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Müller, Marc-Philipp (2016): Molekular- und populationsgenetische Untersuchungen zur Fruchtbarkeit der Rinderrasse Holstein-Friesian, Molecular- and populationgenetic investigations about fertility in Holstein-Friasian dairy cows. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät
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Abstract

Hintergrund dieser Arbeit ist die in den letzten Jahrzehnten stetig abnehmende Fruchtbarkeit der Rinderrasse Holstein-Friesian (SILVIA, 1998, PRYCE et al., 2004). Dem Titel entsprechend hat es sich diese Studie zum Ziel gesetzt, Genom-regionen mit Einfluss auf die Fruchtbarkeit durch einen Kartierungsansatz ausfin-dig zu machen. Aufgrund ihres Einflusses auf quantitative Merkmale werden sol-che Regionen auch als Quantitative Trait Loci (QTL) bezeichnet. Bei den in dieser Arbeit untersuchten zehn Fruchtbarkeits- und Kalbemerkmale handelt es sich um die folgenden vom VIT übermittelten Zuchtwerte: Verzögerungszeit für Rinder (VZR) und Kühe (VZK); der Anteil der nicht erneut brünstigen Tiere 56 Tage nach Besamung bei Rindern (NR56R) und Kühen (NR56K); Rastzeit (RZ); Güstzeit (DO); paternaler (direkter) Kalbeverlauf (pKV) für Rinder; maternaler (indirekter) Kalbeverlauf (mKV) für Rinder; paternale Totgeburt (pTG) für Rin-der und maternale Totgeburt (mTG) für Rinder. Die für diese Studie verwendeten 2527 HF Bullen wurden auf BOVINE SNP50 BEADCHIPS (Illumina) genotypisiert. Die eigentliche Kartierung der 29 bovinen Autosomen erfolgte anschließend mit einer kombinierten Kopplungsungleichge-wichts- und Kopplungsanalyse (cLDLA). Hierzu wurde das Genom in 40 SNP umfassende Gleitfenster unterteilt und in jeder Fenstermitte eine Varianzkompo-nentenanalyse durchgeführt. Basierend auf dem cLDLA-Kartierungsansatz wurden insgesamt 90 signifikante lokale Maxima gefunden, die anhand mehrerer Kriterien 50 verschiedenen QTL zugeordnet werden konnten. Einige dieser kartierten Loci bestätigten bereits zuvor publizierte QTL, andere QTL waren neu. Der signifikanteste QTL wurde auf BTA18 in einer Region gefunden, welche bereits durch zahlreiche Autoren als besonders signifikant deklariert wurde. Allerdings befand sich das hier kartierte Maximum (59.179.424 bp) etwa 1,59 Megabasen von der Stelle entfernt, an welcher aufgrund der Ergebnisse früherer Studien aktuell geforscht wird, dem SNP ARS-BFGL-NGS-109285 bei 57.589.121 bp. Nach genauerer Analyse des signifikantesten 40-SNP Fensters konnte ein ‚ursächlicher‘ Haplotyp identifiziert werden, der im weiteren Verlauf als Haplotyp Q1 bezeichnet wird. Dieser Haplotyp ist mit hoher Wahrscheinlichkeit ursächlich für den QTL, welcher für pKV und pTG im Bereich 55.282.968 ­ 60.119.636 bp kartiert wurde. Um den Haplotyp Q1 weiter zu verfeinern, wurden 86 Bullen zusätzlich auf BOVINEHD BEADCHIPS (Illumina) mit wesentlich mehr Markern und dadurch höherer Markerdichte genotypisiert. So konnte der auf BTA18 identifizierte Haplotyp Q1 schließlich auf einen Bereich von 58.280.048 bis 58.819.413 bp eingegrenzt werden. In weiterführenden Analysen, unter anderem in zwei genomweiten Assoziations-studien (GWAS), die keine SNP-Fenster sondern einzelne SNP betrachteten (MLMA#1 und MLMA#2), sowie vier weiteren cLDLAs (MODELL#2 - MODELL#5) auf Chromosom 18, konnte gezeigt werden, dass die gewählte Methode (cLDLA) als Hauptursache für die oben genannte Positionsabweichung gesehen werden kann. Die Ergebnisse der Modelle zeigten, dass der Einfluss des Haplotyps Q1 in der Lage ist, die Effekte bezüglich der Kalbemerkmale im Bereich von 50 bis 60 Megabasenpaaren weitestgehend auszulöschen und nicht der von vielen Forschern für paternalen Kalbeverlauf kartierte SNP ARS-BFGL-NGS-109285 für den Effekt als ursächlich angesehen werden kann. Trotz reger bisheriger Forschung im Bereich dieses SNP konnten erst jüngst vier mögliche kausale Varianten im Bereich um den SNP ARS-BFGL-NGS-109285 identifiziert werden. Da aber in vier sequenzierten HF Bullen mit Haplotyp Q1 keine der Varianten von PURFIELD et al. (2015) entsprechend der Genotypen nachvollzogen werden konnte, können diese nicht als gegenseitige Bestätigung verstanden werden. Unsere Ergebnisse sprechen deutlich für eine weiterhin unbe-kannte Mutation innerhalb des Haplotyps Q1. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die hier in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse wichtige neue Fakten zum aktuellen Wissensstand beitragen und sich somit für die erfolgreiche Identifizierung kausaler Variante(n) als hilfreich erwei-sen werden. In der Zwischenzeit steht der für direkten Kalbeverlauf und Totgeburt als ‚schädlich‘ identifizierte Haplotyp Q1 zur Verfügung, so dass unverzüglich begonnen werden kann, indirekt gegen die kausale Variante zu selektieren, um sie langfristig aus der Holstein-Friesian Population zu entfernen.

Abstract

The background of this thesis lies in the steadily declining fertility of Holstein-Friesian (HF) cattle over the last decades (SILVIA, 1998, PRYCE et al., 2004). According to the thesis title, the aim of this study is to identify the genomic re-gions influencing fertility. Due to their quantitative and additive influence, those regions have been named Quantitative Trait Loci (QTL). The analyzed ten fertility and calving traits are based on the following estimated breeding values provided by VIT: Days from first service to conception for heifers (VZR) and for cows (VZK); non-return rate on day 56 for heifers (NR56R) and for cows (NR56K); days from calving to first insemination (RZ); days open (DO); paternal calving ease (pKV) for heifers; maternal calving ease (mKV) for heifers; paternal stillbirth (pTG) for heifers and maternal stillbirth (mTG) for heifers. Genotypes of the 2527 HF bulls used in this study were obtained by BOVINE SNP50 BEADCHIPS (Illumina). Actual data of the 29 bovine autosomes were pro-cessed with a combined linkage disequilibrium and linkage analysis (cLDLA). A variance component analysis was performed within the midpoint of the 40-SNP sliding windows. Using a cLDLA-based QTL mapping approach, we were able to detect 90 significant maxima which lead to 50 significant QTL. Some of those results partly verified previously published QTL, other loci, however, were newly identified. The most significant QTL was found on BTA18 in a QTL-region which had already been mapped for fertility traits before. However, the maximum of this QTL was mapped about 1,59 Mbp apart from the position of the SNP ARS-BFGL-NGS-109285 which is the region of interest of several other scientific groups. After accurate analysis of the most significant 40-SNP sliding window, a causal haplotype (labeled as haplotype Q1 in the following) could be detected. Haplotype Q1 was mapped for this QTL for pCE and pSB between positions 55.282.968 and 60.119.636 bp. To narrow the haplotype’s range down, 86 bulls were additionally genotyped with BOVINEHD BEADCHIPS (Illumina) which con-tains more markers, thus leading to a higher resolution. Due to this the range of haplotype Q1 could be narrowed down to an interval between 58.280.048 and 58.819.413 bp. In further analyzes including two genome-wide association studies (GWAS) and considering no SNP window but individual SNP (MLMA#1 and MLMA#2), plus four other cLDLAs (MODEL#2 - MODEL#5) on chromosome 18, the chosen method (cLDLA) could be confirmed as the main cause behind the positional deviation. Results showed that haplotype Q1 was able to let QTL 18.4 and, therefore, the effects observed between 50 and 60 Million bp for calving traits disappear. And not the SNP ARS-BFGL-NGS-109285 that was found in previous studies for pa-ternal calving ease and considered to be causal for the observed effect. Even though a lot of research has been done in the chromosomal region around ARS-BFGL-NGS-109285 within the last years, it was not until recently that four possible causal variants could be found. Because none of the results shown by PURFIELD et al. (2015) on BTA18 could be reproduced in the four sequenced HF bulls with haplotype Q1, we can safely exclude the possibility that these caus-al variants have an effect for the haplotype Q1. Summing up, the results presented in this thesis add important new facts to the current state of knowledge and thus will help to successfully identify the causal variant(s) of the observed effect. Until then, haplotype Q1, which has been identi-fied as being harmful for direct calving ease and stillbirth, can be used for indirect selection against the causal variant in the Holstein-Friesian population starting immediately.