Multivariate methods for genetic association testing for immune traits in maternal pig breeds

Abstract

In pig breeding immune traits are considered to serve as potential biomarkers for pig’s health-competence. A limited number of published studies indicate medium to high heritabilities (h²) for several immune traits. Genetic variance and covariance components of immune traits were estimated in chapter 3 to examine the quantitative genetic background of these traits. For this purpose, blood samples were collected for Landrace (LR) (n=611) and Large White (LW) (n=544) piglets and their biological dams (n=298, 272, respectively) in a short period around birth. Immune profile was covered by 22 traits including immune cells, red blood cell characteristics, and cytokines. Maternal impacts on piglet’s immune profile were investigated as well as close phenotypic and genetic-based relationships in a multivariate approach. Immune traits showed low to high breed-specific h². Strong positive genetic correlations (r_g) were estimated among red blood cell characteristics (0.77 to 0.99) as well as among cytokines (0.48 to 0.99). The litter impact on piglet’s immunity was examined and strengthened already observed breed differences. In LR h² (0.22 to 0.15) and litter effect (c²) (0.52 to 0.44) for IFN-γ decreased after statistical consideration of maternal impact. In LW a decrease in h² (0.32 to 0.18) for IFN-γ and an increase in c²(0.54 to 0.56) was observed. <br /> The development of selection strategies requires deep investigations with appropriate statistical genome-wide association study approaches to explore the joint genetic foundation for health biomarkers. Consideration of previously established r_g between immune traits were used to identify pleiotropic genetic markers. For this reason, several univariate (uv) and multivariate (mv) genetic association testing methods were applied on immune traits in chapter 4. Mv GWAS approaches detected 647 associations for different mv immune trait combinations that were summarized to 133 quantitative trait loci (QTL). SNPs for different trait combinations (n=66) were detected with more than one mv method. Most of these SNPs are associated with red blood cell related immune trait combinations. With uv methods shared markers were not observed between the breeds, whereas mv approaches were able to detect two conjoint SNPs for LR and LW. <br /> Most immune traits are heritable and are promising to cover global breed-specific immunocompetence in animals. With uv and mv approaches, the joint genetic background of immune traits was demonstrated by revealing immune relevant potential candidate genes. Investigated traits can be used to gain a breeding-based health improvement in piglets whereby special attention has to be laid on the relationship between immunocompetence and further performance characteristics.

<strong>Multivariate genetische Assoziationsstudien von Immunmerkmalen bei Schweinen aus Reinzuchtlinien</strong> <br /> In der Schweinezucht werden Immunmerkmale als potenzielle Bioindikatoren der Gesundheitskompetenz betrachtet. In einer begrenzten Anzahl von Veröffentlichungen wurden für eine Reihe von Immunmerkmalen mittlere bis hohe Heritabilitäten (h²) geschätzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden, wie in Kapitel 3 beschrieben, genetische Varianz- und Kovarianzkomponenten geschätzt. Dazu wurden in einem kurzen Zeitraum um die Geburt Blutproben von Landrasse (n=611) und Large White (n=544) Ferkeln und ihren biologischen Müttern (n=298 bzw. 272) entnommen. Das Immunprofil wurde durch 22 Merkmale einschließlich Immunzellen, Erythrozyten-Charakteristika und Zytokinen abgedeckt. Die Auswirkungen der Mutter auf das Immunprofil des Ferkels sowie vorherrschende, enge, phänotypische und genetische Beziehungen wurden in einem multivariaten (mv) Ansatz untersucht. Immunmerkmale zeigten niedriges bis hohes rassespezifische h². Es wurden starke positive genetische Korrelationen (r_g) zwischen den Merkmalen der roten Blutkörperchen (0,77 bis 0,99) sowie zwischen den Zytokinen (0,48 bis 0,99) geschätzt. Der Wurfumwelteffekt (c² auf die Immunität der Ferkel wurde untersucht und verstärkte bereits beobachtete Rassenunterschiede. In LR betrugen die h² (0,22 bis 0,15) und c² (0,52 bis 0,44) für IFN-&gamma; nach statistischer Berücksichtigung des maternalen Effekts. Bei LW wurde eine Abnahme von h² (0,32 bis 0,18) und eine Zunahme von c² (0,54 bis 0,56) beobachtet. <br /> Die in Kapitel 3 festgestellten r_g wurden zur Identifikation von pleiotropen, genetischen Markern genutzt. Aus diesem Grund wurden verschiedene univariate (uv) und mv genetische Ansätze angewendet. Deren Anwendbarkeit und Aussagefähigkeit wurden in Kapitel 4 untereinander empirisch verglichen. Mv Ansätze detektierten 647 Assoziationen für verschiedene Immunmerkmalskombinationen, wovon 66 SNPs mit mehr als einer mv Methode nachgewiesen werden konnten. Mit uv Methoden wurden keine gemeinsamen Marker zwischen den Rassen beobachtet, während mv Ansätze zwei gemeinsame SNPs zwischen LR und LW aufweisen konnten. <br /> Für die meisten Immunmerkmale wurde eine moderate bis hohe, rassespezifische h² festgestellt. Mit uv und mv Ansätzen konnte der gemeinsame genetische Hintergrund von Immunmerkmalen untersucht und potenzielle, immunrelevante Kandidatengene aufgedeckt werden. Immunmerkmale können zu einer züchterischen Verbesserung der Gesundheit von Ferkeln beitragen. Hierbei sollten allerdings die Beziehungen der Immunmerkmale zu weiteren Leistungsmerkmalen in Betracht gezogen werden.