Modulation der Genexpression und Differenzierung von Muskelzellen während der in ovo Entwicklung von Masthühnern durch Variation der Bruttemperatur
Final Report Abstract
Die embryonale Muskelentwicklung (Myogenese) ist prädisponierend für das postnatale Muskelwachstum. Diese Prozesse der Proliferation und Differenzierung myogener Zellen zeigt Parallelen zu Prozessen der Muskelregeneration. Die Myogenese, die die Muskelfaseranzahl und -typverteilung weitgehend determiniert, verläuft bei den Nutztieren Rind, Schaf, Schwein, Kaninchen, Geflügel und Mensch vergleichbar. Die in-ovo Entwicklung des Geflügels erlaubt die definierte Modulation verschiedener Umweltparameter während der embryonalen Entwicklung. Grundsätzlich stellt daher die in-ovo Entwicklung des Geflügels ein ideales Modell zur in-vivo Analyse molekularer Mechanismen der Gen-Umwelt- Interaktion der Embryonalentwicklung dar. Die Modulation der Bruttemperatur während der Embryogenese beeinflusst u.a. die Muskelentwicklung vor und nach dem Schlupf der Küken. Im Projekt wird die transkriptionelle Antwort auf die Auslenkung der Bruttemperatur mit der Beobachtung der Auswirkung auf die prä- und postembryonale phänotypische Ausprägung von biochemischen, histo-, und morphometrischen Merkmalen von Muskelzellen in Verbindung gebracht. Gene und molekulare Pfade mit differentieller Expression aufgrund einer Behandlung, die ihrerseits phänotypische Konsequenzen hat, haben funktionelle Relevanz für die Ausprägung der entsprechenden Merkmale. Die Veränderung der Bruttemperatur um ±1°C zwischen embryonalen Tagen (ED) 7-10 bzw. 10-13 bedingt sofortige und anhaltende Effekte. Eine niedrige Bruttemperatur führt zur Reduktion des Gewichts der Embryonen und erhöhte Schlupfgewichte; eine erhöhte Bruttemperatur hat divergente Effekte. Am 35. Lebenstag führte eine erhöhte Bruttemperatur bei Hähnen und Hennen konsistent zu höherem Körpergewicht; niedrige Bruttemperatur hat insbesondere bei Hähnen nur geringere Auswirkungen auf Gewichtsmerkmale. Die Betrachtung der biochemischen Abläufe hinsichtlich des Energiestoffwechsels zeigte, dass im embryonalen Gewebe die mitochondriale Atmung sowie die Aktivität verschiedener Enzyme des Energiestoffwechsels durch die Temperaturerhöhung beeinflusst werden. Eine Erhöhung sowie eine Abnahme der Bruttemperatur in den zwei Intervallen (ED7-10 und ED10-13) beeinflusst die Abundanz zahlreicher Transkripte sofort während der embryonalen Entwicklung sowie spät am Tag 35. Die funktionelle Annotation der differentiell exprimierten Gene zeigt, dass diese Gene Biofunktionen zuzuordnen sind, die Zellbildung und das Überleben tendenziell fördern, während die metabolischen Pfade weniger moduliert waren. Die Sets von modulierten Genen waren dabei meist spezifisch für die verschiedenen Behandlungen. Die differenzielle Genexpression repräsentiert molekulare Mechanismen, die einerseits die Resilienz gegenüber Erniedrigung der Bruttemperatur vermitteln und andererseits die phänotypische Plastizität zur Ausprägung höhere Körpergewichte bei erhöhter Bruttemperatur ermöglichen. Die beobachtete Steigerung der Stoffwechselaktivität bei erhöhter Bruttemperatur kann möglicherweise auf eine gesteigerte Bewegungsfrequenz der Embryonen zurückgeführt werden. Zur Klärung sind Untersuchungen des Sauerstoffverbrauch und der Herzfrequenz bei entsprechender Behandlung aufschlussreich. Die divergenten Effekte auf die Gewichte in-ovo und nach dem Schlupf sind möglicherweise ebenfalls durch unterschiedliche Bewegungsaktivität bedingt, wobei die zur Verfügung stehenden Nährstoffe limitierend sein können. Die Studie liefert Erkenntnisse über Gene und molekulare Pfade zur Bewältigung und Anpassung an exogene Bedingungen. Dies bietet Perspektiven für die Ableitung von Maßnahmen im (Brut-)management, um Umweltbedingungen und die Bedürfnisse der Tiere besser in Einklang zu bringen. Epigenetische Temperaturanpassung kann das Körperwachstum verändern und Geflügel mit spezifischer Umweltanpassung hervorbringen. Neben den Analysen der µRNA-Expression werden Untersuchungen der epigenetischen Veränderungen auf molekularer Ebene der DNA-Methylierung und Histonmodifikationen Erkenntnisse für künftige Anwendungen liefern.
Publications
- Einfluss der Bruttemperatur auf das Körperwachstum sowie die mitochondriale Atmungsaktivität in Brust- und Schenkelmuskulatur von Broilerembryonen. DGfZ und GfT Tagung, 12-13 September 2012, Halle, Deutschland
Janisch S, Krischek C, Wimmers K, Wicke M
- Influence of incubation temperature on mitochondrial activity in the breast and the leg muscle of broiler embryo. IFRG Annual Meeting, 4-8 Juni 2012, Pisa, Italien
Janisch S, Krischek C, Wimmers K, Wicke M
- Einfluss der Bruttemperatur auf die Mastleistung männlicher und weiblicher Cobb-Broiler. In Aus der Arbeit der Forschungsstätten für Tierproduktion: Vortragstagung der DGfZ und der GfT. 4-5 September 2013; Göttingen, Germany: 2013: A5
Janisch S, Krischek C, Wimmers K, Wicke M
- Inovo transcriptional response of muscle tissue to variation of incubation temperature in broilers. In Aus der Arbeit der Forschungsstätten für Tierproduktion: Vortragstagung der DGfZ und der GfT. 4-5 September 2013; Göttingen, Germany: 2013:A4
Naraballobh W, Muràni E, Trakooljul N, Krischek C, Wicke M, Ponsuksili S, Wimmers K
- Temperature changes during early incubation influence embryo, chick and 35-day broiler growth properties. Poultry Science Association Annual Meeting. 22.-25. Juli 2013, San Diego, USA
Krischek C, Janisch S, Wimmers K, Brunner RM, Wicke M
- Acute and delayed transcriptionla response of muscle tissue to transient variation of incubation temperature in broilers. In Aus der Arbeit der Forschungsstätten für Tierproduktion: Vortragstagung der DGfZ und der GfT 17-18 September 2014; Dummerstorf, Germany: 2014:C16
Naraballobh W, Muràni E, Trakooljul N, Krischek C, Wicke M, Ponsuksili S, Wimmers K
- Einfluss der Bruttemperatur auf das Wachstum von Broilerküken sowie die mitochondrial Atmungsaktivität in der Brustmuskulatur. In Aus der Arbeit der Forschungsstätten für Tierproduktion: Vortragstagung der DGfZ und der GfT. 17-18 September 2014; Dummerstorf, Deutschland: 2014:C14
Janisch S, Krischek C, Wimmers K, Wicke M
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Janisch S, Sharifi AR, Wicke M, Krischek C
(See online at https://doi.org/10.3382/ps/pev239) - Acute and delayed transcriptional response of muscle tissue to transient varaition of incubation temperature in broilers. 6th International Symposium on Animal Functional Genomics (ISAFG), 27-29 July 2015, Piacenza, Italy. No. 50
Naraballobh W, Trakooljul N, Murani E, Krischek C, Janisch S, Wicke M, Ponsuksili S, Wimmers K
- Einfluss der Bruttemperatur auf ausgewählte Enzyme des Muskelstoffwechsels bei Embryonen und Küken einer kommerziellen Broilerlinie. In Aus der Arbeit der Forschungsstätten für Tierproduktion: Vortragstagung der DGfZ und der GfT, 16-17 September 2015, Berlin, Germany: 2015:C15
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- (2016): Altered incubation temperatures between embryonic days 7 and 13 influence the weights and the mitochondrial respiratory and enzyme activities in breast and leg muscles of broiler embryos. Molecular Reproduction and Development, 83, 71-78
Krischek C, Janisch S, Naraballobh W, Brunner R, Wimmers K, Wicke M
(See online at https://doi.org/10.1002/mrd.22596) - (2016): Immediate and long-term transcriptional response of hind muscle tissue to transient variation of incubation temperature in broilers. BMC Genomics, 17:323
Naraballobh W, Trakooljul N, Murani E, Brunner R, Krischek C, Janisch S, Wicke M, Ponsuksili S, Wimmers K
(See online at https://doi.org/10.1186/s12864-016-2671-9)
