes  in  freshwater  crayfish  is 

affected by different factors, including growth stage and life events such as ontogeny 

(Figueiredo & Anderson 2003) moulting (Fernández et al. 1997; Vega‐Villasante et al. 

1999; Perera et al. 2008) diet composition (López‐López et al. 2005; Pavasovic et al. 

2007b),  photoperiod  and  quality  of  light,  water  temperature,  stage  of  larval 

development  (Ceccaldi  1997)  and  feeding  habit  and  even  habitat  (Figueiredo  & 

Anderson 2009). Glass & Stark (1995), for example, showed that carnivorous species, 

with diets composed mainly of protein, have high levels of proteases and low levels 

of  carbohydrases while herbivores,  that utilise plant materials,  show  the opposite 

Page 36: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

18  

relationship. Omnivorous (and detritivorous) species lie in an intermediate position, 

displaying a wide  range of  relative concentrations of proteases and carbohydrases 

(Lee  et  al.  1984).  Furthermore,  the  same  class  of  enzyme  may  show  different 

substrate  specificities  (Figueiredo  et  al.  2001)  and  therefore,  source  of  feed 

ingredient will influence enzyme secretion and activity levels (Ong & Johnston 2006).  

Crustacean proteases  include  trypsin, carboxypeptidase A, carboxypeptidase B and 

leucine‐aminopeptidase (reviewed by Figueiredo et al. 2001). Crayfish trypsin differs 

from mammalian  trypsin  because  it  lacks  chymotrypsin  and  pepsin  (Kleine  1967) 

although certain decapods can synthesise chymotrypsin (Brown 1995b). The activity 

and concentration of photolytic enzymes found in the gut of crayfish can also change 

depending on an animal’s age and diet  (Saoud et al. 2012). Crustacean  trypsin can 

digest undenatured protein while vertebrate trypsin does not (Dall & Moriarty 1983). 

Figueiredo et al. (2001) observed maximum trypsin‐like activity  in the midgut gland 

and  gastric  fluid  of  redclaw  at  a  pH  of  7.0 while  chymotrypsin‐like  activity  in  the 

gastric fluid was significantly higher than that found in the midgut gland at pH 7.5. 

While  lipase  activity  in  crustaceans  is  thought  to  be  limited,  crayfish  produce  a 

substantial quantity of  fat emulsifiers  that assist  in  lipid digestion  (Vogt 2002) and 

consequently  they  accumulate  high  amounts  of  lipids  (fatty  acids)  in  their 

hepatopancreas  (about  60%  of  dry  mass)  (Linton  et  al.  2009).  The  same  study 

reported that presence of two fatty acids (18:2n‐6 and 18:3n‐3) which have a plant 

origin, suggesting an ability by crayfish to digest terrestrial plant material effectively. 

Figueiredo  et  al.  (2001)  observed  lipase  activity  only  in  the  gastric  fluid  of  adult 

redclaw, while López‐López et al. (2003) had observed esterase–lipase activity in the 

hepatopancreas of juveniles. 

Carbohydrase activity has been documented widely in crustacean species (Gamboa‐

Delgado et al. 2003), a result that demonstrates the ability of these animals to utilise 

a large range of plant‐based substrates (Figueiredo et al. 2001). Amylase is the most 

common  carbohydrase  in  marine  and  freshwater  species  of  crustacean  and  in 

addition, maltase, laminarinase, xylanase and cellulase activities have been surveyed 

(Figueiredo  et  al.  2001;  Figueiredo &  Anderson  2009).  Endogenous  carbohydrase 

Page 37: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

19  

activity  has  been  reported  in  a  number  of  commercially  important  freshwater 

crayfish species (reviewed in Crawford et al. 2005) including C. quadricarinatus (Xue 

et al. 1999), C. destructor, and E. sericatus (Linton et al. 2009). C. quadricarinatus has 

been reported to synthesize both endoglucanase and endoxylanase enzymes (Xue et 

al. 1999) and endoglucanases are probably secreted from the hepatopancreas while 

the source of endoxylanase remains to be confirmed (Crawford et al. 2005).  

1.8.4 Endogenous cellulase  

The  notion  that  cellulose  digestion  in  higher  animals  occurs  exclusively  via  a 

symbiotic  relationship with microbes has been  challenged by  the discovery of  the 

presence of endogenous cellulase enzymes  in  the digestive  tracts of wide  range of 

invertebrates  including annelids, nematodes, arthropods and molluscs (Reviewed  in 

Crawford 2006). Gonzalez‐Pena et al. (2002) observed higher activity of endogenous 

cellulase enzymes in the hepatopancreas of cultured crustacean species in response 

to higher  levels of  soluble cellulose  in  their  formulated diets while Crawford et al. 

(2005)  observed  that  cellulase  activity  levels  in  freshwater  crayfish  (Cherax) were 

higher than that in marine prawns. Figueiredo & Anderson (2003) observed cellulase 

activity  in  very  small  crayfish even before  first  feeding. Of  interest, C.  tenuimanus 

showed four times higher cellulase activity than did other cultured Cherax species, so 

this could potentially indicate specific adaptations for utilising large amounts of plant 

material in their diet (Crawford et al. 2005).  

The gene responsible for producing endo‐β‐1,4‐glucanase has been characterised in 

several  freshwater  crayfish  species  notably,  Cherax  quadricarinatus  (Byrne  et  al. 

1999; Xue et al. 1999), C. destructor, Euastacus  spp.,  (Linton et al. 2006) and  it  is 

clear that crustaceans generally possess cellulolytic capacity via synthesis of endo‐β‐

1,4‐glucanase  (Linton & Greenway  2007).  In  addition  to  endo‐β‐1,  4‐glucanase,  β‐

glucosidase  has  also  been  detected  in  the  hepatopancreas  of  C.  destructor  and 

Engaeus sericatus (Linton et al. 2009). Studies have revealed the presence of at least 

two forms of endoglucanases with different molecular weights, 30 and 40 kD present 

in C. quadricarinatus (Xue et al. 1999) and Figueiredo et al. (2001) observed two pH 

peaks (4.0 and 7.0) for the same enzyme. Later, Crawford et al. (2004) verified this 

Page 38: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

20  

by purifying two proteins from gastric fluid from C. quadricarinatus. Similar studies in 

C. destructor have also shown presence of two endo‐β‐1, 4‐glucanases (termed 1 and 

2) with molecular weights of 53±3 and 52 kD, respectively (Allardyce & Linton 2008). 

Enzyme 1 showed the capacity for hydrolysing only β‐1, 4‐glucosidic bonds (Allardyce 

& Linton, 2008) while endo‐β‐1, 4‐glucanases from C. quadricarinatus were capable 

of hydrolysing both β‐1, 4 and β‐1, 3‐glucosidic bonds (Xue et al. 1999). Phylogenetic 

analyses confirmed the presence of two corresponding genes, termed EG‐1 and EG‐2 

more widely within the family Parastacidae (Crawford 2006). 

Linton  et al.  (2006)  amplified  a  900 bp  cDNA  fragment encoding  a portion of  the 

endo‐β‐1, 4‐glucanase amino acid sequence in C. destructor and Euastacus spp., that 

provided  direct  evidence  for  endogenous  production  of  endo‐β‐1,  4‐glucanases  in 

other parastacid species but they also commented that molecular evidence was still 

required  to  determine  if  other  cellulase  enzymes,  (cellobiohydrolase  and  β‐1,  4‐

glucosidase) were produced endogenously. Of  interest, Pavasovic et al. (2006) have 

demonstrated  that  redclaw  can  liberate  glucose  from  carboxymethyl  cellulose 

(derivative of soluble cellulose) that suggests that soluble cellulose can be an energy 

source  for  them.  In a very  recent  study of  the  land  crab Gecarcoidea natalis, a  β‐

glucosidase  enzyme  of  160  kD  that  is  capable  of  releasing  glucose  from  small 

oligomers  that  result  from  action  of  endo‐β‐1,  4‐glucanases  hydrolysis  of  native 

cellulose,  has  been  purified  and  characterised  (Allardyce  et  al.  2010).  Taken 

together,  these  findings  provide  a  possible  complete  enzymatic  model  for 

endogenous hydrolysis of cellulose to glucose in a crustacean species. 

1.8.5 Digestive enzyme gene expression and transcriptome analysis 

The synthesis of digestive enzymes is regulated by various genes, hormones, and diet 

(Péres et al. 1998). Gene expression is regulated at multiple levels (protein synthesis) 

and  is species’ and age‐specific  (Wang et al. 2006). Regulation of digestive enzyme 

expression  is  important  therefore,  for  understanding  digestive  physiology  in  any 

crustacean species (Wang et al. 2006).  

Applying modern molecular  biology  techniques  to  examine  animal  development, 

growth  and  nutrition  can  help  to  determine  if  changes  in  expressed  levels  of 

Page 39: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

21  

digestive enzymes  reflect control at  the  level of  transcription and also can  identify 

major genes  involved  in  regulation of enzyme production  (Zambonino et al. 2001). 

Molecular  genetic  and  genomic  information  can  also  be  used  to  describe  the 

complexity/diversity  of  different  digestive  enzymes  and  document  their  individual 

expression patterns. 

To date,  the  gene  responsible  for  producing  endo‐β‐1,  4‐glucanase has only been 

examined  in  a  relatively  few  freshwater  crayfish  species  namely;  Cherax 

quadricarinatus (Byrne et al. 1999; Xue et al. 1999), C. destructor and Euastacus spp., 

(Linton et al. 2006). Several studies have also analysed gene expression patterns  in 

the  hepatopancreas  in  some  crustaceans  under  different  environmental 

conditions/exposures:  response  to  diseases  (Pacific  White  shrimp,  Litopenaeus 

vannamei  –  Zeng  et  al.  2013),  across  the  moult  cycle  (Redclaw  Cherax 

quadricarinatus  –  Yudkovski  et  al.  2007)  and  their  relationship  with  immune 

responses  (Mitten  crab,  Eriocheir  sinensis  –  Jiang  et  al.  2009b).  Analysis  and 

identification  of  expressed  genes  that  regulate  secretion  of  various  digestive 

enzymes  in  freshwater  crayfish  hepatopancreas will  therefore  be  informative  for 

developing  a  better  understanding  of  each  species’  nutritional  requirements  and 

digestive capabilities. 

The  rapid  development  of  high  through‐put,  and  significant  decrease  in  time  and 

cost  of,  next  generation  sequencing  (NGS)  have moved  genomics  research  from 

simply  sequencing  pieces  of  DNA  to  annotation  and  in  depth  analysis  and  the 

approach  is  now widely  accessible  (Zend &  Extavour  2012). Analysis  of  expressed 

sequence  tags  (ESTs)  provides  a  comprehensive  and  widely  used  method  for 

discovery  of  novel,  uniquely  expressed  genes  and  a  way  to  characterize  their 

individual expression patterns  in various  tissues  (Jiang et al. 2009a). The approach 

can provide very large data sets for species of interest, in particular on the expressed 

portion  of  an  organism's  genome  and  these  data  are  invaluable  in  comparative 

studies (reviewed in Bai et al. 2009). This novel method is now being used widely to 

discover  genes  that  regulate  economically  significant  traits  and  to  explore  their 

expression  patterns  in  aquaculture  species,  including  commercially  important 

farmed  crustaceans at different  life history  stages and  that have been exposed  to 

Page 40: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

22  

different culture conditions (Jiang et al. 2009a, 2009b; Robalino et al. 2009; Wu et al. 

2009; Ma et al. 2012). Despite  the  relatively high number of  feeding and digestive 

enzyme activity studies that have already been conducted on crustacean species, to 

date very  little work has  focussed on  freshwater  crayfish at  least at  the  transcript 

level, particularly  in regard to  identifying and describing the expression patterns of 

each species’ digestive enzyme genes. 

1.9 Celluloseandbiologicaldegradationofcellulose

Cellulose is the most abundant biomass on the earth and is produced by plants and 

consists  of  polymerized  forms  of  glucose molecules  with  β‐1,  4‐  linkages.  These 

polymers  bond  together  to  form  highly  ordered  (crystalline)  structures  and  less 

ordered (amorphous) regions that are more prone to enzyme degradation (Beguin & 

Aubert 1994; Tomme et al. 1995). 

Hydrolysis  of  cellulose  to  glucose  occurs  by  action  of  three  different  classes  of 

cellulase enzymes with different activities and specificities; endoglucanases (endo‐β‐

1,  4‐glucanases  or  endo‐β‐1,  4‐D‐  glucan‐4‐glucanohydrolases)  cleave  amorphous 

sites  in  the cellulose chain at  random points  (Beguin & Aubert 1994; Watanabe & 

Tokuda 2010). Exoglucanases (1, 4‐β‐D‐glucan cellobiohydrolases or 1, 4‐β‐D‐glucan 

glucohydrolases)  act on  the non‐reducing or  reducing ends of  cellulose  fibres  and 

release  either  cellobiose  (cellobiohydrolases)  or  glucose  (glucohydrolases).  Β‐

glucosidases  (1,  4‐β‐D‐glucosidases  or  cellobioses)  hydrolyse  cellobiose  or  cello‐

oligomers  to  glucose  from  the  non‐reducing  ends  (Watanabe  &  Tokuda  2010). 

Exoglucanases  produce  cellobiose, while most  endoglucanases  produce  cellobiose 

and  smaller  quantities  of  glucose  and  cellotriose  (Watanabe &  Tokuda  2010).  All 

three  enzyme  classes must  be  present  in  the  system  in  order  to  directly  digest 

cellulose to glucose (Allardyce et al. 2010).  

1.10 Celluloseplantmaterialandcrayfishdietformulation:importanceof

endogenouscarbohydrases

Plant  tissues consist mainly of cellulose which accounts  for 20‐40% of  the primary 

cell wall and up to 50% of the secondary cell wall on a dry weight basis (Watanabe & 

Page 41: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

23  

Tokuda  2010).  In  addition, hemicelluloses  and  lignin  are present  in  the  secondary 

plant  cell  walls,  mainly  in  the  xylem  of  woody  plants.  Cellulose  microfibrils  are 

covered with  hemicellulose  and  spaces  between  the microlamella  are  filled with 

lignin. This complex is called lignocellulose (Demura & Fukuda 2007). 

Incorporating  plant  ingredients  into  aquafeeds  can  often  result  in  poor  growth 

outcomes  because  of  presence  of  anti‐nutritional  factors  and/or  poor  palatability 

(Saoud  et  al.  2008),  inappropriate  amino  acid  balance  (e.g.  insufficient  levels  of 

lysine  and  methionine),  poor  digestibility  (Naylor  et  al.  2000)  of  plant  origin 

ingredients  (e.g.  soybean  meal,  cotton  seed  meal,  alfa‐alfa)  and  anti‐nutritional 

effects of non‐starch polysaccharides (NSP) (Francis et al. 2001). Effective utilisation 

of plant based feeds can be improved however, by inclusion of exogenous enzymes 

as  feed  additives  (Bedford  2000).  Endoglucanase  and  endoxylanase  are  common 

enzymes  that commercial enzyme blends contain and  they can hydrolyse cellulose 

and  xylan  polymers,  respectively  (Crawford  et  al.  2005).  Studies  have  shown  that 

endoglucanase and endoxylanase enzymes could play an important role in utilisation 

of plant ingredients in crustacean diets (Crawford et al. 2005). 

Freshwater  crayfish  are  able  to utilise plant material efficiently  as  they  appear  to 

produce cellulase enzymes endogenously to digest plant materials and appear to be 

able  to meet most  of  their  nitrogen  requirements  using  such  enzymes  (Linton & 

Greenway  2007).  A  number  of  recent  studies  have  reported  both  presence  and 

relatively high activities of endocellulases  including  β‐1, 4‐glucanase,  laminarinase, 

xylanase,  β‐glucosidase  in  freshwater  crayfish  that  together  enable  complex 

carbohydrates to be hydrolysed to simple molecules  (Figueiredo & Anderson 2003; 

Crawford et al. 2005;  Linton et al. 2009). This  indicates  the potential  to use plant 

materials as  forage  in ponds,  in particular protein  rich  legumes  such as  lupin as a 

low‐cost  feed  ingredient  (Metts  et  al.  2007)  and  incorporation  of  plant  based 

ingredients  into  supplemental  formulated  diets  can  provide  good  nutrition while 

reducing diet formulation costs.   

Page 42: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

24  

1.11 Currentstudy

Following  the  discovery  of  an  endogenous  endo‐β‐glucanase  gene  in  Cherax 

quadricarinatus  (Byrne et al. 1999, Xue et al. 1999), studies on  freshwater crayfish 

nutrition have  investigated digestive enzyme activities giving particular attention to 

enzymes that are involved in hydrolysing complex polysaccharides (e.g. cellulase and 

xylanase) that are principal constituents of plant cell walls. Accordingly, a number of 

studies  have  demonstrated  the  activity  of  cellulases  and  other  target  enzymes 

produced  in  the  hepatopancreas  of  freshwater  crayfish  (Figueiredo  et  al.  2001; 

Figueiredo  &  Anderson  2003).  Crawford  et  al.  (2005)  also  reported  that 

endocellulase and endoxylanase activity  in several Cherax species were higher than 

in  marine  prawns.  Of  interest,  marron  showed  approximately  four  times  higher 

cellulase  activity  compared  with  other  Cherax  species  in  the  same  study.  This 

endocellulase  activity  suggested  that  dietary  cellulose  is  digestible  and  can  be  a 

source of energy  for  freshwater crayfish.    In a study conducted by Pavasovic et al. 

(2006), it was however, reported that dietary insoluble cellulose (α‐cellulose) has no 

detectable nutritive benefit on freshwater crayfish growth. Meanwhile,  in the same 

study and some other studies (e.g. Crawford et al. 2005),  it was demonstrated that 

enzymes from the hepatopancreas of freshwater crayfish can  liberate glucose from 

soluble  cellulose  (carboxy  methyl  cellulose).  In  these  in  vitro  studies, 

hepatopancreatic extracts  from marron showed the highest activity  (approximately 

two  times higher  than  that of other crayfish species)  (Crawford et al. 2005). These 

observations  provide  strong  evidence  that  unlike  insoluble  cellulose,  soluble 

cellulose is better able to be digested by freshwater crayfish and can be a source of 

energy for them.  

Most digestive enzyme studies in freshwater crayfish have been limited to only a few 

types  of  major  enzymes  and  are  based  on  enzyme‐substrate  assays.  Molecular 

studies on expression of  these enzymes  can give a broader picture of production, 

activity  and  the  biochemical  pathways  that  the  enzymes  are  involved  in  and  can 

provide  information  about  the  innate  genetic  capacity  of  freshwater  crayfish  to 

produce  them.  It  can  also  be  used  to  characterise  the  full  spectrum  of  digestive 

enzyme  genes  produced  in  the  hepatopancreas  of  freshwater  crayfish,  including 

Page 43: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

25  

finding candidate genes associated with digestive metabolism rather than confined 

to  assays  of  only  a  few  major  target  enzymes.  Despite  recent  development  of 

technologies used  in gene expression studies, recent molecular studies of digestive 

enzyme gene expression patterns in crayfish has been limited to characterising only 

the endo‐β‐glucanase gene.  It  is therefore,  important to  investigate expression and 

expression  patterns  of  all major  digestive  enzyme  genes  and  to  identify  the  full 

spectrum of digestive enzyme genes produced in the hepatopancreas of freshwater 

crayfish. This information will be vital to fully understanding and utilising freshwater 

crayfish digestive capacity  in order  to  formulate  specific  formulated diets  that  suit 

their nutritional requirements and innate genetic make‐up. 

The  overall  aim  of  the  current  study  therefore, was  to  undertake  a  comparative 

study of the effects of two main carbohydrate sources, particularly with a focus on 

the  impacts of  soluble  cellulose on growth,  relative  survival and digestive enzyme 

activities  in  three Cherax  species  and  to profile digestive enzyme  gene expression 

patterns in the hepatopancreas of C. quadricarinatus.   

The project was divided into three studies represented here in Chapters 2, 3 and 4 as 

either  published  papers  or  accepted  manuscripts  (the  third  manuscript  is  in 

preparation),  respectively.  Each  sub  study  has  a  set  of  specific  objectives  as 

described in the introduction section of each chapter.  

 

   

Page 44: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

26  

CHAPTER2: Effectsofsolubledietarycelluloseonspecificgrowthrate,survivalanddigestiveenzymeactivitiesinthreefreshwatercrayfish(Cherax)species

  

Presented at the “AQUACULTURE 2013” conference. 21 – 25 February 2013 Nashville, Tennessee, USA (oral presentation).  

 

Published in Aquaculture Research (2013) online library. doi:10.1111/are.12209 

                                    

Page 45: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

27  

Effects of soluble dietary cellulose on specific growth rate, survival and 

digestive enzyme activities in three freshwater crayfish (Cherax) species 

 Authors and their affiliations 

Lalith K. Dammannagoda*, Ana Pavasovic#, David A. Hurwood* & Peter B. Mather* 

 

*School  of  Earth,  Environmental  and  Biological  Sciences,  Science  and  Engineering 

Faculty, Queensland University  of  Technology, GPO  Box  2434,  Brisbane Qld  4001, 

Australia. 

#School  of  Biomedical  Sciences,  Faculty  of  Health,  Queensland  University  of 

Technology, GPO Box 2434, Brisbane Qld 4001, Australia. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 46: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

28  

Abstract

The  current  study  evaluated  the  effect  of  soluble  dietary  cellulose  on  growth, 

survival  and  digestive  enzyme  activity  in  three  endemic,  Australian  freshwater 

crayfish species (redclaw: Cherax quadricarinatus, marron: C. tenuimanus, yabby: C. 

destructor). Separate individual feeding trials were conducted for late‐stage juveniles 

from each species in an automated recirculating freshwater, culture system. Animals 

were fed either a test diet (TD) that contained 20% soluble cellulose or a reference 

diet (RD) substituted with the same amount of corn starch, over a 12 week period. 

Redclaw fed with RD showed significantly higher (p<0.05) specific growth rates (SGR) 

compared with animals fed the TD, while SGR of marron and yabby fed the two diets 

were not  significantly different. Expressed  cellulase activity  levels  in  redclaw were 

not  significantly  different  between  diets. Marron  and  yabby  showed  significantly 

higher cellulase activity when fed the RD (p<0.05). Amylase and protease activity  in 

all three species were significantly higher in the animals fed with RD (p<0.05). These 

results  indicate  that  test animals of all  three  species appear  to utilise  starch more 

efficiently  than  soluble dietary cellulose  in  their diet. The  inclusion of 20%  soluble 

cellulose  in diets did not appear, however,  to have a significant negative effect on 

growth rates of yabby or marron. 

 

Key words:  

redclaw, yabby, marron, Cherax, soluble cellulose, cellulase,  

 

 

 

 

 

 

 

Page 47: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

29  

2.1 Introduction

Farming of freshwater crayfish is well‐established worldwide, with major production 

contributions  coming  from  the USA,  China,  Europe,  and  Australia  (Wickins &  Lee 

2002; Harlio  lu & Harlio  lu 2006). Despite  this,  currently only a  limited number of 

freshwater crayfish species are farmed, with redclaw being the most widely farmed 

of  the  Australian  native  species.  With  ongoing  decline  in  most  commercial 

crustacean  fisheries  (Ghanawi  &  Saoud  2012),  there  is  insufficient  freshwater 

crayfish production  to meet current growth  in world market demand  (Lawrence & 

Jones  2002).  Further  expansion  of  freshwater  crayfish  aquaculture  is  needed, 

therefore, to meet a growing demand for product. Three Cherax species (redclaw, C. 

quadricarinatus;  yabby,  C.  destructor,  and  marron,  C.  tenuimanus)  have  been 

identified as excellent candidate species  for commercial culture  (Lawrence & Jones 

2002; Qin & Mair 2008; Wingfield 2008; Meakin), and  farming  systems have been 

developed for each species over the past two decades (Wingfield 2008).  

The three Cherax species developed for culture have disjunct natural distributions in 

Australia  where  they  are  exposed  to  very  different  climatic  and  ecological 

conditions.  Across  northern  Australia where  redclaw  occur  naturally,  the  climate 

shows a distinct wet/dry seasonality, characterised by fast flowing rivers in the wet 

season and smaller water bodies that are often eutrophic during the dry season (DPI 

2006).  Yabbies  are  found  in  a  range  of  freshwater  environments  and  have  an 

extremely  extensive  natural  distribution  across  central  and  eastern  Australia  that 

includes  a number of  climatic  zones  (Sokol  1988; Austin  et al.  1997).  In  contrast, 

Marron  are  restricted  to  permanent  rivers  in  forested,  high  rainfall  areas  in  the 

south west  corner  of Western  Australia  (Lawrence &  Jones  2002).  Consequently, 

these different climatic and ecological conditions influence the types, and availability 

of natural foods consumed by each of the species (Momot 1984).  

Freshwater  crayfish  are  known  to  consume  relatively  high  amounts  of  plant  and 

other detrital material  containing  a  relatively high proportion of  carbohydrates  in 

their natural diets (Hill & Lodge 1994; Verhoef et al. 1998; Vogt 2002; Linton et al. 

2009).  Carbohydrates  in  general,  provide  the major  energy  source  assimilated  by 

Page 48: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

30  

freshwater macro‐invertebrates (Reid et al. 2008). While they are not considered to 

be essential nutrients for freshwater crayfish, carbohydrates are often incorporated 

into formulated feeds to reduce cost and also to spare animal protein (D’Abramo & 

Robinson 1989; Guillaume & Choubert 2001; Pillay & Kutty 2005).  

The  presence  of  carbohydrase  enzymes  in  crustacean  species  has  been  widely 

documented  (Yokoe  &  Yasumasu,  1964;  Glass  &  Stark  1995;  Xue  et  al.  1999; 

Figueiredo  et  al.  2001; Moss,  Divakaran &  Kim  2001; González‐Peña  et  al.  2002; 

Figueiredo & Anderson 2003; Pavasovic et al. 2004), and studies have demonstrated 

the ability of many crustacean taxa to utilise a large range of plant‐based substrates 

including cellulose and hemicelluloses as food items (Figueiredo et al. 2001). This is 

of  particular  significance  in  commercially  important  farmed  crustacean  species, 

where production cost may be  reduced significantly by developing  low cost  feeds. 

Presence of endogenous carbohydrase activity has also been reported  in a number 

of  freshwater crayfish  species  including;  redclaw  (Xue et al. 1999), yabby, and  the 

hairy burrowing crayfish (Engaeus sericatus) (Linton et al. 2009) suggesting potential 

for  exploitation  of  carbohydrates  in  their  diet.    Moreover,  the  presence  of  a 

functional  gene(s)  that  encodes  production  of  an  endo‐β‐1,  4‐glucanase  has 

confirmed  that most  crustaceans  in  general, probably possess  cellulolytic  capacity 

via  synthesis  of  endogenous  endo‐β‐1,  4‐glucanase  enzymes  (Linton & Greenway 

2007).  In  a  recent  study  of  the  land  crab  Gecarcoidea  natalis,  a  β‐glucosidase 

enzyme capable of releasing glucose from small oligomers and producing  endo‐β‐1, 

4‐glucanase  hydrolysis  of  native  cellulose  was  also  identified,  purified  and 

characterised  (Allardyce et al. 2010).    In combination,  this provides good evidence 

for a complete enzymatic cascade for cellulose digestion in crustaceans based on the 

endogenous  secretion  of  a  suite  of  cellulose  degrading  enzymes  (Allardyce  et  al. 

2010).  

A number of growth and digestive enzyme studies have been conducted on redclaw 

to  examine  this  species’  specific  nutritional  requirements.  Very  few  studies, 

however,  have  investigated  the  same  attributes  in  the  other  two  farmed  Cherax 

species. Moreover, the majority of nutritional studies of Cherax species to date have 

been  limited mostly to assessing  lipid and protein digestibility (Cortés‐Jacinto et al. 

Page 49: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

31  

2005,  2004;  Thompson  et  al.  2006,  2005b,  2004),  despite  recognition  that  some 

freshwater  crustaceans  secrete  endogenous  carbohydrases  to  degrade  plant 

material  in their natural diets.   Campana‐Torres et al. (2006, 2008) have compared 

the  digestibility  of  different  plant  ingredients  compared  with  animal  ingredients 

while  Pavasovic  et  al.  (2006)  investigated  the  effect  of  insoluble  cellulose  on 

digestive  enzyme  activity  in  redclaw.  Additional  studies  on  the  relative  ability  of 

freshwater crayfish species to utilise different carbohydrate sources and assessment 

of  their  potential  levels  of  inclusion  in  formulated  diets  therefore,  can  provide 

important data that will be required to formulate species‐specific and cost‐effective 

formulated feeds for farmed freshwater Cherax species.  

The focus of the present study therefore, was to compare the effects of the inclusion 

of soluble dietary cellulose on growth and digestive enzyme activity in three farmed 

Cherax species and to document the relative ability of each species to utilise soluble 

cellulose in experimental formulated diets.  

2.2 MaterialsandMethods

2.2.1 Preparation of experimental diets 

Two  isocaloric and  isonitrogenous diets, a   reference diet (RD) and a test diet (TD), 

were  prepared  for  the  study  that  incorporated  shrimp  /  fish  meal  (Ridley  Agri 

Products, Narangba QLD, Australia) as the base ingredient and as the primary source 

of protein. The TD was prepared by  incorporating 20% of soluble cellulose (Sodium 

Carboxymethyl Cellulose (Na CMC) – IMCD Australia Limited, product code‐4336712) 

as the carbohydrate component while the RD was prepared by substituting the same 

amount of soluble cellulose with corn starch. A complete list of ingredients and their 

proximate analysis is presented in Table 1. 

Diets were prepared by first grinding fish meal and sieving through a 500 µm mesh, 

then thoroughly mixing all dry ingredients using a kitchen bench top mixer. After fish 

oil was added, mixing was  continued by adding water as  required until a  crumbly 

dough consistency was achieved.  This mixture was used to produce pellets 3 mm in 

 

Page 50: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

32  

Table 2.1 Composition of RD and TD diets. 

                     

  *44.2% crude protein, 7.9 % crude fat, 1.7% crude fibre, 8.3% ash on dry matter basis and 20.4 MJ/kg gross energy ‡ Energy‐733 kJ, protein‐0, total fat‐0, total carbohydrate‐13 g, dietary fibre‐64 g, ash‐13g, Sodium‐9.5 g per 100 g, viscosity‐1400‐2000 mPa.s, pH‐6.5‐7.5 φ Energy‐1490 kJ, protein <1 g, total fat‐<1 g, total carbohydrate‐87.5 g, Sodium‐25 mg per 100 g †Sigma‐Aldrich Pty. Ltd. Castle Hill NSW, Australia ☼Protein 75% min. Ø Energy‐1450 kJ, protein 84.4 g, total fat‐0.4 g, total carbohydrate‐0 g, Sodium‐330 mg per 100 g § Ridley Agri Products, Narangba QLD, Australia Ψ Ridley Agri Products, Narangba QLD, Australia # Calculated values  

diameter and 5‐10 mm in length using a mechanical mincer. Pellets were steamed in 

a microwave oven for 60 seconds, after which they were air dried for two hours and 

then dried in an oven at 500C for 18 hours. All diets were stored at ‐200C until used 

for experimental growth trials.  

 

Ingredient

(gkg‐1)

RD TD

Fish meal*  581 581

Carboxymethyl cellulose‡ (CMC) ‐ 200

Corn starchφ   200 ‐

Fuller’s earth† 79 79

Gluten☼   40 40

GelatineØ   50 50

Vitamin/mineral pre‐mix§   25 25

Fish oilΨ  25 25

Proximate composition#   % %

Dry matter  92.6 92.6

Crude protein 32.9 32.8

Ash  5.0 4.9

Gross energy  17.3 15.8

Page 51: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

33  

2.2.2 Experimental animals and culture conditions 

Late‐stage juveniles of three Cherax species used  in this study, were obtained from 

commercial  crayfish  farms  across Australia,:  redclaw  –  C.  quadricarinatus  (Cherax 

Park,  Theebine,  Queensland);  marron  –  C.  tenuimanus  (Aquatic  Resource 

Management  Pty  Ltd, Manjimup, Western  Australia),  and  yabbies  –  C.  destructor 

(Burns'  B &  B &  Yabby  Farm, Mudgee, New  South Wales).  Experimental  animals 

(redclaw: 24.37±0.42 g; marron: 9.92±0.26 g; yabby: 18.93±0.18 g) were housed  in 

an automated recirculating, freshwater aquaculture system (XenopLus Aqua System, 

Techniplast,  Italy) and experimental growth trials were conducted  for each species 

over a 12 week cycle. Water temperature, conductivity, and pH were controlled at 

constant and optimum levels for each species across the experimental period (Table 

2). A single female and male were housed in each tank held separately in individual 

plastic mesh cages (160 X 160 X 220 mm) to eliminate the potential for cannibalism 

and to minimize individual interactions to ensure uniform feed consumption. At the 

start  of  the  experiments,  all  animals  were  weighed  individually  and  distributed 

among  tanks  randomly  and diets  and  replicates  (n=34 per  treatment, both  sexes) 

were  also  assigned  randomly.  Test  animals  were  then  acclimated  to  the 

experimental conditions and diets over a 1 week period prior to the experiment. All 

individuals were  fed with experimental diets at a  rate of 3% of wet body weight, 

twice  a  day  and  any  uneaten  feed  and  faeces  were  removed  by  siphoning  as 

required. The wet body weight  (g) of each animal was measured and  recorded bi‐

weekly. Moults resulting after ecdysis were left in the cages to allow for ingestion of 

exoskeleton by animals. Water temperature, pH, conductivity, and dissolved oxygen 

(DO)  in the system were recorded daily. Ammonia  level was recorded twice weekly 

while  nitrite,  nitrate,  general water  hardness  (GH),  and  carbonate  hardness  (KH) 

were recorded once a week. A 12 hour  light/dark cycle was maintained across the 

experimental period.  

Table 2.2 Culture conditions maintained for each species during the experiment.  

Species  Temp. / oC  Conductivity  pH  DO / ppm 

Redclaw  26.0±0.01  517±4.0  7.9±0.01  7.42±0.05 

Marron  20.4±0.03  499±1.0  7.9±0.01  8.67±0.02 

Yabby  26.2±0.02  536±5.0  7.9±0.01  7.60±0.02 

Page 52: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

34  

Individual  growth  performance  was  determined  by  measuring  two  parameters; 

survival  rate  and  specific  growth  rate  (SGR).  SGR was  calculated based on weight 

gain  of  individual  animals  during  the  trial  period.  The  two  parameters  were 

calculated as follows: 

100 

 

    100 / – /

  

2.2.3 Digestive enzyme analyses 

All  test  individuals were harvested at  the end of  the 12 week experimental period 

and digestive enzyme activity assessed in the midgut gland (MG). Animals were fed 

for the final time three hours before harvest as recommended by Gonzalez‐Pena et 

al. (2002). Following this,  individuals were anaesthetised  in  ice water for 5 minutes 

and  then  final wet body weight was  recorded. Preparation of MG extracts and all 

enzyme  assays were  conducted  as  described  by  Pavasovic  et  al.  (2004).  Enzyme 

assays were performed in duplicates for protease, α‐amylase and cellulase extracted 

from  the MG.  For  all  assays, one enzyme unit  (U) was defined  as  the quantity of 

enzyme that catalysed the release of 1 µmol of product per minute under the assay 

conditions  used.  Specific  enzyme  activity  was  defined  as  enzyme  units  (U)  per 

milligram of protein. Protein concentration  in MG extracts was determined using a 

BioRad protein assay kit (BioRad, Hercules, CA, USA) according to the manufacturer’s 

instructions.  MG  extract  was  diluted  1/14  in  distilled  water  and  the  mixture 

incubated  for  20 minutes  at  room  temperature.  Absorbance  of  the  solution was 

measured at 595 nm using a Beckman Coulter spectrophotometer (Beckman Coulter 

Inc. CA, USA), with Bovine Plasma Globulin (BioRad) used as the standard. Protease 

assays were  performed  using  two methods,  one  utilising  soluble  AZO‐Casein  and 

another  insoluble  AZCL‐Casein,  as  substrates  (Megazyme  International,  Ireland). 

Assays were  performed  as  per  the manufacturer’s  instructions with  the  following 

minor modifications; for the AZO‐Casein method, 0.5% substrate solution (dissolved 

in 100 mM  sodium phosphate; pH 7.0 buffer) was used and assay  solutions were 

decreased proportionately to half volumes. First, 0.5 mL of enzyme solution (20 μL 

Page 53: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

35  

MG extract and 480 μL buffer) was added  to 0.5% substrate solution,  the mixture 

was stirred and incubated at 40°C for 10 minutes. The reaction was terminated and 

non‐hydrolysed  AZO‐Casein  was  precipitated  by  the  addition  of  3.0  mL  of  5% 

trichloroacetic acid followed by vigorous stirring for 5 seconds. After reaction tubes 

had equilibrated to room temperature, the suspension was centrifuged at 1000 g for 

10 minutes and following this absorbance of the supernatant was read at 440 nm.  

For the AZCL‐Casein method, 250 µL of a 0.75% AZCL‐Casein solution was adjusted 

to pH 7.0 using 90 µL of substrate buffer solution (0.1 M Citric acid/0.2 M Na2HPO4; 

adjusted to pH 7.0 with 1 M NaOH). A 10 µL volume of MG extract was then added 

and the mixture incubated at 40 oC for 60 minutes in a water bath. The reaction was 

stopped by placing the tubes in ice for 10 minutes. Following this, 700 µL of distilled 

water was added to the reaction mixture and the mixture centrifuged at 10,000 g for 

10 minutes at room  temperature. Absorbance of  the supernatant was read at 590 

nm.  For  both methods,  protease  (Subtilisin  A;  Bacillus  licheniformis)  (Megazyme) 

was used as the enzyme standard. 

Total  α‐amylase  activity  was  determined  using  a  Ceralpha  (α‐amylase)  assay  kit 

(Megazyme)  according  to  the  manufacturer’s  instructions.  For  this  assay,  MG 

extracts for redclaw and yabby were diluted (1:24), while marron MG extracts were 

used without dilution. 6.6 μL of MG extracts was added to 600 μL of substrate buffer 

(0.1 M Malic acid/0.1 M NaCl/2 mM CaCl2.2H2O/0.01% sodium azide; pH 7.0). The 

mixture was  incubated at 40°C for 20 minutes following which, 133 μL of substrate 

(BPNPG‐7, 54 mg+10 mL distilled water) was added and  incubation continued for a 

further  10 minutes.  1.9 mL  of  stopping  reagent  [20%  (w/v)  Trisodium  phosphate 

solution] was then added to the mixture and absorbance was measured at 400 nm. 

Enzyme activity was calculated according to the following formula: 

118.1

X  

Cellulase activity was determined with two substrates, an insoluble substrate, AZCL‐

HE‐Cellulose  (azurine  cross‐linked  hydroxyethylcellulose  ‐  Megazyme,  Ireland)  as 

described  by  Pavasovic  et  al.  (2004),  and  a  soluble  substrate  AZO‐CM‐Cellulose 

Page 54: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

36  

(Megazyme,)  according  to  the manufacturer’s  instructions.  For AZCL‐HE‐Cellulose, 

the  assay  was  performed  by  first  combining  250  μL  of  0.75%  AZCL‐HE‐Cellulose 

solution with 70 μL of substrate buffer solution (200 mM Sodium citrate, adjusted to 

pH 5.5 with 1M HCl). 30 μL of MG extract diluted in distilled water (redclaw: 1:499, 

marron: 1:249, yabby: 1:199) was added  to  the  reaction mixture and  incubated at 

50°C  for  2  hours  in  a water  bath. Next,  the  reaction was  stopped  by  placing  the 

tubes  in  ice for 10 minutes followed by the addition of 700 μL of distilled water to 

the mixture. All samples were then centrifuged at 10,000 g at room temperature for 

10 minutes and the absorbance of supernatant was read at 590 nm.  

For  the  AZO‐CM‐cellulose  method,  the  concentration  of  substrate  solution  was 

modified  to  0.5%  and  pH  adjusted  to  4.5.  Equal  amounts  (0.5 mL)  of  substrate 

solution  and MG  extract  diluted  in  distilled water  (1:199  for  each  species) were 

mixed together and the mixture was then incubated at 40 oC for exactly 10 minutes. 

The  reaction  was  terminated  by  the  addition  of  2.5  mL  of  precipitant  solution 

combined  with  vigorous  stirring  for  10  seconds.  Tubes  were  then  allowed  to 

equilibrate  to  room  temperature  (10 minutes) and  stirred again before  they were 

centrifuged at 1000 g for 10 minutes. Absorbance of the supernatant was measured 

at  590  nm.  Endo‐cellulase  from  Aspergillus  niger  (Megazyme)  was  used  as  the 

standard to determine activity with both methods.  

2.2.4 Statistical analyses  

Two‐way  ANOVA  was  used  to  test  for  significant  differences  (α=0.05)  in  SGR 

between treatments (RD vs TD) for each species. An independent t‐test was used to 

compare  significant  differences  (α=0.05)  in  digestive  enzyme  activities  among  the 

three  species.  Chi‐squared  test was  used  to  test  significant  difference  in  survival 

rates between  the  two diet groups. Tukey’s post hoc  test was used  to determine 

significant  differences  among  treatment  groups.  All  statistical  analyses  were 

performed using the IBM SPSS statistics 19 package.  

Page 55: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

37  

2.3 Results

2.3.1 Feeding trial 

Survival  rates and mean growth performances  for each species, expressed as SGR, 

are  presented  in  Table  2.3.  Survival  rates  of  all  species  and  both  sexes  were 

consistently above 80%, with females overall showing higher survival rates. For SGR, 

redclaw  fed  the  RD  diet  showed  significantly  higher  values  (p<0.05)  than  did 

individuals fed the TD diet. In contrast, the SGRs for both marron and yabby fed RD 

and  TD  were  not  significantly  different  (p>0.05)  and  SGR  by  sex  (diet*sex 

interaction)  were  not  significantly  different  (p>0.05)  for  any  species  (data  not 

shown).  

Table  2.3  Specific  growth  rate  (±SEM)  and  survival  rate  (%)  estimated  for  three 

species  fed  two diets over 12 week  trial. Different  superscripts  indicate  significant 

differences (p<0.05) 

Species  Diet Mean wt gain (g) 

 SGR 

Survival rate (%) 

Female Male  Total 

Redclaw RD  3.99  0.193±0.019a  100.0a  88.2a  94.1a 

TD  1.74  0.093±0.019b  94.1a  64.7a  79.4a 

Marron RD  1.40  0.146±0.019a  100.0a  94.1a  97.1a 

TD  0.88  0.107±0.017a  88.2a  94.1a  91.2a 

Yabby RD  1.91  0.105±0.018a 82.4a  100.0a  91.2a 

TD  1.50  0.086±0.017a  100.0a  64.7b  82.4a 

 

A  comparison  of  mean  wet  body  weight  (wbw)  over  time  shows  that  redclaw 

performed better on the RD diet (Figure 2.1a) after week 4 in the trial, and this was 

also the case for marron (Figure 2.1b) after week 2 and yabby (Figure 2.1c) for the 

whole  trial period, but differences between performance on  the RD  and  TD diets 

were not significant for either marron or yabby. 

 

Page 56: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

38  

a).   

b).   

c).   

Figure  2.1. Mean wet body weight measured  bi‐weekly  for  three  species  fed  two 

diets over the 12 weeks trial period. Data points represent mean ±SE 

20.00

22.00

24.00

26.00

28.00

30.00

00 02 04 06 08 10 12

wt (g)

Time in weeks

Redclaw (wbw) 

RD

TD

Diet

8.00

8.50

9.00

9.50

10.00

10.50

11.00

11.50

12.00

00 02 04 06 08 10 12

wt  (g)

Time in weeks

Marron (wbw) 

RD

TD

Diet

17.00

18.00

19.00

20.00

21.00

22.00

23.00

24.00

0 2 4 6 8 10 12

wt (g)

Time in weeks

Yabby (wbw)

RD

TD

Diet

Page 57: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

39  

2.3.2 Enzyme activity levels   

Data  on  digestive  enzyme  profiles  from  the  midgut  gland  in  each  species  are 

summarized  in  Table  2.4.  In  marron,  protease  activity  on  insoluble  AZCL‐Casein 

substrate could not be detected and activity was also much  lower on soluble AZO‐

Casein substrate than for the other two species. Cellulase activity in redclaw was not 

significantly different (p>0.05) between the two diets (RD and TD), while for marron 

and yabby, significant differences in cellulase activity were evident between the diet 

treatments. Amylase  and  protease  activities  in  all  three  species were  significantly 

different  between  the  RD  and  TD  treatments,  with  individuals  fed  the  RD  diet 

showing significantly higher average enzyme expression levels.  

 

Table 2.4 Specific enzyme activity levels (±SEM) in the midgut gland. Specific activity 

is  expressed  as  units  per milligram  of  protein.  Column  figures  showing  different 

superscripts are significantly different (p<0.05) 

2.4 Discussion

Freshwater  crayfish  are  generally  considered  to  be  opportunistic  and  polytrophic 

feeders that utilise the most abundant and easily accessible foods available  in their 

natural environments (Lawrence & Jones 2002; Beatty 2006; Linton et al. 2009). The 

three  Cherax  species  examined  here  have  very  different  natural  geographical 

distributions  across  Australia  and  hence,  possess  unique  adaptations  to  their 

different environments,  in most aspects of  their ecology,  including  for  feeding and 

Species  Diet 

Average specific enzyme activity (U/mg of protein) 

Protease  Amylase  Cellulase 

AZCL‐Casein AZO‐Casein(X 10‐3) 

 AZCL‐HE‐Cellulose 

AZO‐CM‐Cellulose 

Redclaw RD  0.074±0.005a 2.469±0.18a 3.731±0.31a 3.408±0.20a  9.690±0.62a

TD  0.059±0.006b 1.718±0.23b 2.257±0.30b 2.985±0.33a  7.338±1.12a

Marron RD  Not detected 0.622±0.07a 0.168±0.02a 2.492±0.24a  5.535±0.54a

TD  Not detected 0.315±0.04b 0.079±0.01b 1.540±0.16b  2.203±0.27b

Yabby RD  0.034±0.003a 1.409±0.11a 2.753±0.21a 1.151±0.08a  4.372±0.38a

TD  0.026±0.002b 0.930±0.13b 2.025±0.24b 0.861±0.09b  2.435±0.29b

Page 58: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

40  

digestion.  Consequently,  levels  of  digestive  enzyme  activity  are  often  strongly 

correlated with  an  animal’s dietary preference  as  individuals will have  adapted  to 

optimise their nutritional intake from their wild food sources over evolutionary time 

(Lundsted  et  al.  2004).  In  redclaw,  Figueiredo  et  al.  (2001)  reported  a  range  of 

digestive  enzymes  that  enable  them  to  degrade  a  broad  range  of  food  types.  In 

support of  these  findings  in  the  current  study,  they also detected higher  levels of 

cellulase  and  amylase  than  protease  in  gastric  fluid  and MG  extracts  in  redclaw. 

Pavasovic et al. (2007) reported significant changes in the activity of these enzymes 

when the nutrient content of formulated diets was altered.  Furthermore, Figueiredo 

& Anderson (2003) reported the presence of cellulase activity in all stages of growth 

in redclaw and Xue et al. (1999) demonstrated that redclaw cellulase enzymes show 

broad substrate specificity. The ability of a number of crustacean species  including 

mud  crabs and both marine and  freshwater  crayfish  to digest and  release glucose 

from soluble cellulose (CMC) (Pavasovic et al. 2004; Crawford et al. 2005; Pavasovic 

et al. 2006),  indicates that cellulose substrates can be a potential source of energy 

for crayfish.

In  the current study, all  three Cherax species showed significantly higher protease 

and amylase activities when fed the RD diet. Evidence has supported the suggestion 

that soluble non‐starch polysaccharides (NSP, e.g. cellulose) potentially can increase 

the viscosity of  the  intestinal contents and can obstruct activity of other digestive 

enzymes (reviewed  in Crawford et al. 2005; Pavasovic et al. 2006). This may be the 

reason why all  three  species  tested here  showed  significantly  lower protease and 

amylase activities when fed a diet containing soluble cellulose. In addition, protease 

activity  in  marron  fed  the  two  diets  could  not  be  detected  with  the  insoluble 

substrate  (AZCL‐HE‐Cellulose)  and  showed  relatively  low  activity  on  the  soluble 

substrate (AZO‐Casein) compared with results for the other two species. 

Although  it  is generally accepted  that aquatic animals are  less efficient at utilising 

carbohydrates  than  some  terrestrial  species  (Saoud  et al. 2012) because  they  are 

less important as an energy source, several major carbohydrases have been found in 

redclaw  (Figueiredo et al. 2001, Crawford et al. 2005). This  suggests  that  redclaw 

should be able to rely on and assimilate carbohydrates  for their energy needs, but 

Page 59: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

41  

further studies are needed to confirm this suggestion (Saoud et al. 2012). Moreover, 

the presence of cellulase activity in redclaw (Figueiredo & Anderson (2003) does not 

provide definitive proof that redclaw can utilise cellulose  for their nutrition  (Saoud 

et al. 2012). Our study  investigated the capacity of three Cherax crayfish species to 

utilise  soluble  cellulose  and  results  in  general,  did  not  show  significant  negative 

effects on growth rate  in yabby or marron.  In addition, cellulase activity  in redclaw 

individuals fed both diets were not significantly different and so in combination, this 

suggests  that  soluble  cellulose  could potentially be used  as  a  source of energy  in  

freshwater crayfish formulated diets.  

In contrast to an earlier observation that cellulase activity was significantly higher in 

marron  compared with  the  other  two  Cherax  species  (Crawford  et  al.  2005),  our 

study  showed  significantly  lower  cellulase  activity  in marron  fed  a diet  containing 

soluble cellulose. Animals used in the earlier study however, were not reared under 

experimental  conditions  and  had  not  been  fed  a  specific  diet  containing  known 

ingredients.  Also,  average weight  of marron  used  by  Crawford  et  al.  (2005) was 

more  than  20  times  higher  (219.6±62.2)  than  the  late‐juvenile  animals we  tested 

here. Several studies have reported that different dietary formulations can produce 

changes in digestive enzyme profiles in freshwater crayfish (Lopez‐Lopez et al. 2005; 

Pavasovic et al. 2007) and pond‐raised animals are also able to access natural food 

items from the pond in addition to the formulated feed provided to them. In a study 

by  Morrissy  (1989),  marron  reared  in  battery  cages  and  fed  a  formulated  diet 

showed  lower  ecdysial  frequency  (moulting)  and  lowered  ecdysial  weight 

increments  compared  with  individuals  raised  in  ponds.  Furthermore,  feeding 

preferences  of  freshwater  crayfish  can  change  with  age  (D’Abramo  &  Robinson 

1989; Mitchell  et  al.  1995; Momot  1995).  For  example,  adult  crayfish  consume  a 

higher  proportion  of  vegetable matter  and  detritus  in  their  diets  compared with 

juvenile crayfish, and this is probably related to a differential need for amino acids. 

Figueiredo et al. (2003) also observed distinct changes in digestive enzyme activities 

in  crayfish with  age;  in  particular  protease  activity  decreased,  and  carbohydrase 

activity increased. In contrast, in our study both marron and yabby did not show any 

significant difference in SGR between animals fed the two diets. Potentially, this may 

Page 60: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

42  

reflect  an overall better  ability of  them  to utilise  cellulose  in  their diet  compared 

with redclaw. 

Several  studies have  reported  that  juvenile yabbies achieve  the best growth  rates 

and  survival  when  they  are  fed  animal  protein‐based  diets  including  freshwater 

zooplankton  (Austin  et  al.  1997;  Verhoef  et  al.  1998).  Linton  et  al.  (2009)  also 

suggested that the morphology of the gastric mill and higher total protease activity 

in the midgut gland of C. destructor  indicates that yabbies are better able to digest 

animal rather than plant matter. In the current study, however, yabbies fed the two 

diets showed only relatively moderate protease activity compared with marron and 

redclaw. Many  crustaceans  lack  protease  activity  (Guillaume  1997; Navarrete  del 

Toro et al. 2006), and in our study test animals also all showed relatively low levels 

of total protease activity. The protease activity recorded for redclaw however, was 

slightly  higher  than  those  reported  in  previous  studies.  For  example,  protease 

activity  reported  by  Pavasovic  et  al.  (2006) was  about  ten  times  lower  than  the 

activity  levels  recorded here. There are no previous  reports available on protease 

activity  in  marron  and  our  results  showed  that  protease  activity  was  very  low 

compared with  redclaw  and  yabby.  In  particular,  it was  not  detectable with  the 

insoluble  substrate  and  was  much  lower  with  the  soluble  substrate.  Very  low 

protease  activity  in  marron  may  indicate  their  dietary  preference  and  specific 

genetic adaptation to natural diets high in plant material.  

Amylase activity followed a similar pattern as for the other two enzymes screened. 

López‐López  et  al.  (2005)  observed  higher  amylase  activity  in  redclaw  fed  diets 

containing  a high percentage of  starch  and  activity  levels obtained here  compare 

well with their results and the results reported by Pavasovic et al. (2006). Given the 

observations that marron appear to be well adapted to diets rich  in plant material, 

the  relatively  lower  amylase  activity  levels  recorded  for  them will  require  further 

investigation. Cellulase activity levels obtained here also vary from levels obtained in 

previous studies. For example, activity levels were much higher than those reported 

in some other decapod crustaceans (e.g. Figueiredo & Anderson 2009). In contrast, 

Crawford et al. (2005) reported higher cellulase activities in all three Cherax species 

than  the  activity  levels  recorded  here.  Pavasovic  et  al.  (2006)  reported 

Page 61: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

43  

approximately  15  times  higher  cellulase  activity  in  redclaw.  Several  studies  have 

demonstrated, that differences in culture conditions (in‐house tank system/earthen 

ponds),  size of animals, diet  composition all potentially  could have  contributed  to 

these differences.  In the presence of soluble substrate, which  is specific for endo1, 

4‐ β glucanase, all species showed significantly higher activity  levels compared with 

insoluble  substrate.  Figueiredo  &  Anderson  (2009)  observed  however,  lower  (in 

Macrobrachium  australiense,  Scylla  serrata,  Penaeus  plebejus)  and  higher  (in 

Portunus  pelagicus,  P.  esculentus,  Metapenaeus  bennettae)  activity  levels,  for 

soluble cellulose included in diets for tested decapod crustaceans species. 

Ability  to  use  carbohydrates  in  diets  will  vary  with  the  complexity  of  the 

carbohydrate source (Pillay & Kutty 2005). In order to provide energy, an ingredient 

must be digested by the animal and differences in relative digestibility are influenced 

by  the composition and chemical bonds  in different  types of carbohydrates  (Stone 

2010).  Poor digestibility of complex polysaccharides by crustacean species has been 

demonstrated  in  several  studies  (M.  rosenbergii  –  González‐Peňa  et  al.  2002;  P. 

monodon  –  Catacutan  1991;  Scylla  serrata  –  Pavasovic  et  al.  2004;  Procambarus 

clarkii – Reigh, Braden & Craig 1990). This strong evidence suggests that despite an 

ability for freshwater crayfish to secrete endogenous cellulases, crayfish are unlikely 

to obtain nutrients directly  from highly  fibrous material  (Pavasovic et al. 2006).  In 

contrast,  carbohydrates  of  starch  origin  are  often  referred  to  as  digestible  (Stone 

2003)  and  have  better  protein‐sparing  ability  (Pavasovic  et  al.  2006).  As  a 

consequence, much  of  the  carbohydrate  in  prepared  crustacean  feeds  is  usually 

provided  in  the  form  of  starch  (Sanchez‐Paz  et  al.  2006;  Stickney  2009).  In  the 

absence  of  digestibility  data  for  starch  and  soluble  cellulose  here,  variations  in 

survival  rates  and  SGRs  cannot be explained  in  isolation by differences  in enzyme 

activity in the test animals.  

At  the  end  of  the  feeding  trial,  a  significantly  higher  SGR was  observed  only  for 

redclaw  fed the RD but no significant differences were observed  for the other two 

Cherax  species.  SGR  in  all  three  species were  relatively  low  compared with  data 

reported  in previous studies and  this may be because of different diet  ingredients 

and their relative inclusion levels, differences in experimental designs and/or culture 

Page 62: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

44  

type/conditions  used  in  the  various  experiments.  For  example,  Pavasovic  et  al. 

(2006) used insoluble α‐cellulose at three different inclusions levels (12, 20 and 29%) 

in their redclaw diets. They observed a high mortality rate however, with increasing 

levels of  inclusion  (70% mortality  for 29% α‐cellulose diet). Thompson et al.  (2004, 

2005,  2006)  have  conducted  several  experiments  on  redclaw,  and  varied  protein 

levels, some with or without  fish meal and observed higher weight gain or SGR.  In 

these experiments however, animals were reared  in earthen ponds where animals 

also  have  access  to  natural  feed  sources.  Cortés‐Jacinto  et  al.  (2003,  2005) 

investigated  different  Crude  Protein  (CP)  levels  and  Protein  (P):  Lipid(L)  ratios  in 

redclaw  diets  and  recorded  a mean  SGR  of  3.65%  per  day  approximately  for  the 

diets  that  contained 31% CP  level and diets with P:L  ratio of 310:80. They used a 

static experimental  tank  system  for  these  studies. Fotedar  (2004)  recorded higher 

SGRs  for marron  reared  in  earthen ponds  supplemented with  animal/plant based 

protein  and  lipids  ingredients  but  observed  relatively  low  survival  rates  (13.82  – 

34.66%).  Here, we  used  soluble  cellulose  at  a  20%  inclusion  level  and  observed 

higher survival rates  (>80%)  in all three species. We used an  in‐house recirculating 

water system to investigate only the effects of dietary soluble cellulose versus starch 

in  the  test animals’ diets. As  individual animals were  treated as a  single  replicate, 

measurements  of  feed  waste  were  not  practical  hence  feed  intake  was  not 

considered  further.  Total  survival  rates  however,  were  not  significantly  different 

between  the  two  diets  in  all  three  species  and were  above  80%,  a  level  that  is 

considered good in crustacean studies (Cuzon & Guillaume 1997).  

As our results show, enzyme activity levels and individual growth rates varied among 

the three Cherax species fed diets containing starch as opposed to soluble cellulose. 

Given that all three Cherax species responded in similar ways to the two ingredients, 

this suggests that they should show different abilities to digest and utilise different 

carbohydrate sources that are present  in their diets, and  it  indicates that  in nature 

they have adapted to different natural habitats and diets.  

In conclusion, results here show that the test animals of all three species appear to 

utilise  starch more efficiently  than  soluble dietary  cellulose  in  their diets and  that 

inclusion of 20% soluble cellulose  in diets  for yabby and marron did not appear  to 

Page 63: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

45  

have a significant negative  impact on  individual growth rate. Survival rate and SGR 

however, were  impacted  in redclaw. Future studies should  test  the effect of  lower 

inclusion  levels of soluble cellulose  in diets  in each species  to  further evaluate  the 

potential for soluble cellulose to be used as a  low‐cost feed additive  in commercial 

formulated diets for each of the three Cherax species.  

2.5 Acknowledgments

The authors would  like to thank Kristian  Just  (Ridley Agri Products)  for donation of 

fishmeal and other  feed  ingredients. We are also grateful to Debbie White  (Cherax 

Park,  Theebine,  QLD),  Peter  McGinty  (Aquatic  Resource  Management  Pty  Ltd, 

Manjimup west, WA), Margaret and Peter Burns (B and B and Yabby Farm, Mudgee, 

NSW)  and  Gerard  Abrams  (Reedy  Creek  Crays,  Karuah,  NSW)  for  their  kind 

cooperation and supplying of crayfish for this project. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 64: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

46  

CHAPTER3: Expression and characterisation of digestiveenzymegenes fromhepatopancreatic transcripts fromredclawcrayfish(Cheraxquadricarinatus) 

Accepted for publication in Aquaculture Nutrition on 6th May 2014 

Accepted for an oral presentation in world aquaculture Adelaide conference held from 7 to 11 June 2014 in Adelaide, Australia.   

Presented at the Systems Biology and Bioinformatics Symposium, 25–26 November, Queensland University of Technology, Brisbane, Australia (poster presentation). 

 

     

Page 65: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

47  

Expression and characterisation of digestive enzyme genes from 

hepatopancreatic transcripts of redclaw crayfish (Cherax quadricarinatus)  

 

Authors and their affiliations 

Dammannagoda L. K.*, Pavasovic A. #, Prentis P. J.*, Hurwood D. A.* & Mather P. B.*  

 

*School of Earth, Environmental and Biological Sciences, Science and Engineering 

Faculty, Queensland University of Technology, GPO Box 2434, Brisbane, Australia. 

#School of Biomedical Science, Faculty of Health, Queensland University of 

Technology, GPO Box 2434, Brisbane, Australia. 

 

Page 66: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

48  

Abstract

Redclaw  crayfish,  (Cherax  quadricarinatus),  possess  a  number  of  biological  and 

commercial  attributes  that  make  them  ideal  for  commercial  aquaculture.  While 

some  studies  have  investigated  digestive  enzyme  activity  and  nutritional 

requirements  of  this  species,  little  information  exists  about  the  expression  of 

digestive enzyme genes and  their  role  in  regulating digestive capacity. The current 

study  therefore,  sequenced  and  annotated  an  RNASeq  library  constructed  from  a 

redclaw hepatopancreas to  identify genes  involved  in digestive enzyme production. 

We observed that most of the transcripts that were annotated as digestive enzyme 

genes are associated with carbohydrate metabolism, confirming  that  redclaw have 

an  innate  capacity  to  digest  a  range  of  carbohydrate  substrates.  While 

endoglucanases  were  the  most  abundant  group  of  digestive  enzymes  found,  a 

number of novel transcripts were also detected. Here we provide the first report for 

presence  and  expression  of  endo‐β‐mannanase  in  freshwater  crayfish.  This  novel 

gene  showed  significant  alignment  with  a  GH5  family  protein  from  marine 

Limnoriids, wood borers that do not possess symbiotic microbes in their gut system. 

Overall,  the  data  generated  here  provide  an  important  resource  to  better 

understand the suite of digestive enzymes in redclaw that are essential to fully utilise 

the  species’  digestive  capacity  and  can  assist  development  of  specific  formulated 

feeds.  

 

Key words:  

redclaw, Cherax, hepatopancreas, transcriptome, digestive enzymes   

 

 

 

 

 

 

 

Page 67: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

49  

3.1Introduction

Redclaw  crayfish,  (Cherax  quadricarinatus),  is  one  of  a  number  of  endemic 

freshwater  crayfish  species  native  to  north  and  north‐western  Australia.  Key 

physiological  traits  including  rapid  growth  rate,  simple  life‐cycle,  and  ability  to 

withstand wide  variations  in  temperature, pH,  and dissolved oxygen  levels  (Rouse 

1995; Masser  &  Rouse  1997;  Karplus  et  al.  1998;  Lawrence  &  Jones  2002)  have 

contributed  to  recognition  of  this  species  as  an  excellent  aquaculture  candidate. 

Over  the  past  two  decades,  redclaw  farming  has  seen  significant  growth  in 

production in a number of countries worldwide (USA ‐ Wickins & Lee 2002; Mexico ‐ 

Ponce‐Palafox et al. 1999 in Saoud et al. 2012; China ‐ Xiaoxuan & Edgerton 2001; He 

et al. 2012;  Israel  ‐ Karplus et al. 1995; Argentina  ‐ Vazquez &  López Greco 2007; 

Indonesia  and  Vietnam  ‐  Edgerton  2005;  Yuniarti  et  al.  2011)  that  has  led  to 

significant  emphasis  being  directed  to  research  aimed  at  optimising  husbandry 

practices and diet development (Saoud et al. 2012). 

A  number  of  growth  and  digestive  enzyme  studies  have  investigated  specific 

nutritional requirements  in redclaw and have explored development of  formulated 

diets specific for this species (e.g. Cortés‐Jacinto et al. 2003, 2004; Thompson et al. 

2003a,  2003b,  2005a,  2010;  Campana‐Torres  et  al.  2005;  Pavasovic  et  al.  2006, 

2007a, 2007b; Dammannagoda et al. 2013). Results from these studies suggest that, 

in  general, diets with 250  g  kg‐1 or  greater protein  levels  are  suitable  for  redclaw 

grow‐out  in  ponds  where  individuals  have  access  to  natural  feeds  (Saoud  et  al. 

2012),  while  it  is  also  widely  recognised  that  80  g  kg‐1  dietary  lipid  level  with 

approximately  300  g  kg‐1  protein  is  suitable  for  good  growth  of  juvenile  redclaw. 

While specific  feed  formulations are currently based  largely on data obtained  from 

standardised dose‐response growth trials, often performed in combination with feed 

and  ingredient  digestibility  trials,  there  has  been  only  limited  examination  of  the 

specific  molecular  basis  for  feed  utilisation  by  this  species.  Therefore,  as  feed 

continues  to  be  the most  expensive  component  of  semi‐intensive  and  intensive 

types of  commercial aquaculture  systems  information about  the  suite of digestive 

enzymes and the underlying genetic makeup of target species is essential if we are to 

Page 68: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

50  

fully utilise the digestive capacity of an organism and further reduce feed costs while 

providing adequate nutrition to support optimum growth.  

In the crustacean digestive system, the hepatopancreas plays a variety of functional 

roles including synthesis and secretion of digestive enzymes, absorption and storage 

of nutrients, metabolism and release of stored reserves during the intermoult period 

(Ceccaldi  1997;  Vogt  2002).  Studies  that  have  investigated  hepatopancreatic 

secretions have demonstrated that redclaw produce enzymes belonging to the three 

main  classes  of  digestive  enzymes,  namely  proteases,  lipases  and  carbohydrases 

(Brown  1995b; Hammer  et  al.  2000;  Figueiredo  et  al.  2001).  As with many  other 

aquatic species, activity levels of digestive enzymes in redclaw appear to be affected 

by an array of factors including developmental stage (Figueiredo & Anderson 2003), 

moult stage (Fernández et al. 1997; Vega‐Villasante et al. 1999; Perera et al. 2008), 

photoperiod, water temperature (Ceccaldi 1997), feeding habit and diet composition 

(López‐López  et  al.  2005;  Pavasovic  et  al.  2007a;  Figueiredo  &  Anderson  2009). 

Despite this information, molecular genetic and genomic information that describes 

the  complexity  and diversity of different digestive  enzymes  in  redclaw,  is  still not 

well  investigated, with only a  few studies providing detailed molecular  information 

about  digestive  enzyme  genes.  For  example,  the  gene  responsible  for  producing 

endo‐β‐1, 4‐glucanase has only been examined  in a few freshwater crayfish species 

including; Cherax quadricarinatus (Byrne et al. 1999; Xue et al. 1999), C. destructor 

and Euastacus spp. (Linton et al. 2006). Discovery of this endogenous cellulase gene 

provided  significant  insights  into  redclaw’s  ability  to  breakdown  complex 

carbohydrates in its diet and ultimately its ability to utilise low‐cost feed ingredients. 

While this  information  is  important, further analysis and  identification of expressed 

genes  that  regulate  secretion  of  the  complete  range  of  digestive  enzymes will  be 

essential in order to identify other novel and potentially useful digestive enzymes.  

Analysis  of  expressed  sequence  tags  (ESTs)  provides  a  comprehensive  and widely 

adopted  method  for  discovery  of  novel,  uniquely  expressed  genes  and  allows 

characterisation of their expression profiles in a variety of tissues and developmental 

stages  (Jiang et al. 2009b). This method  is now used widely  to discover genes  that 

influence economically important traits and to characterise their expression patterns 

Page 69: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

51  

in many  aquaculture  species,  including  farmed  crustaceans  at  different  life  stages 

and that are exposed to different culture conditions (e.g. Jiang et al. 2009a, 2009b; 

Robalino  et al. 2009; Wu  et al. 2009; Ma  et al. 2012). While  a  few  transcriptome 

studies have been conducted on redclaw (e.g. Yudkovski et al. 2007, 2010; Hai‐peng 

2011), currently  little data are available on expression patterns of specific digestive 

enzyme genes in this species.   

In  the  current  study  therefore,  we  sequenced  the  transcriptome  of  redclaw 

hepatopancreas using the Ion Torrent sequencing platform, to investigate the range 

of transcripts associated with digestive capacity in redclaw.  

3.2Materialsandmethods

3.2.1 Collection of tissues and RNA extraction 

Redclaw  crayfish  (C.  quadricarinatus)  were  obtained  from  a  commercial  crayfish 

farm  (Cherax  Park,  Theebine,  Queensland)  and  individuals  were  housed  in  an 

automated  recirculating,  freshwater  aquaculture  system  (XenopLus  Aqua  System, 

Techniplast,  Italy).  Animals  were  acclimated  to  experimental  conditions 

(temperature – 26.0±0.03 0C; pH – 7.8±0.02; conductivity ‐ 489±8 μS/cm‐1) and to a 

commercial shrimp feed (proximate composition: dry matter – 92.6%, crude protein 

– 44.2%, crude fibre – 7.9%, ash – 8.3% and gross energy 20.4 MJ/kg) for a period of 

one week. After acclimation, animals were euthanized by immersion in ice water for 

10  minutes.  Following  this,  the  hepatopancreas  was  dissected  from  three 

experimental animals and tissues washed with DNase/RNase free water after which 

samples were  frozen  immediately  in  liquid nitrogen. Samples were stored at  ‐80oC 

for later RNA extraction.  

Frozen  samples were homogenised  in  liquid nitrogen and  total RNA was extracted 

using  a  Trizol/chloroform  protocol  followed  by  a  column  clean  up.  Briefly, 

homogenised samples were added to 1 mL of Trizol and  incubated for 5 minutes at 

room  temperature.  200  μL  of  chloroform  was  then  added  and  the mixture  was 

centrifuged at 15,000 rpm for 10 minutes. 200 μL of supernatant was then added to 

the mixture of 700  μL of RLT buffer  (Qiagen, Limburg, Netherlands) and 500  μL of 

Page 70: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

52  

absolute  ethanol.  Samples  were  then  purified  using  a  RNEASY  MINI  KIT 

(Qiagen, Limburg, Netherlands)  and  eluted  into  two  aliquots  of  52  μL  RNase  free 

water. Quality of total RNA was tested by running 5 μL of purified samples in a 1.5% 

agarose gel, followed by analysis on the BIOANALYZER 2100 using an RNA nano chip 

(Agilent  Technologies,  Santa  Clara, CA, USA).  Total  RNA  extractions  were  treated 

using AMBION  TURBO DNASE  (Life  Technologies, Carlsbad, CA, USA)  kit  as per  the 

manufacturer’s  protocol.  mRNA  enrichment  was  performed  using  a  DYNABEAD 

mRNA purification kit (Life Technologies, Carlsbad, CA, USA). Quality and quantity of 

isolated  mRNA  were  determined  using  a  BIOANALYZER  2100  pico  chip  (Agilent 

Technologies, Santa Clara, CA, USA).  

3.2.2 cDNA synthesis, library preparation and sequencing 

High quality  (100‐500 ng) mRNA was  fragmented  into 200‐700 bp  templates using 

RNase III (Life Technologies, Carlsbad, CA, USA) for cDNA synthesis. Fragmented RNA 

was then evaluated for yield and size distribution on a BIOANALYZER 2100 using an 

RNA Pico  chip  (Agilent  Technologies,  Santa Clara, CA, USA).  cDNA  library  synthesis 

for  the whole  transcriptome was  conducted  using  an  ION  Total  RNA‐Seq  Kit  (Life 

technologies, Carlsbad, CA, USA). Preparation of  templates using emulsion PCR  for 

sequencing and purification were performed using ONETOUCH  IONTM Template  kit 

(Life  Technologies,  Carlsbad, CA, USA)  as  per  the  manufacturer’s  instructions. 

Sequencing was conducted using  the  ION TORRENT PERSONAL GENOME MACHINE 

(PGMTM, Life Technologies, Carlsbad, CA, USA) and the ION PGMTM 200 Sequencing Kit 

(Life  Technologies,  Carlsbad, CA, USA).  Sequencing  was  performed  as  per  the 

manufacturer’s  protocol  and  130  cycles  of  sequencing were  run  using  a  316‐chip 

(ION 316TM chip, Life Technologies, Carlsbad, CA, USA).  

3.2.3 Analysis 

Raw reads underwent strict quality filtering with removal of adapters and sequences 

with  greater  than  5% N  bases  or  greater  than  10%  of  bases with Q<20,  prior  to 

downstream analyses. Following quality filtering, high quality reads were assembled 

using Trinity short read de novo assembler, applying default settings (Grabherr et al. 

2011). The assembled transcriptome was referenced to the NR database at NCBI and 

Page 71: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

53  

annotated using Blast2GO software  (Conesa et al. 2005). All contigs were screened 

against protein databases and  the nucleotide database using BLASTx  (e‐value<10‐5) 

and  BLASTn  (e‐value<10‐5),  respectively.  Blast2GO  software  was  also  used  to 

determine  the  functions  of  contigs  and  to  assign  Gene  Ontology  (GO)  terms  to 

sequences.  

All  contigs  related  to  major  digestive  enzymes  were  selected  from  annotated 

fragments  for  further  analysis.  Selected  contigs were  queried  against  BLASTn  and 

BLASTx databases in NCBI. Protein and nucleotide alignments were carried out using 

Geneious  software  (version  6.1.6: Biomatters,  http://www.geneious.com)  applying 

the  following  parameters:  gap  open  penalty  =  12,  gap  extension  penalty  =  3, 

alignment type = global alignment with free end gaps). Blosum62 and 65% similarity 

(5.0/4.0)  cost  matrices  were  used  for  protein  and  nucleotide  alignments, 

respectively. A Neighbour‐Joining tree method (Saitou & Nei 1987) and Jukes‐Cantor 

distance  model  (Jukes  &  Cantor,  1969) were  used  to  resolve  the  evolutionary 

relationships among different species for each gene target. A Bootstrap resampling 

method  was  used  (Geneious  tree  builder)  with  10,000  replicates  to  produce  a 

consensus tree with a 50% support threshold.  

Validation  of  transcriptome  data  was  performed  via  PCR  amplification  and 

sequencing  of  six major  digestive  enzyme  genes with  primers  designed  from  the 

longest fragments of each respective gene with Primer3 software (Rozen & Skaletsky 

2000) using the settings as described in Prentis et al. (2010). Total RNA samples from 

redclaw hepatopancreas were first converted to cDNA using a TETRO cDNA synthesis 

kit (Bioline, London, UK) as per the manufacturer’s instructions. cDNA was then used 

as  a  template  and  PCRs were  run  in  25  μL  volume  reactions  under  the  following 

cycling conditions; for mannanase and lipase; 94 oC for 3 minutes, 30 cycles at 94, 57 

and  72  oC  for  30  seconds  each,  followed  by  5  minutes  at  72  oC.  Annealing 

temperature for trypsin and chitinase was 59 oC. A 1.5% agarose gel electrophoresis 

was  used  to  verify  amplification  of  a  single,  PCR  product  from  the  correct  gene 

fragment. PCR products were purified using an  ISOLATE  II PCR and Gel Kit  (Bioline, 

London,  UK).  Following  purification,  cycle  sequencing  was  carried  out  with  the 

BIGDYE™  Terminator  Cycle  Sequencing  Ready  Reaction  kit  version  3.1  (Life 

Page 72: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

54  

Technologies, Carlsbad, CA, USA). Excess primer and nucleotides were removed from 

sequence reactions using a MgSO4 clean‐up. Cleaned fragments were then run on an 

3500 GENETIC  ANALYSER  (Life  Technologies,  Carlsbad, CA, USA).  Sequences  for  all 

loci were visualized and edited manually with Geneious  (version 6.1.1: Biomatters, 

http://www.geneious.com).  Sequenced  fragments  were  analysed  and  queried 

against  the  BLASTx  database. Nucleotide  and  translated  amino  acid  sequences  of 

amplified  sequences were  aligned  and  compared with  contigs  obtained  from  the 

transcriptome,  using  Geneious  (version  6.1.1:  Biomatters, 

http://www.geneious.com) software.  

3.3Results

3.3.1 Transcriptome sequencing and reads assembly  

Tissue  specific  transcriptome  sequencing  of  the  hepatopancreas  from  redclaw 

crayfish using the ION TORRENT PGM produced approximately 1,597,128 raw reads 

resulting  in  154.56 Mbp  of  clean  sequence  data,  of which  129.74 Mbp met  our 

stringent quality criteria described above. Average  length of  raw  reads was 97 bp, 

with a  longest  read of 397 bp. A  total of 10,585 contigs were generated  from  the 

Trinity assembly. Lengths of contigs ranged from 201 bp to 3,771 bp, with an average 

length of 378 bp and a N50 length of 385 bp. 

3.3.2 Functional annotation of transcripts and gene ontology (GO) assignment 

We queried our contigs against the NR and NT databases using Blast2GO (Conesa et 

al.  2005)  and  a  summary  of  annotated  data  distribution  is  shown  in  Table  3.1. 

Second  level  GO  terms  were  assigned  to  the  annotated  contigs  with  biological 

processes having the greatest amount of GO terms assigned (9,471) followed by the 

cellular  component  category  (5,657)  and  the molecular  function  category  (5,150). 

The most  commonly assigned GO  terms  from  the molecular  function GO  category 

were  “catalytic  activity”  and  “binding”  that  accounted  for 84.27% of  the  total GO 

terms  assigned  in  this  category.  GO  term  assignment  to  the  cellular  component 

category  indicated  that  many  sequences  were  involved  with  “cell”  (2,250), 

“organelle”  (1,628),  “macromolecular  complex”  (991)  and  “membrane”  (338) 

functions. The  five most  common GO  terms assigned  to biological processes were 

Page 73: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

55  

“metabolic process” (2,207), “cellular process” (1,674), “biological regulation” (903), 

“localisation” (768) and “response to stimulus” (733) (Figure S3.1). The large variety 

of GO terms assigned to the contigs, indicates that we had captured a wide range of 

different types of genes  involved  in a number of different processes  in the redclaw 

hepatopancreas transcriptome. 

Table 3.1 Annotation results  

Data Distribution 

Type  Number of Sequences 

Without Blast Results  26

Without Blast Hits  173

With Blast Results  269

With Mapping Results  627

Annotated Sequences  3490

Total Sequences  10585

3.3.3 Identification of candidate digestive genes in redclaw hepatopancreas 

We  identified a number of contigs that were annotated as digestive enzymes  from 

redclaw hepatopancreas (Table 3.2; NCBI SRA Accession No. SRX390042). Among the 

most  commonly  encountered  contigs  were  endoglucanases  (having  a  cellulase 

activity function  involved  in hydrolysing glycosyl bonds). Endoglucanases accounted 

for 48 different ESTs, ranging in length from 202 to 1,961 bp.  BLASTx comparisons of 

the 10  longest contigs resulted  in the highest similarity with published redclaw β‐1, 

4‐endoglucanase  (Accession  number:  AAD38027.1)  and  cellulase  GHF9 

(AAO61672.2) proteins. The other closest hits for these contigs in redclaw were from 

several  termite  species  (Nasutitermes  walkeri,  Coptotermes  formosanus, 

Macrotermes barneyi, Reticulitermes speratus, Reticulitermes speratus) for the same 

enzyme  (Table  S3.1).  Translated  amino  acid  sequences  of  the  three  longest 

endoglucanase fragments showed the best alignment with the β‐1, 4 endoglucanase 

protein sequence from C. quadricarinatus (AAD38027.1) with 69% pairwise  identity 

and 50.3% of tested sequences being identical (Figure 3.1).  

Endo‐β‐mannanase was represented by eight ESTs that showed significant similarity 

with  Limnoria  quadripunctata  (marine  isopod)  GH5  family  proteins  (GH5A: 

ADE58567.1, GH5C: ADE58568.1, GH5E: ADE58569.1) followed by Daphnia pulex and 

Page 74: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

56  

Haliotis discus discus (Table S3.1). Alignment with three GH5 family proteins from L. 

quadripunctata  were  estimated  at  64.6%  and  46.9%  pairwise  and  column  wise 

identity, respectively (Figure 3.2). The three longest nucleotide fragments (890, 823, 

and  752  bp)  showed  63.2%  and  44.0%  pairwise  and  column  wise  identity, 

respectively  to L. quadripunctata GH5A mRNA, complete cds  (ADE58567.1)  (Figure 

3.3). We constructed a phylogenetic tree of translated amino acid sequence for the 

redclaw endo‐β‐mannanase against other most hit mannanase proteins  from other 

species (Figure 3.4). 

Table 3.2 List of selected candidate genes represented redclaw digestive enzymes  

Gene name Shortest 

contig/bp 

Longest 

contig/bp 

Total number of 

contigs 

Endoglucanase  202 1961 48 Alpha amylase 224 2830 8 Chitinase  212 1973 20 Endo‐β‐ 274 890 8 Maltase  ‐ 439 1 Trypsin  342 925 6 Lipase  207 1677 16 Aminopeptidase  231 2560 17 Carboxypeptidase  246 1572 15 

In addition, Blast2GO annotation identified 20 chitinase ESTs in redclaw, the second 

highest number for any digestive enzyme and chitinase ESTs ranged in size from 212 

to  1973  bp.  Sequence  identity  of  these  fragments was  explored with  BLASTx  and 

redclaw  sequences  showed highest  similarity with  reported chitinase  sequences  in 

mud crab (Scylla serrata) and several marine prawn species (Table S3.1). Translated 

amino  acid  sequences  aligned  to  S.  serrata  chitinase  protein  (accession  no: 

ABY85409.1)  with  an  estimated  61.4%  pairwise  identity.  Nucleotide  sequence 

similarities  of  the  six  longest  ESTs  referenced  to  the  complete  S.  serrata mRNA 

sequence (Accession no: EU402970.1) were also performed (Figure 3.5).  

BLASTx  annotation  also  identified  eight  alpha‐amylase  transcripts  including  three 

pancreatic  alpha‐amylase  like  proteins.  Peptide  sequences  of  the  longest  alpha 

amylase contigs aligned  (75.9% pairwise and 51.9% column wise)  to a hypothetical 

protein  (DAPPUDRAFT_64687)  in  D.  pulex  (EFX66437.1)  with  the  highest  BLASTx 

score (Figure 3.6). 

Page 75: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

57  

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  3.1.  Translated  amino  acid  sequence  alignment  of  redclaw  endoglucanase 

sequences (Cq|EG_1, Cq|EG_2 and Cq|EG_3) referenced to Cherax quadricarinatus 

complete β‐1, 4 endoglucanase protein (Cq complete EG: AAD38027.1). Identical and 

similar residues are shaded black and grey respectively. 

Page 76: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

58  

Redclaw  hepatopancreas  trypsin  ESTs  showed  significant  alignment  similarity with 

four  trypsin  types  (trypsin  1a,  1b,  2  and  3)  found  in  Caribbean  spiny  lobster 

(Panulirus  argus)  and  multiple  peptide  sequence  alignments  of  these  fragments 

estimated  at  77.7%  and  59.2%  identity  pairwise  and  column  wise,  respectively 

(Figure  3.7).  In  addition  to  trypsin,  we  identified  15  ESTs  that  representing 

carboxypeptidases  and  17  ESTs  representing  aminopeptidases.  Furthermore,  16 

sequences  represented  lipase  activity  and  are  apparently  involved  with  lipid 

metabolic processes.  

Figure  3.2. Partial  alignment  of  redclaw  (C.q|EM_1)  endo‐β‐mannanase 

translatedamino  acid  sequence  compared with  three GH5  family  proteins  from  L. 

quadripunctata  (GH5A:  ADE58567.1,  GH5C:  ADE58568.1,  GH5E:  ADE58569.1). 

Identical and similar residues are shaded black and grey respectively. 

3.3.4 PCR validation of selected expressed major genes  

To  validate  the  reliability  of  the  redclaw  transcriptome  assembly  and  annotation, 

primers were designed  for selected major digestive enzyme genes  (Table S3.2) and 

amplified using PCR. Single gene fragments were amplified successfully for chitinase, 

mannanase,  trypsin  and  lipase  via  PCR  (GeneBank  accession  numbers: Chitinase: 

KJ949130;  Lipase: KJ949131;  Mannanase: KJ949132;  Trypsin: KJ949133  and 

KJ949134).  These  fragments  were  queried  against  the  BLASTx  database  and  the 

same  top blast hit  results were obtained as  for  transcriptome contigs  (Table S3.3). 

Furthermore,  nucleotide  and  translated  amino  acid  sequences  of  sequenced 

fragments  showed  significant  similarity with  nucleotide  and  protein  sequences  of 

Page 77: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

59  

transcriptome  contigs  that were used  to design  the  respective primer  sets  (Figure 

S3.2). 

 

Figure  3.3.  Nucleotide  sequence  alignment  of  redclaw  (Cq)  endo‐β‐mannanase 

sequences reference to Limnoria quadripunctata (Lq) GH5A (ADE58567.1).  Identical 

and similar residues are shaded black and grey respectively. 

3.4Discussion

While commercial  farming of  redclaw crayfish has developed  significantly over  the 

last  two decades  (Wingfield, 2008)  it  remains an  industry where production  is not 

fully optimised, in particular with reference to feed development. Current  

Page 78: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

60  

 

Figure 3.4.   Evolutionary relationship (Neighbour‐Joining consensus tree) of redclaw 

endo‐β‐mannanase  (C.q|EM_1)  compared with mannanase  sequences  from  other 

crustacean,  mollusc  and  insect  species.  L.  quadripunctata  (GH5A:  ADE58567.1, 

GH5C:  ADE58568.1,  GH5E:  ADE58569.1),  D.  pulex  (EFX71597.1),  Biomphalaria 

glabrata  (AAV91523.1),  Aplysia  kurodai  (BAJ60954.1),  Haliotis  discus  discus 

(BAI99559.1),  Callosobruchus  maculatus  (ADU33271.1),  Gastrophysa  viridula 

(ADU33333.1). (Scale bar represents mean substitutions per site) 

production practices commonly  rely on use of cheap “crayfish pellets”, a modified 

formulated chicken diet made by replacing expensive fishmeal with plant ingredients  

and  supplemental  feeds  (e.g.  forage)  to boost a  culture pond’s natural production 

(Metts  et  al.  2007;  Saoud  et  al.  2012;).  Recent  studies  have  demonstrated  that 

redclaw possess  endogenous  cellulases  (Byrne  et al.  1999;  Figueiredo  et al.  2001; 

Figueiredo &  Anderson  2003;  Crawford  et  al.  2005)  that  could  be  used  to  target 

suitable  low‐cost  plant  ingredients  in  feed  development. Despite  some  promising 

Page 79: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

61  

findings however, there is potential to further exploit this species’ capacity to utilise 

plant based ingredients in their diets by investigating the entire spectrum of 

 

Figure  3.5.  Translated  amino  acid  sequence  alignment  of  redclaw  (Cq)  chitinase 

reference to Scylla serrata (Ss) chitinase protein (ABY85409.1).  Identical and similar 

residues are shaded black and grey respectively. 

expressed digestive  enzymes  and  to use  this  information  to make more  informed 

decisions about  the  type of plant  ingredients  that potentially  can be  incorporated 

successfully in specific aquafeeds.  

Our  investigation  of  the  transcripts  captured  from  the  redclaw  hepatopancreas 

revealed  an  extensive  array  of  digestive  enzymes  that  are  representative  of 

organisms  that  display  omnivorous  or  detritivorous  feeding  habits  (reviewed  in 

Saoud et al. 2012). This was evident in the large number of digestive enzyme genes 

that  we  identified  that  were  involved  in  carbohydrate  metabolism,  for  example 

endo‐β‐glucanase and chitinase enzyme genes were highly expressed with 48 and 20 

contigs  identified,  respectively.  Furthermore,  carbohydrate  metabolism  was 

represented  by  endo‐β‐mannanase  and  alpha  amylase  genes.    Presence  of many 

isoforms of these genes reflects the functional diversity of redclaw digestive enzyme 

genes.  

 

Page 80: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

62  

 

Figure 3.6.   Translated amino acid sequence alignment of alpha amylase of redclaw 

(Cq|aa_1,  Cq|aa_2,  Cq|aa_3,  and  Cq|aa_4)  reference  to  D.  pulex  alpha  amylase 

protein  (D.  pulex_aa‐EFX66437.1).  Identical  and  similar  residues  are  shaded  black 

and grey respectively. 

According to Beguin & Aubert (1994), different enzyme classes frequently consist of 

multiple  components  that  are  often  produced  by  different  coding  sequences  of 

genes  that  can  vary  in  their  substrate  specificity.  Synergistic  interactions  of  these 

functionally  different  types  of  enzyme  classes  may  enhance  overall  capacity  to 

Page 81: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

63  

degrade cellulose substrates (Crawford 2006). The presence of a number of isoforms 

of endoglucanase genes  identified  in  redclaw  implies broad  substrate  specificity, a 

characteristic  that  potentially  allows  them  to  degrade  a  diversity  of  plant‐derived 

ingredients present in their natural environment.  

  

Figure  3.7.  Translated  amino  acid  sequence  alignment  of  redclaw  trypsin  ESTs 

(Cq|trypsin_1, Cq|trypsin_2 and Cq|trypsin_3) reference to four types of Caribbean 

spiny  lobster  (Panulirus  argus)  trypsins  (trypsin  1a:  ADB66711.1,  trypsin  1b: 

ADB66712.1,  trypsin  2: ADB66713.1,  trypsin  3: ADB66714.1).  Identical  and  similar 

residues are shaded black and grey respectively. 

BLASTx  results  for  putative  endoglucanases  identified  in  redclaw  here  showed 

significant similarity with published redclaw endoglucanase sequences in addition to 

termite endo‐β‐glucanases. Crawford  (2006) also  identified structural similarities  in 

GHF9 genes in crustaceans, and other invertebrates. In our study, however, we could 

not identify cellobiohydrolases or β‐glucosidases in redclaw, the other two classes of 

cellulase enzymes required for complete degradation of cellulose to simple sugars in 

addition to endo‐β‐glucanase. β‐glucosidase activity has been reported in a number 

of groups of crustaceans and  the enzyme has recently been extracted and purified 

from  the  hepatopancreas  of  the  land  crab,  Gecarcoidea  natalis  (Allardyce  et  al. 

2010). This study used however, a biochemical analytical approach and to date there 

Page 82: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

64  

is no a molecular evidence or protein/nucleotide sequence data for a corresponding 

gene  in  crustaceans.  A  β‐glucosidase  gene  has  been  characterised  however,  in  a 

number of  termite species  (e.g. Macrotermes barneyi  ‐ AFD33364.1, Reticulitermes 

flavipes  ‐  ADK12988.1,  Odontotermes  formosanus  ‐  ADD92156.1,  Neotermes 

koshunensis  ‐  BAB91145.1)  and  in  some  mollusc  species  (Corbicula  japonica  ‐ 

BAH14963.1,  BAG75455.1,  BAG71912.1).  Despite  the  structural  similarities  with 

redclaw observed  in  some  invertebrates  including  termites  for  some enzyme gene 

classes  (e.g.GHF9)  (Crawford  et  al.  2006),  any  β‐glucosidase  sequences  was  not 

detected  in  the  redclaw  transcriptome.  This  could  perhaps  result  from  very  low 

similarity  of  these  genes with  any  redclaw  gene  (if  redclaw  do  in  fact  possess  β‐

glucosidase gene(s)) that did not meet the search criteria, for example, blast expect 

value (E value) was set at the very conservative 10‐6 in our Blast2GO search.  

Cellobiohydrolase  (GH7)  genes  have  also  been  detected  in  a  Limnoriid  (Limnoria 

quadripunctata: marine  isopod) by King et al. (2010). While endo‐β‐1, 4‐glucanases 

and  β‐glucosidases  appear  to  be  key  enzymes  that  contribute  to  cellulose 

degradation  in  diverse  invertebrate  species  (reviewed  by  Allardyce  et  al.  2010). 

Many  invertebrates  are  able  to  use  an  alternative  pathway  and  produce  glucose 

from  crystalline  cellulose,  a  pathway  that  does  not  require  cellobiohydrolase 

(Scrivener &  Slaytor  1994; Watanabe &  Tokuda  2010).  Scrivener &  Slaytor  (1994) 

suggested that this may be achieved via production of endo‐β‐1, 4‐glucanases in very 

high concentrations and/or by converting soluble oligomers resulting from the action 

of endo‐β‐1, 4‐glucanases to glucose without intermediate production of cellobiose. 

The relatively high endoglucanase gene expression in redclaw at the transcript level 

observed  here  and  very  high  enzyme  activity  present  in  the  hepatopancreas 

(Dammannagoda et al. 2013) compared with that  in other Cherax species, may add 

some support for this hypothesis.  

Mannans are hemicellulosic polysaccharides that are found in the secondary walls of 

plant  cells  (Handford  et al. 2003)  and endo‐β‐mannanases  (EC 3.2.1.78)  are  a  key 

enzyme  involved  in  degradation  of  plant  mannans  (Yuan  et  al.  2007).  Here  we 

identified eight endo‐β‐mannanase ESTs belonging to the same class (GH5 family) in 

the redclaw hepatopancreas transcriptome. According to the current NCBI database 

Page 83: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

65  

and  to  our  knowledge,  this  is  the  first  time  that  an  endo‐β‐mannanase  has  been 

reported  from  a  freshwater  crayfish.  The  redclaw  endo‐β‐mannanase  showed 

significant alignment similarity to the gribble (L. quadripunctata) endo‐β‐mannanase 

protein. Limnoriids are marine wood boring  invertebrates  in the order  Isopoda and 

their digestive  tracts appear  to be  free  from  resident  symbiotic microbes  (Boyle & 

Mitchell  1978;  Daniel  et  al.  1991).  In  fact,  the  gut  environment  of  Limnoriids 

prevents microbial proliferation (King et al. 2010). This suggests that Limnoriids are 

producing  all  of  the  digestive  enzymes  necessary  for  endogenous  lignocellulose 

digestion  (King et al. 2010). As Limnoriids and  redclaw appear as sister  taxa  in  the 

phylogeny  presented  here,  it may  be  assumed  that  their  common  ancestor  also 

possessed  functional mannanase.  This  implies  potential  for  redclaw  to  be  able  to 

utilise lignocellulosic plant materials as part of their diet.  

Xylan  is another complex polysaccharide often  found  in the secondary cell walls of 

plant  cells.  While  Xue  (1998)  and  Crawford  et  al.  (2005)  had  earlier  reported 

endoxylanase activity in the redclaw hepatopancreas, based on the results obtained 

by hydrolysing specific substrates we could not detect any xylanase sequences in our 

redclaw transcriptome. A gene that encodes xylanase however, has been detected in 

a  few mollusc species  (e.g. Ampullaria crossean  ‐ AY941794.1, Corbicula  japonica  ‐ 

AB490291.1).  In prokaryotes, both endo‐β‐mannanase and endo‐β‐xylanase belong 

to  the  same  GH5  family  protein  class  and  so  King  et  al.  (2010)  suggested  that 

Limnoriid GH5  family proteins  (enzymes) may target either or both substrates.  In a 

previous  study,  it was  shown  that  in  some  crustaceans  (e.g.  Euphausia  superba  ‐ 

Antarctic  krill)  endoxylanses  are  inactive  against  certain  cellulose  substrates 

(Turkiewicz  et  al.  2000)  and  endoglucanase  from  the  same  species  could  not 

hydrolyse  xylan  substrates  (Chen  &  Chen  1983).  They  suggested  therefore,  that 

xylanase activity  in crustaceans may be derived from a distinct enzyme class rather 

than from broad specificity endoglucanases (Crawford et al. 2005).  Results obtained 

for Limnoriids and observations by King et al. (2010) support this argument and this 

could also explain why redclaw show xylanase activity apparently without possessing 

a corresponding gene  for xylanase while having an endo‐β‐mannanase  in the same 

Page 84: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

66  

GH family. Further work however, will be required to confirm or refute presence of 

endogenous xylanase gene(s) in the redclaw hepatopancreas.  

Chitin  is an essential  component of  fungal  cell walls and  is a major  component of 

arthropod exoskeletons. It is a polysaccharide of N‐acetylglucosamine, built with β‐1, 

4 linkages (Munro & Gow 2001). Chitinase enzymes are involved in nutrient digestion 

(chitin‐containing food), the partial breakdown of the exoskeleton prior to moulting, 

and they are present  in the hepatopancreas of many crustaceans (Tan et al. 2000). 

Ecdysis  is  a major  recurrent  life  event  for  crustaceans  and  often  the  exuvium  is 

ingested  following moulting.  During  the  post‐moult  period,  glucose  is  utilised  for 

chitin biosynthesis (Saravanan et al. 2008). We identified several chitinase and chitin 

metabolism  related  sequences  in  redclaw  hepatopancreas  and  the  sequences 

translated  to  amino  acid  sequences  that  aligned  to  the  mud  crab  (S.  serrata) 

chitinase sequence. 

Validation of annotated results conducted by PCR and sequencing verified the ESTs 

in  the  redclaw  hepatopancreas.  Amplified  sequences  of  digestive  enzyme  genes 

were  queried  against  BLASTx  and  produced  similar  results  to  those  from  genes 

identified  in  the  transcriptome  (Table  S4).    Similarities  between  amplified 

nucleotide/amino acid sequences with amino acid/nucleotide sequences of the same 

gene  fragments  in  the  transcriptome  were  explored  and  showed  significant 

alignment similarities. For example, we obtained 100.0% pairwise and column wise 

alignment for both nucleotide (not shown) and translated amino acid sequence for 

an  amplified  lipase  sequence  with  the  longest  lipase  sequence  in  the  redclaw 

transcriptome  (Figure S6(c)). Translated amino acid  sequence alignments  for other 

enzyme  genes  amplified  (chitinase,  endo‐β‐mannanase  and  trypsin)  are  shown  in 

Figure  S6  (a – d). Alignment  results  validate  and  confirm  reliability of  sequencing, 

assembling and annotation of our transcriptome data.  

 The  digestion  of  plant  ingredients  requires  efficient  hydrolysis  of  cellulose,  the 

principal  constituent  of  plant  cell  walls  and  involves  three  classes  of  cellulases, 

including,  endo‐β‐glucanase.  Molecular  discovery  of  endogenous  production  of 

endo‐β‐glucanase enzyme and  its expression  in the hepatopancreas of redclaw has 

Page 85: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

67  

directed  nutrition  studies  to  test  the  ability  of  freshwater  crayfish  to  utilise  plant 

ingredients  in  their  diets.    Accordingly,  Pavasovic  et  al.  (2006)  have  tested  and 

reported  that  dietary  insoluble  cellulose  (α‐cellulose)  has  no  detectable  nutritive 

benefit on  freshwater  crayfish  growth. Meanwhile,  in  the  same  study  and  related 

studies  (e.g.  Crawford  et  al.  2005),  it was  demonstrated  that  enzymes  from  the 

hepatopancreas  of  freshwater  crayfish  can  liberate  glucose  from  soluble  cellulose 

(carboxy  methyl  cellulose).  Moreover,  Dammannagoda  et  al.  (2013)  reported 

inclusion of dietary  soluble  cellulose  in general, has no negative effect on  relative 

growth  rates  of  freshwater  crayfish  and  suggested  that  some  expensive  animal 

components  in  aquafeeds  could  be  replaced  by  plant  derived  ingredients.  Our 

transcriptome data that was dominated by endo‐β‐glucanase genes confirms these 

findings  and molecular data  therefore,  can  provide  a  foundation  for  developing  a 

better understanding of the  innate genetic capacity of animals to assimilate certain 

compounds.  This  information  can  help  select  suitable  dietary  ingredients  that  are 

matched  to a  species’  specific nutritional  requirements and  its  individual digestive 

capacity,  in  particular,  low‐cost  plant  derived  components  in  order  to  reduce  the 

total cost of aquafeed.  

Complete  hydrolysis  of  lignocellulosic  plant material  also  requires  hemicellulases 

that degrade xylans, mannans, arabinans and galactans  (Shallom & Shoham 2003). 

The first report of an endo‐β‐mannanase gene  in the redclaw hepatopancreas here 

provides  further  evidence  for  potential  ability  of  redclaw  to  utilise  woody  plant 

materials  in their diets. The Limnoriids, that possess endo‐β‐mannanase genes that 

showed significant similarity with redclaw endo‐β‐mannanase genes mainly consume 

marine woody material and sea weed. This suggests that redclaw may also have the 

ability  to utilise  ingredients derived  from  seaweed  that possess high  carbohydrate 

content  (30%‐60%)  and  that  are  rich  in  non‐starch  polysaccharides  (Sáez  et  al.  

2013).  Several  studies  have  demonstrated  the  positive  effects  of  inclusion  of 

seaweed in aquafeeds and reported improved growth performance and better feed 

utilisation, higher disease  resistance and an  improved  stress  responses  (Valente et 

al.  2006).  Seaweed,  therefore,  could  potentially  be  trialed  as  a  new/alternative 

source of feed item in formulated diets for freshwater crayfish.  

Page 86: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

68  

A molecular approach to identifying an animal’s digestive capacity by characterising 

the specific genes that encode and regulate production of all digestive enzymes that 

an  animal  is  genetically  capable of producing  can provide  a broader picture of  its 

digestive physiological  capacity  as opposed  to  simply  testing  end product  enzyme 

activity.  A  comparative  approach  also  provides more  detailed  information  on  the 

target species digestive capacity. Testing potential  ingredients  in experimental diets 

can then form the foundation of designing for  low‐cost feeds.  In the current study, 

for example, we detected  an endo‐β‐mannanse  gene  in  redclaw  for  the  first  time 

while  some  studies have demonstrated better growth performences  in marron  (C. 

cainii)  (Sang  et  al.  2009; Nugroho &  Fotedar  2014),  and  other  crustacean  species 

(Litopenaeus vannamei: Zhang et al. 2012, Panulirus homarus: Do Huu & Jones 2014) 

fed mannan oligosaccharides. Given the fact that redclaw has the ability to produce 

and  secrete endo‐β‐mannanase endogenously, mannan oligosaccharides  therefore, 

could also be trialed in redclaw diets and may contribute to better growth rates.  In 

addition,  recognition  of  the  ability  of  freshwater  crayfish  to  utilise  plant material 

effectively  in  their  diets, may  encourage  farmers  to  trial  some  alternative  high‐

protein plant material  in addition to Lupins, a feed additive that  is currently widely 

used in the industry as a supplementary feed, to address the underfeeding issue.  

With  the  increasing  price  and  limited  availability  of  fish  meal  and  due  to  the 

increasing pressure on grain markets  (e.g. use of cereal grains  for  flour milling and 

ethanol production),  there  is  trend  to use a number of plant by‐products  resulting 

from  other  industrial  operations  for  example,  distillers  dried  grains with  solubles 

(DDGS) in formulated diets for non‐ruminant terrestrial animal species (Zijlstra et al. 

2010) and  some aquaculture  species  (Roy et al. 2009; Gatlin et al. 2007). Most of 

these plant by‐products  are  lower  in  starch  and higher  in  crude protein  and  fibre 

(Shurson et al. 2005) characteristics that can reduce nutrient digestibility and affect 

growth rate in many animal species due to high NSP content for example, cellulose. 

The ability of redclaw to utilise plant fibre effectively in feeds as evident in a number 

of molecular and nutritional studies, suggests an opportunity to trial these plant by‐

products  in  formulating  artificial  diets  for  freshwater  crayfish while  reducing  the 

total feed cost.   

Page 87: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

69  

Investigations  of  expression  patterns  of  digestive  enzyme  genes  in  redclaw  fed 

different dietary  sources will provide a better understanding of  the  ingredients or 

sources  that  they  can  utilise  effectively  and  use  as  energy  sources.  Moreover, 

analysis  of  differentially  expressed  digestive  enzyme  genes  and  other  candidate 

genes  and  elucidation  of  the  biological  pathways  that  they  are  involved  in,  in 

combination  with  molecular  studies,  can  have  additional  benefits  (e.g.  address 

disease  resistance  questions)  associated with  specific  feed  ingredients  in  redclaw 

diets.  Therefore,  studies  on  expression  levels  and  patterns  of  endoglucanase  and 

endo‐β‐mannanase genes should be expanded, because they will provide important 

information  about  crayfish  digestive  capacity  for  plant  derived materials.  Further 

studies should also compare differentially expressed digestive enzyme genes  in the 

hepatopancreas of  redclaw  fed various plant/animal derived  ingredients  that have 

different  structural  complexities.  In  this  way,  we  can  develop  a  comprehensive 

understanding of digestive  capacity  linked  to  selection of nutritious,  low‐cost  feed 

ingredients  that  will  lead  to  improved  species‐specific,  low‐cost  aquafeeds  for 

farmed freshwater crayfish species. 

 

3.5Acknowledgments

The  authors would  like  to  thank  Kristian  Just  (Ridley  Agri  Products,  Australia)  for 

donation  of  fishmeal  and  other  feed  ingredients. We  are  also  grateful  to Debbie 

White, Peter and Ethel Moore (Cherax Park, Theebine QLD 4570, Australia), for their 

kind cooperation and supply of crayfish for this project. 

 

 

 

Page 88: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

70  

3.6Supplementarymaterial

   

 

Figure  S  3.1    Functional  annotation  of  redclaw  (C.  quadricarinatus)  across 

different GO term categories. 

Page 89: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

71  

 

 

 

 

 

 

Figure  S  3.2  Alignment  of  translated  amino  acid  sequence  of  redclaw  amplified 

chitinase gene fragment (C_amp) with translated amino acid sequences of chitinase 

fragments  resulted  from  the  transcriptome  (C_seq1  and  C_seq2).  Identical  and 

similar residues are shaded black and grey respectively (69.8% pairwise identity and 

64.2% column wise identity). 

Figure S 3.3 Alignment of translated amino acid sequence of redclaw amplified endo‐

β‐mannanase gene fragment (Mann_amp) with translated amino acid sequences of 

endo‐β‐mannanase resulted  from the transcriptome  (Mann_seq1 and Mann_seq2). 

Identical and similar  residues are shaded black and grey  respectively  (estimated at 

85.2% and 85.8% pair wise and column wise identity, respectively). 

 

Page 90: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

72  

 

Figure S 3.4 Alignment of translated amino acid sequence of redclaw amplified lipase 

gene fragment (Lip_amp) with translated amino acid sequences of  lipase (Lip_seq1) 

resulted from the transcriptome. Identical and similar residues are shaded black and 

grey respectively (estimated at 100.0% pair wise and column wise identity). 

 

Figure  S  3.5  Alignment  of  translated  amino  acid  sequence  of  redclaw  amplified 

trypsin gene fragments (T1_amp and T2_amp) with translated amino acid sequences 

of trypsin resulted from the transcriptome (T_seq1 and T_seq2). Identical and similar 

residues are shaded black and grey  respectively  (estimated at 69.9% pair wise and 

47.4% column wise identity). 

Page 91: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

73  

 

Table S 3.1 Top 10 BLASTx results for Cherax quadricarinatus endo‐β‐glucanase,  

chitinase and endo‐β‐mannanase sequences. 

Description  Max  Total  Query  E value  Identity  Accession No

Endo‐β‐glucanase       

beta 1,4‐endoglucanase [Cherax quadricarinatus] 619 5274 69% 0  97%  AAD38027.1

cellulase GHF9 [Cherax quadricarinatus]  618 5263 69% 0  97%  AAO61672.2

cellulase [Neomysis intermedia]  495 3966 70% 3.00E‐152  57%  BAL60587.1

NwEG [Nasutitermes walkeri] 473 3791 67% 1.00E‐144  59%  BAA33709.1

Chain A, The Structure Of Endoglucanase From  471 3788 67% 2.00E‐144  59%  1KS8_A

endo‐b‐1,4‐glucanase [Nasutitermes takasagoensis]  472 3791 67% 2.00E‐144  59%  BAA33708.1

endo‐beta‐1,4‐glucanase [Coptotermes formosanus] 470 3787 67% 1.00E‐143  58%  ADB12483.1

endo‐beta‐1,4‐glucanase [Coptotermes gestroi] 463 3697 68% 2.00E‐141  57%  AGS32241.1

cellulase [Coptotermes acinaciformis]  462 3712 67% 7.00E‐141  58%  AAK12339.1

endoglucanase [Macrotermes barneyi]  457 3660 66% 5.00E‐139  56%  AFD33365.1

Chitinase       

chitinase [Scylla serrata]  332 634 71% 2.00E‐165  61%  ABY85409.1

chitinase precursor [Litopenaeus vannamei]  310 603 71% 5.00E‐156  56%  ABY70643.1

chitinase [Fenneropenaeus chinensis]  311 601 71% 1.00E‐155  57%  AAY44300.1

chitinase 3 precursor [Penaeus monodon]  309 598 71% 1.00E‐154  56%  ADG22163.1

chitinase [Litopenaeus vannamei]  310 597 71% 2.00E‐154  57%  AAN74647.1

Pjchi‐3 [Marsupenaeus japonicus]  311 596 71% 4.00E‐154  57%  BAA22854.1

chitinase [Litopenaeus vannamei]  313 568 69% 3.00E‐152  56%  AAT80625.1

chitinase [Pandalopsis japonica]  277 572 71% 8.00E‐147  50%  AFC60660.1

chitinase [Pandalopsis japonica]  267 533 71% 1.00E‐141  72%  AFC60661.1

chitinase [Pandalopsis japonica]  233 457 54% 3.00E‐119  65%  AFC60659.1

Endo‐β‐mannanase       

GH5 family protein GH5A [Limnoria quadripunctata] 184 1096 72% 6.00E‐47  55%  ADE58567.1

GH5 family protein GH5C [Limnoria quadripunctata] 183 1052 67% 8.00E‐47  62%  ADE58568.1

GH5 family protein GH5E [Limnoria quadripunctata] 171 1050 69% 2.00E‐42  55%  ADE58569.1

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  149 877 65% 4.00E‐35  49%  EFX71597.1

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  133 833 63% 1.00E‐29  47%  EFX71596.1

beta‐1,4‐mannanase [Haliotis discus hannai]  124 709 59% 9.00E‐29  50%  BAE78456.1

beta‐1,4‐mannanase [Haliotis discus discus]  124 707 59% 1.00E‐28  50%  BAI99559.1

Chain A, Beta‐1,4‐Mannanase From The Common Sea  124 674 63% 7.00E‐27  44%  3VUP_A

beta‐1,4‐mannanase [Aplysia kurodai]  124 676 63% 9.00E‐27  44%  BAJ60954.1

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  122 815 67% 3.00E‐26  44%  EFX76384.1

 

 

 

 

 

 

 

Page 92: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

74  

 

Table S 3.2  List of primers designed for selected candidate genes 

Primer name  Sequence 

Product 

length/bp 

endoglucanase_F  AATGCTGAACCCTTGTGAGG 1209 

endoglucanase_R  TAGAGGGTCTGGGGGTTAGG

Alpha amylase_F  GGAGTTCATCGACATGGTGC 1869 

Alpha amylase_R  AAGACGTTGAGGTAGCCACA 

Chitinase_F  AGACCTACACCCACCACCAG 771 

Chitinase_R  AGATGTTAGCGTTGGGGTTG 

Mannanase‐F  CACTGTGAAGTCAACGAGGC 418 

Mannanase_R  ATCACTCTCGGCTCTTGGAG 

Trypsin_F  CCAAGAAACGATGCCAGCTA 705 

Trypsin_R  TTCGTGTTCTGCCTTCTCCT 

Lipase_F  TATACGACCTGCCGTGACTG 419 

Lipase_R  GCTGGAGATCGCATACTTGG 

F – Forward R – Reverse 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 93: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

75  

Table S 3.3 Top 10 BLASTx  results  for  selected gene  fragments  sequenced  for PCR 

validation 

Endo‐β‐mannanase Max 

score 

Total 

score 

Query 

cover E value  Identity  Accession 

GH5 family protein GH5A [Limnoria 

quadripunctata] 176  176  96%  7.00E‐51  65% 

ADE58567.1 

GH5 family protein GH5C [Limnoria 

quadripunctata] 166  166  98%  5.00E‐47  61% 

ADE58568.1 

GH5 family protein GH5E [Limnoria 

quadripunctata] 160  160  96%  6.00E‐45  62% 

ADE58569.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  151  151  97%  2.00E‐41  50%  EFX71597.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  144  144  97%  1.00E‐38  51%  EFX71596.1 

hypothetical protein DAPPUDRAFT_119876 

[Daphnia pulex] 127  127  97%  4.00E‐34  48%  EFX62773.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  127  127  97%  2.00E‐32  48%  EFX71598.1 

beta‐1,4‐mannanase precursor [Cryptopygus 

antarcticus] 126  126  97%  4.00E‐32  46%  ABV68808.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  125  125  97%  8.00E‐32  48%  EFX76384.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  122  122  97%  1.00E‐30  47%  EFX76385.1 

                    

Chitinase                   

chitinase [Scylla serrata]  222  222  99%  5.00E‐66  60%  ABY85409.1 

chitinase [Litopenaeus vannamei]  211  211  99%  5.00E‐62  56%  AAN74647.1 

chitinase [Litopenaeus vannamei]  210  210  99%  6.00E‐62  56%  AAT80625.1 

chitinase [Fenneropenaeus chinensis]  210  210  99%  1.00E‐61  56%  AAY44300.1 

chitinase 3 precursor [Penaeus monodon]  207  207  99%  2.00E‐60  55%  ADG22163.1 

chitinase precursor [Litopenaeus vannamei]  207  207  98%  3.00E‐60  56%  ABY70643.1 

Pjchi‐3 [Marsupenaeus japonicus]  204  204  99%  1.00E‐59  55%  BAA22854.1 

chitinase [Pandalopsis japonica]  177  177  95%  3.00E‐49  48%  AFC60660.1 

chitinase [Pandalopsis japonica]  177  177  96%  3.00E‐49  47%  AFC60661.1 

chitinase [Pandalopsis japonica]  165  165  69%  2.00E‐45  51%  AFC60659.1 

                    

Trypsin             

trypsin 2 [Panulirus argus]  304  304  99%  7.00E‐101  73%  ADB66713.1 

trypsin 1a [Panulirus argus]  298  298  99%  1.00E‐98  71%  ADB66711.1 

trypsin 1b [Panulirus argus]  297  297  99%  3.00E‐98  71%  ADB66712.1 

trypsin 3 [Panulirus argus]  294  294  99%  4.00E‐97  70%  ADB66714.1 

trypsin 4 [Panulirus argus]  292  292  99%  3.00E‐96  71%  ADB66715.1 

trypsin [Litopenaeus vannamei]  291  291  99%  9.00E‐96  70%  CAA75311.1 

trypsin [Litopenaeus vannamei]  287  287  99%  3.00E‐94  69%  CAA60129.1 

trypsinogen 1 [Litopenaeus vannamei]  287  287  99%  4.00E‐94  69%  AEZ67461.1 

trypsin [Marsupenaeus japonicus]  286  286  99%  4.00E‐94  69%  ACE80257.1 

trypsin [Litopenaeus vannamei]  286  286  99%  4.00E‐94  69%  CAA75309.1 

 

Page 94: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

76  

CHAPTER4: Expressionpatterns of selecteddigestive enzymesgenes in the hepatopancreas of redclaw (Cheraxquadricarinatus)fedtwodifferentcarbohydratesources  

Presented at the annual conference of Genetics Society of AustralAsia (GSA), 6 – 9 July, 2014. University of Sydney, Sydney, Australia (oral presentation). 

                                       

Page 95: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

77  

Expression patterns of selected digestive enzyme genes in the 

hepatopancreas of redclaw (Cherax quadricarinatus) fed two different 

carbohydrate sources 

 Authors and their affiliations 

Dammannagoda L. K.*, Prentis P. J.*, Amin S. #, Hurwood D. A.*, Mather P. B. & 

Pavasovic A. # 

 

*School of Earth, Environmental and Biological Sciences, Science and Engineering 

Faculty, Queensland University of Technology, GPO Box 2434, Brisbane, Australia. 

 

#School of Biomedical Science, Faculty of Health, Queensland University of 

Technology, GPO Box 2434, Brisbane, Australia. 

                        

Page 96: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

78  

Abstract

Despite  the rich diversity of  freshwater crayfish species, current world aquaculture 

production is largely based on only a small number of species. Redclaw, is a relatively 

recent  entrant  into  this  industry,  but  has  been  recognised  as  a  candidate  species 

with  significant  potential  because  of  some  key  physiological  traits  attractive  for 

culture.  To  date  however,  the  industry  has  yet  to  develop  a  specific  commercial 

formulated diets that is well matched with its nutrient requirements for this species. 

Traditional  standard  dose‐response  trials  have  evaluated  effects  of  different  feed 

ingredients and their combinations but there is still only limited information on this 

animal’s  genetic make‐up  in  relation  to digestive metabolism. Here, we examined 

expression  profiles  of  expressed  sequenced  tags  (ESTs)  from  hepatopancreatic 

transcriptomes  in  redclaw  individuals  fed either  starch or  soluble cellulose  in  their 

diets at the 20 per cent inclusion level. Individuals were fed with either a starch (RD, 

reference diet) or soluble cellulose (TD, test diet) diet for one week and then RNAseq 

libraries were  constructed  from  the hepatopancreas  and  sequenced using  the  Ion 

Proton sequencing platform with data annotated using the NCBI database. Analysis 

of ESTs from both test groups revealed that most digestive enzyme genes expressed 

in  redclaw were  involved  in  carbohydrate metabolism  and  the  diet with  soluble 

cellulose (TD) showed higher expression levels of carbohydrate metabolism genes. In 

particular,  genes  that  encoded  enzymes  involved  in  hydrolysis  of  lignocellulosic 

material  showed  the  highest  expression  levels.    In  contrast,  TD  resulted  in  lower 

expression of  alpha  amylase  compared with  the RD  in  redclaw.  Identification of  a 

vast  array  of  redclaw  digestive  enzyme  genes  and  presence  of  various  isoforms 

suggest  that  redclaw  have  an  innate  genetic  capacity  to  utilise  a  wide  range  of 

carbohydrate substrates of different structural complexity. Thus, there is a potential 

to incorporate complex plant polysaccharides into their formulated diets in order to 

reduce total feed costs. 

 

Key words:  

redclaw, hepatopancreas, digestive enzymes, soluble cellulose, carboxy methyl 

cellulose, starch, gene expression 

Page 97: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

79  

4.1 Introduction

Redclaw  (Cherax  quadricarinatus)  supports  a  developing  culture  industry  in  a 

number of countries around the world (Saoud et al. 2013, 2012). Currently however, 

little knowledge  is available about this species’ specific nutritional requirements, so 

the industry has yet to develop a species‐specific commercial formulated diet that is 

well optimised to redclaw’s nutrient requirements  (Saoud et al. 2012). Commercial 

production  of  farmed  redclaw  in  many  locations  has  often  used  commercial 

shrimp/prawn formulated aquafeeds that in general, contain high levels of relatively 

expensive  fish meal  as  the main  protein  source  (García‐Ulloa  et  al.  2003;  Cortés‐

Jacinto  et  al.  2003,  2004,  2005;  Thompson  et  al.  2003a,  2003b).  High  feed  costs 

overtime  can  affect  the  economic  viability  and  impair  development  of  any 

aquaculture  industry  as  feed  and  feeding  is  the  major  operating  cost  in  most 

aquaculture ventures that can contribute up to 80% of the total production cost  in 

intensive culture  (Thompson et al. 2010). With a shift over  time  from extensive  to 

more intensive culture systems (Saoud et al. 2012), the cost of formulated diets has 

become of greater significance and so to promote development of redclaw farming it 

will be important to develop species‐specific formulated, low‐cost diets for cultured 

redclaw stocks (Webster et al. 1994, 2002; Curtis & Jones 1995). Such diets will also 

need to be less expensive than commercial, formulated shrimp feeds while offering a 

complete  nutrient  profile matched  to  the  animal’s  digestive  capacity  and  needs 

(Saoud et al. 2012). 

Redclaw  are widely  recognised  as  omnivores  and/or  detritivores  in  terms  of  their 

feeding behaviour  (Jones 1990; Brown 1995a; Momot 1995) and  It  is evident  that 

this species relies on a broad range of plant‐based  ingredients  in their natural diets 

where  individuals  tend  to  consume  a  relatively  high  proportion  of  plant material 

containing  carbohydrates  (Hill  &  Lodge  1994;  Vogt  2002;  Linton  et  al.  2009). 

Carbohydrates in general possess good protein‐sparing ability (Pavasovic et al. 2006). 

Recognition  of  this  fact  suggests  that  a  variety  of  plant  derived materials  could 

potentially  be  incorporated  into  feed  formulations  for  practical  diets  for  use  in 

redclaw aquaculture (Jones 1990; Campaná‐Torres et al. 2005, 2006, 2008; Pavasovic 

et  al.  2007a)  while  also  reducing  significantly  the  cost  of  a  formulated  feed. 

Page 98: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

80  

Figueiredo  et  al.  (2001)  reported  a  variety  of  digestive  enzymes  activities  in  the 

hepatopancreas of  redclaw  that could be  linked  to  their apparent  innate ability  to 

consume a wide variety of feed ingredients and Pavasovic et al. (2007a) showed that 

redclaw have the capacity to adapt their digestive physiology in response to changes 

in nutrient requirements, nutrient availability, and/or dietary profile (Pavasovic et al. 

2007b).  

Endogenous cellulase activity and molecular evidence for a corresponding gene(s) in 

redclaw  that produce  endogenous  endo beta 1,  4  glucanase have directed  recent 

research  to  investigate  the potential of  redclaw  carbohydrase enzyme(s)  to digest 

and utilise  complex polysaccharides  for example,  cellulose. Pavasovic  et al.  (2006) 

investigated growth, digestibility, enzyme activity and  survival of  redclaw  fed with 

insoluble  cellulose  (α‐cellulose) while Dammannagoda  et  al.  (2013)  demonstrated 

the  effects  of  soluble  cellulose  in  diets  on  growth,  survival  and  digestive  enzyme 

activities. In the latter study, cellulase activity in the hepatopancreas of redclaw fed 

soluble cellulose was not significantly different  (p>0.05)  from animals  fed starch at 

the 20% inclusion level. This result adds support to reports (Shiau 1997; Pavasovic et 

al. 2006) that redclaw are better able hydrolysing complex structural polysaccharides 

than other forms of carbohydrates  in their diets, which are found  in plant material. 

Furthermore,  Dammannagoda  et  al.  (2014)  identified  a  number  of  endo  beta 

glucanase enzyme gene sequences that were expressed in a redclaw hepatopancreas 

transcriptome. Endo‐β‐glucanases were  the most abundant expressed gene among 

the array of enzyme genes identified. In addition, this study was the first to identify 

an endo beta mannanase gene  in  the hepatopancreatic  transcriptome of  redclaw. 

Together, the results of these studies indicate that redclaw has a high utilisation rate 

of plant‐derived  feed  components  and has  the  genetic  capacity  to digest  complex 

polysaccharides, naturally.  

In the crustacean digestive system, the hepatopancreas plays an important role and 

has  a  variety  of  functions  including  synthesis  and  secretion  of  digestive  enzymes, 

absorption  and  storage  of  nutrients, metabolism  and  release  of  stored  reserves 

(Ceccaldi  1997;  Verri  et  al.  2001,  Vogt  2002).  Despite  evidence  for  the  ability  of 

redclaw to produce and secrete a range of digestive enzymes in the hepatopancreas 

Page 99: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

81  

(proteases, amylases, lipases and cellulases), in the past the majority of feeding and 

growth studies conducted on redclaw have  investigated the activity  levels of only a 

few  of  the  major  digestive  enzymes.  In  addition,  biochemical  enzyme  assays 

employed were  carried out based on a  substrate‐enzyme method  that will always 

rely  on  the  relative  “sensitivity”  of  the  assay  and  so  provide  only  a  relative 

quantification of the enzyme produced. This type of study does not provide data on 

an  individual’s  innate  genetic  ability  to  produce  and  secrete  the  target  digestive 

enzymes. Molecular approaches for  investigating digestive enzyme gene expression 

in  the hepatopancreas  in  contrast  can provide a more  comprehensive picture and 

can provide valuable information about each individual’s genetic capacity to produce 

enzymes  that  are  involved  directly  in  digestion.  This  information  can  be  used  to 

identify  the  complexity  and  diversity  of  different  genes  that  regulate  secretion  of 

digestive enzymes and so provide a better understanding of an  individual’s overall 

digestive  capacity  that  will  allow  determination  of  their  specific  nutritional 

requirements  (Dammannagoda  et  al.  2014).  Analysis  of  expressed  sequence  tags 

(ESTs) provides a comprehensive and widely used approach  for discovery of novel, 

uniquely expressed genes and also allows for characterisation of expression profiles 

in various tissues (Jiang et al. 2009a). López‐López et al. (2005) and Pavasovic et al.( 

2007a) observed that digestive enzyme profiles can be affected by diet composition 

in crustaceans but  to date, no studies have investigated gene expression of redclaw 

digestive enzymes  in  the hepatopancreas  in order  to  characterise gene expression 

profiles when individuals are fed different diet formulations.  

Here, we examined hepatopancreatic digestive gene expression in redclaw fed either 

starch  or  soluble  cellulose  at  the  20%  inclusion  level  in  their  formulated  diets  to 

identify  differences  in  digestive  enzyme  gene  expression  patterns  associated with 

inclusion  of  the  two  ingredients.  We  developed  a  transcriptome  from 

hepatopancreatic  tissue  after  individual  animals  had  been  fed  the  two  diets  and 

applied  next  generation  sequencing  (NGS)  technology  to  analyse  associated  gene 

expression profiles. The specific aim was to determine  if certain classes of digestive 

enzyme  gene  expression  were  up  or  down‐regulated  associated  with  particular 

carbohydrate sources included in the diets.  

Page 100: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

82  

4.2 Materialsandmethods

4.2.1 Experimental animals and diets 

Two  experimental  diets  (reference  diet  ‐  RD/test  diet  –  TD)  were  prepared  as 

described  in Dammannagoda et al.  (2013). The RD contained starch  (corn) and  the 

TD contained soluble cellulose (carboxy methyl cellulose) at the 20% inclusion level.  

Sub‐adult  redclaw  (Cherax  quadricarinatus)  (38.60±1.85  g) were  obtained  from  a 

commercial  crayfish  farm  (Cherax  Park,  Theebine,  Queensland)  and    allocated 

randomly  to  tanks  in  an  automated  recirculating,  freshwater  aquaculture  system 

(XenopLus  Aqua  System,  Techniplast,  Italy).  Animals  were  acclimated  to  the 

experimental conditions (temperature: 26.9±0.04 0C, Conductivity: 614±13.5 μScm‐1, 

pH: 7.7±0.02) and  to  their  feeds  for 1 week prior  to experiments commencing. All 

animals were assigned randomly to two groups and fed on one of two diets during 

their  acclimation  period.  After  acclimation,  individuals were  starved  for  48  hours 

(Ong & Johnston 2006) following which they were fed their respective diets. After 90 

minutes of feeding time (Gonzales‐Pena et al. 2002), five individuals from each of the 

two diet groups were selected at random and euthanized by  immediate  immersion 

in  ice water  for 10 minutes.  Following  this, hepatopancreatic  tissue was dissected 

from each experimental animal,  tissue was washed with DNAse/RNAse  free water 

and  samples  immediately  frozen  in  liquid  nitrogen.  Samples were  stored  at  ‐80oC 

prior to RNA extraction.  

4.2.2 Total RNA extraction 

Three  replicates  from each  treatment group were used  for RNA extraction. Frozen 

samples  were  homogenised  in  liquid  nitrogen  and  total  RNA  was  extracted  and 

purified  using  a  Trizol/Chloroform  extraction  protocol  as  per  the manufacturer’s 

(Qiagen)  instructions. Briefly, homogenised  samples were  added  to  1 mL of  Trizol 

and  incubated  for  5  minutes  at  room  temperature.  Following  this,  200  μL  of 

chloroform  was  added  and  the  mixture  was  centrifuged  at  15,000  rpm  for  10 

minutes.  Following  this,  ~500  μL  of  clear  supernatant was  separated  and  purified 

using Qiagen RNAsey Mini Kit (Qiagen) as per the manufacturer’s protocols.  Quality 

integrity of total RNA was tested by measuring RNA concentration (A260/A280 ratio) 

Page 101: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

83  

using  a  Beckman  Coulter  spectrophotometer  (Beckman  Coulter  Inc.  CA, USA)  and 

running 5 μL of purified samples on an 1.5% agarose gel and Bioanalyzer 2100 using 

a RNA nanochip (Agilent Technologies).  

4.2.3 mRNA enrichment 

Only RNA  samples  that had a RNA  Integrity Number  (RIN) of greater  than 8 were 

used for isolation of mRNA which was done using a Dynabeads mRNA Purification kit 

(Life Technologies). Quality and quantity of isolated mRNA were determined using a 

Bioanalyzer 2100 Pico chip (Agilent Technologies).  

4.2.4 cDNA synthesis, library preparation and sequencing 

High quality  (100‐500 ng) mRNA was  fragmented  into 200‐700 bp  templates using 

RNase  III  (Life  Technologies)  for  cDNA  synthesis.  Fragmented  RNA  was  then 

evaluated  for  yield  and  size distribution on  a Bioanalyzer 2100 using  an RNA Pico 

chip  (Agilent  Technologies).  cDNA  library  synthesis  for  whole  transcriptome  was 

conducted using Ion Total RNA‐Seq Kit. Preparation of templates using emulsion PCR 

for sequencing and purification were performed using OneTouch IonTM Template kit 

(Life  Technologies)  as  per  the  manufacturer’s  instructions.  Each  sample  was 

barcoded  and  Next  Generation  Sequencing  (NGS)  was  conducted  using  two  Ion 

Proton PI chips (Life Technologies) for RD samples and TD samples, respectively. 

4.2.5 Analysis 

Raw  reads  underwent  strict  quality  filtering  with  removal  of  all  adapters  and 

sequences with greater  than 5% N bases or greater  than 10% of bases with Q<20, 

prior  to  downstream  analyses.  Following  quality  filtering,  high  quality  reads were 

assembled  using  the  Trinity  platform,  applying  default  settings.  The  assembled 

transcriptome  was  referenced  to  the  NR  database  at  NCBI  and  annotated  using 

Blast2Go  software.    All  contigs  were  screened  against  protein  data  bases  and  a 

nucleotide  database  using  BLASTx  (e‐value<10‐6)  and  BLASTn  (e‐value<10‐6), 

respectively. Blast2Go software was also used to determine the functions of contigs 

and to assign Gene Ontology (GO) terms to the sequences.  

Page 102: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

84  

4.2.6 Quantitative PCR validation 

Validation  of  transcriptome  results  was  undertaken  by  conducting  relative 

quantitative  real‐time  PCR  for  selected  digestive  enzyme  genes  and  a  number  of 

other genes reported in redclaw hepatopancreas in a previous study (Yudkovski et al. 

2007)  (Table  S4.1).  Total  RNA  Samples  that were  used  for NGS  sequencing were 

converted  to  cDNA  using  a  Tetro  cDNA  synthesis  kit  (Bioline,  UK)  as  per  the 

manufacturer’s  instructions.  cDNA was  then used as  template and a  standard PCR 

reaction was conducted in 20 μL volume composed of 10 μL of SYBR Green 1 master 

mix, 1 μL of each forward and reverse primer (10 mMol), 1 μL of cDNA template and 

H2O. Each reaction was performed  in triplicate for target genes  in a LightCycler®96 

PCR thermocycler (Roche, Basel, Switzerland) under the following cycling conditions; 

one cycle at 950C for 10 minutes; 40 cycles at 950C, 600C and 720C for 10 second each 

followed by one cycle at 950C, 650C for 10 seconds and and 970C for 1 second. 18S 

RNA was  used  for  normalisation. Relative  ratio  (target  gene  conc./reference  gene 

conc.)  was  calculated  using  LightCycler®96  analysis  software  (Roche,  Basel, 

Switzerland).  

4.3 Results

4.3.1 Transcriptome sequencing and reads assembly  

Summary of transcriptome sequencing data resulted from the two Ion proton chips 

and Trinity assembly statistics are shown in Table 4.1. MA and the Volcano plot were 

created  using  EdgeR  software  and  show  differential  expression  of  transcripts 

between  the  control  (RD)  and  the  treatment  (TD)  groups  (Figure  4.1).  After 

assembly, data were trimmed by removing contigs that were  less than 299 bp and 

this  generated  a  total of 65, 399  and 76,121  contigs  for  the  control  (RD)  and  the 

treatment groups (TD) respectively. Transcriptome libraries from animals fed the TD 

produced a higher number of contigs  (10, 722). Contigs were  then queried against 

the  NR  and  NT  databases  for  blasting  and  annotation  using  Blast2GO  software 

(Conesa et al. 2005). 

 

 

Page 103: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

85  

b a

Table 4.1 Summary of sequence and assembly data 

Sequence statistics 

Treatment  RD  TD 

Total number of bases  7.8 Gb  6.8 Gb 

Number of cleaned bases (>Q20)  6.0 Gb  5.4 Gb 

Total number of reads  78, 273, 300 66, 837, 666 

Mean read length/bp  99  102 

Assembly statistics 

Total number of contigs (after trimming) 65, 399  76, 121 

Longest contig/bp  13, 115  12, 604 

Mean contig length (after trimming)/bp  617  615 

N50  533  536 

 

             

Figure  4.1  Pairwise  comparisons  of  transcript  abundance  between  two  diet 

treatment groups. (a) MA plot for differential expression analysis. log (fold change or 

ratio) [log (TD/RD)]   for each gene between the two samples against the gene’s  log 

(average expression)  [½log  (RD*TD)]  in  the  two samples.  (b) Volcano plot  for False 

Discovery Rate  (‐log10FDR) as a  function of  log  (fold change) between  the samples. 

Transcripts  that were differentially expressed  (up  regulated or down  regulated are 

shown in red.  

Page 104: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

86  

4.3.2 Functional annotation and gene ontology (GO) assignment 

A summary of blast and annotated data distribution  is shown  in Table 4.2. 18, 283 

contigs  (27.9% of  all  contigs)  and 21, 728  (28.5% of  all  contigs) were matched by 

BLASTx for RD and TD, respectively. 72.1% of RD contigs and 71.5% TD contigs could 

not be matched with any known protein.  

Table 4.2 Summary of blast and annotation results 

Type No of sequences 

RD  TD 

Without Blast Results  1 1, 361 

Without Blast Hits  38, 639 43, 178 

With Blast Results  3, 255 3, 686 

With Mapping Results  5, 566 6, 168 

Annotated Sequences  18, 445 21, 728 

Total Sequences  65, 906 76, 121 

GO  term  classifications  for  functional  categories  were  performed  for  annotated 

contigs  from both treatment groups using CateGOrizer software  (multiple counting 

method).  Contigs  resulting  from  both  treatments  showed  highest  number  of  GO 

terms  assigned  for  biological  process  (RD  –  60,  935;  TD  –  109,  792)  followed  by 

cellular component  (RD – 40, 878; TD – 51, 751) and molecular  function  (RD – 29, 

170; TD – 39, 931) categories. Assigned GO terms for contigs from both RD and TD in 

each  category  in  general, were  comparable while  TD  showed  a  higher  number of 

contigs  assigned  for  each  term  and  a  higher  number  of GO  terms  assigned.  This 

pattern  indicates  that  soluble  cellulose  in  the  diet may  “induce”  expression  of  a 

number of  genes  in  the  redclaw hepatopancreas  that  results  in more diverse  and 

complex  gene  expression  profiles  when  individuals  are  fed  with  dietary  soluble 

cellulose compared with those fed with starch.  

4.3.3 Candidate digestive enzyme genes and their expression 

We  explored  candidate  genes  that were  involved  in  regulating  digestion  of major 

ingredients  and  compared  their  expression  patterns  between  the  two  diet 

treatments used  in this study. A  list of candidate digestive enzyme genes and their 

individual statistics are shown in Table 4.3. 

 

Page 105: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

87  

Table 4.3  Selected candidate digestive enzyme genes and statistics 

Gene name Contig length range/bp 

Total number of contigs 

RD  TD  RD  TD 

Endoglucanase  317 ‐ 2402  312 ‐ 2419  57  61 

Alpha amylase  320 ‐ 1430  315 ‐ 2435  27  5 

Chitinase  312 ‐ 2073  328 ‐ 2132  23  26 

Endo‐β‐mannanase  668 ‐ 1383  441 ‐ 1196  4  8 

Maltase  800 ‐ 2197  962 ‐ 2163  8  10 

Trypsin  325 ‐ 1318  415 ‐ 1265  9  11 

Lipase  301 ‐ 2044  300 ‐ 2154  41  54 

Aminopeptidase  302 ‐2772  300 ‐ 2779  22  30 

Carboxypeptidase  315 ‐ 2316  334 ‐ 2327  13  7 

 

Endoglucanase  (EG) was  the most  highly  expressed  digestive  enzyme  under  both 

carbohydrate sources; starch and soluble cellulose, with a slightly higher number of 

sequences  expressed  in  individuals  fed  soluble  cellulose.  Consumption  of  soluble 

cellulose resulted in a higher number of contigs expressed for most digestive enzyme 

genes  that were  involved  in  carbohydrate metabolism  including  chitinase, endo‐β‐

mannanase  and  maltase.  In  contrast,  with  soluble  cellulose  (TD)  alpha  amylase 

expression was  reduced  resulting  in only 5 contigs while 27 alpha amylase contigs 

were recorded for RD.  

We performed BLASTx comparisons of “longest” and “best aligned” contigs for major 

digestive enzyme genes and compared the results between the two diet treatments 

(Table S4.2  (a) and  (b)). EG  contigs  from  the RD  showed  significant  similarity with 

published β – 1, 4 endoglucanase and the GH 9 family protein  in C. quadricarinatus 

while EG contigs from the TD showed significant matches with more diverse groups 

of animals  including with sea squirts, annelids and termites. Chitinase contigs  from 

both transcriptome libraries showed alignments with chitinases from marine shrimp 

and prawns (e.g. Litopenaeus vannamei, Penaeus monodon, Pandalopsis japonica). A 

similar pattern of results was obtained for endo‐β‐mannanase with both treatments 

and  significant  matches  were  evident  with  endo‐β‐mannanase  from  Limnoria 

quadripunctata and Daphnia pulex.  In addition, alpha amylase contigs  from the RD 

treatment showed significant similarity with that from Litopenaeus vannamei, while 

the alpha amylase in the TD treatment showed similarity with a hypothetical protein 

Page 106: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

88  

in  Daphnia  pulex  and  alpha  amylase  1  in  Camponotus  floridanus. With  regard  to 

trypsin contigs expressed  in the two transcriptome  libraries, we observed different 

matches in the BLASTx search. Trypsin contigs in the RD, showed significant similarity 

with  several  trypsin  types  (Trypsin  1a,  1b,  2,  3  and  4)  in  Caribbean  spiny  lobster 

(Panulirus argus) while trypsin contigs in the TD matched with trypsin from a variety 

of species.  

We mapped  the annotated  sequences  from both  transcriptome  libraries  (RD – 18, 

283;  TD  –  21,  728)  in  the Kyoto  Encyclopaedia of Genes  and Genomes  (KEGG)  to 

identify  biological  pathways  that  annotated  sequences were  involved with  (Table 

S4.3).  We assigned 5445 sequences to 126 known metabolic or signalling pathways 

for RD and 6, 392 sequences to 128 pathways for TD, respectively.  

4.3.4 Real‐time PCR validation  

Relative  ratio  (abundance)  of  expression  selected  genes  in  individual  samples 

measured via real‐time RT‐PCR are shown  in Figure S4.1. Despite the relatively  low 

number of contigs that were present in both transcriptomes, RT‐PCR results showed 

higher  trypsin  expression  in  all  samples  irrespective  of  treatment,  compared with 

other digestive enzyme genes, in particular carbohydrases.  

4.4 Discussion

Very little is known currently about genes that are involved in digestive metabolism 

in freshwater crayfish and few studies have investigated their genetic characteristics 

related  to digestive capacity. Dammannagoda et al.  (2014)  investigated expression 

patterns  of  major  digestive  enzyme  genes  in  the  redclaw  hepatopancreas  and 

characterised  them.  They  identified  an  extensive  array  of  digestive  enzymes 

expressed  in  the  redclaw hepatopancreas. Here, we profiled hepatopancreas  from 

redclaw  fed  two structurally different carbohydrate sources  in order  to  investigate 

and  compare  differential  gene  expression  patterns  in  the major  digestive  enzyme 

genes.  

Analysis of the data distribution and functional GO term assignments show that the 

transcriptome  from animals  fed  the TD produced higher numbers of contigs  for all 

Page 107: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

89  

gene  types  (except  for alpha amylase) and higher expression  levels with more GO 

terms assigned to all categories. This  indicates,  in general, that  inclusion of dietary 

soluble cellulose in the diet can have a positive effect on gene expression in redclaw 

hepatopancreas. A BLASTx search of these contigs revealed that different isoforms of 

digestive enzyme genes were expressed under this treatment. 

Structure  of  carbohydrates  is  one  of  the  main  factors  that  determines  their 

utilisation  and  in  general,  simple  sugars  (monosaccharides)  appear  to  be  poorly 

utilised  by  crustaceans  (Pavasovic  et  al.  2006).  Among  complex  polysaccharides, 

starch  is  easily  digestible  and  the  most  commonly  used  form  of  carbohydrate 

incorporated  in  crustacean  feeds  (Stickney  2009;  Sanchez‐Paz  et  al.  2006).  Non 

starch  polysaccharides  (NSP),  mainly  cellulose,  hemicellulose  and  xylan  that 

constitute  the main  components  of  plant  cell wall  pass  through  the  intestines  of 

most animals undigested unless  they have  the  required enzymes  in  their digestive 

tract  to  breakdown  such  substrates  (Stickney  2009).  As  reported  earlier  by 

Dammannagoda et al. (2014), transcripts from both diet treatments,  irrespective of 

the  dietary  source,  consisted  largely  of  enzyme  genes  involved  in  carbohydrate 

metabolism. In particular, genes hydrolysing complex structural polysaccharides like 

cellulose, mannan, and chitin etc. This pattern reflects the omnivorous/detritivorous 

feeding  habit  of  freshwater  crayfish  (reviewed  in  Saoud  et  al.  2012)  and  their 

preference for plant‐derived ingredients in the diets (Figueiredo & Anderson 2003).   

Among  the  digestive  enzyme  genes  expressed  in  the  RD  and  TD  treatments, 

endoglucanases  (EG) produced the highest number of contigs with the TD showing 

higher  expression  levels  compared  with  the  RD.  This  indicates  that  inclusion  of 

soluble  cellulose  in  the  diet  has  a  positive  effect  on  expression  levels  of 

endoglucanase. This results are  in par with the results obtained by Dammannagoda 

et al.  (2013) where  cellulase activity  in  redclaw  fed  soluble  cellulose  (TD) was not 

significantly different from  individuals fed starch (RD). It also agrees with reports of 

several studies that suggest dietary ingredients can change digestive enzyme profile 

expression patterns  in freshwater crayfish (Lopez‐Lopez et al. 2005; Pavasovic et al. 

2007). BLASTx search results for the selected EG contigs expressed in the TD showed 

that  redclaw  cellulases/EG  had  significant  similarities with  endoglucanases  from  a 

Page 108: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

90  

diverse groups of animals. Potentially therefore, redclaw may possess a  large range 

of EG isoforms and expression and level of expression of isoforms may be influenced 

by different  types of dietary  ingredient. Soluble cellulose could be one component 

that influences expression of various EG isoforms in the redclaw hepatopancreas.  

As with EG,  soluble  cellulose  in  the diet also produced higher expression  levels of 

chitinase and endo‐β‐mannanase  sequences  in  the hepatopancreas of  redclaw  fed 

the TD.  In combination with high expression  levels of EG contigs under the TD, this 

finding  suggests  that  dietary  fibre  can  induce  expression  of  certain  classes  of 

digestive enzymes that are involved in hydrolysis of structural polysaccharides found 

in plant  cell walls. Dammannagoda  et al.  (2014)  reported presence of  an  endo‐β‐

mannanase gene  in  redclaw and showed  that  it had significant similarity with GH5 

family  proteins  found  in  Limnorrids  that  produce  all  of  the  digestive  enzymes 

necessary for lignocellose digestion endogenously. The endo‐β‐mannanase sequence 

transcripts we  captured  here,  in  both  transcriptomes  showed  a  significant match 

with  the  same  three  types of GH5  family proteins  (GH5A, GH5C and GH5C)  in  the 

Limnorrid (Limnoria quadripunctata).  

Alpha  amylase  hydrolyses  α  bonds  in  large  α‐linked  polysaccharides  for  example; 

starch  and  glycogen  and  it  has  been  reported  that  in  some  crustaceans,  alpha 

amylase  activity  is  the  highest  of  all  carbohydrases  expressed  (e.g.  Crab  species: 

Johnston  &  Freeman  2005;  Litopenaeus  vannamei:  Gaxiola  et  al.  2005).  Several 

studies  conducted  on  redclaw  however,  have  reported  lower  alpha  amylase 

expression  levels  compared  with  cellulase  activity  (e.g.  Figueiredo  et  al.  2001; 

Pavasovic et al. 2006; Pavasovic et al. 2007a; Dammannagoda et al. 2013). González‐

Peña  et  al.  (2002)  also  demonstrated  that  dietary  cellulose  can  decrease  alpha 

amylase  levels  in  the  hepatopancreas  of  freshwater  prawns  (Macrobrachium 

rosenbergii). Furthermore, Dammannagoda et al. (2013) observed significantly lower 

alpha amylase activity  in  redclaw  fed  soluble  cellulose  (TD)  than  in  individuals  fed 

starch  (RD).  Here,  we  observed  only  very  low  alpha  amylase  expression  (only  5 

contigs)  in  animals  fed  the  same TD  compared with  animals  fed  the  same RD  (27 

contigs).  The  two  studies  show  good  accord  in  this  regard. We  compared  KEGG 

pathways of annotated sequences from both transcriptomes.  

Page 109: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

91  

Given  the  fact  that  results  in  general,  did  not  show  significant  differences  in  the 

pathways and number of sequences expressed between the two treatment groups, 

further  analysis  will  be  required  to  identify  unique  or  specific  pathways  where 

differentially expressed contigs may be involved.   

Lipase  enzymes  were  the  second  highest  class  of  gene  expressed  in  the 

transcriptomes  in  both  treatments  groups.  Lipids  are  often  incorporated  in 

formulated  diets  as  a major  energy  source  and  provide  efficient  protein  sparing 

ability.  As  the  crustacean  hepatopancreas  is  involved  not  only  in  digestion  and 

absorption of nutrients (storing organ) but also in several other metabolic processes, 

stored lipids are transported to or utilised in, other organs and tissues during certain 

periods for example, during moulting (Yudkovski et al. 2007) and reproduction (Jiang 

et al. 2009). Expression of  lipase genes can  therefore, be affected by a number of 

other factors and are affected by the physiological status of the individual. Being the 

second highest gene expressed per  individual enzyme class, our transcriptome data 

indicates high lipid metabolism activity in the redclaw hepatopancreas.  

Advanced software features and computational methods used in transcriptome data 

analysis now allow us to perform very deep data analysis. Extraction and analysis of 

significantly  differentially  expressed  sequences  for  example,  can  provide  an 

important path  to group  (cluster) genes  that  show  similar expression patterns and 

also  to  group  together  samples  those  show  similar  expression  profiles.  Such 

“extraction” of differentially expressed  sequences assist  comparing  transcriptomes 

across  samples.  In  the  current  study  however,  we  could  not  perform  some 

computational methods (e.g. hierarchical clustering) to address this objective due to 

the high variance in gene expression among some biological replicates that we used.  

As the crustacean hepatopancreas  is  involved not only  in nutrient digestion related 

processes but also  in a variety of other metabolic functions, gene expression  in the 

hepatopancreas  can  potentially  be  affected  significantly  by  a  number  of  factors, 

most importantly the moult stage of the individual.   The moult cycle is characterised 

by multi‐gene expression patterns  (Yudkovski et al.  (2007) and  individuals being at 

different moult stage could result in high variance in our biological samples. We also 

did not consider the sex of  individuals  for RNA sequencing which could be another 

Page 110: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

92  

reason  for  the  high  variance  in  expression  pattern  observed  in  this  study within 

treatments. 

During  real‐time  qRT‐PCR  validation,  due  to  the  high  variation  among  some 

biological  replicates  in  both  the  RD  and  TD  treatments,  relative  expression  ratios 

(∆∆Ct) and  fold change  in gene expression  for  target genes  in  the  treatment group 

(TD),  relative  to  the control  (RD) could not be estimated. We  therefore, calculated 

relative expression  (relative  to  internal control, 18S gene) of  target genes,  in each 

sample  in both  treatment groups. We did not observe however, good correlations 

between  qRT_PCR  results  and  transcriptome  data  but  observed  relatively  higher 

trypsin compared with carbohydrase  (endoglucanase, alpha amylase and chitinase) 

expression which  is  contradictory  to  our  transcriptome  data. One  reason  for  this 

could be  the amplification of very  specific  sequences during qRT‐PCR according  to 

the primers designed so that not all isoforms we observed in the transcriptome data 

were screened. Alternative splicing of pre‐mRNA in eukaryotes is common and in this 

process, particular exons in  a  gene may be  included within, or excluded  from,  the 

final processed mRNA transcript produced from a gene (Black 2003). The primers we 

used/designed may  not  have  amplified  all  splice  forms  of  the  target  genes  (for 

example, primers designed  from  junctions which participate  in  alternative  splicing 

will not give good  correlations)  cover all variants and  so may have ended up with 

lower expression levels following qRT‐PCR regardless of the higher number of contigs 

we obtained for endoglucanase and chitinase genes in our transcriptomes. Changing 

or re‐designing primers and checking all splice variants of target genes would help to 

address this issue.  

In conclusion, our results show  that addition of dietary soluble cellulose can affect 

expression  levels  of  certain  digestive  enzymes  genes  involved  in  carbohydrate 

metabolism,  in  particular,  those  involved with  digestion  of  lignocellulosic material 

where presence of  lignocellulose  increases enzyme expression  levels. This suggests 

that  redclaw  has  an  innate  genetic  capacity  to  utilise  complex  polysaccharides 

efficiently so and there  is potential to  include more plant‐derived  ingredients (NSP) 

into commercially formulated diets in order to reduce the cost of feed. 

 

Page 111: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

93  

4.5 Supplementarymaterial 

Table S 4.1. List of selected digestive enzyme and other gene primers used for qRT‐

PCR validation in redclaw. 

 

Gene  PCR primer pair 

Endoglucanase (EG)  F: CCAGTCGTGGAGTGGGTACT 

R: TTGGGTGTGACAGGGATCTCA  

Alpha amylase (AA)  F: CATGGAGTTCATCGACATGG 

R: GGGAAGTCAAGTTGGTCAGC  

Trypsin (TRP)  F: TGAGGGAGGAAAGGACTCTTGC  

R: CGTAACCCCAAGACACGATGC 

Chitinase (CHIT)  F: ACACAACCAAGGATGACCAGTGG  

R: GGTCATGGCACCCAGTAGATGC 

Hypocretin (HCRT)  F: TGATGTCCTTGGTGATGTCATTG  

R: AATCTAAAGAATGCTGGGTCGC 

Digestive cysteine proteinase 1 (DGP1)  F: TCTGGCCATGAACAAGTTTGC  

R: TGACTTGGTAGACGGTGTGGG 

Pseudohaemocyanin (PHC)  F: GAAACCATTGTCAAGGTCTTCAACC 

R: GCACTTGTTTCTGTTAATGGTGACG 

Haemocyanin 2 (HC2)  F: TGAACTTGCCGTGAGGATCACC  

R: TGAATCTTCTGCATACAGCGCC 

18S RNA (Internal control)  F: CCTTCGCACGGTCAAAATACC 

R: AGTCTGACCTGCCCATTGGG 

Page 112: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

94  

 

Table S 4.2. BLASTx results for selected candidate digestive enzyme genes from the RD transcriptome (first 10 results) 

Endoglucanase  

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Identity  Accession 

beta 1,4‐endoglucanase [Cherax quadricarinatus]  183  3404  70%  6.00E‐77  58%  AAD38027.1 

cellulase GHF9 [Cherax quadricarinatus]  183  3401  70%  7.00E‐77  58%  AAO61672.2 

endo‐b‐1,4‐glucanase [Perinereis brevicirris]  124  2002  62%  7.00E‐70  42%  BAK20401.1 

hypothetical protein [Paenibacillus massiliensis]  157  2391  57%  3.00E‐38  49%  WP_018886155.1 

GH9 family protein [Limnoria quadripunctata]  163  2281  59%  4.00E‐38  39%  ADB85442.1 

Chain A, The Structure Of Endoglucanase From Termite, Nasutitermes takasagoensis, At pH 2.5 >pdb|1KSC|A Chain A, The Structure Of Endoglucanase From Termite, Nasutitermes takasagoensis, At pH 5.6. >pdb|1KSD|A Chain A, The Structure Of Endoglucanase From Termite, Nasutitermes takasagoensis, At pH 6.5. 

158  2584  67%  8.00E‐37  39%  1KS8_A 

endo‐b‐1,4‐glucanase [Nasutitermes takasagoensis] >dbj|BAA76619.1| cellulase NtEG [Nasutitermes takasagoensis] 

158  2585  67%  1.00E‐36  39%  BAA33708.1 

endoglucanase‐1,4‐beta‐glucanase [Daphnia pulex]  159  2374  70%  2.00E‐36  38%  EFX69372.1 

unnamed protein product [Oikopleura dioica]  158  2458  68%  4.00E‐36  39%  CBY11538.1 

unnamed protein product [Oikopleura dioica]  158  2459  68%  4.00E‐36  39%  CBY41392.1 

    

Page 113: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

95  

Chitinase  

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Identity  Accession 

chitinase [Pandalopsis japonica]  285  2585  82%  2.00E‐103  48%  AFC60661.1 

chitinase [Litopenaeus vannamei]  288  2642  79%  4.00E‐101  50%  AAT80625.1 

chitinase [Litopenaeus vannamei]  290  2637  83%  1.00E‐97  50%  AAN74647.1 

chitinase 3 precursor [Penaeus monodon]  289  2592  83%  2.00E‐97  50%  ADG22163.1 

chitinase precursor [Litopenaeus vannamei]  285  2679  86%  4.00E‐97  50%  ABY70643.1 

chitinase [Scylla serrata]  323  2722  85%  6.00E‐96  46%  ABY85409.1 

Pjchi‐3 [Marsupenaeus japonicus]  279  2640  84%  3.00E‐83  42%  BAA22854.1 

chitinase [Pandalopsis japonica]  285  2568  86%  1.00E‐81  41%  AFC60660.1 

chitinase [Fenneropenaeus chinensis]  287  2626  83%  1.00E‐80  43%  AAY44300.1 

chitinase [Pandalopsis japonica]  274  2555  77%  3.00E‐79  48%  AFC60659.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase 

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Identity  Accession 

GH5 family protein GH5C [Limnoria quadripunctata]  122  177  71%  3.00E‐29  43%  ADE58568.1 

GH5 family protein GH5A [Limnoria quadripunctata]  121  181  60%  6.00E‐29  44%  ADE58567.1 

GH5 family protein GH5E [Limnoria quadripunctata]  106  167  60%  8.00E‐24  47%  ADE58569.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  89.7  142  60%  6.00E‐18  35%  EFX71597.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  75.9  130  60%  6.00E‐13  32%  EFX71596.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  68.2  119  60%  3.00E‐10  33%  EFX76384.1 

beta‐1,4‐mannanase precursor [Cryptopygus antarcticus]  67.4  112  56%  5.00E‐10  37%  ABV68808.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex]  66.6  115  60%  9.00E‐10  33%  EFX76385.1 

hypothetical protein DAPPUDRAFT_119876 [Daphnia pulex]  60.8  111  60%  1.00E‐08  30%  EFX62773.1 

beta‐1,4‐mannanase [Haliotis discus hannai]  62.4  113  53%  2.00E‐08  32%  BAE78456.1 

   

Page 114: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

96  

Alpha amylase 

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Identity  Accession 

alpha‐amylase [Litopenaeus vannamei]  227  4590  70%  8.00E‐60  51%  CAB63937.1 

preamylase 1 [Litopenaeus vannamei]  220  4705  72%  5.00E‐57  53%  CAA54524.1 

alpha‐amylase [Litopenaeus vannamei]  214  4622  72%  3.00E‐55  53%  CAB65553.1 

alpha‐amylase [Myxocyprinus asiaticus]  181  4001  72%  5.00E‐44  47%  ABQ45553.1 

Pancreatic alpha‐amylase [Columba livia]  179  3972  71%  4.00E‐43  48%  EMC78994.1 

alpha‐amylase [Helicoverpa armigera] >gb|ACB54942.1| amylase [Helicoverpa armigera] 

178  3765  71%  4.00E‐43  47%  ABU98614.1 

PREDICTED: pancreatic alpha‐amylase‐like [Columba livia]  179  3977  71%  6.00E‐43  48%  XP_005498835.1 

salivary alpha‐amylase [Myodes glareolus]  177  4036  72%  1.00E‐42  47%  ABB96226.1 

PREDICTED: pancreatic alpha‐amylase [Otolemur garnettii]  176  3980  72%  3.00E‐42  48%  XP_003784145.1 

alpha‐amylase [Ephestia kuehniella]  175  4004  72%  7.00E‐42  65%  ACL14798.1 

Trypsin 

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Ident  Accession 

trypsin 2 [Panulirus argus]  334  1439  70%  9.00E‐101  74%  ADB66713.1 

trypsin 4 [Panulirus argus]  333  1148  65%  3.00E‐100  66%  ADB66715.1 

trypsin 1a [Panulirus argus]  328  1381  70%  1.00E‐98  73%  ADB66711.1 

trypsin 1b [Panulirus argus]  326  1368  70%  8.00E‐98  72%  ADB66712.1 

trypsin 3 [Panulirus argus]  324  1378  69%  5.00E‐97  71%  ADB66714.1 

trypsin [Marsupenaeus japonicus]  316  1368  70%  4.00E‐94  70%  ACE80257.1 

trypsin [Litopenaeus vannamei]  315  1416  70%  7.00E‐94  70%  CAA60129.1 

trypsinogen 1 [Litopenaeus vannamei]  315  1422  70%  9.00E‐94  70%  AEZ67461.1 

trypsin [Litopenaeus vannamei]  313  1403  69%  2.00E‐93  70%  CAA75311.1 

trypsinogen 2 [Litopenaeus vannamei]  311  1395  70%  2.00E‐92  68%  AEZ68613.1 

  

Page 115: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

97  

Table S 4.3. BLASTx results for selected candidate digestive enzyme genes from the TD transcriptome (first 10 results) 

Endoglucanase   

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Identity  Accession 

PREDICTED: endoglucanase E‐4, partial [Ciona intestinalis] 96.7  3786 69% 9.00E‐59 62% XP_002122707.1 

unnamed protein product [Oikopleura dioica] 95.9  3756 70% 2.00E‐52 58% CBY23167.1

putative endo‐beta‐1,4‐glucanase NtEG2 [Nasutitermes takasagoensis] 122  3598 61% 2.00E‐51 56% BAD12011.1 

beta‐1,4‐endoglucanase [Eisenia andrei]  90.1  3847 72% 2.00E‐51 58% ACE75511.1

endoglucanase [Macrotermes barneyi]  139  4544 75% 1.00E‐50 48% AFD33365.1

cellulase [Coptotermes acinaciformis]  143  4624 74% 8.00E‐50 49% AAK12339.1 

PREDICTED: endo‐beta‐1,4‐glucanase‐like [Saccoglossus kowalevskii] 100  3732 72% 1.00E‐49 46% XP_002739247.1 

PREDICTED: cellulase‐like, partial [Saccoglossus kowalevskii] 140  5373 72% 1.00E‐49 31% XP_002742454.1 

PREDICTED: predicted protein‐like [Saccoglossus kowalevskii] 100  3781 64% 1.00E‐49 40% XP_002739249.1 

endo‐beta‐1,4‐glucanase [Coptotermes formosanus] 142  4703 73% 2.00E‐49 46% ADB12483.1 

Chitinase    

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Identity  Accession 

chitinase precursor [Litopenaeus vannamei] 229  1021 78% 3.00E‐61 38% ABY70643.1

chitinase [Pandalopsis japonica]  226  997 79% 4.00E‐60 36% AFC60660.1

chitinase [Litopenaeus vannamei]  223  1059 77% 2.00E‐59 38% AAN74647.1 

chitinase [Fenneropenaeus chinensis]  222  1099 77% 5.00E‐59 37% AAY44300.1

chitinase 3 precursor [Penaeus monodon]  222  1048 78% 6.00E‐59 38% ADG22163.1 

chitinase [Scylla serrata] 219  1000 72% 6.00E‐58 39% ABY85409.1

Pjchi‐3 [Marsupenaeus japonicus]  217  1027 77% 3.00E‐57 37% BAA22854.1 

chitinase [Pandalopsis japonica]  213  1036 76% 6.00E‐57 38% AFC60659.1

chitinase 2, partial [Procambarus clarkii]  196  672 40% 2.00E‐53 51% AFZ78450.1

chitinase [Pandalopsis japonica]  206  979 75% 3.00E‐53 34% AFC60661.1

Page 116: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

98  

 

endo‐beta‐1,4‐mannanase   

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Identity  Accession 

GH5 family protein GH5A [Limnoria quadripunctata] 174  1676 69% 5.00E‐97 70% ADE58567.1 

GH5 family protein GH5C [Limnoria quadripunctata] 154  1522 68% 2.00E‐85 59% ADE58568.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex] 135  1292 66% 4.00E‐74 58% EFX71596.1

GH5 family protein GH5E [Limnoria quadripunctata] 159  1662 72% 3.00E‐67 63% ADE58569.1 

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex] 115  1091 56% 6.00E‐66 54% EFX71598.1

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex] 141  1295 68% 2.00E‐62 53% EFX71597.1

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex] 115  1116 67% 4.00E‐62 44% EFX76384.1

endo‐beta‐1,4‐mannanase [Daphnia pulex] 111  1096 67% 2.00E‐61 43% EFX76385.1

beta‐1,4‐mannanase [Aplysia kurodai]  107  1014 63% 5.00E‐46 51% BAJ60954.1

beta‐1,4‐mannanase [Haliotis discus hannai] 96.7  980 59% 6.00E‐44 48% BAE78456.1

Alpha amylase  

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Identity  Accession 

hypothetical protein DAPPUDRAFT_64687 [Daphnia pulex] 214  2009 78% 3.00E‐155 66% EFX66437.1

Alpha‐amylase 1 [Camponotus floridanus]  188  1309 61% 1.00E‐124 50% EFN63696.1

Alpha‐amylase 1 [Camponotus floridanus]  190  2243 62% 4.00E‐121 50% EFN63697.1

hypothetical protein SINV_13988 [Solenopsis invicta] 164  1126 60% 3.00E‐114 43% EFZ16139.1

PREDICTED: pancreatic alpha‐amylase‐like [Strongylocentrotus purpuratus] 147  1746 74% 5.00E‐113 49% XP_782094.2 

hypothetical protein DAPPUDRAFT_68162 [Daphnia pulex] 204  1004 40% 7.00E‐111 68% EFX62183.1

hypothetical protein CAPTEDRAFT_181675 [Capitella teleta] 175  1543 77% 9.00E‐106 50% ELT92052.1

alpha‐amylase [Crassostrea gigas]  160  1572 65% 1.00E‐99 53% AEA72216.1

alpha‐amylase 2 [Culex quinquefasciatus] >gb|EDS43922.1| alpha‐amylase 2 [Culex quinquefasciatus] 

162  1197 58% 6.00E‐99 43% XP_001846546.1 

Alpha‐amylase [Crassostrea gigas]  184  1880 78% 1.00E‐93 62% EKC28393.1

Page 117: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

99  

 

  

        

Trypsin   

Description Max score 

Total score 

Query cover 

E value  Identity  Accession 

PREDICTED: serine protease 27‐like [Alligator mississippiensis] 68.6  543 43% 4.00E‐19 38% XP_006274754.1 

PREDICTED: trypsin‐1‐like [Ceratitis capitata] 60.1  429 43% 5.00E‐17 37% XP_004517876.1 

female reproductive tract protease mayaguana‐2 [Drosophila mayaguana] 72.8  449 42% 7.00E‐17 41% ACR61324.1

PREDICTED: coagulation factor XI [Sarcophilus harrisii] 80.1  452 39% 7.00E‐17 45% XP_003773049.1 

trypsin‐1 [Culex quinquefasciatus] >gb|EDS28651.1| trypsin‐1 [Culex quinquefasciatus] 70.9  478 43% 2.00E‐16 37% XP_001848608.1 

trypsin 5G1 [Culex quinquefasciatus] >ref|XP_001847362.1| trypsin 5G1 [Culexquinquefasciatus] >gb|EDS26053.1| trypsin 5G1 [Culex quinquefasciatus] 

74.3  452 40% 2.00E‐16 37% XP_001847361.1 

trypsin [Acartia pacifica] 91.3  547 39% 2.00E‐16 46% AGN29625.1 

GH13258 [Drosophila grimshawi] >gb|EDV99046.1| GH13258 [Drosophila grimshawi] 68.2  483 42% 2.00E‐16 37% XP_001993121.1 

trypsin [Scylla paramamosain]  86.7  615 38% 4.00E‐16 51% ADB55592.1 

trypsin [Anopheles gambiae]  81.3  453 42% 4.00E‐16 42% CAA80517.1 

Page 118: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

100  

Table S 4.4. KEGG pathways of redclaw hepatopancreatic genes (Pathways that only 

100 or more sequences are involved, are shown).  

 

 

RD 

Pathway  Seqs in Pathway 

Purine metabolism  544

Pyrimidine metabolism  184

Pyruvate metabolism  177

Citrate cycle (TCA cycle)  173

Carbon fixation pathways in prokaryotes  153

Aminoacyl‐tRNA biosynthesis  139

Glycolysis / Gluconeogenesis  136

Valine, leucine and isoleucine degradation  132

Glycine, serine and threonine metabolism  132

Thiamine metabolism  127

Phosphatidylinositol signaling system  126

Oxidative phosphorylation  120

Propanoate metabolism  115

Amino sugar and nucleotide sugar metabolism  106

Glyoxylate and dicarboxylate metabolism  102

T cell receptor signaling pathway  101

TD 

Pathway  Seqs in Pathway 

Purine metabolism  656

Citrate cycle (TCA cycle)  223

Aminoacyl‐tRNA biosynthesis  195

Carbon fixation pathways in prokaryotes  192

Pyrimidine metabolism  188

Phosphatidylinositol signaling system  154

Starch and sucrose metabolism  149

Pyruvate metabolism  145

Amino sugar and nucleotide sugar metabolism  136

Propanoate metabolism  134

Oxidative phosphorylation  133

Valine, leucine and isoleucine degradation  133

Glycolysis / Gluconeogenesis  131

Lysine degradation  126

Thiamine metabolism  112

T cell receptor signaling pathway  110

Inositol phosphate metabolism  109

Glycine, serine and threonine metabolism  105

Glyoxylate and dicarboxylate metabolism  105

Page 119: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

101  

Figure S 4.1. Relative concentrations of selected digestive enzyme and other genes  in reference (RD) and treated (TD) samples evaluated by relative quantitative real‐time PCR (for gene names, see Table S 4.1) 

Page 120: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

102  

CHAPTER5: Generaldiscussionandconclusions

While  freshwater  crustacean  production  remains  of  significant  and  growing 

worldwide interest, freshwater crustacean farming to date is restricted to only a few 

freshwater  prawn  species,  Chinese  mitten  crab  and  some  crayfish  species  (FAO 

2012).    Despite  high  diversity  of  taxa  in  the  world,  commercial  production  of 

freshwater  crayfish  is  currently  limited  to  approximately  only  10  species  and 

approximately 35% of the world’s total  freshwater crayfish production comes  from 

just  two  crayfish  species;  red  swamp  crayfish, Procambarus  clarkii and white  river 

crayfish, P. zonangulatus that have faced significant disease issues at times in culture 

(Ackefors  2000).  This  has  encouraged  diversification  of  freshwater  crayfish 

aquaculture where new suitable candidate species are being trialled  in commercial 

culture in various locations. 

While  three  Cherax  species  have  been  shown  to  have  aquaculture  potential  and 

currently are being cultured commercially in Australia and elsewhere (in the case of 

redclaw), lack of specific knowledge about each species nutritional requirements and 

digestive  enzyme  activity  has  become  a  significant  limitation  on  development  of 

specis‐specific  formulated  diet  and  thereby  growth  of  the  culture  industry.  Feed 

formulations  and  feeding  practices  that  are  not  optimised  to  a  particular  species’ 

specific nutritional  requirements  can affect  the  industry negatively  in  two ways;  it 

can  increase the cost of production and also compromise optimum growth of each 

farmed  species  and  hence  their  relative  productivity  in  culture.  This  has  direct 

impacts  on  economic  viability  of  the  industry  and  can  impair  development.    It  is 

therefore, essential to understand not only each individual species’ digestive enzyme 

characteristics  related  to  diet  but  also  the  underlying  genetic  factors  that  allow 

farmers to fully exploit the digestive capacity of specific freshwater crayfish species 

so  that  specific  formulated  diets  that  provide  adequate nutrition  to  support  their 

optimum  growth  can  be  developed.  Development  of  diets well‐matched  to  each 

target species can reduce production costs and  improve  industry efficiency. Hence, 

the key aims of  the current study were  to evaluate  the ability of  the  three Cherax 

species farmed in Australia to utilise plant‐based feed ingredients (soluble cellulose) 

Page 121: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

103  

in  their  diets  and  to  investigate  associated  digestive  enzyme  gene  expression 

patterns  in  redclaw  exposed  to  two  different  carbohydrate  sources  that  possess 

different structural complexities (one that incorporated soluble cellulose).   

Recent  findings  on  endogenous  cellulase  activities  and  recognition  of  molecular 

evidence for a corresponding gene(s) (Byrne et al. 1999; Xue et al. 1999; Figueiredo 

et al. 2001; Crawford et al. 2005) provide evidence  that  freshwater  crayfish often 

ingest and utilise structural plant polysaccharides  in  their natural diets  in  the wild. 

Dietary composition potentially affects the active digestive enzyme profile expressed 

as  well  as  their  relative  secretion  levels  in  freshwater  crayfish  (Pavasovic  et  al. 

2007b).  Controlling  expression  and  secretion  of  particular  enzymes  could  be  an 

evolutionary  response  to  reduce  energy  expenditure  until  specific  dietary 

components  are  detected  by  crayfish.  When  specific  dietary  components  are 

detected,  they may  stimulate  enzyme  production  and  increase  secretion  levels  of 

relevant  digestive  enzymes  to  match  dietary  levels  leading  to  allow  efficient 

hydrolysis  of  the  substrate.    Essentially,  this  means  that  in  crayfish,  digestive 

enzymes may  be  expressed  in  a  constitutive manner  in  response  to  detection  of 

specific dietary components  in  ingested food. Considering the natural feeding habit 

and  detection  of  endogenous  cellulase  activity  in  freshwater  crayfish,  there  have 

been  few attempts  to date  to evaluate plant  fibre  (mainly cellulose) as a potential 

feed  ingredient  in their diets. While Pavasovic et al. (2006)  indicated that there are 

no nutritive benefits to be gained by  inclusion of  insoluble cellulose (α‐cellulose)  in 

redclaw  diets  because  this  can  produce  a  significant  reduction  in  growth 

performance  and  feeding  efficiencies,  in  contrast,  here  (Chapter  2),  higher  levels 

(although not significant) of cellulase activity were observed  in redclaw  fed soluble 

cellulose,  compared  with  starch.  This  suggests  that  soluble  cellulose  can  be 

hydrolysed  by  redclaw  cellulases  efficiently  and  therefore  is  a  potential  energy 

source  for  them.  This  finding  was  confirmed  by  results  from  molecular  studies 

(Chapters 3 and 4) where endo‐β‐glucanase provided the highest number of contigs 

for any enzyme and similar numbers of contigs were expressed in animals fed either 

starch or soluble cellulose.  

Page 122: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

104  

While significantly  lower enzyme activities were observed for all digestive enzymes 

tested  in yabby and marron compared with redclaw fed  identical diets, of  interest, 

their  specific  growth  rates  were  not  significantly  different  between  the  two 

treatments. Given that all three Cherax species responded in similar ways to the two 

carbohydrate  sources  in  their  diets,  this  suggests  that  soluble  cellulose  could  be 

included in diets for yabby or marron without having any significant negative impact 

on  their  relative  growth  performance  and  hence  could  potentially  be  an  efficient 

energy  source  for  them  as well. Differences  in  relative enzyme  activity  levels  and 

relative growth rates observed among the three species however, suggest that they 

do  show  different  abilities  to  digest  and  utilise  various  carbohydrate  sources, 

differences  that  may  relate  to  their  adaptation  in  nature  to  different  habitat 

conditions and  food sources  in different climatic and geographical  locations across 

Australia. 

The physical process of cellulose digestion in invertebrates has been explained based 

on a traditional model developed for fungal cellulase systems (Allardyce et al. 2010). 

According to this model, there are three enzyme classes (endo‐β‐1, 4‐glucanases ‐ EC 

3.2.1.4,  exoglucanases,  including  both  cellobiohydrolases  ‐  EC  3.2.1.91  and 

sometimes glucohydrolases  ‐ EC 3.2.1.74 and β‐glucosidases  ‐ EC 3.2.1.21)  that are 

involved  in  cellulose  digestion  and  presence  and  synergistic  activity  of  all  three 

classes of enzyme are needed for complete hydrolysis of cellulose to simple sugars 

(Lynd et al. 2002; Watanabe & Tokuda 2010). Of the three enzyme classes, endo‐β‐1, 

4‐glucanases  and  β‐glucosidases play  key  roles  in  the  cellulose hydrolysis process. 

Endo‐β‐1, 4‐glucanases have been  identified  in a wide  range of crustacean  species 

including  freshwater  crayfish  and  β‐glucosidase  activity  has  also  been  recorded 

recently  in a  small number of  crustaceans, notably  Land  crab, Gecarcoidea natalis 

(Allardyce  et  al.  2010),  but  to  date  not  in  freshwater  crayfish.  While  redclaw 

hepatopancreatic  transcriptomes  analysed  in  this  study  did  not  consist  genes 

expressed and  that represent cellobiohydrolases or β‐glucosidases, Pavasovic et al. 

(2006)  reported  that  redclaw can  liberate glucose  from carboxymethyl cellulose  (a 

derivative  of  soluble  cellulose).  One  suggestion  is  that  secretion  of  high 

concentrations  of  multiple  forms  of  endo‐β‐1,  4‐glucanases  in  redclaw  could 

Page 123: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

105  

overcome low activity levels, or even absence of other classes of cellulase and allow 

complete  cellulose  digestion  (Scrivener  &  Slaytor  1994).  Future  molecular  and 

biochemical  studies  will  be  necessary  to  understand  and  to  characterise,  the 

complete  cellulose  process  digestion  in  redclaw. Moreover,  similar  studies will  be 

required  to  determine  if  the  same  enzyme  classes  are  present  in  the  other  two 

Cherax  species  tested  here  in  order  to  understand  and  compare  the  cellulose 

digestion process across species. This future work would identify the unique aspects 

cellulose  digestion  among  Cherax  species  and  allow  potential  ingredients  well‐

matched  to  specific digestion enzyme profiles  in each  species  to be  identified and 

trialled in experimental formulated feeds.  

Non  starch  polysaccharides  (NSP;  e.  g.  cellulose,  hemicellulose)  have  sometimes 

been  considered  to  be  anti‐nutritional  factors  that  are  present  in  plant  derived 

ingredients.  Inclusion of  these NSPs  in  formulated  feeds  can  limit effectiveness of 

aquafeeds  by  affecting  ingredient  digestibility  (Francis  et  al.  2001).  Soluble  NSP 

potentially  increases  the  viscosity  of  the  intestinal  digesta  potentially  inhibiting 

normal  digestive  enzyme  activity  (Pavasovic  et  al.  2006;  Crawford  et  al.  2005).  In 

general, the very low enzyme activities observed here in all three species (except for 

cellulase activity  in redclaw) may potentially have been affected by this process.  In 

redclaw  in  particular,  however,  a  significant  differences  in  gene  expression  levels 

were not detected  for alpha amylase,  trypsin or any other protease between diets 

with the two carbohydrate sources. This suggests that at least redclaw does have the 

innate  capacity  to  secrete  similar  levels of digestive  enzymes  (other  than  endo‐β‐

glucanase)  in  the  presence  of  soluble  cellulose  compared  with  starch.  Thus, 

potentially  chemical/physical  or  biotechnological  technologies  may  be  used  to 

increase overall digestibility of NSP (Marsman et al. 1997; Drew et al. 2007; de Vries 

et al. 2012) and so possibly eliminate or reduce any anti‐nutritional effects so  that 

digestive enzymes have  free access  to NSP’s  in diets and make  them digestible  to 

freshwater  crayfish.  Future  research  therefore,  should  target  ways  to  improve 

digestibility  of  certain  structural  polysaccharides  in  freshwater  crayfish  and  then 

evaluate  treated  ingredients  for  their  relative  digestibility,  enzyme  expression 

profiles and impacts on relative growth performance.   

Page 124: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

106  

While  traditional growth and  feeding  trials provide  important  information about a 

target  species’  specific  nutritional  requirements  that  can  be  related  to  their 

individual digestive physiology,  a molecular  approach  to  identify digestive enzyme 

gene  expression  patterns  used  in  parallel  with  traditional  standardised  dose‐

response growth trials can provide “hidden”  information about the  innate capacity 

of  an  animal’s  digestive  capacity.  To  date  however,  there  has  been  only  limited 

examination  of  the  specific  molecular  basis  for  feed  utilisation  conducted  on 

freshwater  crayfish  taxa.  At  the  same  time,  recent  advances  in  next  generation 

sequencing  (NGS)  have  contributed  to  a  situation  where  genomic  data  can  be 

developed readily and rapidly for most species (Zend & Extavour 2012) and analysis 

of expressed sequence tags  (ESTs) provides a comprehensive method  for discovery 

of novel, uniquely expressed genes. Despite this, few studies of freshwater crayfish 

have  investigated  the  transcript  level, or examined expression patterns of  specific 

digestive enzyme genes.  It  is  therefore,  considered  that,  transcriptome analysis of 

the hepatopancreas and other digestive tissues will, in the future allow a much more 

detailed  understanding  of  the  entire  spectrum  of  expressed  digestive  enzymes  in 

farmed freshwater crayfish species to be developed.  

A  key  finding  in  the  current  study,  was  the  first  report  of  the  presence  and 

expression of an endo‐β‐mannanase gene in a freshwater crayfish. Importantly, this 

novel gene  showed significant similarity and a close molecular relationship with the 

same  enzyme  class  (GHF5)  identified  earlier  in  a  marine  isopod  (Limnorrid). 

Limnorrids  are  believed  to  have  digestive  tracts  free  from  resident  symbiotic 

microbes  (Boyle  &  Mitchell  1978;  Daniel  et  al.  1991).  The  close  molecular 

relationship  between  the  genes  suggests  that  redclaw  like  Limnorrids  may  be 

capable of producing and secreting endo‐β‐mannanase endogenously. If confirmed, 

this  suggests  that  redclaw  and  potentially  other  freshwater  crayfish  taxa  may 

produce most (if not all) of the digestive enzymes endogenously that can hydrolyse 

structural polysaccharides present in secondary plant cell wall in addition to cellulose 

and mannan.  Xue  (1999)  and  Crawford  et  al.  (2005)  for  example,  had  previously 

reported xylanase activity in the redclaw hepatopancreas but in the current study   a 

single  EST  that  encoded  a  xylanase  enzyme  could  not  be  found  in  the  redclaw 

Page 125: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

107  

transcriptome. Crawford et al. (2005) suggested that xylanase activity in crustaceans 

may have been derived from a distinct enzyme class rather than resulting from the 

broad specificity action of redclaw endoglucanases. Their evidence included multiple 

pH peaks for xylanase activity in both studies indicating presence of several xylanase 

iso‐enzymes (Xue et al. 1999; Crawford et al. 2005). In a recent study conducted by 

King  et  al.  (2010)  their  transcriptome  from  the  Limnoriid  digestive  tract  was 

dominated  by  glycosyl  hydrolase  (GH)  genes  and  putative  cellulase  and 

cellobiohydrolase  genes were  also  highly  represented,  endoxylanase  (endo  β‐1,  4 

xylanse) however, was not detected although  it has been detected  in a few animal 

species (e.g. Ampullaria crossean ‐ AY941794.1, Corbicula japonica ‐ AB490291.1). In 

prokaryotes, both endo‐β‐mannanase and endo‐β‐xylanase belong to the same GH5 

family protein  class and  so King et al.  (2010)  suggested  that  Limnoriid GH5  family 

proteins (enzymes) may target either or both substrates. In a previous study, it was 

shown that some crustacean (e.g. Euphausia superba ‐ Antarctic Krill) endoxylanases 

are  inactive  on  certain  cellulose  substrates  (Turkiewicz  et  al.  2000)  and 

endoglucanase from the same species could not hydrolyse xylan substrates (Chen & 

Chen  1983).  Crawford  et  al.  (2005)  suggested  therefore,  that  xylanase  activity  in 

crustaceans may be derived from a distinct enzyme class rather than broad specifity 

endoglucanases.  Results  obtained  for  Limnoriids  and  observations  by  King  et  al. 

(2010)  support  this  argument  and  could  also  explain why  redclaw  show  xylanase 

activity  apparently  without  possessing  a  corresponding  gene  for  xylanase  while 

having an endo‐β‐mannanase in the same GH family. Therefore, a key aim of future 

redclaw digestive enzyme gene expression studies would be to search specifically for 

molecular evidence for presence, and expression of an endogenous xylanase gene(s) 

in this organism. Future work will also be required to characterise the complete gene 

sequence  of  the  redclaw  endo‐β‐mannanase  and  to  characterise  the  protein  it 

encodes to determine its properties and dietary targets.   

Differences we  observed  in  expression  patterns  in  redclaw  fed  the  two  different 

carbohydrate sources provide compelling molecular support  for results reported  in 

some earlier  studies. Pavasovic et al.  (2007b)  suggested  that diet components can 

influence  freshwater  crayfish  digestive  enzyme  profiles  and  expression  patterns. 

Page 126: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

108  

Here, we showed  that soluble cellulose apparently affected expression of not only 

digestive enzyme genes but also that of other genes present in the hepatopancreas. 

Specifically,  expression  of  genes  that  encode  enzymes  involved  in  carbohydrate 

metabolism (except for alpha amylase) were upregulated, in particular enzymes that 

hydrolyse structural polysaccharides (e.g. endo‐β‐glucanase, endo‐β‐mannanase and 

chitinase).  This  finding  should  encourage  future  redclaw  nutrition  studies  to  be 

expanded  to  trial  specific,  targeted  low‐cost  plant  derived  ingredients  in  redclaw 

experimental diets to identify the best options for the industry.  

Ingredient  digestibility  tests  are  an  important  component  of  most  growth  and 

feeding trials as an  ingredient must be digested efficiently by an animal  in order to 

provide  energy  (Stone  2003).  In  our  first  study  (Chapter  2)  however,  the 

requirements  of  the  trial  did  not  allow  a  digestibility  test  for  soluble  cellulose 

because we could not obtain sufficient  faecal material  from single animals used  in 

the trial. Future digestibility studies may provide possible reasons why redclaw  fed 

soluble  cellulose  showed  significantly  lower  specific growth  rates even when  their 

cellulase  activity  levels  were  apparently  not  significantly  lower  compared  with 

animals  fed  starch  in  their  diets.  i.e.  growth  was  not  restricted  apparently  by 

secretion  of  lower  levels  of  the  relevant  digestive  enzyme  but  by  some  other 

factor(s). This study could   also explain why yabby and marron  in general, showed 

significantly  lower  enzyme  activities  compared  with  redclaw  while  their  relative 

growth rates were not significantly different between the two diets. 

Inclusion level of a specific dietary ingredient in a compound diet will be determined 

by a number of  factors viz; the type, cost and quality of an  ingredient, species and 

requirement  of  the  species  etc.  The  recommended  dietary  inclusion  levels  for 

carbohydrates in aquafeeds is up to 20 % for carnivorous species while it can be up 

to 40 %  for omnivorous  species  (Stone 2003). Here, a 20 %  inclusion  level of  test 

carbohydrate ingredients, soluble cellulose was tested but it is suggested that future 

growth  and  enzyme  activity  studies  should  trial  lower  inclusion  levels  as  specific 

growth rate of redclaw and digestive enzyme activity levels in the other two Cherax 

species fed soluble cellulose appeared to be affected adversely.  It will be, important 

therefore,  to  investigate  lower  inclusion  levels  linked  to  appropriate  digestibility 

Page 127: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

109  

tests  to  determine  if  the  species  show  the  same  patterns  or  better  growth 

performances  when  levels  of  inclusion  are  reduced.  Profile  of  redclaw 

hepatopancreatic transcriptome and investigation of digestive enzymes expressed in 

the hepatopancreas however, have provided explanations  for  some of  the growth 

performance results observed in redclaw in the first study (Chapter 2). An important 

future  step  will  be  to  perform  therefore,  similar  comparative  molecular 

transcriptomic studies on the other two Cherax species in order to characterise their 

specific  digestive  enzyme  gene  expression  patterns  that  can  then  be  used  to 

interpret  results  obtained  in  the  growth  trial.  This  approach  could  also  identify 

unique genes (allelic forms of genes) that are directly related to each species specific 

adaptations to different natural habitats and diets, including types and availability of 

natural  food  types.    Future  studies  could  then  compare  digestive  physiology  and 

innate  differences  among  the  three  Cherax  species. Moreover,  the  same  type  of 

molecular studies conducted on animals of varying age would help to  identify gene 

expression  patterns  specific  to  growth  stage  of  the  species  and  thereby  identify 

specific  nutritional  requirements  particular  to  age  groups  because  different  aged 

crayfish have different nutritional  requirements and so may  require different diets 

for their optimum growth (Figueiredo & Anderson 2003). 

The molecular  studies here  are  the  first  to  investigate  and  characterise  candidate 

genes in the freshwater crayfish hepatopancreas in particular, in relation to digestive 

metabolism. Data produced here can serve as a basis for future nutritional studies in 

freshwater  crayfish  including  other  Cherax  species.  In  addition  to  the  selected 

candidate  digestive  enzyme  genes  targeted  in  the  third  study  (Chapter  4)  for 

expression analysis, other transcripts present in the redclaw hepatopancreas provide 

a  very  good  resource  in  particular,  from  animals  fed  soluble  cellulose.  Further 

analysis  of  these  transcripts will  allow  us  potentially  to  identify  and  characterise 

more candidate genes involved in different biological pathways in redclaw. Specially, 

characteristics  of  differentially  expressed  sequences  and  characterisation  of  their 

individual roles  in metabolism could help to  identify key genes affecting production 

traits including growth enhancement, disease resistance etc. that are influenced epi‐

genetically by inclusion of plant components in crayfish diets.  

Page 128: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

110  

With  the  increasing  price  and  limited  availability  of  fish meal much  attention  is 

focussed at present on  incorporation of  low‐cost plant‐based protein  sources  into 

formulated  animal  feeds.  In  addition,  due  to  the  increasing  pressure  on  grain 

markets (e.g. use of cereal grains for flour milling and ethanol production), there  is 

trend  to  use  a  number  of  plant  by‐products  resulting  from  other  industrial 

operations  for  example,  distillers  dried  grains with  solubles  (DDGS)  in  formulated 

diets  for  non‐ruminant  terrestrial  animal  species  (Zijlstra  et  al.  2010) and  some 

aquaculture  species  (Roy  et  al.  2009; Gatlin  et  al.  2007). Most  of  these  plant  by‐

products are  lower  in  starch and higher  in  crude protein and  fibre  (Shurson et al. 

2005) characteristics that can reduce nutrient digestibility and affect growth rate due 

to high content of NSP  such as cellulose and arabinoxylan.  Inclusion of exogenous 

enzymes, for example endoglucanase and endoxylanase enzymes that hydrolyse the 

b‐1, 4‐bonds  in cellulose and xylan polymers as  feed additives  in plant‐based diets 

potentially  could  greatly  improve  feed  utilisation  in  terrestrial  animals  (Bedford 

1995;  Bedford  2000;  Crawford  et  al.  2005).  Further work  to  fully  understand  the 

cellulose  digestion  process  in  decapod  crustaceans  and  activities  of  enzymes 

involved  may  expand  knowledge  and  potentially  allow  commercial  use  of  some 

enzymes in plant based aquafeeds for more carnivorous crustaceans that have no or 

reduced  activities  of  carbohydrase  enzymes  in  particular,  enzymes  that  hydrolyse 

structural polysaccharides. Crustacean enzyme additives may work more efficiently 

in  the  digestive  systems  of  other  crustacean  species  than  the  enzymes  extracted 

from microorganisms and so could enhance the digestion efficiency.  

Another potential application for crustacean carbohydrases may be their use in bio‐

fuel production. This will require  transgenic yeasts  to be constructed with  inserted 

crustacean carbohydrase DNA sequences  that express genes capable of converting 

carbohydrate substrates  to ethanol. Since both crayfish and yeasts are eukaryotes, 

gene transfer and successful expression of crustacean carbohydrases (in yeasts) may 

be  less  problematic  than  producing  transgenic  yeasts  containing  microbial 

carbohydrase genes. 

The  general  findings  from  the  current  study have  significantly  contributed  to,  and 

expanded on, the current body of knowledge about freshwater crayfish nutrition, in 

Page 129: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

111  

particular,  farmed  parastacid  species.  Results  obtained  here  have  confirmed 

previous  findings  of  endoglucanase  activity  and  broad  carbohydrase  enzyme 

substrate  specificity  in  parastacid  crayfish  (e.g  Xue  et  al.  1998;  Figueiredo,  et  al. 

2001; Crawford et al. 2005). In addition, activity of endo‐β‐mannanase, another key 

enzyme involved in plant cell wall digestion has been detected in redclaw. Evidence 

for endogenous production of this enzyme would confirm redclaw’s apparent ability 

to  hydrolyse  complex  structural  polysaccharides  to  glucose molecules  and  to  use 

them as energy sources. In an  independent recent study (Nugroho & Fotedar 2014) 

showed  higher  specific  growth  and  survival  rates  in  marron  fed  mannan 

oligosaccharides. This indicates that a parastacid at least among freshwater crayfish 

can  degrade  lignocellulosic  plant material  and  other  complex  polysaccharides  to 

glucose  molecules  directly  without  requirement  for  microbial  or  physical 

contribution to the degradation process.  

While  currently  yabbies  (C.  destructor)  contribute  the  highest  share  of  Australian 

national crayfish production  (Wingfield 2008), production practices  for  this  species 

are  still  very primitive  and  are  limited  to  extensive  culture  in  farm dams  that  are 

harvested  opportunistically.  This  is  mainly  to  keep  the  cost  associated  with 

production very  low and  farmed yabbies are provided only periodically with cheap 

commercial pellets as a supplementary feed, if at all, hence underfeeding is a major 

and widespread problem  for yabby culture  (Lawrence &  Jones 2002). Knowing  the 

ability of freshwater crayfish to utilise plant material effectively in their diet, a result 

confirmed  in the present study, may encourage farmers to trial some suitable high‐

protein  plant material  in  addition  to  Lupins  that  are  currently widely  used  in  the 

industry as a supplementary feed, to address the underfeeding  issue. Availability of 

low‐cost formulated feed can address this underfeeding problem in the future. It can 

also help to shift farmers away from using expensive shrimp feeds as supplementary 

feeds  and  focus  their  attention on matching diets  to each  species  innate nutrient 

requirements. 

Results  obtained  here  can  move  current  freshwater  crayfish  nutrition  research 

forward  in  the  direction  of  development  and  use  of  low‐cost  fibre  in  diets. 

Importantly,  various  forms  of  soluble  cellulose  could  provide  potentially  low‐cost 

Page 130: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

112  

ingredients targeted for trial in low‐cost formulated feeds.  Ability of Cherax species 

to  hydrolyse  dietary  fibre  efficiently  will  be  evidenced  by  confirmation  of 

endogenous  production  of  endo‐β‐mannase  enzymes  in  this  group.  Future 

formulated  diets  for  parastacid  crayfish  potentially  caneliminate  expensive  animal 

based  protein  sources  and  be  formulated  effectively  only  with  plant‐based 

substitutes.  As  the  culture  industry  is  moving  from  extensive  to  semi‐intensive 

culture systems with ongoing  increase  in demand, specific supplementary feeds for 

crayfish  will  become  essential  to  maintain  and  increase  productivity.    Results 

reported here can be used  to  formulate  specific  formulated diets  that  incorporate 

complex  plant  polysaccharides  and  replace  expensive  animal  derived  ingredients 

including  fish meal. Potentially,  “low‐cost” diets  can balance high  costs associated 

with  increased  intensity  of  production  while  maintaining  productivity.  Nutrition 

studies  of  parastacid  crayfish  have  and  potentially will  continue  to  contribute  to 

transforming  culture  industries  for  native  freshwater  crayfish  in  Australia  from 

essentially “hobby” farming to a high throughput, intensive agribusiness.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 131: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

113  

Reference

Ackefors,  H.  E. G.  (2000)  Freshwater  crayfish  farming  technology  in  the  1990s:  a 

European and global perspective. Fish and Fisheries 1 (4): 337‐359. 

Ackefors, H., Castell,  J. D., Boston,  L. D., Räty, P. &  Svensson, M.  (1992)  Standard 

experimental  diets  for  crustacean  nutrition  research.  II.  Growth  and  survival  of 

juvenile  crayfish  Astacus  astacus  (Linné)  fed  diets  containing  various  amounts  of 

protein, carbohydrate and lipid. Aquaculture 104 (3‐4): 341‐356. 

Ali,  S.  A.  (1993)  Evaluation  of  different  carbohydrates  in  the  diet  of  the  prawn 

Penaeus indicus. Journal of Aquaculture in the Tropics 8: 13‐23. 

Ali, S. A.  (1996) Carbohydrate nutrition under different dietary conditions  in prawn 

Penaeus indicus. Journal of Aquaculture in the Tropics 11: 13‐25. 

Allardyce, B.  J., Linton, S. M. & Saborowski R.  (2010) The  last piece  in the cellulase 

puzzle:  the  characterisation of  β‐glucosidase  from  the herbivorous  gecarcinid  land 

crab Gecarcoidea natalis. The Journal of experimental biology 213: 2950‐2957.  

Allardyce, B. J. & Linton, S. M. (2008) Purification and characterisation of endo‐β‐1,4‐

glucanase  and  laminarinase  enzymes  from  the  gecarcinid  land  crab  Gecarcoidea 

natalis and  the aquatic crayfish Cherax destructor.  Journal of Experimental Biology 

211 (14): 2275‐2287. 

Austin C. M., Jones P. L., Stagnitti F. & Mitchell B. D. (1997) Response of the yabby, 

Cherax  destructor  Clark,  to  natural  and  artificial  diets:  Phenotypic  variation  in 

juvenile growth. Aquaculture 149: 39‐46. 

Austin, C. M. (1995) Effect of temperature and salinity on the survival and growth of 

juvenile redclaw (Cherax quadricarinatus). Freshwater Crayfish 10: 419‐426. 

Bai,  Z.,  Yin,  Y., Hu,  S., Wang, G.,  Zhang,  X. &  Li,  J.  (2009)  Identification  of Genes 

Involved  in  Immune  Response,  Microsatellite,  and  SNP  Markers  from  Expressed 

Sequence  Tags Generated  from Hemocytes  of  Freshwater  Pearl Mussel  (Hyriopsis 

cumingii). Marine Biotechnology 11 (4): 520‐530. 

Page 132: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

114  

Beatty,  S.  J.  (2006)  The  diet  and  trophic  positions  of  translocated,  sympatric 

populations  of  Cherax  destructor  and  Cherax  cainii  in  the  Hutt  River,  Western 

Australia: evidence of  resource overlap. Marine and Freshwater Research 57: 825‐

835. 

Bedford, M. R.  (1995). Mechanism of  action  and potential environmental benefits 

from the use of feed enzymes. Animal Feed Science and Technology 53 (2): 145‐155. 

Bedford, M. R.  (2000) Exogenous enzymes  in monogastric nutrition  ‐  their  current 

value and future benefits. Animal Feed Science and Technology 86 (1‐2): 1‐13. 

Beguin,  P.  &  Aubert,  J.  P.  (1994)  The  biological  degradation  of  cellulose.  Fems 

Microbiology Reviews 13 (1): 25‐58. 

Bell,  J. G. & Waagbø, R.  (2008)  Safe and Nutritious Aquaculture Produce: Benefits 

and Risks of Alternative  Sustainable Aquafeeds.  In: Aquaculture  in  the  Ecosystem, 

(Holmer, M., Black, K., Duarte, C. M., Marbà N. & Karakassis,  I. eds.), pp. 185‐225: 

Springer, Netherlands. 

Black, D.  L.  (2003) Mechanisms of  alternative pre‐messenger RNA  splicing. Annual 

Review of Biochemistry 72 (1): 291‐336. 

Bostock, J., McAndrew, B., Richards, R., Jauncey, K., Telfer, T., Lorenzen, K., Little, D. 

et al. (2010) Aquaculture: global status and trends. Philosophical Transactions of the 

Royal Society B‐Biological Sciences 365 (1554): 2897‐2912. 

Boyle, P. J. & Mitchell, R. (1978) Absence of microorganisms  in crustacean digestive 

tracts. Science 200 (4346): 1157‐9. 

Brown,  P.  B.  (1995a)  A  review  of  nutritional  research  with  crayfish.    Journal  of 

Shellfish Research 14 (2): 561‐568. 

Brown,  P.  B.  (1995b)  Physiological  Adaptations  in  the  Gastrointestinal  Tract  of 

Crayfish. American Zoologist 35 (1): 20‐27.   

Page 133: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

115  

Byrne, K. A., Lehnert, S. A., Johnson, S. E. & Moore, S. S. (1999) Isolation of a cDNA 

encoding a putative cellulase  in the red claw crayfish Cherax quadricarinatus. Gene 

239 (2): 317‐324. 

Campana‐Torres,  A., Martinez‐Cordova,  L.  R.,  Villarreal‐Colmenares,  H.  &  Civera‐

Cerecedo,  R.  (2006)  Carbohydrate  and  lipid  digestibility  of  animal  and  vegetal 

ingredients  and  diets  for  juvenile  Australian  redclaw  crayfish,  Cherax 

quadricarinatus. Aquaculture Nutrition 12: 103‐109. 

Campana‐Torres,  A., Martinez‐Cordova,  L.  R.,  Villarreal‐Colmenares,  H.  &  Civera‐

Cerecedo  R.  (2008)  Carbohydrate  and  lipid  digestibility  of  animal  and  vegetal 

ingredients and diets for the pre‐adult redclaw crayfish, Cherax quadricarinatus (von 

Martens). Aquaculture Research 39: 1115‐1121. 

Campana‐Torres,  A., Martinez‐Cordova,  L.  R.,  Villarreal‐Colmenares,  H.  &  Civera‐

Cerecedo, R. (2005) In vivo dry matter and protein digestibility of three plant‐derived 

and four animal‐derived feedstuffs and diets for juvenile Australian redclaw, Cherax 

quadricarinatus. Aquaculture 250 (3‐4): 748‐754. 

Ceccaldi, H. J. (1997) Anatomy and physiology of the digestive system. In: Crustacean 

Nutrition (D’Abramo, L. R., Conklin, D. E. & Akiyama, D. M. eds.), Vol. 6, pp. 261–291. 

Advances in World Aquaculture, World Aquaculture Society, Baton Rouge, LA. 

Ceccaldi, H. J. (1998) A synopsis of the morphology and physiology of the digestive 

system of some crustacean species studied  in France. Reviews  in Fisheries Science 6 

(1): 13 ‐ 39.  

Chen,  C.  S.  &  Chen,  H.  Y.  (1983)  Purification  and  properties  of  carboxymethyl 

cellulase from Antarctic krill Euphausia superba. Journal of the Chinese Biochemical 

Society 12: 61‐70. 

Cho, C. Y. & Bureau, D. P. (2001) A review of diet formulation strategies and feeding 

systems to reduce excretory and feed wastes  in aquaculture. Aquaculture Research 

32: 349‐360. 

Page 134: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

116  

Conesa, A., Götz,  S., García‐Gómez,  J. M., Terol,  J., Talón, M. & Robles, M.  (2005) 

Blast2GO:  a  universal  tool  for  annotation,  visualization  and  analysis  in  functional 

genomics research. Bioinformatics 21 (18): 3674‐3676. 

Cortés‐Jacinto,  E.,  Villarreal‐Colmenares,  H.,  Civera‐Cerecedo,  R.  &  Martínez‐

Córdova, R. (2003) Effect of dietary protein  level on growth and survival of  juvenile 

freshwater  crayfish  Cherax  quadricarinatus  (Decapoda:  Parastacidae).  Aquaculture 

Nutrition 9: 207‐213. 

Cortés‐Jacinto, E., Villarreal‐Colmenares, H., Civera‐Cerecedo, R. & Naranjo‐páramo, 

J.  (2004)  Effect  of  dietary  protein  level  on  the  growth  and  survival  of  pre‐adult 

freshwater  crayfish  Cherax  quadricarinatus  (von  Martens)  in  monosex  culture. 

Aquaculture Research 35 (1): 71‐79. 

Cortés‐Jacinto,  E.,  Villarreal‐Colmenares,  H.,  Cruz‐SuáRez,  L.,  Civera‐Cerecedo,  R., 

Nolasco‐Soria, H. & Hernandez‐Llamas, A.  (2005) Effect of different dietary protein 

and lipid levels on growth and survival of juvenile Australian redclaw crayfish, Cherax 

quadricarinatus (von Martens). Aquaculture Nutrition 11 (4): 283‐291. 

Crandall,  K.  A.  &  Buhay,  J.  E.  (2008)  Global  diversity  of  crayfish  (Astacidae, 

Cambaridae,  and  Parastacidae‐Decapoda)  in  freshwater.  Hydrobiologia  595:  295‐

301. 

Crawford, A. C., Richardson, N. R. & Mather, P. B.  (2005) A  comparative  study of 

cellulase  and  xylanase  activity  in  freshwater  crayfish  and  marine  prawns. 

Aquaculture Research 36: 586‐592. 

Crawford,  A.  C.  (2006)  Evolution  and  function  of  cellulase  genes  in  Australian 

freshwater crayfish. PhD Thesis, Queensland University of Technology. 

Crawford,  A.  C.,  Kricker,  J.  A.,  Anderson,  A.  J.,  Richardson, N.  R. & Mather,  P.  B. 

(2004)  Structure  and  function  of  a  cellulase  gene  in  redclaw  crayfish,  Cherax 

quadricarinatus. Gene 340 (2): 267‐274. 

Page 135: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

117  

Crawford, A. C., Richardson, N. R. & Mather, P. B.  (2005) A  comparative  study of 

cellulase  and  xylanase  activity  in  freshwater  crayfish  and  marine  prawns. 

Aquaculture Research 36 (6): 586‐592. 

Curtis, M. C. &  Jones C., M.  (1995) Observations on Monosex Culture of Redclaw 

Crayfish  Cherax  quadricarinatus  von Martens  (Decapoda:  Parastacidae)  in  Earthen 

Ponds. Journal of the World Aquaculture Society 26 (2): 154‐159. 

Cuzon,  G.,  Guillaume,  J.  (1997)  Energy  and  protein:  energy  ratio.  In:  Crustacean 

Nutrition (D’Abramo, L. R., Conklin, D. E., & Akiyama, D. M., eds.), pp. 51‐70, vol.6. 

World Aquaculture Society, Baton Rouge, Louisiana, U.S.A. 

D’Abramo, L. R. & Robinson, E.H.  (1989) Nutrition of crayfish. CRC Crit. Rev. Aquat. 

Sci., 1, 711–728. 

Dall, W. & Moriarty, D. J. W. (1983) Functional aspects of nutrition and digestion. In 

The biology of crustacea, (Mantel, L. H. ed.) pp. 215‐261. New York: Academic Press. 

Dammannagoda,  L.  K.,  Pavasovic  A.,  Prentis  P.  J.,  Hurwood  D.  A. & Mather  P.  B. 

(2014)  Expression  and  characterisation  of  digestive  enzyme  genes  from 

hepatopancreatic  transcripts  of  redclaw  crayfish  (Cherax  quadricarinatus). 

Aquaculture Nutrition. Accepted on 06/05/2014. 

Dammannagoda, L. K., Pavasovic, A., Hurwood, D. A. & Mather, P. B. (2013) Effects of 

soluble  dietary  cellulose  on  specific  growth  rate,  survival  and  digestive  enzyme 

activities  in  three  freshwater  crayfish  (Cherax)  species.  Aquaculture  Research 

DOI:10.1111/are.12209 

Daniel,  G.,  Nilsson,  T.  &  Cragg,  S.  (1991)  Limnoria  lignorum  ingest  bacterial  and 

fungal degraded wood. Holz als Roh‐ und Werkstoff 49 (12): 488‐490. 

Demura, T. & Fukuda, H. (2007) Transcriptional regulation in wood formation. Trends 

in Plant Science 12 (2): 64‐70. 

de Vries, S., Pustjens, A. M., Schols, H. A., Hendriks, W. H. & Gerrits, W. J. J. (2012) 

Improving  digestive  utilisation  of  fiber‐rich  feedstuffs  in  pigs  and  poultry  by 

Page 136: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

118  

processing and enzyme technologies: A review. Animal Feed Science and Technology 

178(3–4): 123‐138. 

Do  Huu,  H.  &  Jones,  C.  M.  (2014)  Effects  of  dietary  mannan  oligosaccharide 

supplementation  on  juvenile  spiny  lobster  Panulirus  homarus  (Palinuridae). 

Aquaculture 432: 258‐264. 

DPI  (Department  of  Primary  Industries)  (2006)  Fisheries  and  mines.  Northern 

Territory, Darwin.  

Drew, M. D., Borgeson, T. L. & Thiessen, D. L. (2007) A review of processing of feed 

ingredients  to  enhance  diet  digestibility  in  finfish.  Animal  Feed  Science  and 

Technology 138(2): 118‐136. 

Duffy,  R.  E., Godwin,  I., Nolan,  J. &  Purvis,  I.  (2011)  The  contribution  of  naturally 

occurring food  items to the diet of Cherax destructor when fed formulated diets of 

differing protein levels. Aquaculture 313 (1‐4): 107‐114. 

Edgerton,  B.  (2005)  Freshwater  crayfish  production  for  poverty  alleviation. World 

Aquaculture 36:48–64. 

FAO,  2007.  The  State  of  World  Fisheries  and  Aquaculture  ‐  2006:  Fisheries  and 

Aquaculture Department, Food and Agriculture Organization of the United Nations. 

Rome. 

FAO,  2009.  The  State  of  World  Fisheries  and  Aquaculture  ‐  2008:  Fisheries  and 

Aquaculture Department, Food and Agriculture Organization of the United Nations. 

Rome. 

FAO,  2010.  The  State  of  World  Fisheries  and  Aquaculture  ‐  2010:  Fisheries  and 

Aquaculture Department, Food and Agriculture Organization of the United Nations. 

Rome. 

FAO,  2012.  The  State  of  World  Fisheries  and  Aquaculture  ‐  2012:  Fisheries  and 

Aquaculture Department, Food and Agriculture Organization of the United Nations. 

Rome. 

Page 137: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

119  

Fernández,  I., Oliva, M., Carrillo, O. & Wormhoudt, A. V.  (1997) Digestive enzyme 

activities of Penaeus notialis during  reproduction and moulting  cycle. Comparative 

Biochemistry and Physiology Part A: Physiology 118 (4): 1267‐1271. 

Figueiredo, M.  S. R. B. & Anderson, A.  J.  (2003) Ontogenetic  changes  in  digestive 

proteases  and  carbohydrases  from  the  Australian  freshwater  crayfish,  redclaw 

Cherax quadricarinatus  (Crustacea, Decapoda, Parastacidae). Aquaculture Research 

34, 1235‐1239. 

Figueiredo, M.  S.  R.  B.,  Kricker,  J.  A.  &  Anderson,  A.  J.  (2001)  Digestive  enzyme 

activities  in  the  alimentary  tract  of  redclaw  crayfish,  Cherax  quadricarinatus 

(Decapoda : Parastacidae). Journal of Crustacean Biology 21, 334‐344. 

Figueiredo,  M.  S.  R.  B.  &  Anderson,  A.  J.  (2009)  Digestive  enzyme  spectra  in 

crustacean  decapods  (Paleomonidae,  Portunidae  and  Penaeidae)  feeding  in  the 

natural habitat. Aquaculture Research 40 (3): 282‐291.  

Fotedar, R. (2004) Effect of dietary protein and lipid source on the growth, survival, 

condition  indices,  and  body  composition  of  marron,  Cherax  tenuimanus  (Smith). 

Aquaculture 230 (1‐4): 439‐455. 

Francis, G., Makkar, H. P.  S. & Becker, K.  (2001) Antinutritional  factors present  in 

plant‐derived  alternate  fish  feed  ingredients  and  their  effects  in  fish. Aquaculture 

199 (3‐4): 197‐227. 

Gabriela, G., Cuzon, G., García, T., Taboada, G., Brito, R., Chimal, M. E., Paredes, A., 

Soto,  L., Rosas, C. & Wormhoudt, A. V.  (2005)  Factorial  effects of  salinity, dietary 

carbohydrate  and  moult  cycle  on  digestive  carbohydrases  and  hexokinases  in 

Litopenaeus vannamei (Boone, 1931). Comparative Biochemistry and Physiology Part 

A: Molecular & Integrative Physiology 140 (1): 29‐39. 

Gamboa‐Delgado, J., Molina‐Poveda, C. & Cahu, C. (2003) Digestive enzyme activity 

and  food  ingesta  in  juvenile  shrimp  Litopenaeus  vannamei  (Boone,  1931)  as  a 

function of body weight. Aquaculture Research 34 (15): 1403‐1411. 

Page 138: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

120  

Garcia, S. M. & Rosenberg, A. A. (2010) Food security and marine capture fisheries: 

characteristics, trends, drivers and future perspectives. Philosophical Transactions of 

the Royal Society B‐Biological Sciences 365 (1554): 2869‐2880. 

Garcia‐Ulloa,  G.  M.,  Lopez‐Chavarin,  H.  M.,  Rodriguez‐Gonzalez,  H.  &  Villarreal‐

Colmenares,  H.  (2003)  Growth  of  redclaw  crayfish  Cherax  quadricarinatus  (Von 

Martens 1868)  (Decapoda  : Parastacidae)  juveniles  fed  isoproteic diets with partial 

or total substitution of fish meal by soya bean meal: preliminary study. Aquaculture 

Nutrition 9 (1): 25‐31. 

Garza  de  Yta,  A.,  Davis,  D.  A.,  Rouse,  D.  B.,  Ghanawi,  J.  &  Saoud,  I.  P.  (2012) 

Evaluation of practical diets containing various terrestrial protein sources on survival 

and  growth  parameters  of  redclaw  crayfish  Cherax  quadricarinatus.  Aquaculture 

Research 43 (1): 84‐90. 

Gatlin, D. M., Barrows, F. T., Brown, P., Dabrowski, K., Gaylord, T. G., Hardy, R. W., 

Herman, E. et al.  (2007). Expanding  the utilisation of  sustainable plant products  in 

aquafeeds: a review. Aquaculture Research 38 (6): 551‐579. 

Genious  version  6.1.6  created  by  Biomatters:  available  from 

http://www.genious.com 

Ghanawi,  J.  &  Saoud,  I.  P.  (2012)  Molting,  reproductive  biology,  and  hatchery 

management  of  redclaw  crayfish  Cherax  quadricarinatus  (von  Martens  1868). 

Aquaculture 358–359, 183‐195. 

Glass, H.  J. &  Stark,  J.  R.  (1995)  Carbohydrate Digestion  in  the  European  Lobster 

Homarus gammarus (L.). Journal of Crustacean Biology 15: 424‐433. 

González‐Peña, M. D. C., Anderson, A. J., Smith, D. M. & Moreira, G. S. (2002) Effect 

of  dietary  cellulose  on  digestion  in  the  prawn  Macrobrachium  rosenbergii. 

Aquaculture 211, 291‐303.  

Page 139: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

121  

Grabherr, M.  G.,  Haas,  B.  J.,  Yassour, M.,  Levin,  J.  Z.,  Thompson,  D.  A.,  Amit,  I., 

Adiconis,  X.  et  al.  (2011)  Full‐length  transcriptome  assembly  from  RNA‐Seq  data 

without a reference genome. Nature Biotechnology 29 (7): 644‐652. 

Guillaume, J. & Choubert, G. (2001) Digestive physiology and nutrient digestibility in 

fishes. In: Nutrition and Feeding of Fish and Crustaceans (Guillaume, P. J., Kaushik, P. 

B., & Metailler, R. eds.), pp. 27–56. Springer‐Praxis Publishing, Chichester. 

Guillaume, J. (1997) Protein and amino acids. In: Crustacean Nutrition (D’Abramo, L. 

R., Conklin, D. E. & Akiyama, D. M. eds), pp. 26 – 41. World Aquaculture  Society, 

Louisiana State University, Baton Rouge, LA. 

Hai‐peng, L., Rong‐yuan, C., Qiu‐xia, Z., Hui, P. & Ke‐jian, W. (2011) Differential gene 

expression profile from haematopoietic tissue stem cells of redclaw crayfish, Cherax 

quadricarinatus,  in  response  to  WSSV  infection.  Developmental  &  Comparative 

Immunology 35 (7): 716‐724. 

Hammer,  H.  S.,  Bishop,  C.  D.  & Watts,  S.  A.  (2000)  Activities  of  three  digestive 

enzymes during development in the crayfish Procambarus clarkii (decapoda). Journal 

of Crustacean Biology 20 (4): 614‐620.  

Handford, M. G., Baldwin, T. C., Goubet, F., Prime, T. A., Miles, J., Yu, X. & Dupree, P. 

(2003)  Localisation  and  characterisation  of  cell  wall  mannan  polysaccharides  in 

Arabidopsis thaliana. Planta 218 (1): 27‐36. 

Hardy, R. W. & Tacon, A. G. J. (2002) Fish meal: historical uses, production trends and 

future outlook  for  supplies.  In: Responsible Marine Aquaculture  (Stickney, R. R. & 

MacVey, J. P. eds.), CABI Publishing, New York, pp. 311–325. 

Harlio lu, M. M. & Harlio lu, A. G. (2006) Threat of non‐native crayfish introductions 

into Turkey: global lessons. Reviews in Fish Biology and Fisheries 16 (2): 171‐181. 

He, L., Xie, Y., Lu, W., Wang, Y., Chen, L. L., Mather, P. B., Zhao, Y. L.,. Wang, Y. P. & 

Wang, Q. (2012) Genetic diversity in three redclaw crayfish (Cherax quadricarinatus, 

von Martens) lines developed in culture in China. Aquaculture Research 43:75–83. 

Page 140: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

122  

Hernández, M. P., Rouse, D. B. & Olvera, M. A. (2002) Effect of dietary protein‐lipid 

ratios  on  survival  and  growth  of  Australian  crayfish  (Cherax  quadricarinatus) 

hatchlings and juveniles. Freshwater crayfish 13: 36‐45. 

Hill, A. M. & Lodge, D. M. (1994) Diel Changes in Resource Demand: Competition and 

Predation in Species Replacement among Crayfishes. Ecology 75: 2118‐2126. 

Holdich, D. M. (1993) A review of astaciculture: freshwater crayfish farming. Aquatic 

Living Resources 6 (4): 307‐317. 

Hubbard, D. M., Robinson, E. H., Brown, P. B. & Daniels, W. H. (1986) Optimum ratio 

of dietary protein  to energy  for  red crayfish  (Procambarus clarkii). The Progressive 

Fish‐Culturist 48 (4): 233 ‐ 237.  

Huner, J. V. (1995) An overview of the status of freshwater crawfish culture. Journal 

of Shellfish Research 14 (2): 539‐543. 

Jiang, H., Cai Y., Chen, L., Zhang, X., Hu, S. & Wang, Q. (2009a) Functional annotation 

and  analysis of  expressed  sequence  tags  from  the hepatopancreas of mitten  crab 

(Eriocheir sinensis). Marine Biotechnology 11 (3): 317‐326. 

Jiang, H., Yin, Y., Zhang, X., Hu, S. & Wang, Q. (2009b) Chasing relationships between 

nutrition and reproduction: A comparative transcriptome analysis of hepatopancreas 

and testis from Eriocheir sinensis. Comparative Biochemistry and Physiology Part D: 

Genomics and Proteomics 4 (3): 227‐234. 

Johnston, D. & Feeman, J. (2005) Dietary preference and digestive enzyme activities 

as  indicators  of  trophic  resource  utilisation  by  six  species  of  crab.  The  Biological 

Bulletin 208 (1): 36‐46. 

Johnston, D. J. (2003) Ontogenetic changes in digestive enzyme activity of the spiny 

lobster, Jasus edwardsii (Decapoda; Palinuridae). Marine Biology 143 (6): 1071‐1082. 

Jones, C. M. (1990) The biology and aquaculture potential of the tropical freshwater 

crayfish  Cherax  quadricarinatus.  Queensland  Department  of  Primary  Industries 

Information Series QI90028, 109 pp. 

Page 141: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

123  

Jones, C. M. & Ruscoe,  I. M.  (1996a) Evaluation of six diets  fed  to  redclaw, Charax 

quadricarinatus  (von  martens)  (Decapoda:  Parastacidae),  under  laboratory 

conditions.  In Production  technology  for  redclaw crayfish  (Cherax quadricarinatus), 

pp. 20–31. Final Report FRDC Project 92/119. Fisheries Research and Development, 

Canberra. 

Jones, C. M. & Ruscoe,  I. M.  (1996b) Evaluation of six diets  fed  to  redclaw, Cherax 

quadricarinatus (von Martens), (Decapoda: Parastacidae) held in pond enclosures. In 

Production technology for redclaw crayfish (Cherax quadricarinatus), pp. 8–19. Final 

Report FRDC Project 92/119. Fisheries Research and Development, Canberra. 

Jones,  C. M. &  Ruscoe,  I. M.  (1996c)  Production  technology  for  red‐claw  crayfish 

(Cherax quadricarinatus). Final Report, Freshwater Fisheries & Aquaculture Centre, 

Fisheries Research and Development Corporation, Walkamin, Australia. 

Jones, C. M. & Ruscoe,  I. M.  (2000) Assessment of stocking size and density  in  the 

production  of  redclaw  crayfish,  Cherax  quadricarinatus  (von Martens)  (Decapoda: 

Parastacidae), cultured under earthen pond conditions. Aquaculture 189  (1–2): 63‐

71. 

Jones, C. M. (1990) The biology and aquaculture potential of the tropical freshwater 

crayfish  Cherax  quadricarinatus.  Queensland  Department  of  Primary  Industries 

Information Series. QI90028, 109 pp. 

Jones, C. M. (1995a) Production of juvenile redclaw crayfish, Cherax quadricarinatus 

(von Martens)  (Decapoda,  Parastacidae)  I.  Development  of  hatchery  and  nursery 

procedures. Aquaculture 138 (1‐4): 221‐238. 

Jones, C. M. (1995b) Production of juvenile redclaw crayfish, Cherax quadricarinatus 

(von  Martens)  (Decapoda,  Parastacidae)  II.  Juvenile  nutrition  and  habitat. 

Aquaculture 138 (1): 239‐245. 

Jones, C. M., McPhee, C. P. & Ruscoe, I. M. (2000) A review of genetic improvement 

in growth rate in redclaw crayfish Cherax quadricarinatus (von Martens) (Decapoda: 

Parastacidae). Aquaculture Research 31 (1): 61‐67. 

Page 142: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

124  

Jones, P. L., De Silva, S. S. & Mitchell, B. D. (1996a) Effect of dietary protein content 

on growth performance,  feed utilisation and  carcass composition  in  the Australian 

freshwater  crayfish,  Cherax  albidus  Clark  and  Cherax  destructor  Clark  (Decapoda, 

Parastacidae). Aquaculture Nutrition 2 (3): 141‐150. 

Jones, P. L., De Silva, S. S. & Mitchell, B. D. (1996b) Effects of replacement of animal 

protein by soybean meal on growth and carcass composition  in  juvenile Australian 

freshwater crayfish. Aquaculture International 4 (4): 339‐359. 

Jones, P.  L.,  Silva,  S.  S. & Mitchell, B. D.  (1996c)  Effects of  replacement of  animal 

protein by soybean meal on growth and carcass composition  in  juvenile Australian 

freshwater crayfish. Aquaculture International 4 (4): 339‐359. 

Jukes,  T.  H.  &  Cantor,  C.  R.  (1969) Evolution  of  Protein  Molecules.  New  York: 

Academic Press. pp. 21–132. 

Kanazawa,  A.  &  Koshio,  S.  (1994)  Lipid  Nutrition  of  the  Spiny  Lobster  Panulirus 

japonicus (Decapoda, Palinuridae): A Review. Crustaceana 67 (2): 226‐232. 

Karplus, I., Barki, A., Cohen, S. & Hulata, G. (1995) Culture of the Australian redclaw 

crayfish Cherax quadricarinatus in Israel: I. Polyculture with fish in earthen ponds.  

Karplus,  I., Zoran, M., Milstein, A., Harpaz, S., Eran, Y.,  Joseph, D. & Sagi, A.  (1998) 

Culture  of  the  Australian  red‐claw  crayfish  (Cherax  quadricarinatus)  in  Israel:  III. 

Survival in earthen ponds under ambient winter temperatures. Aquaculture 166 (3–

4): 259‐267. 

King, A.  J.,  Simon, M. C.,  Yi,  L.,  Jo, D., Matthew,  J. G., Bowles, D.  J., Bruce, N. C., 

Graham,  I. A. & McQueen‐Mason, S.  J.  (2010) Molecular  insight  into  lignocellulose 

digestion  by  a marine  isopod  in  the  absence  of  gut microbes.  Proceedings  of  the 

National Academy of Sciences 107 (12): 5345‐5350. 

Kleine,  R.  (1967) Occurrence  and  properties  of  proteolytic  enzymes  in  the  gastric 

juice and hepatopancreas of the crayfishes Astacus astacus (L.) and Cambarus affinis 

(Say). Zeitschrift fiir vergleichende Physiologic 55:51‐69. 

Page 143: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

125  

Lawrence,  C.  &  Jones,  C.  M.  (2002)  Cherax.  In:  Biology  of  Freshwater  Crayfish 

(Holdich, D. M. ed.), pp. 635–654. Blackwell Science, Oxford. 

Lawrence,  C.  (2007)  Improved  performance  of  marron  using  genetic  and  pond 

management  strategies.  Final  report  to  fisheries  research  and  Development 

Corporation on project no. 2000/215. Department of fisheries, Western Australia. 

Lawrence, C., Jones, C. (2002) Cherax. In: Biology of freshwater crayfish (Holdich, D. 

M. ed.) 635‐669. Oxford: Blackwell. 

Lee,  P.  G.,  Smith,  L.  L.  &  Lawrence,  A.  L.  (1984)  Digestive  proteases  of  Penaeus 

vannamei Boone: Relationship between enzyme activity, size and diet. Aquaculture 

42 (3‐4): 225‐239. 

Lim, C. & Sessa, D. J. (1995) Nutrition and utilisation technology in aquaculture. AOCS 

Press, Champaign, IL. 

Linton,  S.  M.  &  Greenaway,  P.  (2007)  A  review  of  feeding  and  nutrition  of 

herbivorous  land  crabs:  adaptations  to  low  quality  plant  diets.  Journal  of 

Comparative Physiology B‐Biochemical Systemic and Environmental Physiology 177: 

269‐286.  

Linton, S. M., Allardyce, B. J., Hagen, W., Wencke, P. & Saborowski, R.  (2009) Food 

utilisation  and  digestive  ability  of  aquatic  and  semi‐terrestrial  crayfishes,  Cherax 

destructor and Engaeus sericatus  (Astacidae, Parastacidae).  Journal of Comparative 

Physiology B‐Biochemical Systemic and Environmental Physiology 179: 493‐507.  

Linton, S., Greenaway, P. & Towle, D. (2006) Endogenous production of endo‐beta‐

1,4‐glucanase  by  decapod  crustaceans.  Journal  of  Comparative  Physiology  B‐

Biochemical Systemic and Environmental Physiology 176 (4): 339‐348. 

Lochmann,  R., McClain, W.  R. & Gatlin, D. M.  (1992)  Evaluation  of  practical  feed 

formulations and dietary supplements for red swamp crayfish. Journal of the World 

Aquaculture Society 23 (3): 217‐227. 

Page 144: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

126  

Lopez‐Lopez, S., Nolasco H., Villarreal‐Colmenares, H. & Civera‐Cerecedo, R.  (2005) 

Digestive enzyme response to supplemental ingredients in practical diets for juvenile 

freshwater crayfish Cherax quadricarinatus.  Aquaculture Nutrition 11: 79‐85. 

López‐López, S., Nolasco, H. & Vega‐Villasante, F. (2003) Characterization of digestive 

gland  esterase‐lipase  activity  of  juvenile  redclaw  crayfish  Cherax  quadricarinatus. 

Comparative  Biochemistry  and  Physiology  Part  B:  Biochemistry  and  Molecular 

Biology 135 (2): 337‐347. 

Lundstedt, L. M., Melo, J. F. B. & Moraes, G. (2004) Digestive enzymes and metabolic 

profile of Pseudoplatystoma corruscans  (Teleostei: Siluriformes)  in response to diet 

composition. Comparative Biochemistry and Physiology Part B 137,331‐339.  

Lynd, L. R., Weimer, P. J., van Zyl, W. H. & Pretorius,  I. S. (2002) Microbial cellulose 

utilization:  Fundamentals  and  Biotechnology. Microbiology  and Molecular  Biology 

Reviews 66 (3): 506‐577. 

Ma, K., Qiu, G., Feng,  J. &  Li,  J.  (2012) Transcriptome analysis of  the oriental  river 

prawn,  (Macrobrachium  nipponense)  using  454  Pyrosequencing  for  discovery  of 

genes and markers. PLoS ONE 7 (6): e39727. 

Manomaitis, L. (2001) Assessment of the crude protein requirement of  juvenile red 

claw crayfish Cherax quadricarinatus. Masters thesis, Auburn University, Auburn, AL, 

USA. 

Marsman, G., Gruppen, H., van der Poel, A., Kwakkel, R., Verstegen, M. & Voragen, 

A. (1997) The effect of thermal processing and enzyme treatments of soybean meal 

on  growth  performance,  ileal  nutrient  digestibilities,  and  chyme  characteristics  in 

broiler chicks. Poultry Science 76(6): 864‐872. 

Martinez‐Cordova,  L.  R.,  Torres,  A.  C.  &  Porchas‐Cornejo,  M.  A.  (2003)  Dietary 

protein  level  and  natural  food  management  in  the  culture  of  blue  (Litopenaeus 

stylirostris)  and white  shrimp  (Litopenaeus  vannamei)  in microcosms. Aquaculture 

Nutrition 9 (3): 155‐160. 

Page 145: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

127  

Masser, M. P., Rouse, D. B. (1997) Australian redclaw crayfish: SRAC Publication No. 

244. SRAC Publication No. 244. 

Meade, M. E., Doeller, J. E., Kraus, D. W. & Watts, S. A. (2002) Effects of temperature 

and  salinity  on  weight  gain,  Oxygen  consumption  rate,  and  growth  efficiency  in 

juvenile  redclaw crayfish Cherax quadricarinatus.  Journal of  the World Aquaculture 

Society 33 (2): 188‐198. 

Meakin, C. A., Qin, J. G. & Mair, G. C. (2008) Feeding behaviour, efficiency and food 

preference in yabbies Cherax destructor. Hydrobiologia 605: 29‐35. 

Medale,  F.  &  Kaushik,  S.  (2008)  Evolution  of  INRA  research  in  the  field  of  fish 

nutrition:  exploring  alternatives  to marine  fishery‐derived  ingredients. Productions 

Animales 21 (1): 87‐94. 

Metts,  L. S., Thompson, K. R., Xiong, Y.  L., Kong, B. H., Webster, C. D. & Brady, Y. 

(2007) Use of alfalfa hay, compared to feeding practical diets containing two protein 

levels, on growth, survival, body composition, and processing traits of Australian red 

claw  crayfish,  Cherax  quadricarinatus,  grown  in  ponds.  Journal  of  the  World 

Aquaculture Society 38 (2): 218‐230. 

Mills, B. J., Morrissy, N. M. & Huner, J. V. (1994) Cultivation of freshwater crayfishes 

in Australia.  In Freshwater crayfish aquaculture, edited by J. V. Huner, 217‐89. New 

York: The Haworth Press. 

Mitchell, B. D., Anderson, T., De Silva, S. S., Collins, R. O., Chavez, J. R., Jones, P. L. & 

Austin, C. M.  (1995) A  conceptual  production model  for  freshwater  crayfish  pond 

culture incorporating detrital forage. Aquaculture Research 26: 117‐127. 

Momot, W.  T.  (1984)  Crayfish  Production:  A  Reflection  of  Community  Energetics. 

Journal of Crustacean Biology 4: 35‐54. 

Momot, W. T. (1995) Redefining the role of crayfish  in aquatic ecosystems. Reviews 

in Fisheries Science 3: 33‐63. 

Page 146: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

128  

Momot, W., Gowing, H. & Jones, P. D. (1978) The dynamics of crayfish and their role 

in ecosystems. Am. Midl. Nat. 99:10–35. 

Morrissy, N. M. (1989) A Standard Reference Diet for Crustacean Nutrition Research: 

IV.  Growth  of  Freshwater  Crayfish  Cherax  tenuimanus.  Journal  of  the  World 

Aquaculture Society 20: 114‐117. 

Moss, S. M., Divakaran, S. & Kim, B. G. (2001) Stimulating effects of pond water on 

digestive enzyme activity in the Pacific white shrimp, Litopenaeus vannamei (Boone). 

Aquaculture Research 32: 125‐131. 

Munro, C. A. & Gow, N. A. (2001) Chitin synthesis in human pathogenic fungi. 

Medical Mycology 39 Suppl 1: 41‐53.  

Muzinic,  L.  A.,  Thompson,  K.  R.,  Morris,  A.,  Webster,  C.  D.,  Rouse,  D.  B.  & 

Manomaitis, L. (2004) Partial and total replacement of fish meal with soybean meal 

and  brewer's  grains  with  yeast  in  practical  diets  for  Australian  redclaw  crayfish 

Cherax quadricarinatus. Aquaculture 230 (1‐4): 359‐376. 

Navarrete  del  Toro,  M.A.,  García‐Carreño,  F.L.,  Dıáz,  L.  M.,  Celis‐Guerrero,  L.  & 

Saborowski R.  (2006) Aspartic proteinases  in the digestive tract of marine decapod 

crustaceans. Journal of Experimental Zoology 305A: 645–654. 

Naylor, R. L., Goldburg, R. J., Primavera, J. H., Kautsky, N., Beveridge, M. C. M., Clay, 

J., Folke, C., Lubchenco, J., Mooney H. & Troell, M.  (2000) Effect of aquaculture on 

world fish supplies. Nature 405 (6790): 1017‐1024. 

Nugroho, R. A. & Fotedar, R. (2014). Comparing the effects of dietary Selenium and 

mannan  oligosaccharide  supplementation  on  the  growth,  immune  function,  and 

antioxidant  enzyme  activity  in  the  cultured marron  Cherax  cainii  (Austin,  2002). 

Aquaculture International 22 (2): 585‐596. 

Nyström, P.  (2002) Ecology.  In: Biology of  freshwater crayfish.  (Holdich, D. M. ed.), 

pp. 192–235. Blackwell. 

Page 147: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

129  

Ong, B. L. &  Johnston, D.  (2006)  Influence of  feeding on hepatopancreas  structure 

and digestive enzyme activities in Penaeus monodon. Journal of Shellfish Research 25 

(1): 113‐121. 

Pavasovic, A., Anderson, A. J., Mather, P. B. & Richardson, N. A. (2007a) Influence of 

dietary protein on digestive enzyme activity, growth and tail muscle composition  in 

redclaw  crayfish,  Cherax  quadricarinatus  (von Martens). Aquaculture Research  38: 

644‐652.  

Pavasovic, A., Richardson, N. A., Mather, P. B. & Anderson, A. J. (2006)  Influence of 

insoluble dietary cellulose on digestive enzyme activity, feed digestibility and survival 

in the redclaw crayfish, Cherax quadricarinatus (von Martens). Aquaculture Research 

37 (1): 25‐32. 

Pavasovic, M., Richardson, N. A., Anderson, A.  J., Mann, D. & Mather, P. B.  (2004) 

Effect of pH,  temperature  and diet on digestive enzyme profiles  in  the mud  crab, 

Scylla serrata. Aquaculture 242: 641‐654. 

Pavasovic, A., Anderson, A. J., Mather, P. B. & Richardson, N. A. (2007b) Effect of a 

variety of  animal, plant  and  single  cell‐based  feed  ingredients on diet digestibility 

and  digestive  enzyme  activity  in  redclaw  crayfish,  Cherax  quadricarinatus  (Von 

Martens 1868). Aquaculture 272 (1‐4): 564‐572. 

Perera,  E.,  Moyano,  F.  J.,  Díaz,  M.,  Perdomo‐Morales,  R.,  Montero‐Alejo,  V., 

Rodriguez‐Viera, L., Alonso, E., Carrillo O. & Galich, G. S. (2008) Changes in digestive 

enzymes  through  developmental  and molt  stages  in  the  spiny  lobster,  Panulirus 

argus. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular 

Biology 151 (3): 250‐256. 

Péres, A., Zambonino  Infante, J. L. & Cahu, C. (1998) Dietary regulation of activities 

and mRNA  levels of  trypsin and amylase  in  sea bass  (Dicentrarchus  labrax)  larvae. 

Fish Physiology and Biochemistry 19 (2): 145‐152. 

Pillay, T. V. R. & Kutty, M. N. (2005) Aquaculture, Principles and Practices, 2nd edn. 

pp. 630. Blackwell Publishing Ltd, Oxford, UK.  

Page 148: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

130  

Prentis,  P.  J., Woolfit, M.,  Thomas‐Hall,  S.  R.,  Ortiz‐Barrientos,  D.,  Pavasovic,  A., 

Lowe,  A.  J. &  Schenk,  P. M.  (2010) Massively  parallel  sequencing  and  analysis  of 

expressed sequence tags in a successful invasive plant. Annals of Botany 106: 1009‐

1017. 

Reid, D. J., Quinn, G. P., Lake, P. S. & Reich, P. (2008) Terrestrial detritus supports the 

food  webs  in  lowland  intermittent  streams  of  south‐eastern  Australia:  a  stable 

isotope study. Freshwater Biology 53: 2036‐2050. 

Reigh, R. C., Braden, S. L. & Craig, R. J. (1990). Apparent digestibility coefficients for 

common feedstuffs in formulated diets for red swamp crayfish, Procambarus clarkii. 

Aquaculture 84(3‐4): 321‐334. 

Robalino,  J., Carnegie, R. B., O'Leary, N., Ouvry‐Patat, S. A., De  la Vega, E., Prior S., 

Gross,  P.  S.,  Browdy,  C.  L.,  Chapman,  R.  W.,  Schey,  K.  L.  &  Warr  G.  (2009) 

Contributions  of  functional  genomics  and  proteomics  to  the  study  of  immune 

responses  in  the  Pacific  white  leg  shrimp  Litopenaeus  vannamei.  Veterinary 

Immunology and Immunopathology 128(1‐3): 110‐118. 

Rodgers, L. J., Saoud, P. I. & Rouse, D. B. (2006) The effects of monosex culture and 

stocking  density  on  survival,  growth  and  yield  of  redclaw  crayfish  (Cherax 

quadricarinatus) in earthen ponds. Aquaculture 259 (1–4): 164‐168. 

Rouse, D. B.  (1995) Australian crayfish culture  in  the Americas.  Journal of Shellfish 

Research 14 (2): 569‐572. 

Roy,  L. A., Bordinhon, A.,  Sookying, D., Davis, A. D., Brown,  T. W. & Whitis, G. N. 

(2009). Demonstration of alternative feeds for the Pacific white shrimp, Litopenaeus 

vannamei, reared  in  low salinity waters of west Alabama. Aquaculture Research 40 

(4): 496‐503. 

Rozen, S. & Skaletsky, H.  J.  (2000) Primer3 on  the WWW  for general users and  for 

biologist  programmers.  In:  Bioinformatics  Methods  and  Protocols:  Methods  in 

Molecular Biology  (Krawetz, S. & Misener, S. eds). Humana Press, Totowa, NJ, pp. 

365‐386 Source code available at http://fokker.wi.mit.edu/primer3/ 

Page 149: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

131  

Saitou,  N.  &  Nei,  M.  (1987)  The  neighbour‐joining  method:  a  new  method  for 

reconstructing phylogenetic trees. Molecular Biology and Evolution 4 (4): 406‐425. 

Sánchez‐Paz,  A.,  F.  García‐Carreño,  A. Muhlia‐Almazán,  A.  B.  Peregrino‐Uriarte,  J. 

Hernández‐López  and  G.  Yepiz‐Plascencia  (2006).  Usage  of  energy  reserves  in 

crustaceans during starvation: Status and future directions.  Insect Biochemistry and 

Molecular Biology 36(4): 241‐249. 

Sang,  H. M.,  Ky,  L.  T.  &  Fotedar,  R.  (2009)  Dietary  supplementation  of mannan 

oligosaccharide  improves  the  immune  responses  and  survival  of marron,  Cherax 

tenuimanus (Smith, 1912) when challenged with different stressors. Fish & Shellfish 

Immunology 27(2): 341‐348. 

Saoud, I. P., Garza De Yta, A. & Ghanawi, J. (2012) A review of nutritional biology and 

dietary  requirements  of  redclaw  crayfish  Cherax  quadricarinatus  (von  Martens 

1868). Aquaculture Nutrition 18: 349‐368. 

Saoud,  I. P., Ghanawi, J., Thompson, K. R. & Webster, C. D.  (2013) A Review of the 

Culture  and  Diseases  of  Redclaw  Crayfish  Cherax  quadricarinatus  (Von  Martens 

1868). Journal of the World Aquaculture Society 44 (1): 1‐29. 

Saoud,  I. P., Rodgers,  L.  J., Davis, D. A. & Rouse, D. B.  (2008) Replacement of  fish 

meal with  poultry  by  product meal  in  practical  diets  for  redclaw  crayfish  (Cherax 

quadricarinatus). Aquaculture Nutrition 14 (2): 139‐142. 

Saravanan, S., Biju, S. K. J. & Kumar, J. S. S. (2008) Moulting and behaviour changes in 

freshwater  prawn, Macrobrachium  rosenbergii.  Shellfish News  Spring‐Summer  25: 

13‐16. 

Scrivener, A. M. & Slaytor, M.  (1994) Properties of  the endogenous  cellulase  from 

Panesthia  cribrata  Saussure  and  purification  of  major  endo‐β‐1,  4‐glucanase 

components. Insect Biochemistry and Molecular Biology 24: 223‐231. 

Shiau,  S. Y. & Peng, C. Y.  (1992) Utilisation of different  carbohydrates  at different 

dietary  protein  levels  in  grass  prawn,  Penaeus  monodon,  reared  in  seawater. 

Aquaculture 101 (3‐4): 241‐250. 

Page 150: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

132  

Shiau, S. Y.  (1997) Carbohydrates and  fiber.  In: Crustacean Nutrition.  (D’Abramo, L. 

R., Conklin, D.  E. & Akiyama, D. M.  eds.), Vol.  6, pp.  108–122. Advances  in world 

aquaculture, World Aquaculture Society, Baton Rouge, LA. 

Shurson, J., Noll, S. & Goihl, J. (2005). Corn by‐product diversity and feeding value to 

non‐ruminants.  In:  Proc.  66th  Minnesota  Nutrition  Conference  and  Technical 

Symposium: Future of Corn  in Animal Feed. University of Minnesota, St. Paul. MN. 

pp. 50‐68. 

Smith, D. M., Allan, G. L., Williams, K. C. & Barlow, C. G. (2001) Fishmeal replacement 

research  for  shrimp  feeds  in  Australia.  Paper  presented  at  the  New  Wave 

Proceedings  of  the  Special  Session  on  Sustainable  Shrimp  Farming,  Baton  Rouge. 

World Aquaculture Society. 

Sokol,  A. (1988) The Australian yabby. In: Freshwater Crayfish: Biology, Management 

and  Exploitation.  (Holdich, D. M. &  Lowery, R.S.  eds.),  pp.  401‐475.  Croom Helm: 

London.  

Stickney, R. R. (2009) Aquaculture: an  introductory text. 2nd edn. Oxfordshire: CAB 

International.  

Stone, D. A.  J.  (2003). Dietary carbohydrate utilisation by  fish. Reviews  in Fisheries 

Science 11(4): 337‐369.  

Tacon, A. G. J. & Metian, M. (2008) Global overview on the use of fish meal and fish 

oil in industrially compounded aquafeeds: Trends and future prospects. Aquaculture 

285 (1‐4): 146‐158. 

Tacon,  A.  G.  J., Metian, M.,  Turchini  G. M.  &  De  Silva,  S.  S.  (2010)  Responsible 

aquaculture and trophic  level  implications to global fish supply. Reviews  in Fisheries 

Science 18 (1): 94‐105. 

Tan, S. H., Degnan, B. M. & Lehnert, S. A. (2000) The Penaeus monodon Chitinase 1 

gene  is  differentially  expressed  in  the  hepatopancreas  during  the  moult  cycle. 

Marine Biotechnology 2 (2): 126‐135. 

Page 151: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

133  

Thompson, K. R., Bailey, T. J., Metts, L. S., Brady, Y. J. & Webster, C. D. (2010) Growth 

response  and  fatty  acid  composition  of  juvenile  red  claw  crayfish  (Cherax 

quadricarinatus)  fed different sources of dietary  lipid. Aquaculture Nutrition 16  (6): 

604‐615. 

Thompson, K. R., Muzinic,  L. A., Christian,  T. D., Webster, C. D., Manomaitis,  L. & 

Rouse, D. B.  (2003a) Lecithin requirements of  juvenile Australian red claw crayfish, 

Cherax quadricarinatus.  Aquaculture Nutrition 9 (4): 223‐230. 

Thompson, K. R., Muzinic,  L. A., Christian,  T. D., Webster, C. D., Manomaitis,  L. & 

Rouse,  D.  B.  (2003b)  Effect  on  growth,  survival,  and  fatty  acid  composition  of 

Australian  red  claw  crayfish,  Cherax  quadricarinatus  fed  practical  diets  with  and 

without supplemental  lecithin and/or cholesterol. Journal of the World Aquaculture 

Society 34 (1): 1‐10. 

Thompson, K. R., Muzinic, L. A., Engler, L. S. & Webster, C. D.  (2005) Evaluation of 

practical  diets  containing  different  protein  levels,  with  or  without  fish meal,  for 

juvenile Australian red claw crayfish (Cherax quadricarinatus). Aquaculture 244: 241‐

249.  

Thompson, K. R., Bailey, T. J., Metts, L. S., Brady, Y. J. & Webster, C. D. (2010) Growth 

response  and  fatty  acid  composition  of  juvenile  redclaw  crayfish  (Cherax 

quadricarinatus) fed different sources of dietary lipid. Aquaculture Nutrtition 16 (6): 

604‐615. 

Thompson, K. R., Muzinic,  L. A., Christian,  T. D., Webster, C. D., Manomaitis,  L. & 

Rouse D. B.  (2003a)  Lecithin  requirements  of  juvenile Australian  redclaw  crayfish, 

Cherax quadricarinatus. Aquaculture Nutrition 9 (4): 223‐230. 

Thompson, K. R., Muzinic,  L. A., Christian,  T. D., Webster, C. D., Manomaitis,  L. & 

Rouse,  D.  B.  (2003b)  Effect  on  growth,  survival,  and  fatty  acid  composition  of 

Australian  redclaw  crayfish,  Cherax  quadricarinatus  fed  practical  diets  with  and 

without supplemental  lecithin and/or cholesterol.  Journal of the World Aquaculture 

Society 34 (1): 1‐10. 

Page 152: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

134  

Thompson, K. R., Muzinic, L. A., Engler, L. S. & Webster C. D.  (2005a) Evaluation of 

practical  diets  containing  different  protein  levels,  with  or  without  fish meal,  for 

juvenile Australian redclaw crayfish (Cherax quadricarinatus). Aquaculture 244 (1‐4): 

241‐249. 

Thompson, K. R., Muzinic, L. A., Engler, L. S., Morton, S. R. & Webster, C. D. (2004) 

Effects  of  feeding  practical  diets  containing  various  protein  levels  on  growth, 

survival,  body  composition,  and  processing  traits  of  Australian  red  claw  crayfish 

(Cherax quadricarinatus)  and on pond water quality. Aquaculture Research 35  (7): 

659‐668. 

Thompson, K., Metts,  L., Muzinic,  L., Dasgupta,  S. & Webster, C.  (2006)  Effects of 

feeding practical diets containing different protein levels, with or without fish meal, 

on  growth,  survival,  body  composition  and  processing  traits  of male  and  female 

Australian  red  claw  crayfish  (Cherax quadricarinatus) grown  in ponds. Aquaculture 

Nutrition 12 (3): 227‐238. 

Tomme, P., Warren, R. A. J. & Gilkes, N. R. (1995) Cellulose hydrolysis by bacteria and 

fungi.  In:  Advances  in Microbial  Physiology  (Poole,  R.  K.  ed.),  pp.  1‐81:  Academic 

Press. 

Turkiewicz, M.,  Kalinowska,  H.,  Zielinśka M. &  Bielecki,  S.  (2000)  Purification  and 

characterization  of  two  endo‐1,  4‐beta‐xylanases  from  Antarctic  krill,  Euphausia 

superba Dana. Comparative biochemistry and physiology. Part B, Biochemistry and 

molecular biology 127 (3): 325‐335. 

Vazquez, F.  J. & López Greco, L. S.  (2007)  Intersex  females  in  the  redclaw crayfish, 

Cherax  quadricarinatus  (Decapoda:  Parastacidae).  Revista  de  Biologia  Tropical 

55:25–32. 

Vega‐Villasante, F., Fernández, I., Preciado, R. M., Oliva, M., Tovar, D. & Nolasco, H. 

(1999)  The  activity  of  digestive  enzymes  during  the molting  stages  of  the  arched 

swimming  Callinectes  arcuatus  Ordway,  1863  (Crustacea:  Decapoda:  Portunidae). 

Bulletin of Marine Science 65 (1): 1‐9. 

Page 153: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

135  

Verhoef,  G.  D.,  Jones,  P.  L. &  Austin,  C. M.  (1998)  A  Comparison  of  aatural  and 

artificial Diets  for  Juveniles of the Australian  freshwater crayfish Cherax destructor. 

Journal of the World Aquaculture Society 29: 243‐248. 

Verri, T., Mandal, A., Zilli, L., Bossa, D., Mandal, P. K., Ingrosso, L., Zonno, V., Vilella, 

S.,  Ahearn, G.  A. &  Storelli,  C.  (2001) D‐Glucose  transport  in  decapod  crustacean 

hepatopancreas. Comparative Biochemistry and Physiology 130A, 585–606. 

Vogt, G. (2002) Functional anatomy. In: Biology of Freshwater Crayfish (Holdrich, D. 

M. ed.), pp. 105–107. Blackwell Science, NewYork, NY. 

Wang, C., Xie, S., Zhu, X., Lei, W., Yang, Y. & Liu, J. (2006) Effects of age and dietary 

protein  level  on  digestive  enzyme  activity  and  gene  expression  of  Pelteobagrus 

fulvidraco larvae. Aquaculture 254 (1–4): 554‐562. 

Watanabe, H. & Tokuda, G. (2010) Cellulolytic Systems  in  Insects. Annual Review of 

Entomology 55 (1): 609‐632. 

Webster, C. D., Goodgame‐Tiu, L. S., Tidwell, J. H. & Rouse, D. B. (1994) Evaluation of 

practical feed formulations with different protein levels for juvenile redclaw crayfish 

(Cherax  quadricarinatus).  Transactions  of  the  Kentucky Academy  Science 55:  108–

112. 

Webster, C. D., Thompson, K. R., Muzinic, L. A., Rouse, D. B. & Manomaitis, L. (2002a) 

Culture and nutrition of redclaw crayfish: part one. Aquaculture Magazine 28(4):34–

38. 

Webster, C. D., Thompson, K. R., Muzinic, L. A., Rouse, D. B. & Manomaitis, L. (2002b) 

Culture and nutrition of Redclaw crayfish: part two. Aquaculture Magazine 28(5):35–

40. 

Wickins, J. F. & Lee, D. O. C. (2002) Crustacean Farming: Ranching and Culture. 2nd 

edn. pp. 52‐58. Hoboken: Wiley‐Blackwell. 

Wingfield, M.  (2008)  An  updated  overview  of  the  Australian  freshwater  caryfish 

farming industry. Freshwater Crayfish 16: 15‐17. 

Page 154: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

136  

Wu, P., Qi, D., Chen, L., Zhang, H., Zhang, X., Qin, J. G. & Hu, S. (2009) Gene discovery 

from an ovary  cDNA  library of oriental  river prawn Macrobrachium nipponense by 

ESTs annotation. Comp Biochem Physiol Part D Genomics Proteomics 4 (2): 111‐20. 

Xiaoxuan,  C.  &  Edgerton  B.  F.  (2001)  Freshwater  crayfish  culture  in  China. 

Aquaculture Magazine (November–December): 41–44. 

Xue,  X. M.,  Anderson,  A.  J.,  Richardson, N.  A.,  Xue, G.  P. & Mather,  P.  B.  (1999) 

Characterisation of cellulase activity  in the digestive system of the redclaw crayfish 

(Cherax quadricarinatus). Aquaculture 180: 373‐386.  

Xue, X. (1998) Enzymic studies of cellulase and xylanase from the digestivesystem of 

the  redclaw  crayfish  Cherax  quadricarinatus. Masters  by  Research  thesis, 

Queensland University of Technology.  

Yokoe,  Y.  &  Yasumasu,  I.  (1964)  The  distribution  of  cellulase  in  invertebrates. 

Comparative Biochemistry and Physiology 13: 323‐338. 

Yuan, J. S., Yang, X., Lai, J., Lin, H., Cheng, Z. M., Nonogaki, H. & Chen, F. (2007) The 

endo‐β‐mannanase  gene  families  in  Arabidopsis,  rice,  and  poplar.  Functional  & 

Integrative Genomics 7(1): 1‐16. 

 Yudkovski, Y., Glazer, L., Shechter, A., Reinhardt, R., Chalifa‐Caspi, V., Sagi, A. & Tom, 

M.  (2010)  Multi‐transcript  expression  patterns  in  the  gastrolith  disk  and  the 

hypodermis  of  the  crayfish  Cherax  quadricarinatus  at  premolt.  Comp. 

Biochem.Physiol., Part D Genomics and Proteomics 5 (2): 171‐177. 

Yudkovski,  Y.,  Shechter,  A.,  Chalifa‐Caspi,  V.,  Auslander,  M.,  Ophir,  R.,  Dauphin‐

Villemant,  C., Waterman, M.,  Sagi,  A. &  Tom, M.  (2007)  Hepatopancreatic multi‐

transcript  expression  patterns  in  the  crayfish  Cherax  quadricarinatus  during  the 

moult cycle. Insect Molecular Biology 16 (6): 661‐674. 

Yuniarti,  A.,  Aan,  K.  &  Hariarti,  A.  M.  (2011)  Utilisation  of  golden  apple  snail 

(Pomacea  canaculata)  meat  meal  in  the  diet  of  redclaw  crayfish  (Cherax 

Page 155: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

137  

quadricarinatus).  Book  of  Abstracts.  Pg.  619.  Asian‐Pacific  aquaculture  and  giant 

prawn conference ‐ 2011, India. 

Zambonino Infante, J. L. & Cahu, C. L. (2001) Ontogeny of the gastrointestinal tract of 

marine  fish  larvae. Comparative Biochemistry and Physiology Part C:  Toxicology & 

Pharmacology 130 (4): 477‐487. 

Zeng, D., Chen, X., Xie, D., Zhao, Y., Yang, C., Li, Y., Ma, N. et al. (2013) Transcriptome 

Analysis  of  Pacific  White  Shrimp  (Litopenaeus  vannamei)  Hepatopancreas  in 

Response  to  Taura  Syndrome  Virus  (TSV)  Experimental  Infection.  PLoS ONE  8  (2): 

e57515. 

Zeng, V. & Extavour, C. G.  (2012) ASGARD: an open‐access database of annotated 

transcriptomes  for  emerging  model  arthropod  species.  Database‐the  Journal  of 

Biological Databases and Curation. 

Zhang, J., Liu, Y., Tian, L., Yang, H., Liang, G. & Xu, D. (2012) Effects of dietary mannan 

oligosaccharide  on  growth  performance,  gut morphology  and  stress  tolerance  of 

juvenile  Pacific white  shrimp,  Litopenaeus  vannamei.  Fish &  Shellfish  Immunology 

33(4): 1027‐1032. 

Zijlstra, R.  T., Owusu‐Asiedu, A. &  Simmins, P. H.  (2010).  Future of NSP‐degrading 

enzymes  to  improve  nutrient  utilisation  of  co‐products  and  gut  health  in  pigs. 

Livestock Science 134 (1–3): 255‐257. 

Zwilling,  R.  H.  &  Neurath,  H.  (1981)  Invertebrate  proteases.  In:  Methods  in 

Enzymology,  vol.  80.  (Wood, W.  A. &  Kellogg,  S.  T.  eds.)  pp.  633–664.  Academic 

Press, San Diego, CA. 

         

Page 156: An investigation of functional diversity of endogenous ... · beta‐glucanase, endogenous cellulases, endo‐beta‐mannanase, digestive enzymes, ... Contribution of farmed crustacean

138  

Appendices‐Publications

halla
Due to copyright restrictions, the published version of this journal article is not available here. Please view the published version online at: http://dx.doi.org/10.1111/are.12209