Genomic indicators for boar taint and fertility in Landrace and Large White populations

Abstract

Castration of male piglets in their first week of life is a commonly used but critically reflected method to avoid boar taint. Fattening of entire males represents a long-term sustainable alternative to castration but physiological interrelations to steroid hormone synthesis have emerged as a possible conflict if breeding against boar taint. Therefore, the aim of this study was to reveal the genetic relationships (r_g) between boar taint and fertility in Landrace (LR) and Large White (LW) populations, as they represent the two most popular German nucleus dam breeds. As a first step, variance components of boar taint compounds androstenone (AND) and skatole (SKA) and male / female reproduction traits as well as their genetic relationships were estimated. Datasets of 2,729 LR and 2,908 LW animals from a commercial breeding organization were used as a basis of this analysis. Results showed moderate to high heritabilities (h²) for AND (0.50 in LR, 0.39 in in LW) and SKA (0.52 in LR, 0.32 in LW). Genetic correlations showed an inconsistent picture of adverse effects on fertility among both breeds. The r_g between both boar taint compounds and number of piglets born alive (NBA) were unfavorable in LR (r_g between 0.18 and 0.38) and favorable in LW (r_g between -0.15 and -0.25). Genome wide association analysis (GWAS) were performed to identify genes and genomic regions with possible pleiotropic effects. Results confirmed a previously reported region for SKA metabolism at 141.6 Mb on <em>Sus scrofa</em> chromosome (SSC) 14 in both breeds.<br />In a following step, endocrine fertility parameters (EFP) were investigated in 500 young boars and 500 female pigs. In addition to data for boar taint from the first analysis, boar taint phenotypes from 969 boars from herd book organizations were included. Variance component estimation (VCE) revealed unfavorable r_g between AND and testosterone (TEST) / estradiol (EST) in both breeds (r_g = 0.62-0.83 for TEST, r_g = 0.46-0.49 for EST). GWAS was performed to genetically characterize the analyzed traits. GWAS for SKA in the herd book population confirmed the region on SSC 14 from the preceding analyses. A region with possible pleiotropic effects between several EFP was identified on SSC 7 between 113.1-117.9 Mb.<br />In general, the moderate to high h² of AND and SKA confirmed the genetic foundation of boar taint traits and their potential for selection. However, r_g also confirmed the physiological assumptions of a common genetic background of boar taint and reproduction / EFP. GWAS verified a previous identified candidate gene for SKA in both breeds on SSC 14 and revealed a region on SSC 7 with possible pleiotropic effects between several EFP. First results for different genomic selection (GS) scenarios showed, that a selection formula should be developed separated by breed to reach sufficient accuracies. As a consequence, implementation of boar taint in selection strategies is only advisable if intensive monitoring of fertility is taking place. Although there are no indicators for an overall negative impairment of reproduction traits, genetic relationships to EFP emphasized an unfavorable reduction of hormone concentrations of breeding against boar taint.

<strong>Genomische Indikatoren für Ebergeruch und Fruchtbarkeit in Landrasse- und Edelschweinpopulationen</strong> <br /> Die Kastration männlicher Ferkel in ihrer ersten Lebenswoche zur Vermeidung von Ebergeruch wird hinsichtlich des Tierwohlaspektes schon lange kritisch betrachtet. Die Ebermast stellt eine langfristige und nachhaltige Alternative zur Kastration dar. Physiologische Zusammenhänge zur Steroidhormonsynthese weisen jedoch auf ein mögliches Konfliktpotential bei einer Selektion gegen Ebergeruch hin. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die genetischen Beziehungen zwischen Ebergeruch und Fruchtbarkeit in den zwei populärsten deutschen Mutterlinien Landrasse (LR) und Edelschwein (ES) zu evaluieren. Zunächst wurden Varianzkomponenten von den Ebergeruchsmerkmalen Androstenon (AND) und Skatol (SKA), sowie von Reproduktionsmerkmalen beider Geschlechter geschätzt und deren genetische Beziehung (r_g) zueinander berechnet. Grundlage dieser Analysen waren Datensätze einer deutschen Schweinezuchtorganisation mit 2.729 LR- und 2.908 ES-Tieren. Die Ergebnisse zeigten moderate bis hohe Heritabilitäten (h²) für AND (0,50 in LR; 0,39 in LW) und SKA (0,52 in LR; 0,32 in LW). Die geschätzten r_g weisen auf Rasseunterschiede bezüglich unerwünschter Beziehungen zwischen Ebergeruchskomponenten und Reproduktionsmerkmalen hin. Die r_g zwischen beiden Ebergeruchskomponenten und der Anzahl lebend geborener Ferkel (LGF) waren unerwünscht in der LR (r_g zwischen 0,18 und 0,38) und erwünscht im ES (r_g zwischen -0,15 und -0.25). Eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS) wurde durchgeführt, um Gene oder Regionen mit möglichen pleiotropen Effekten zu identifizieren. Die Ergebnisse bestätigten eine zuvor identifizierte Region für SKA Stoffwechsel auf dem <em>Sus scrofa</em> Chromosom (SSC) 14 bei 141.6 Mb in beiden Rassen. <br />In einem nächsten Schritt wurden endokrine Fruchtbarkeitsparameter (EFP) in 500 Jungebern und 500 weiblichen Schweinen untersucht. Der Datensatz für Ebergeruch erweiterte sich im Vergleich zur vorherigen Studie um phänotypische und genetische Daten von 969 Ebern aus verschiedenen Herdbuchorganisationen. Eine Varianzkomponentenanalyse (VCE) ergab unerwünschte r_g zwischen AND und Testosteron (TEST) sowie Estradiol (EST) in beiden Rassen (r_g = 0,62-0,83 für TEST, r_g = 0,46-0,49 für EST). Eine erneute GWAS bestätigte die zuvor identifizierte Region für SKA auch in der Herdbuchpopulation und identifizierte auf dem SSC 7 zwischen 113.1 und 117.9 Mb eine Region mit möglichen pleiotropen Effekten zwischen mehreren EFP. <br />Die moderaten bis hohen rassespezifischen h² für AND und SKA weisen auf eine genetische Fundierung der Ebergeruchsmerkmale und deren Selektionspotential hin. Die Ergebnisse der genetischen Analysen bestätigen die physiologischen Annahmen eines Zusammenhangs zwischen Ebergeruch und Fruchtbarkeit. Die GWAS bestätigte ein bereits zuvor identifiziertes Kandidatengen für SKA auf SSC 14 in beiden untersuchten Rassen und deckte eine Region auf SSC 7 mit potenziellem pleiotropen Effekt zwischen mehreren der untersuchten EFP auf. Erste Ergebnisse von Szenarien der genomischen Selektion (GS) zeigten, dass diese nach Rasse getrennt durchgeführt werden sollte um eine zufriedenstellende Genauigkeit zu erreichen. Die Implementierung von Ebergeruch in Zuchtprogramme sollte nur unter Einhaltung eines intensiven Monitorings der Fruchtbarkeitsmerkmale stattfinden, denn obwohl es keine klaren Indikatoren für eine negative Beeinträchtigung der Reproduktionsmerkmale gibt, wiesen die genetischen Korrelationen zwischen Ebergeruch und endokrinologischen Parametern auf eine unerwünschte Reduktion der Hormonkonzentrationen hin.