Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Analysis of breed effects and genetic parameters of semen qualitytraits for frozen-thawed semen in stallions

Greiser, Theresa Madeleine

Despite improvements in recent years in the techniques of freezing semen for reproduction purposes, a considerable amount of stallions’ semen is still not suitable for providing frozen-thawed semen that fulfils the minimum quality requirements. Semen quality traits vary considerably between horse breeds, month and age of the stallions under similar environmental conditions. Therefore, the objectives of our study were to analyse the systematic effects on the quality traits of semen (fresh and frozen-thawed) collected in the breeding and non-breeding season. 5.1 Breed and stallion effects on frozen-thawed semen in Warmblood, Light and Quarter horses The objectives of the present study were to analyze systematic effects on semen quality traits from fresh and frozen-thawed semen collected in and outside season. A total of 4,681 reports on semen traits of 121 stallions representing Arabian, Thoroughbred, Quarter Horse and four warmblood breeds used for artificial insemination at the Lower Saxon National stud Celle were edited for analysis of gel-free volume, sperm concentration, total number of sperm and total number of motile sperm in fresh semen and in frozen-thawed semen progressive motility, DNA fragmentation index and non-viable sperm. Month, year, age, breed and stallions’ effects were analyzed with a linear mixed model procedure. Breed differences were significant for sperm concentration, total number of sperm, total motile sperm number and DNA fragmentation index. Hanoverian stallions showed significant higher least squares means for sperm concentration, total number of sperm and total motile sperm number in fresh semen, whereas Thoroughbred had significant higher least squares means for DNA fragmentation index. Stallions with an age of 2-6 years had significant lower least squares means in sperm concentration, total number of sperm and total motile sperm number and progressive motile sperm post-thawing than the other age groups. Month was significant for all semen traits but progressive motile sperm post-thawing. Month by age class interaction showed a significant influence. Inter-stallion variance accounted for 27-71% and the two-way stallion by month interaction for 2-7% of the total variance of semen quality traits. The largest proportion of inter-individual variance among stallions was explained by the DNA fragmentation index. 5.2 Genetic parameters and estimated breeding values for traits of raw and frozen-thawed semen in German Warmblood stallions Objectives of the present study were to estimate genetic parameters for frozen-thawed semen traits of 271 fertile German Warmblood stallions and genetic correlations with raw semen quality traits. Semen samples were collected from stallions utilized for semen collection and artificial insemination (AI) on the Lower Saxon National Stud Celle and the North Rhine-Westphalian National Stud Warendorf. Semen quality variables were analyzed in 63,972 raw (gel-free volume, concentration, progressive motility, number of sperm) and 3,681 frozen-thawed samples (motility, DNA fragmentation index (DFI), non-viable sperm). A multivariate linear animal model was used to estimate additive genetic and permanent environmental variances among stallions as well as estimated breeding values (EBVs) for all semen traits. Heritability estimates were greatest for DFI (h2 = 0.45) and least for non-viable sperm counts (h2 = 0.11). Additive genetic correlations between progressive sperm motility in raw semen and DFI (rg = -0.79) as well as non-viable sperm (rg = -0.45) were negative. The EBVs for frozen-thawed semen traits ranged from 49 to 181 with mean reliabilities of 0.28 to 0.43. The EBVs for progressively motile sperm post-thawing and DFI were the most highly correlated traits with EBVs for stallion fertility (r = 0.38 and r = -0.17). Stallions with relatively greater EBVs for progressive motility in raw semen may be most suitable when freezing semen for storage and subsequently thawing it for AI. Using EBVs for semen traits in selection of stallions to AI mares appears as an option for genetic improvement to enhance fertility after AI.

Obwohl sich die Techniken der Herstellung von Tiefgefriersamen in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt haben, erfüllt nach wie vor eine große Anzahl von Pferdeejakulaten nicht die qualitativen Mindestanforderungen von Tiefgefriersamen. Unter ähnlichen Umweltbedingungen divergiert die Qualität des Frisch- und Tiefgefriersamens sehr stark zwischen den einzelnen Rassen, dem Monat der Samengewinnung und dem Alter des Hengstes. Ziel dieser Studie war es zu ermitteln, in welchem Umfang Rasseeffekte und genetische Parameter die Qualität von Tiefgefriersamen beeinflussen und mögliche Ursachen für die Varianz von Tiefgefrierspermamerkmalen zu finden. Eine Einschätzung über den genetischen Einfluss auf die Qualität des Tiefgefriersamens lieferten die additiv-genetische Varianz, die permanente Umweltvarianz, die Heritabilitäten und die genetische Korrelation von Frisch- und Tiefgefriersamenparametern. Der Einsatz von geschätzten Zuchtwerten ermöglicht die Selektion von Deckhengsten auf Samen, der eine gute Einfriertauglichkeit aufweist. 6.1 Analyse der rasse- und hengstspezifischen Effekte auf den Tiefgefriersamen von Warmblut-, Vollblut-, und Quarter Horse Pferden In der vorliegenden Studie wurden die systematischen Effekte auf die Parameter der Spermienqualität von Frisch- und Tiefgefriersamen untersucht, welche sowohl innerhalb als auch außerhalb der Decksaison abgenommen wurden. Insgesamt wurden von 121 Hengsten 4.681 Samenprotokolle ausgewertet. In die Studie gingen Pferde der Rassen arabisches und englisches Vollblut, Quarter Horse sowie vier Warmblutrassen mit ein, wobei alle Hengste ausschließlich bei der künstlichen Besamung des Niedersächsischen Landgestüts Celle eingesetzt wurden. Folgende Samenparameter wurden untersucht: Volumen, Spermiendichte, Gesamtspermienzahl (GSZ) und Gesamtanzahl vorwärts-beweglicher Spermien im Frischsamen sowie die Vorwärtsmotilität nach dem Auftauen, der DNA-Fragmentationsindex (DFI) und die Anzahl membrandefekter Spermien im Tiefgefriersamen, innerhalb und außerhalb der Decksaison. Die systematischen Effekte des Monats und des Jahres der Samengewinnung, der Altersklasse des Hengstes, des Zuchtgebiets sowie der zufällige Effekt des Hengstes wurden mittels gemischter Modelle auf Signifikanz geprüft. Rasseunterschiede waren signifikant für die Samenparameter Spermienkonzentration, GSZ, Gesamtmotilität und DFI. Vor allem Vollblüter zeigten signifikant höhere least-square Mittelwerte für den DFI-Wert, wobei Hannoveraner Hengste höhere least-square Mittelwerte für die Spermienkonzentration, die GSZ und die Gesamtmotilität im Frischsamen aufwiesen. Die Gruppe der 2-6- jährigen Hengste hatte signifikant niedrigere least-square Mittelwerte als die anderen Altersgruppen, für die Spermienkonzentration, GSZ und die Gesamtmotilität sowie die progressive Auftaumotilität. Mit Ausnahme der Auftaumotilität zeigten alle Samenqualitätsmerkmale saisonale Schwankungen. Der Interaktionseffekt Monat der Samengewinnung und das Alter des Hengstes hatte einen signifikanten Einfluss. Im Alter von 2-6 Jahren zeigten die Hengste im Frühling und Winter eine schlechtere Samenqualität als im Sommer und Herbst. Dies lässt darauf schließen, dass diese Altersgruppe weniger gut für eine Samenabnahme außerhalb der Saison geeignet ist. Die Hengste im Alter von 2-6 Jahren hatten außerdem einen hohen Prozentsatz nicht-lebender Spermien, wiesen jedoch die besten DFI-Werte auf. Die Werte dieser beiden Qualitätsmerkmale blieben auch im weiteren Verlauf des Lebens der Hengste stabil. Der zufällige Hengsteffekt hatte einen Anteil von 27-71% an der Gesamtvarianz, wobei der größte Hengsteffekt auf den DFI-Wert zurückzuführen war. Die Ergebnisse zeigen, dass überwiegend der Hengst für eine intakte DNA in den Spermien verantwortlich ist, die Membranintegrität jedoch eher Umwelteinflüssen unterliegt. Generell lässt sich sagen, dass vor allem der Hengst die Spermienqualität bestimmt und dass signifikante Interaktionen zwischen dem Hengst und der Umwelt, Schwankungen in den ausgewerteten Spermamerkmalen bewirken. 6.2 Genetische Analysen und geschätzte Zuchtwerte von Frisch- und Tiefgefriersamen in deutschen Warmbluthengsten Essentiell für eine erfolgreiche Pferdezucht und gezielte Selektion, sind eine gute Samenqualität, eine gute Auftauqualität und eine gute Befruchtungsfähigkeit der Spermien. Management, Umweltfaktoren, genetische Einflüsse und der individuelle Hengsteffekt führen zu einer signifikanten Varianz in der Qualität der Tiefgefriersamen. Deshalb war ein weiteres Ziel unserer Arbeit, genetische Parameter für die Merkmale des Tiefgefriersamens (oder der Tiefgefrierportion) von fruchtbaren Warmbluthengsten zu erheben und genetische Korrelationen zu Frischsamenparametern zu finden. Insgesamt wurden 63.972 Frischsamenprotokolle und 3.681 Tiefgefrierprotokolle von 271 Hengsten aus dem Niedersächsischen Landgestüt Celle und dem Nordrhein-Westfälischen Landgestüt Warendorf ausgewertet. Ein multivariantes lineares Tiermodell wurde eingesetzt, um additiv-genetische Effekte und permanente Umweltvarianzen zwischen Hengsten und EBVs der Spermamerkmale zu schätzen. Die Spannweite der Relativzuchtwerte reichte von 49 bis 181 und deren mittlere Zuverlässigkeit von 0,28 bis 0,49. Die Heritabilitätsschätzung ergab hohe Werte für den DFI (h2=0,45) und niedrige Schätzwerte für die Anzahl membrandefekter Spermien pro Ejakulat (h2 = 0,11). Sowohl zwischen der progressiven Motilität des Frischsamens und dem DFI-Wert (rg = -0,79), als auch den membrandefekten Spermien (rg = -0,45) bestand eine negative additiv-genetische Korrelation. Die Spermienkonzentration im Frischsamen zeigte eine hohe additiv-genetische Korrelation, sowohl mit der progressiven Auftaumotilität, als auch mit dem DFI. Schlussendlich wurde der Zusammenhang zwischen den Zuchtwerten (EBVs) für Tiefgefriersamen und den Zuchtwerten für die paternale Komponente der Trächtigkeitsrate pro Rossezyklus (EBV-PAT) bei 106 Hengsten untersucht. Zuchtwerte werden genauer, je mehr Samenprotokolle pro Hengst zur Verfügung stehen und ausgewertet werden können. Am höchsten korrelierten die Zuchtwerte für die progressive Vorwärtsbeweglichkeit im Tiefgefriersamen und für den DFI-Wert mit EBV-PAT (r = 0,38 und r = -0,17), wobei der Zuchtwert für die membrandefekten Spermien nur wenig korrelierte (r= -0,05). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Hengste mit einem hohen Zuchtwert für die progressive Motilität im Frischsamen eine gute Voraussetzung für die Herstellung von Tiefgefriersamen aufweisen. Die Verwendung von Zuchtwerten stellt eine Option der Selektion auf Hengste mit guter Samenqualität nach dem Einfrierprozess dar.

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Greiser, Theresa: Analysis of breed effects and genetic parameters of semen qualitytraits for frozen-thawed semen in stallions. Hannover 2019. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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