Untersuchung der Populationsstrukturen und genomische Analysen für relevante Merkmale in der Weidehaltung bei F1-Merinolandkreuzungen

Abstract

Die Schafhaltung in Deutschland hat eine reiche Tradition, die über Generationen hinweg die Landschaft geprägt hat. Die Beweidung mit Schafen hat die Entstehung von ökologisch wertvollen Gebieten wie Wacholderheiden und Trockenrasen ermöglicht, die heute als wichtige Hotspots der Artenvielfalt gelten. Vielen Schafbetrieben in Deutschland verschafft die Landschaftspflege von extensiven Grünlandflächen einen Großteil ihres Einkommens. Vor allem in Baden-Württemberg sind das Merinolandschaf und dessen Anpassungsfähigkeit an die Landschaftspflege bevorzugt. Auf den Weiden sind Schafe und Lämmer jedoch Magen-Darm-Würmern ausgesetzt, was nicht nur gesundheitliche Folgen, sondern auch wirtschaftliche Auswirkungen hat. Aufgrund von Resistenzen gegen Anthelminthika sind herkömmliche Bekämpfungsstrategien nur noch eingeschränkt wirksam. Insbesondere junge Lämmer sind gefährdet, da ihr Immunsystem noch nicht vollständig entwickelt ist. Daher wächst das Interesse an alternativen Bekämpfungsstrategien, wie dem Zuchteinsatz von Schafen mit natürlicher Resistenz gegenüber Magen-Darm-Parasiten. Zusätzlich zur Landschaftspflege sind Schafbetriebe auch im Verkauf von Schlachtlämmern tätig. In der extensiven Weidemast gestaltet sich die Erzielung hochwertiger Schlachtkörper aufgrund schwankender Futterqualitäten als Herausforderung, insbesondere angesichts des Wettbewerbes mit Importware aus anderen Ländern. Aus diesem Grund werden Merinolandschafe gezielt mit Fleischrassen gekreuzt, um die Schlachtkörperqualität zu verbessern. In Kapitel 1 ist eine ausführliche Literaturübersicht zu den Themen dieser Arbeit zu finden. In Kapitel 2 wurde ein Datensatz von F1-Merinokreuzungslämmern aus den Vaterrassen Charollais, Ile de France, Schwarzköpfiges Fleischschaf, Suffolk, Texel und Merinolandschaf untersucht. Es wurden Populationsstrukturen analysiert, um ein besseres Verständnis der Strukturen und deren Auswirkungen auf genomweite Assoziationskartierungen zu bekommen. Des Weiteren wurden genetische Parameter für ausgewählte Mast- und Schlachtleistungsmerkmale, wie die täglichen Zunahmen, das Schlachtkörpergewicht und die Rückenlänge ermittelt. Die Kreuzungslämmer wurden auf sieben Betrieben aufgezogen und anschließend zentral in einem Stall gemästet und geschlachtet. Für die Populationsstrukturen wurden das Kopplungsungleichgewicht (linkage disequilibrium, LD) berechnet sowie ein multidimensionaler Skalierungsansatz analysiert. Unter Zuhilfenahme von gemischt linearen Modellen wurden für die erhobenen Merkmale Heritabilitäten geschätzt. Mit Hilfe von genomweiten Assoziationsanalysen wurde versucht, einen Zusammenhang zwischen den Phänotypen und Markern zu identifizieren. Für die Auswertung standen 50k SNP-Chip Genotypen von 1.470 Lämmern zur Verfügung. Die Daten wurden zu einem Datensatz über alle Kreuzungen hinweg gepoolt (Multi-Cross-Datensatz). Im Multi-Cross-Datensatz war das Kopplungsungleichgewicht gering und nahm mit zunehmendem Markerabstand rapide ab. Bei den einzelnen Kreuzungen war das LD etwa doppelt so groß, nahm aber mit zunehmendem Markerabstand auch rapide ab. Insgesamt konnten im Multi-Cross-Datensatz 21 nominal-signifikante SNPs identifiziert werden, sowie ein genomweiter SNP auf Chromosom 1 für das Merkmal Schulterbreite. Die berechneten Heritabilitäten der Mast- und Schlachtleistungsmerkmale lagen im moderaten bis hohen Bereich zwischen 0,20 für das Schlachtkörpergewicht und 0,41 für das Merkmal Rückenlänge. In Kapitel 3 wurde ein weiterer Datensatz von F1-Merinokreuzungslämmern ausgewertet. Die eingesetzten Vaterrassen waren Ile de France, Schwarzköpfiges Fleischschaf, Suffolk, Texel und Merinolandschaf. Neben der Analyse der Populationsstrukturen wurden genomweite Assoziationskartierungen durchgeführt und genetische Parameter für Schlacht- und Weidemerkmale ermittelt. Die untersuchten Lämmer wurden auf drei Betrieben erzeugt und in zwei verschiedenen Weidesystemen (extensive und intensive Weide) gehalten und bei Schlachtreife zentral geschlachtet. Für die Populationsstrukturen wurden das LD berechnet sowie eine Hauptkomponentenanalyse durchgeführt. Unter Verwendung von gemischt linearen Modellen wurden für die erhobenen Merkmale Heritabilitäten geschätzt. Mit Hilfe von genomweiten Assoziationsanalysen wurde versucht, einen Zusammenhang zwischen den Phänotypen und Markern zu identifizieren. Ausgewertet wurden 1.060 bis1.167 Lämmer, von denen sowohl Phänotypen als auch 50k SNP-Chip Genotypen zur Verfügung standen. Über alle Kreuzungen hinweg fiel das LD mit steigendem Markerabstand schnell ab. Heritabilitäten für die Weidemerkmale waren im geringen Bereich zwischen 0,01 und 0,13. Bei den Schlachtmerkmalen waren die geschätzten Heritabilitäten im Bereich zwischen 0,08 für die Klassifizierung und 0,25 für den Keulenumfang. Bei der genomweiten Assoziationskartierung war die Power allgemein gering. Für die Weidemerkmale konnten neun nominal signifikante SNPs und bei den Schlachtmerkmalen 16 SNPs identifiziert werden. Abschließend wurden die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der beiden betrachteten Kapitel diskutiert.

Sheep farming in Germany has a rich tradition that has shaped the landscape for generations. Grazing sheep have contributed to the creation of ecologically valuable areas such as juniper heaths and dry grasslands, recognized as important biodiversity hotspots. For many sheep farms in Germany, landscape maintenance of extensive grasslands constitutes a substantial proportion of their income. Especially in Baden-Wuerttemberg, the Merino sheep and its adaptability to landscape management are preferred. However, sheep and lambs grazing on these pastures are confronted with gastrointestinal parasites, leading to both health and economic issues, given the limitations of conventional control methods due to anthelmintic resistance. Young lambs are particularly vulnerable due to their underdeveloped immune system. This raises the interest in alternative strategies, such as breeding sheep with natural resistance to gastrointestinal parasites. In addition to landscape management, sheep farms are also involved in the sale of slaughter lambs. Achieving high-quality carcasses in extensive grazing systems with fluctuating forage quality is challenging, especially considering competition from imported lamb meat. Consequently, Merino sheep are often crossbred with meat breeds to enhance carcass quality. Chapter 1 contains a detailed literature review on the topics covered in this thesis. In Chapter 2, a dataset of F1 Merino crossbred lambs from sire breeds Charollais, Ile de France, Blackheaded Mutton, Suffolk, Texel, and Merino were examined. Population structures were analysed to gain a better understanding of their effects on genome-wide association studies. Additionally, genetic parameters for selected growth and slaughter traits such as average daily gains, carcass weight, and back length were determined. The crossbred lambs were raised on seven farms, centrally fattened and slaughtered. Linkage disequilibrium (LD) and a multidimensional scaling approach were used to analyse population structures. Heritabilities for the measured traits were estimated using mixed linear models. Genome-wide association analyses were conducted to identify relationships between phenotypes and markers. Genotype data from a 50k SNP chip were available for 1470 lambs and pooled across all crosses (multi-cross dataset). In the multi-cross dataset, LD was low and rapidly decreased with increasing marker distance. LD for individual crosses was approximately twice as large but also rapidly decreased with increasing marker distance. Overall, 21 nominal significance SNPs were identified in the multi-cross dataset level, and one genome-wide SNP on Chromosome 1 was found for the shoulder width trait. The calculated heritabilities for growth and slaughter traits ranged from moderate to high, between 0.20 for carcass weight and 0.41 for back length. In Chapter 3, a dataset of F1 Merino crossbred lambs was analysed, using the sire breeds Ile de France, Blackheaded Mutton, Suffolk, Texel, and Merino. Population structures were examined and genome-wide association studies were performed for slaughter and pasture related traits. The lambs were born in three farms and raised on two different grazing systems (extensive and intensive) before being centrally slaughtered. LD was calculated, and a principal component analysis was conducted for population structures. Variance components were estimated, and heritabilities were calculated using mixed linear models. Genome-wide association studies were used to map trait associated genetic variants. Phenotypes and 50k SNP chip genotypes were available for 1060 to1167 lambs. Across all crosses, the average LD decreased rapidly with increasing marker distance. Heritabilities for pasture related traits were low, ranging from 0.01 to 0.13. For slaughter traits, calculated heritabilities ranged from 0.08 for classification to 0.25 for loin circumference. The overall power for genomewide association mapping was low, resulting in nine nominally significant SNPs for grazing traits and 16 SNPs for slaughter traits. Finally, the differences and similarities between the two chapters were discussed.