Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Athletic performance and conformation in Hanoverian warmblood horses

Schröder, Wiebke

Intense selection for speed, endurance or pulling power in the domestic horse (Equus caballus) has resulted in a number of adaptive changes in the phenotype required for elite athletic performance. To date, studies in human have revealed a large number of genes involved in elite athletic performance, but studies in horses are rare. The horse genome assembly and bioinformatic tools for genome analyses have been used to compare human performance genes with their equine orthologues, to retrieve pathways for these genes and to investigate their chromosomal distribution. We represent 28 candidate genes for equine performance that have polymorphisms associated with human elite athletic performance and may have impact on athletic performance in horses. A significant accumulation of candidate genes was found on horse chromosomes 4 and 12. Genes involved in pathways for focal adhesion, regulation of actin cytoskeleton, neuroactive ligand-receptor interaction, and calcium signalling were overrepresented. Genome-wide association studies for athletic performance in horses may benefit from the strong conserved synteny of the chromosomal arrangement of genes among human and horse. Performance data of in total 36,441 Hanoverian warmblood horses (Hanoverians) were used to determine whether genetic evaluation for performance and conformation in the Hanoverian could benefit from the inclusion of the proportion of genes of foreign breeds in the model. For our analyses we considered all Hanoverians born from 1992 to 2005, for which records from mare performance tests, auction inspections or studbook inspections were available. Genetic parameters were estimated univariately in a linear animal model using Residual Maximum Likelihood. Genetic evaluation was subsequently performed using Best Linear Unbiased Prediction. To investigate the effect of correcting for the proportion of genes of stallions from foreign breeds, two different models were used for the analyses. Heritabilities of analyzed performance traits in both models ranged between 0.11 and 0.34, with standard errors of £0.01. Pearson correlation coefficients determined between corresponding breeding values from Model 1 and 2 were highly positive (>0.98), indicating little effect of the model on the results of genetic evaluation. Our results indicate that using a model which includes the proportion of genes of Thoroughbred, Trakehner and Holsteiner as fixed effects will not relevantly improve genetic evaluation for performance and conformation in the Hanoverian. According to our results using a model which includes the proportion of genes of Thoroughbred, Trakehner and Holsteiner as fixed effects will not relevantly improve genetic evaluation for performance and conformation in the Hanoverian. Finally, a genome-wide association (GWA) study for quantitative trait loci (QTL) of performance traits (show-jumping, dressage and conformation) in Hanoverian warmblood horses employing the Illumine equine SNP50 Beadchip was aim of this study. For our analyses we genotyped 115 stallions that could be assigned into 16 families as a random sample out of 798 stallions of the NationalState stud of Lower Saxony. We investigated the breeding values (BV) show-jumping, dressage, riding horse points (RHP) and limbs for GWA. The BV for show-jumping, which includes style and ability of free jumping, was investigated for association first. We were able to localize six QTL for show-jumping on horse chromosomes (ECA) 1, 8, 9 and 26 (-log10 P-value >5). Within the QTL regions, we could identify human performance related genes including PAPSS2 on ECA1, MYL2 on ECA8, TRHR on ECA9 and NRF2 on ECA26. The results of our GWA suggest that genes involved in muscle structure, development and metabolism are crucial for elite show jumping performance. The dressage talent of a horse is characterized by the quality of walk, trot and canter, and rideability. For analyzes we investigated the BV dressage, which is composed of thus traits. We located 12 QTL for dressage on horse chromosomes (ECA) 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 16, 18, 27 and 28 (-log10 P-value >4). Within the QTL regions we identified functional candidate genes for dressage performance, including VWC2 on ECA4, HPX on ECA7, AF3BL2 on ECA8, TRAPPC9 on ECA9, MYL3 on ECA16 and MCPH1 on ECA27. Our results suggest that multiple genes, involved in diverse processes are crucial for elite dressage performance. In particular genes involved in coordination, ataxia and learning aptitude might play a major roll for the quality of dressage performance. Conformational traits that are evaluated at studbook inspection and stallion licensing are additionally grouped for population genetic analyzes under two topics, riding horse points (RHP) and limbs (LIMBS). RHP include all traits that are constitutive for the quality of a riding horse (head, neck, saddle position, frame, type and development), whereas LIMBS comprises all traits that are characterizing for the quality of limb conformation (front legs, hind legs and correctness of gaits). We could detect four QTL for RHP on ECA3, 15, 19 and 20 and two QTL for LIMBS on ECA5 and 18 (-log10 P-value >5). Within the QTL regions for RHP we identified PPARGC1A and LCORL on ECA3 as functional candidate genes. For LIMBS we detected PRG4 on ECA5 and MYO7B on ECA18 as functional candidate genes. We can conclude that first of all genes coding for muscular processes, growth, limb development and embryonic development might be constitutive for both, RHP and LIMBS. Our Results represent the initial search for QTL for performance and conformation of Hanoverians. However, further studies are necessary to validate the QTL for show-jumping, dressage, RHP and Limbs in larger data sets and other horse populations.

Eine strikte Selektion auf physische Leistungsmerkmale wie Schnelligkeit, Ausdauer und Zugkraft hat bei den domestizierten Pferden (Equus caballus) zu einer Reihe adaptiver Veränderungen des Phänotyps geführt, die diese Tiere zu Ausnahme-Athleten unter den Säugern machen. Während in aktuellen Studien beim Menschen der Einfluss einer ganzen Reihe von Genen auf die physische Leistungsfähigkeit diskutiert wird, stecken derlei Untersuchungen beim Pferd noch in den Kinderschuhen. In dieser Arbeit stellen wir erstmals 28 Kandidatengene vor, die auf Grund ihrer Funktion die physische Leistungsfähigkeit des Pferdes beeinflussen könnten. Für jedes dieser Gene ist bereits mindestens ein Polymorphismus in der humanen Sequenz beschrieben der mit körperlicher Leistungsfähigkeit assoziiert wird. Die zweite Assemblierung des Pferdegenoms (Ecab2) wurde verwendet um anschließend mit Hilfe bioinformatischer Werkzeuge die Sequenzen der humanen Leistungsgene mit denen ihrer equinen Orthologe zu vergleichen, ihre chromosomale Verteilung zu ermitteln und Netzwerke dieser Gene untereinander zu untersuchen. Eine signifikante Häufung dieser Kandidatengene konnte auf den equnien Chromosomen 4 und 12 beobachtet werden. Gene, die Pfadwegen für fokale Adhäsion, Regulation des Actin-Zytoskeletes, neuroaktive Ligand-Rezeptor-Interaktion sowie Kalzium Signalwegen angehören, waren unter den ermittelten Kandidatengenen überrepräsentiert. Die Ergebnisse der Analyse suggerieren, dass weiter führende Untersuchungen, wie zum Beispiel genom-weite Assoziationsstudien für Leistungsmerkmale des Pferdes, von der stark konservierten Synteny zwischen den chromosomalen Gen-Anordnungen von Mensch und Pferd profitieren könnten. Im folgendem wurde untersucht, ob populationsgenetische Auswertungen von Leistungsdaten Hannoveraner Warmblutpferde (Hannoveraner) durch die Berücksichtigung von Fremdgenanteilen im Modell profitieren können. Dafür wurden die Daten aller 36.441 Hannoveraner der Geburtsjahrgänge von 1992 bis 2005 berücksichtigt, für die mindestens ein Ergebnis einer Stutenleistungsprüfung, einer Auktionssichtung oder einer Stutbucheintragung dokumentiert war. Dazu wurden genetische Parameter für fünf der bei Stutenleistungsprüfungen und Auktionssichtungen standardmäßig ermittelten Merkmale (Schritt, Trab und Galopp unter dem Sattel, Freispringen und Rittigkeit) sowie für drei der bei Stutbuchaufnahmen bewerteten Merkmale (Schritt, Schwung und Elastizität sowie die Korrektheit des Ganges von Schritt und Trab an der Hand) univariat in einem linearen Tiermodel mittels Residual Maximum Likelyhood (REML) geschätzt. Anschließend wurde mittels Best Linear Unibased Prediction (BLUP) und der geschätzten Varianz die Zuchtwertschätzung durchgeführt. Um zu untersuchen welchen Effekt die Korrektur auf Genanteile eingekreuzter Hengsten anderer Rassen hat, wurden zwei unterschiedliche Modelle für die Auswertungen verwendet. In Modell 1 wurden die fixen Effekt des Geschlechtes (nur für die Auktionssichtungsdaten) sowie des Alters, und der zufällige Effekt der Veranstaltung (Ort-Datum Interaktion) berücksichtigt. Modell 2 wurde zusätzlich noch um die fixen Effekte der Genanteile von Englischem Vollblut, Trakehner und Holsteiner Warmblut (Holsteiner) erweitert. Die berechnete Heritabilität der analysierten Merkmale schwankten mit beiden Modellen zwischen 0,11 und 0,34 mit Standardfehlern £0,01. Die Korrelationskoeffizienten nach Pearson für die mit Model 1 und 2 ermittelten Zuchtwerte korrespondierender Merkmale waren hoch positiv (>0,98), was auf einen nur kleinen Effekt des Modells auf die Ergebnisse der Analysen hindeutet. Damit zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass ein Modell für genetische Auswertungen von Leistungsmerkmalen des Hannoveraners durch die zusätzliche Berücksichtigung der Genanteile von Englischem Vollblut, Trakehner und Holsteiner nicht relevant verbessert wird. Während die Zuchtziele der meisten deutschen Warmblutrassen im Hinblick auf die Nutzbarkeit für den Pferdesport nur marginal variieren, so gibt es doch einige charakteristische Unterschiede zwischen den erwünschten Exterieurmerkmalen der einzelnen Zuchten. In einer anschließenden Studie wurde deshalb untersucht, ob ein Modell für genetische Analysen von Exterieurmerkmalen des Hannoveraners durch die Berücksichtigung von Fremdgenanteilen verbessert werden kann. Zu diesem Zweck standen Stutbuchaufnahmedaten von insgesamt 29.053 Hannoveraner Stuten der Jahrgänge 1992 bis 2005 des Hannoveraner Verbandes zur Verfügung. Genetische Parameter wurden für acht der bei Stutbuchaufnahmen routinemäßig beurteilten Exterieurmerkmale (Kopf, Hals, Sattellage, Vorderhand, Hinterhand, Typ, Rahmen und Gesamteindruck und Entwicklung) sowie die Widerristhöhe wiederum univariat in einem linearen Tiermodel mittels Residual Maximum Likelihood geschätzt. Auch hier wurde die Zuchtwertschätzung anschließend mittels Best Linear Unbiased Prediction und der geschätzten Varianzen durchgeführt. Um die Auswirkungen einer Berücksichtigung von Fremdgenanteilen auf genetische Analysen prüfen zu können, wurden dieselben zwei Modelle verwendet wie in der vorhergehenden Studie. Die ermittelten Heritabilitäten lagen in beiden Modellen zwischen 0,10 und 0,57 bei Standardfehlern ≤0,01 für die analysierten Exterieurmerkmale sowie die Widerristhöhe. Auch hier waren die mit Model 1 und 2 für korrespondierende Merkmale geschätzten Zuchtwerte hoch positiv miteinander korreliert (Korrelationskoeffizienten nach Pearson >0,99). Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass eine Berücksichtigung von Fremdgenanteilen in einem Zuchtwertschätzmodell auch für Exterieurmerkmale des Hannoveraners keine wesentlichen Vorteile bringt. Mittels genomweiter Assoziationsstudien (GWAS) wurde dann im Folgenden nach quantitativen Merkmalsorte (QTL, im Englischen QTL, quantitative trait loci) für Leistungsmerkmale (Springen, Dressur und Exterieur) des Hannoveraners gesucht. Dafür standen Daten von 798, 16 unterschiedlichen Familien angehörenden Hengsten des niedersächsischen Landgestüts Celle zur Verfügung. Von diesen wurden zufällig 115 Hengste ausgewählt und mit einem DNA-Chip (Illumina SNP50 BeadChip) genotypisiert. Als Untersuchungsparameter wurden die Zuchtwerte für Dressur, Springen, Reitpferde-Points und Fundament der Hengste verwendet. Um auf Datenstratifikation beruhende falsch positive Ergebnisse zu minimieren wurden unterschiedliche Modelle für die Analysen angewendet. Zum einen zwei unterschiedliche gemischte lineare Tiermodelle und zum anderen drei weitere allgemeine lineare, adaptiv permutierte Tiermodelle. Die Datenstratifikation konnte für alle untersuchten Merkmale am besten durch ein gemischtes lineares Tiermodel erklärt werden, in dem die Genanteile von Hannoveraner, Englischem Vollblut, Trakehner und Holsteiner und eine Verwandtschaftsmatrix auf Grundlage der Bewertung der Markerähnlichkeit nach Allelzustand (IBS, im Englischen IBS, identity by state) berücksichtigt wurden. Zunächst wurde nach QTL für das Springtalent gesucht. Dieses beinhaltet die Manier und das Vermögen eines Pferdes und wird beim Freispringen ermittelt. Der für die Analysen verwendete Zuchtwert Springen eines Hengstes setzt sich aus der Eigenleistung des Hengstes und derer aller seiner Nachkommen die an einer Stutenleistungsprüfung oder Auktionssichtung teilgenommen haben zusammen. Es konnten sechs QTL für das Springen auf den equinen Chromosomen (ECA) 1, 8, 9 und 26 (-log10 P-Wert >5) und weitere putative QTL mit -log10P-Werte von 3-5 auf ECA1, 2, 3, 11, 17 und 21 definiert werden. Innerhalb der QTL- und auch der putativen QTL-Regionen konnten einige Gene ermitteln werden, die beim Menschen Einfluss auf die physische Leistungsfähigkeit haben, wie PAPSS2 auf ECA1, MYL2 auf ECA8, TRHR auf ECA9 und NRF2 on ECA26, sowie innerhalb der putativen QTL Regionen NRAP auf ECA1 und TBX4 auf ECA11. Die Ergebnisse dieser GWAS deuten darauf hin, dass vor allem Gene, die mit der Entwicklung der Muskulatur, ihrer Struktur und ihrem Energiestoffwechsel in Zusammenhang stehen von besonderer Bedeutung für eine überdurchschnittliche Springleistung sind. Als nächstes wurde das Genom auf QTL für das Dressurpotential des Hannoveraners untersucht. Die Eignung eines Pferdes für die Dressur wird im Wesentlichen von der Qualität des Schrittes, des Trabes und des Galopps, sowie der Rittigkeit bestimmt. Als Untersuchungsparameter diente der Zuchtwert Dressur in dem diese vier Merkmale zusammengefasst sind. Auch hier fließen in den Zuchtwert die Eigenleistung des Hengstes selbst, sowie die Leistungen aller seiner Nachkommen, die auf einer Stutenleistungsprüfung oder einer Auktionssichtung bewertet wurden ein. Es konnten 12 QTL für Dressur auf ECA2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 16, 18, 27 und 28 (-log10 P-Werte > 4) sowie weitere putative QTL mit -log10P-Werten von 3 bis 4 auf ECA1, 2, 3, 5, 14, 18, 19, 20, 21 und 26 lokalisiert werden. Innerhalb der QTL- und putativen QTL- Regionen sind einige funktionelle Kandidatengene für Dressur, darunter VWC2 auf ECA4, HPX auf ECA7, AF3BL2 auf ECA8, TRAPPC9 auf ECA9, MYL3 auf ECA16 and MCPH1 auf ECA27, sowie innerhalb der putativen QTL Regionen MYO5A, GNB5, GABPB and HDC auf ECA1, TRPC3 auf ECA2, PPARGC1A auf ECA3, MARKAPK auf ECA5, SHOX2 auf ECA19 und GABPA auf ECA26. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Vielzahl an zum Teil funktionell sehr unterschiedlichen Genen ausschlaggebend für das Dressurpotential eines Pferdes ist. Insbesondere Gene, die für koordinative Fähigkeiten ein Rolle spielen, an Ataxie beteilig sind oder das Lernverhalten beeinflussen scheinen eine zentrale Rolle für die Dressur zu spielen. Anschließend wurden in einer weiteren Analyse QTL für das Exterieur definiert. Die bei Stutbuchaufnahmen und Hengstkörungen standardmäßig evaluierten Exterieurmerkmale lassen sich in zwei Gruppen zusammenfassen, zum einen in die so genannten Reitpferde-Points (RPP) und zum anderen in das Fundament. Die RPP beinhalten alle jene Parameter des Körperbaues, die die Qualität eines Pferdes als Reitpferd maßgeblich beeinflussen (Kopf, Hals, Sattellage, Typ, Rahmen sowie Gesamteindruck und Entwicklung) während das Fundament alle die Merkmale beinhaltet, die die Qualität der Gliedmaßen beschreiben (Vorderhand, Hinterhand und die Korrektheit des Ganges). Als Untersuchungsparameter dienten die Zuchtwerte für RPP und Fundament, welche die Eigenleistung des Hengstes sowie die seiner Töchter die an einer Stutbuchaufnahme teilgenommen haben beinhalten. Für RPP konnten vier QTL auf ECA 3, 15, 19, und 20, sowie zwei QTL für das Fundament auf ECA 5 und 18 (-log10P-Werte >5) definiert werden. Weitere putative QTL mit -log10P-Werten >3 bis <5 konnten auf ECA3, 6, 17, 18, 19, 10, 21 und 27 für RPP und auf ECA1, 3, 5, 8, 11, 14, 17, 18, 19, 20, 25, 26 und 31 für das Fundament lokalisiert werden. Innerhalb der QTL und putativen QTL für RPP wurden folgende Kandidatengene lokalisiert: PPARGC1A und LCORL auf ECA3 (QTL) sowie CYP27B1 auf ECA6, MYO7B auf ECA18, SOHX2 auf ECA19 und FST auf ECA21 (putative QTL). Für das Fundament wurden innerhalb der ermittelten QTL PRG4 auf ECA5 und MYO7B auf ECA18, sowie innerhalb der putativen QTL SHOX2 auf ECA19, COL15A1 und RAD23B auf ECA25, RNF160 auf ECA26 und PLAGL1 auf ECA31 als Kandidatengene ermittelt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass vor allem Gene, die mit der Entwicklung der Gliedmaßen, dem Wachstum und der Bemuskelung assoziiert sind, entscheidend für ein vorteilhaftes, funktionelles Exterieur sind. Um die in der vorliegenden Arbeit ermittelten Leistungs-QTL zu verifizieren, sind weitere Untersuchungen an größeren Populationen und anderen Rassen notwendig. Dazu können neue Methoden wie Next-Generation-Sequenzing, welches im Vergleich zur herkömmlichen Sanger-Sequenzierung Sequenzvergleiche einer großen Zahl von Kandidatengenen mit einem vertretbaren Aufwand erlaubt, einen wertvollen Beitrag leisten.

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Schröder, Wiebke: Athletic performance and conformation in Hanoverian warmblood horses. Hannover 2010. Tierärztliche Hochschule.

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