Analysis of phosphorus utilization using the host genome and microbiota variability in Japanese quail

Abstract

Phosphorus (P) is an essential element for growth and performance of avian species. It is predominantly bound as phytic acids and salts (phytate) in plant seeds. Phytases and other phosphatases can harness P by cleaving P groups. Nonruminants have low endogenous phytase activity in the gastrointestinal tract, and thus, the requirement of this element is not met from exclusive plant-based diets. Therefore, mineral P or phytase enzymes are supplemented in poultry feed. Due to the finite quantities of high quality mineral P worldwide, it is of great economic interest. P supplementation is increasingly causing environmental problems. Past studies investigated the P utilization (PU) of different poultry species. They revealed a high phenotypic variation in PU among individuals. Moderate heritabilities indicates that breeding for this trait is in principle possible. The overall aim of this thesis was to gain a deeper understanding of the variability of P utilization in relation to host genetics, ileal microbiota composition and their interaction in the model species Japanese quail. The objective of chapter two was to verify whether variation in PU in quail is a heritable trait conditioned by a few quantitative trait loci (QTL) with detectable effects. For this purpose, individuals were genome-wide genotyped with a 4k SNP chip, and a linkage map was generated. Based on this map, QTL linkage analysis was performed using multimarker regression analysis in a line-crossing model to map QTL for PU. We identified a few QTL regions with significant effects. Among them was a QTL peak at Coturnix japonica chromosome (CJA) 3 for PU. Several genes were found in the region surrounding this peak, which requires further functional gene analysis. Based on these results, we hypothesized that these traits are polygenically determined due to several small QTL effects, which we could not detect significantly. The overlap of the QTL regions indicated linkage of the traits and confirmed their genetic correlations. With the aim of predicting microbiota-related host traits, chapter three examined the composition of the ileum microbiota and differential abundance analysis (DAA). Based on this study, it was shown that a sex-specific influence on microbiota composition exists. The digesta samples of all animals were dominated by five genera, which contributed to more than 70% of the total ileum microbial community. In examining the microbiota composition of each of the 50 animals with the highest and lowest PU, DAA revealed genera significantly associated with PU. In chapter four, we characterized the influence of performance-related gut microbiota to unravel the microbial architecture of the traits evaluated. The aim of this study was to determine whether the variation in PU is partly driven by the microbial community in the ileum. We used microbial mixed linear models to estimate microbiabilities (m^2). This determines the fraction of phenotypic variance that can be explained by the gut microbiota. The estimation of m^2 was 0.15 for PU and was highly significant. It was also highly significant for feed intake, body weight gain and feed per gain. This model was bivariately extended and showed a high microbial correlation of the traits. Based on both results, the ileum microbiota composition plays a substantial role in PU as well as in performance traits, and there is a considerable animal microbiota correlation, showing that the microbiota affects multiple traits. The microbial drivers of this microbial fraction were identified by applying microbiome-wide association studies (MWAS). By back-solving the microbial linear mixed model, we approximated the effect of single OTUs on the phenotypic traits from the microbial model solutions. An MWAS at the genus level uncovered several traits associated with bacterial genera. Subsequently, we assessed whether the microbial community in the ileum is a heritable host trait that can be used for breeding individuals with improved PU. In chapter five we applied QTL analysis using specific genera to examine whether they are linked with genomic SNP markers. These QTL analyses revealed a link between some microbiota species and host genomic regions of chromosomes and SNP markers. By estimating significant heritabilities for some genera, we were able to provide evidence for the hypothesis that the microbial community and microbial features are at least partially related to host genetics. We predicted the animal microbial effects on PU and correlated performance traits by applying microbial best linear unbiased predictions (M-BLUP). In addition, genomic best linear unbiased predictions (G-BLUP) were used to predict the SNP effect for the predicted animal microbial effect. A combination of those two may help to predict genomic breeding values of the microbiota effects for future hologenomic breeding programs.

Phosphor (P) ist ein essentielles Element für das Wachstum und die Leistung von Vogelspezies. Es ist in Pflanzensamen vorwiegend als Phytinsäure und dessen –salze (Phytat) gebunden. Phytasen und andere Phosphatasen können P durch Abspaltung von P Gruppen nutzbar machen. Nichtwiederkäuer haben eine geringe endogene Phytaseaktivität im Magen-Darm-Trakt, sodass der Bedarf dieses Elements nicht ausschließlich durch pflanzliche Futtermittel gedeckt werden kann. Demzufolge werden mineralischer P oder Phytase-Enzyme im Geflügelfutter supplementiert. Aufgrund der weltweit begrenzten Menge an hochwertigem mineralischem P ist es von großem wirtschaftlichem Interesse. Die P-Supplementierung verursacht zunehmend Umweltprobleme. Vergangene Studien untersuchten die P-Verwertung (PU) verschiedener Geflügelarten. Sie zeigten eine hohe phänotypische Variation der PU zwischen Individuen. Moderate Heritabilitäten deuten darauf hin, dass eine Zucht auf dieses Merkmal möglich ist. Im zweiten Kapitels wurde überprüft, ob die Variation der PU bei Wachteln ein erbliches Merkmal ist, das durch einige wenige quantitative trait loci (QTL) mit größeren Effekten bedingt ist. Zu diesem Zweck wurden Individuen genomweit mit einem 4k SNP-Chip genotypisiert und eine Kopplungskarte erstellt. Um QTL für PU zu kartieren, wurde eine QTL-Kopplungsanalyse unter Verwendung einer Multimarker Regressionsanalyse in einem Linienkreuzungsmodell durchführt. Wir kartierten einige QTL Regionen mit signifikanten Effekten, unteranderem auf dem Wachtelchromosom (CJA) 3. In der Region um dieses Signal wurden mehrere Gene gefunden, die eine weitere funktionelle Genanalyse erfordern. Basierend auf diesen Ergebnissen stellten wir die Hypothese auf, dass diese Merkmale aufgrund mehrerer kleinerer QTL Effekte, die wir nicht signifikant nachweisen konnten, polygenetisch bestimmt sind. Die Überlappung der QTL Regionen deutet auf eine Kopplung der Merkmale hin und bestätigt deren genetische Korrelationen. Um mikrobiota-bezogene Wirtsmerkmals vorherzusagen, wurde in Kapitel drei die Zusammensetzung der Ileum Mikrobiota und die differentielle Abundanzanalyse (DAA) untersucht. Anhand dieser Studie konnte gezeigt werden, dass ein geschlechtsspezifischer Einfluss auf die Mikrobiotazusammensetzung besteht. Die Digesta-Proben aller Tiere wurden von fünf Gattungen dominiert, welche zu mehr als 70% der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft im Ileum beitrugen. Bei der Untersuchung der Mikrobiotazusammensetzung der 50 Tiere mit der höchsten und niedrigsten PU, konnte die DAA eine signifikante Assoziation von Gattungen mit PU zeigen. In Kapitel vier haben wir den Einfluss der leistungsbezogenen Darmmikrobiota charakterisiert, um die mikrobielle Architektur der untersuchten Merkmale zu entschlüsseln. Wir verwendeten mikrobielle gemischte lineare Modelle, um Microbiabilities (m^2) zu schätzen. Diese bestimmen den Anteil der phänotypischen Varianz, der durch die Darmmikrobiota erklärt werden kann. Die Schätzung von m^2 betrug 0,15 für PU und war hoch signifikant. Sie waren ebenfalls hochsignifikant für die Futteraufnahme, die Körpergewichtszunahme und Futter pro Zunahme. Dieses Modell wurde bivariat erweitert und zeigte eine hohe mikrobielle Korrelation der Merkmale. Basierend auf beiden Ergebnissen spielt die Zusammensetzung der Ileum Mikrobiota sowohl bei PU, als auch bei den Leistungsmerkmalen eine wesentliche Rolle und es besteht eine beträchtliche Tier-Mikrobiota-Korrelation, die zeigt, dass die Mikrobiota mehrere Merkmale beeinflusst. Die mikrobiellen Treiber dieser Mikrobiotafraktion identifizierten wird durch die Anwendung von mikrobiomweiten Assoziationsstudien (MWAS). Eine MWAS auf Gattungsebene deckte mehrere Merkmale auf, die mit Bakteriengattungen assoziierten sind. Anschließend untersuchten wir, ob die mikrobielle Gemeinschaft im Ileum ein erbliches Wirtsmerkmal ist, das für die Zucht von Individuen mit verbesserter PU genutzt werden kann. In Kapitel fünf wendeten wir für spezifische Gattungen eine QTL-Analyse an, um zu untersuchten, ob sie mit genomischen SNP-Markern verknüpft sind. Diese Analysen zeigten eine Verbindung zwischen einigen Mikrobiotaspezies, genomischen Regionen von Chromosomen und SNP-Markern des Wirts. Durch die Schätzung signifikanter Heritabilitäten für einige Gattungen konnten wir Nachweise für die Hypothese liefern, dass die mikrobielle Gemeinschaft und mikrobielle Merkmale zumindest teilweise mit der Wirtsgenetik zusammenhängen. Wir schätzten die mikrobiellen Effekte der Tiere auf PU und korrelierte Leistungsmerkmale voraus, indem wir microbial best linear unbiased predictions (M-BLUP) anwendeten. Zusätzlich wurden genomic best linear unbiased predictions (G-BLUP) verwendet, um den SNP-Effekt für den vorhergesagten tierischen mikrobiellen Effekt zu schätzen. Eine Kombination dieser beiden kann helfen, genomische Zuchtwerte der Mikrobiota-Effekte für zukünftige hologenomische Zuchtprogramme vorherzusagen.