Mendelian traits in horse breeding

Reiter, Simone Valerie (2022): Mendelian traits in horse breeding: studying the background of roan coat color and the distribution and origin of the allele causing Warmblood Fragile Foal Syndrome (WFFS). Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät

Abstract

Mendelian traits represent an important basis for genetic selection in modern animal breeding. Lots of effort has been made to resolve the underlying variants of Mendelian traits in horses. In this doctoral thesis, the various aspects of the research on Mendelian traits were processed based on two publications. The first publication deals with the challenges of detecting a causal variant, which are represented in the example of roan coat color. The roan phenotype is characterized by intermixed white and colored hairs in the body and occurs in different pony, warmblood, and coldblood breeds, including the Noriker. Roan is a Mendelian trait and follows a dominant mode of inheritance. To investigate the genetic background of roan 670,000 genome-wide SNP genotypes of 14 roan Noriker (case group) and 26 black Noriker (control group) were analyzed in a genome-wide association study (GWAS). A single nucleotide variant in intron 17 of the KIT gene was found to be completely linked with roan. Based on NGS data from a homozygous roan Noriker, a 54.9 kb haplotype, consisting of a single nucleotide variant, two deletions in the 3’-flanking region, and a 3 bp deletion combined with a 17 bp insertion in intron 20 of the KIT gene was determined. This haplotype, composed of four non-coding variants, was checked by genotyping a random sample set of roan and non-roan animals of different breeds. Complete association was observed in some breeds (Noriker, Quarter Horses, Slovenian Coldblood, Belgian Draft, Murgese) but not in others (Shetland Pony, Trakehner, German Sport horse). The results suggest allelic heterogeneity for the roan coat color through different breeds. Further work is needed to explicitly clarify the genetic basis of roan, but the associated variants identified within this work can be used for indirect genetic testing. In the second publication, the importance of genetic testing for animal welfare was illustrated by a large scale screening study of the variant causing the Warmblood Fragile Foal Syndrome (WFFS). Most monogenetic disorders in the horse are recessively inherited, including WFFS. Homozygosity for the WFFS allele is always incompatible with extra-uterine life. The affected foals are aborted during a late stage of gestation or are born with skin abnormalities and extreme flexibility in their digital joints. The WFFS allele occurs at high frequencies in various warmblood breeds and has also been detected in the Thoroughbred. Within this work the distribution of the WFFS allele in the horse population was determined by screening 4081 horses belonging to 38 different breeds. The results confirmed high carrier frequencies in warmbloods, with the highest levels in Hannoverian and Danish Warmblood. For the first time, the WFFS allele was detected in breeds other than Warmbloods, namely in Haflinger, American Sport Pony, and Knabstrupper. Based on the inclusion of historical DNA, it has been shown that an origin of WFFS in the Arabian breed, specifically in the stallion Bairactar Or. Ar. (1813), is unlikely. This work shows that the clarification of Mendelian traits and the dense monitoring of the distribution of hereditary defects are of particular importance for applied horse breeding. Genetic testing enables the identification of animals carrying recessive deleterious alleles, which facilitates strategically planned mating and thus improves animal welfare.

Abstract

Monogene Merkmale bilden eine wichtige Grundlage für die genetische Selektion in der modernen Tierzucht. An der Aufklärung der kausalen Varianten dieser Merkmale wird intensiv geforscht. In dieser Dissertation werden verschiedene Aspekte rund um monogene Merkmale beim Pferd, basierend auf zwei Publikationen, bearbeitet. Anhand der ersten Publikation werden die Herausforderungen der Detektion einer kausalen Variante am Beispiel roan aufgezeigt. Der roan-Phänotyp ist durch eine extreme Stichelhaarigkeit am ganzen Körper charakterisiert und kommt in verschieden Pony-, Warmblut-, und Kaltblutrassen vor, einschließlich dem Noriker. Bei roan handelt es sich um ein dominant vererbtes monogenes Merkmal. Um den genetischen Hintergrund von roan zu untersuchen, wurden 670.000 genomweite SNP Genotypen von 14 roan Norikern (Fallgruppe) und 26 Rappen (Kontrollgruppe) in einer genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) analysiert. Dabei wurde ein mit roan assoziierter SNP in Intron 17 vom KIT Gen ermittelt. Basierend auf NGS Daten eines homozygoten roan Norikers wurde ein 54,9 kb großer Haplotyp, bestehend aus dem bereits erwähnten SNP, zwei Deletionen in der 3’-flankierenden Region und einer 3 bp Deletion kombiniert mit einer 17 bp Insertion in Intron 20 des KIT Gens, definiert. Dieser Haplotyp aus vier nicht-codierenden Varianten wurde durch Genotypisierung in einer zufälligen Stichprobe von roan und nicht-roan Pferden verschiedener Rassen überprüft. Einige Rassen (Noriker, Quarter Horse, slowenisches Kaltblut, belgisches Kaltblut, Murgese) zeigten eine vollständige Assoziation von diesem Haplotyp mit dem roan Phänotyp, andere Rassen (Shetlandpony, Trakehner, deutsches Sportpferd) jedoch nicht. Diese Ergebnisse sprechen für einen heterogenen Ursprung des roan Allels in den verschiedenen Rassen. Zur Bestimmung der kausalen Variante sind weitere Untersuchungen nötig, allerdings können die assoziierten Varianten aus dieser Arbeit für einen indirekten Gentest herangezogen werden. In der zweiten Publikation dieser Arbeit wird die Bedeutung von Gentests für den Tierschutz anhand einer groß angelegte Screening-Studie der Variante, die das Warmblood Fragile Foal Syndrome (WFFS) verursacht, veranschaulicht. Ein Großteil aller monogenen Erbkrankheiten beim Pferd wird rezessiv vererbt, so auch WFFS. Homozygotie für das WFFS-Allel ist immer letal. Betroffene Fohlen werden gegen Ende der Trächtigkeit abortiert oder mit Hautveränderungen und einer extremen Flexibilität der Gelenke geboren. Das WFFS Allele kommt mit hohen Frequenzen in verschiedenen Warmblütern vor und wurde auch im Vollblut nachgewiesen. In dieser Arbeit wurde die Verbreitung des WFFS Allels in 4081 Pferden von 38 verschiedenen Rassen untersucht. Die Ergebnisse bestätigten hohe Trägerfrequenzen in den Warmblütern, wobei diese im Hannoveraner und im Dänischen Warmblut am höchsten waren. Des Weiteren wurde das WFFS-Allel erstmals beim Haflinger, Amerikanischen Sportpony und Knabstrupper nachgewiesen. Durch Einbeziehung historischer DNA konnte zudem gezeigt werden, dass ein Ursprung von WFFS in den Arabern, speziell im Hengst Bairactar Or. Ar. (1813), unwahrscheinlich ist. Die Abklärung monogener Merkmale und das Monitoring der Verbreitung von Erbfehlern sind für die angewandte Pferdezucht von großer Bedeutung. Durch die Identifikation von Trägern rezessiver Erbfehler ermöglichen Gentests eine strategische Anpaarung und leisten somit einen wichtigen Beitrag zum Tierschutz.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Mendelian traits, horse, roan, Warmblood Fragile Foal Syndrome
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Tierärztliche Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 30. Juli 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Medugorac, Ivica