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Multi-omics-approach in dairy cattle to analyse the impact of intra-uterine heat stress during late pregnancy on production and health traits with special consideration of metabolomics and epigenetics

Subject Area Animal Breeding, Animal Nutrition, Animal Husbandry
Term from 2019 to 2023
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 422003751
 
Final Report Year 2023

Final Report Abstract

Im Kontext des Klimawandels ist neben direktem Hitzestress (HS) besonders der intra-uterine Hitzestress (IUHS) während der Spätträchtigkeit in den Fokus von wissenschaftlichen Untersuchungen gerückt. Das Projekt zielte darauf ab, die Auswirkungen von IUHS in Kombination mit HS-Effekten auf Leistungs-, Gesundheits- und Stoffwechselparameter beim Rind mit Erweiterung auf die transgenerationale Ebene zu untersuchen. Zusätzliche zu phänotypischen Assoziationsanalysen wurden die erhobenen Kuhmerkmale mit dem Genom, dem Epigenom und dem Transkriptom in Verbindung gebracht, um die Hypothese von durch HS und IUHS induzierte phänotypische und additiv-genetische Veränderungen sowie epigenetische Effekte anhand von quantitativ-genetischen Parametern, DNA-Methylierungsmustern und Genexpressionsanalysen nachzuweisen. Für die phänotypischen, genetischen und genomischen Auswertungen des Einflusses von IUHS auf Leistungs- und Gesundheitsmerkmale standen Daten von insgesamt 172905 HF Kühen und 112000 Kälbern, von denen 19247 genotypisiert waren, zur Verfügung. Um zusätzlich den Einfluss von IUHS auf den Stoffwechsel der Nachkommen zu analysieren, wurden auf dem Versuchsstandort „Hofgut Neumühle“ Blutproben von Kühen, deren weiblichen Kälbern und Enkelinnen gezogen und zur Phänotypisierung verschiedener Blutmetaboliten durch die Biocrates Life Sciences AG herangezogen. Aufgrund von Abgängen und verlängerten Zwischenkalbezeiten konnten anstatt der theoretischen Idealkalkulation von 245 Proben final 181 Proben realisiert werden, was nach unserem Kenntnisstand dennoch ein einzigartiges Datenmaterial darstellt. Ein großer Gewinn bei der Durchführung des Projektes war die Nutzung des MxP Quant 500 Kits zur Phänotypisierung von 620 statt der ursprünglich geplanten 180 Blutmetaboliten. Die RNA der 181 Blutproben wurde durch die AG Stefan Krebs sequenziert. Die generierten Sequenzdaten standen anschließend zur Analyse von IUHS auf Methylierungsprofile von Muttertieren und Kälbern zur Verfügung. Es wurden negative Auswirkungen von IUHS auf Produktionsmerkmale, funktionale Merkmale und Metaboliten beim Nachkommen nachgewiesen. Diese Ergebnisse zeigen die Bedeutung der Umsetzung von Kühlungsmaßnahmen für Trockensteher kombiniert mit züchterischen Strategien auf Hitzetoleranz. In diesem Kontext können die identifizierten und durch HS und IUHS beeinflussten Blutmetaboliten als potenzielle Biomarker genutzt werden, welche eine frühzeitige genetische Selektion von hitzetoleranten Milchkühen ermöglichen. Die genetischen Analysen zeigten außerdem Unterschiede in den genetischen Varianzen und Heritabilitäten (direkte und maternale Komponente) von Leistungs- und funktionellen Merkmalen zwischen IUHS- und nicht IUHS-Kälbern sowie Interaktionen zwischen dem Genotyp und IUHS für funktionale Kuhmerkmale. Es konnten 31 SNP identifiziert werden, die zu signifikanten Unterschieden für Leistungsmerkmale zwischen IUHS- und nicht IUHS-Tieren im transgenerationalen Forschungsdesign beitrugen. Die epigenetischen Auswertungen ergaben mehrere Transkripte von Genen mit differenzierter Gen-Expression zwischen den IUHS-Tiergruppen. In ersten Analysen konnten auch signifikante Unterschiede in den Methylierungslevels in Bezug zu IUHS nachgewiesen werden. Das hier generierte Datenmaterial erlaubt weitergehend in möglichen Folgestudien alternative Modellierungsansätze, um die hier generierten Ergebnisse zu validieren und um die Auswirkungen von IUHS auf das Epigenom der Nachkommen noch tiefgreifender zu studieren. Die Ergebnisse des Projekts wurden in verschiedenen Fachartikeln internationaler Journale mit peer-review Prozess veröffentlicht. Die in unseren Analysen durch HS und IUHS in ihrer Konzentration beeinflussten Blutmetaboliten kommen als potenzielle Biomarker in Frage und werden in genehmigten länderübergreifenden Forschungsverbünden (Arbeitsgruppe Prof. Gengler, Belgien) ab Mitte 2023 weiterführend analysiert.

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