Insights into the genetic architecture of the porcine immune system based on SNP chip and whole genome sequencing data

Abstract

Animal health and welfare are key challenges facing pig breeding and production. In this regard, the immune system and immune reaction are important determinants to focus on. Among the multitude of parameters that can be investigated to study these trait complexes, hematological parameters and cytokines are promising phenotypes. Moderate to high heritability of several immune relevant traits was demonstrated in various breeds and developmental stages. However, the genetic architecture of these traits needs extensive clarification to identify genomic regions with a biological relevance for the immunocompetence in piglets and growing pigs. <br/> The overall aim of this thesis was to gain insights into the genetic background of immune relevant traits in the maternal pig lines Landrace (LR) and Large White (LW) using single nucleotide polymorphism (SNP) chip data and whole genome sequencing (WGS) data. The results point out a way to properly include immune relevant traits into balanced pig breeding. The phenotypes investigated include the complete and differential blood count, eight cytokines and the acute phase protein haptoglobin recorded under non-challenging conditions in herds kept under high hygienic standards. <br/> The first study was based on SNP chip data from 535 LR and 461 LW piglets. Genome-wide association studies were conducted to identify genomic regions associated with immune relevant traits. A total of 477 significant SNPs were identified, which are partly overlapping with previously identified immune-related or other economically important quantitative trait loci. The results uncovered breed differences as well as putative pleiotropic effects. Annotation revealed a few SNPs to have a putative impact on the protein. According to their role in functional pathways or indications in other species, the genes TMBIM1, RBMS3, ROMO1, FGF6, AKAP3 and CTC1 were highlighted as putative candidate genes. <br/> In order to benefit from advanced technologies in animal genetics, a subset of 57 animals was selected for WGS and imputation. The second study demonstrates the selection process, combining haplotype- and pedigree methods. The effectiveness of the combined approach (C) for animal selection was measured by the imputation accuracy. This highlighted the benefits of C in the LR and LW populations, compared to alternative strategies, and became particularly apparent in low-frequency markers. <br/> The third study brings together SNP chip data, WGS data and imputation in the context of the porcine immunocompetence. The WGS data set was used as reference panel for within-breed imputation. Previous results based on SNP chip data were clustered in 33 (LR) and 34 (LW) windows, which were tested for associations based on imputed WGS (iWGS) data. Using iWGS data, the reliability of genomic regions was mostly verified and detailed insights into the genetic basis were achieved. In this context, evidence for 27 windows in each breed was strengthened. Additionally, the set of putative immune-related candidate genes was expanded and variants with a notable impact on the protein function were identified. <br/> In conclusion, genomic data of SNP chip and WGS type in combination with immune relevant phenotypes play a central role in uncovering the genetic foundation of the porcine immunocompetence. The identified genomic regions within this thesis make an important contribution and show potential for breeding-based improvement of the porcine immune system in maternal pig lines.

Zu den zentralen Herausforderungen in der Schweinezucht und -produktion zählen die Tiergesundheit und das Tierwohl. In diesem Zusammenhang sind das Immunsystem und die Immunreaktion wichtige Faktoren. Unter der Vielzahl an Parametern, mit denen man diese Merkmalskomplexe untersuchen kann, sind hämatologische Parameter und Cytokine vielversprechende Phänotypen, deren moderate bis hohe Erblichkeit bereits in verschiedenen Rassen und Entwicklungsstufen bestätigt wurde. Allerdings benötigt es weiterer eingehender Untersuchungen, um die genetische Architektur und die zugrundeliegenden Genregionen mit einer biologischen Relevanz für die Immunkompetenz von Ferkeln und heranwachsenden Schweinen aufzudecken. <br/> Das generelle Ziel dieser Arbeit war es Einblicke in die genetische Fundierung von immunrelevanten Merkmalen in den Mutterlinien Landrasse (LR) und Large White (LW) mittels SNP-Chip-Daten und Genomsequenzierung (WGS) zu erlangen. Die Ergebnisse sollen als Indikatoren dienen, die es ermöglichen immunrelevante Merkmale in balancierte Zuchtziele zu implementieren. <br/> Die phänotypische Grundlage dieser Arbeit umfasste Messungen des großen Blutbilds und Differentialblutbilds, acht Cytokine sowie Haptoglobin als Akute-Phase-Protein, die in Herden mit hohen hygienischen Standards erfasst wurden. Die erste Studie basierte auf SNP-Chip-Daten von 535 LR und 461 LW Ferkeln. Genomweite Assoziationsstudien wurden durchgeführt, um Genomregionen zu identifizieren, die mit immunrelevanten Merkmalen assoziiert sind. Insgesamt 477 signifikante SNPs wurden identifiziert, die teilweise mit zuvor veröffentlichten immunrelevanten oder anderen ökonomisch relevanten QTL überlappen. Die Ergebnisse ließen pleiotrope Effekte sowie Unterschiede zwischen den Rassen erkennen. Die anschließende Annotation deckte einen potentiellen Effekt einzelner SNPs auf das Protein auf. Dabei zeigen besonders die Gene TMBIM1, RBMS3, ROMO1, FGF6, AKAP3 und CTC1 durch ihre Rolle in funktionellen Stoffwechselwegen oder Hinweise in anderen Spezies ihre Eignung als Kandidatengene. <br/> Um die Vorteile moderner genetischer Methoden zu nutzen, wurden 57 Tiere zur WGS und Imputation ausgewählt. Der zweite Teil dieser Arbeit veranschaulicht den zugrundeliegenden Prozess zur Auswahl der Tiere, der haplotyp- und pedigreebasierte Methoden miteinander kombiniert. Die Effizienz des kombinierten Ansatzes (C) zur Auswahl der Tiere wurde anhand der Imputationsgenauigkeit quantifiziert. Dabei zeigten sich die Vorzüge von C gegenüber alternativen Selektionsansätzen in LR und LW. Diese wurden besonders in niedrig-frequenten Markern deutlich. <br/> Die dritte Studie kombiniert SNP-Chip-Daten, WGS-Daten und Imputation im Kontext der Immunkompetenz von Schweinen. Die auf SNP-Chip-Daten basierenden Ergebnisse der ersten Studie wurden in 33 (LR) und 34 (LW) Cluster unterteilt, die mithilfe der imputierten WGS-Daten erneut auf Assoziationen getestet wurden. Dadurch wurde die Reliabilität für 27 Genomregionen jeder Rasse verifiziert und detaillierte Einblicke in die genetische Fundierung geliefert. Zusätzlich wurden weitere putativ immunrelevante Kandidatengene und Varianten mit einem starken Einfluss auf die Proteinfunktion identifiziert. Genomische Daten in Form von SNP-Chip-Daten und WGS-Daten zusammen mit immunrelevanten Phänotypen spielen eine zentrale Rolle bei der Aufdeckung der genetischen Fundierung der Immunkompetenz von Schweinen. Die in dieser Arbeit identifizierten Genregionen liefern dazu einen wichtigen Beitrag und zeigen das Potential zur züchterischen Bearbeitung des porcinen Immunsystems in maternalen Schweinelinien.