Characterization of genetic diversity and health traits in Rhenish German Draught Horse

Sievers, Johanna

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Characterization of genetic diversity and health traits in Rhenish German Draught Horse

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Das Rheinisch-Deutsche Kaltblut ist eine deutsche Pferderasse, deren Stammbuch 1892 gegründet wurde. Ursprünglich als schweres Zugpferd für die Landwirtschaft gezüchtet, wird das Rheinisch-Deutsche Kaltblut heutzutage überwiegend als Freizeit- und Kutschpferd eingesetzt. Die Gesellschaft zur Erhaltung alter und gefährdeter Haustierrassen e.V. (GEH) hat das Rheinisch-Deutsche Kaltblut in die Roten Liste der gefährdeten Rassen aufgenommen. Im Jahr 2023 wurden insgesamt 127 Hengste und 1010 Stuten ins Zuchtbuch eingetragen und die Populationszahlen blieben in den letzten Jahren stabil. Neben der Herausforderung, die genetische Vielfalt zu erhalten, ist die Prävalenz des chronisch progressivem Lymphödem (CPL) in der Population des Rheinisch-Deutschen Kaltbluts hoch. CPL betrifft die distalen Gliedmaßen und hat einen progressiven Krankheitsverlauf. Die klinischen Symptome sind gekennzeichnet durch fortschreitende Schwellung, Hyperkeratose, Hautverdickung, Hautfalten, Knötchen, Fibrosen, Ulzerationen und exsudative Wunden. CPL kann bei betroffenen Pferden zu erhebliche Bewegungseinschränkungen und Schmerzen führen und ist ein häufiger Grund für eine vorzeitige Euthanasie und eine verkürzte Lebenserwartung. Daher stellt CPL eine ernsthafte Bedrohung für den Fortbestand des Rheinisch-Deutschen Kaltbluts dar.

Die vorliegende Dissertation untersucht die Prävalenz des chronisch progressiven Lymphödems sowie dessen Assoziation mit Körpermerkmalen, Risikofaktoren und Heritabilitäten und die genetische Diversität in der Population des Rheinisch-Deutschen Kaltbluts in Deutschland.

Zur Umsetzung dieser Untersuchungen initiierte das Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen das Projekt „Nachhaltiges Programm zur Erhaltung der genetischen Vielfalt, Gesundheit und Fruchtbarkeit beim Rheinisch Deutschen Kaltblut in Nordrhein-Westfalen (GEFU)“. Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Rheinischen und Westfälischen Pferdestammbuch e.V., dem Pferdezuchtverband Sachsen-Anhalt, dem Nordrhein-Westfälischen Landgestüt Warendorf sowie dem Institut für Tierzucht und Vererbungsforschung der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover durchgeführt. Die vorliegende Dissertation stellt wesentliche Ergebnisse dieses Projekts dar.

Ein Ziel dieser Arbeit war es, eine verlässliche Erhebung zur Prävalenz und zum Schweregrad von CPL in der Population des Rheinisch-Deutschen Kaltbluts durchzuführen und die damit verbundenen genetischen und umweltbedingten Risikofaktoren zu identifizieren. Insgesamt waren 65,5 % aller 493 untersuchten Pferde von CPL betroffen, wobei die meisten Pferde einen CPL-Score von 3 erhielten. Unsere Ergebnisse zeigten, dass Hengste und Wallache häufiger von CPL betroffen sind als Stuten. Zudem schritt die altersabhängige Progression von CPL bei Hengsten schneller voran als bei Stuten oder Wallachen. Die Krankheitsprogression war bis zu einem Durchschnittsalter von 16 Jahren bei Hengsten und 20 Jahren bei Stuten nachweisbar. Auch zwischen den Zuchtverbänden gab es deutliche Unterschied in der Prävalenz von CPL, wobei Pferde aus Brandenburg-Anhalt den niedrigsten durchschnittlichen CPL-Wert und Pferde aus Westfalen den höchsten durchschnittlichen CPL-Wert aufwiesen. Außerdem konnten wir betriebsbezogenen Risikofaktoren identifizieren, die das Entstehen und den Schweregrad der CPL beeinflussen können. Die Fütterung von Kraftfutter und Heusilage begünstigen das Fortschreiten der Erkrankung wohingegen die Weidehaltung und trockene Einstreu niedrigere CPL-Werte begünstigen. Der Röhrbeinumfang korrelierte ebenfalls mit den CP-Werten. Die Optimierung der Haltungsbedingungen, der Futterrationen und des Managements kann sich positiv auf die Verhinderung des Auftretens und des Fortschreitens von CPL auswirken, allerdings können die Umwelteinflüsse die Auswirkungen der Zuchtverbände, des Geschlechts und der Wechselwirkungen zwischen Alter und Geschlecht nicht ausgleichen.

Darüber hinaus wurden Heritabilitäten und genetische Korrelationen von CPL und Körpermerkmalen mit Hilfe von stammbaumbasierten und genomischen Daten bestimmt. Die Heritabilitäten der CPL-Werte waren über alle Altersstufen hinweg hoch und betrugen 0,595 ± 0,131 bzw. 0,482 ± 0,105 (Schwellenwertmodell bzw. lineares Tiermodell mit stammbaum-basierten Beziehungsmatrizen). Insbesondere wenn jüngere Pferde nicht in die Analyse einbezogen oder die Progression von CPL in den Berechnungen berücksichtigt wurden, stieg die Heritabilität auf 0,774 ± 0,157 (Schwellenwertmodell) und 0,752 ± 0,153 (lineares Modell). Wir konnten positive genetische Korrelationen zwischen dem CPL-Wert und dem Röhrbeinumfang, der Widerristhöhe und der Hautfaltendicke nachweisen. Die Studie zeigte, dass additive genetische Variationen eine wesentliche Rolle bei der Ausprägung von CPL spielen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass genetische Selektionsprogramme zur Reduktion von CPL in der Population des Rheinisch-Deutschen Kaltblutes sinnvoll sein könnten, insbesondere durch die Zucht auf weniger schwere Krankheitsverläufe und eine langsamere Progression von CPL.

Zusätzlich wurde die genetische Diversität der Population des Rheinisch-Deutschen Kaltblutes analysiert. Insgesamt wurden Genotyp- und Pedigreedaten von 675 Rheinisch-Deutschen Kaltblütern untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten einen moderaten genomischen Inzuchtkoeffizienten von 9,9 %, wobei Inzuchtereignisse überwiegend in der Mitte des 19. Jahrhundert vor der Gründung des Zuchtbuchs auftraten. Der Inzuchtkoeffizient basierend auf Pedigreedaten betrug 1,6 %. Darüber hinaus weist das Rheinisch-Deutsche Kaltblut eine niedrige effektive Populationsgröße (N_e) von 58,55 in der letzten Generation auf. Während die identifizierten ROH-Inseln keinen klaren Selektionsschwerpunkt zeigten, waren mehrere ROH-Inseln mit der morphologischen Entwicklung, Fruchtbarkeit, sowie Muskelwachstum und Hautphysiologie assoziiert. Insgesamt betont unsere Studie die Bedeutung der Verwendung genomischer Daten zur Überwachung der genetischen Vielfalt kleiner Populationen und zur Entwicklung von Strategien zur Erhaltung der langfristigen Gesundheit des Rheinisch-Deutschen Kaltblutes.

Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung gezielter Zuchtprogramme, die dazu beitragen die genetische Vielfalt des Rheinisch-Deutschen Kaltblutes zu bewahren und gleichzeitig die Prävalenz sowie den Schweregrad von CPL zu reduzieren. Dies trägt nicht nur zur nachhaltigen Erhaltung der Rasse bei, sondern stellt Züchterinnen und Züchtern auch fundierte Informationen zu Gesundheit, Management und genetischer Vielfalt ihrer Pferde zur Verfügung, die als Grundlage für zukünftige züchterische Entscheidungen dienen können.

The Rhenish German draught horse is a German horse breed with a studbook established in 1892. Originally bred as a heavy draft horse for agricultural purposes, it is now primarily used for leisure activities and carriage driving. The Rhenish German draught horse has been listed as an endangered breed by the Society for the Conservation of Old and Endangered Livestock Breeds (GEH). In 2023, a total of 127 stallions and 1010 mares were registered in the studbook, with population numbers remaining stable in recent years. In addition to the challenge of maintaining genetic diversity, the prevalence of the chronic progressive lymphedema (CPL) in the population is high. CPL predominantly affects the distal limbs and is characterized by its progressiveness. Clinical signs include progressive swelling, hyperkeratosis, skin thickening, skin folds, nodules, fibrosis, ulceration and exudative wounds. CPL causes significant limitations on movement and pain for affected horses and is a frequent reason for early euthanasia and a reduced life expectancy. Therefore, CPL poses a significant threat to the survival of the Rhenish German draught horse.

The objective of this thesis is to evaluate the prevalence and severity of CPL, associated risk factors, heritability, correlation with body traits and further to investigate the genetic diversity and inbreeding rates in the Rhenish German draught horse population.

To conduct these investigations the Ministry for Environment, Agriculture, Conservation and Consumer Protection of the State of North Rhine-Westphalia Westphalian initiated the project “Sustainable program to maintain genetic diversity, health and fertility in Rhenish German draught horse in North Rhine Westphalia (GEFU)”. This project was conducted by the Institute of Animal Breeding and Genetics of the University of Veterinary Medicine Hanover in cooperation with the Westphalian breeding association, the Rhenish breeding association, the Brandenburg-Anhalt breeding association, the North Rhine-Westphalian State Stud and the breeders of the Rhenish German draught horse. This dissertation presents parts of the results of this project.

One objective of this work was to provide a reliable assessment of the prevalence and severity of CPL in the Rhenish German draught horse population and to identify associated horse related and environmental risk factors. Overall, 65.5% of the 493 horses examined were affected by CPL, with the majority receiving a CPL score of 3. Our results showed that stallions and geldings were more frequently affected by CPL than mares. Moreover, the age-related progression of CPL was faster in stallions than in mares or geldings. Disease progression was detectable up to an average age of 16 years in stallions and 20 years in mares. Considerable differences in CPL prevalence were observed between breeding associations, with horses from Brandenburg-Anhalt showing the lowest and those from Westphalia the highest mean CPL scores. Furthermore, we identified farm related risk factors that influenced the development and severity of CPL. Feeding concentrates and hay silage promoted disease progression, while pasture access and clean bedding were associated with lower CPL scores. Cannon bone circumference was also positively correlated with CPL scores. While optimizing management, feeding, and housing conditions may mitigate CPL development and progression, these environmental factors could not rule out animal related risk factors including breeding association, sex, and age-by-sex interactions.

Additionally, heritabilities and genetic correlations of CPL and body traits were estimated using pedigree-based and genomic data. CPL heritability was high across all age groups, with estimates of 0.595 ± 0.131 (threshold model) and 0.482 ± 0.105 (linear animal model using pedigree-based relationship matrices). The restriction of data to horses with a minimum age at examination or accounting for censored data in younger animals showed an increase in heritabilities to 0.774 ± 0.157 (threshold model) and 0.752 ± 0.153 (linear animal model using pedigree-based relationship matrices). We found positive genetic correlations between CPL score and cannon bone circumference, height at withers and skin fold thickness. These results highlight the important role of additive genetic variation influencing the expression in CPL. The findings suggest that genetic breeding programs aiming to reduce CPL severity and disease progression could be effective in managing CPL in the Rhenish German draught horse population.

Moreover, the genetic diversity of the Rhenish German draught horse population was analyzed using genomic and pedigree data from 675 horses. A moderate genomic inbreeding coefficient of 9.9% was found, with most inbreeding events occurring in the mid 19th century, prior to the establishment of the stud book. The pedigree-based inbreeding coefficient was 1.6%. The population also exhibited a low effective population size (N_e) of 58.55 in the most recent generation. Although the identified ROH-islands did not indicate a sharp focus of selection towards one breeding objective, several islands were associated with morphological development, fertility, muscle growth and skin physiology. Overall, our findings emphasize the value of genomic data to monitor genetic diversity in small populations and to develop strategies to maintain the long-term conservation efforts of the Rhenish German draught horse.

The insights gained from this work provide a foundation for targeted breeding programs that help preserve genetic diversity while reducing the prevalence and severity of CPL. This not only contributes to the sustainable conservation of the breed but also provides breeders with robust information on health, management and genetic diversity, which can serve as basis for future breeding decisions.