Seltene Farbphänotypen beim Lipizzaner, Noriker und Esel

© Lipizzanergestüt Piber; Gertrud Grilz-Seger; Viktoria Hainzl; Kärntner Pferdezuchtverband

FARBgen

Allgemeine Projektinformationen

Titel (deutsch)

Farbgenetische Untersuchungen in Hinsicht auf praktische Zuchtarbeit und Generhaltung beim Lipizzaner, Noriker und dem Weißen Barockesel

Titel (englisch)

Genetic analyses of coat colors with regard to practical breeding and conservation genetics in the Lipizzan, Noriker horse breed and the Weiße Barockesel breed

Abstract (englisch)

Within this research project we aim to investigate the segregation of breed relevant coat color assoziated genes/alleles within the Austrian horse breeds Lipizzan and Noriker and \"Weißer Barockesel\". The identification of coat color alleles and carrier animals is relevant for planning and performing adequate breeding programs. Certain coat color phenotypes like the roan color (Mohrenkopf) within the Noriker breed and the diluted colors (Hermeline, Perline) within the White Donkey breed, are in the focus of the breeding programs. The identification of segregating color loci therefore is essential for conservation breeding, as the specific coat colors origin from a limited gene pool. Breeding for color is a major goal for the Federal Lipizzan stud farm of Piber. Here the underlying base colors, dilutions and patterns of white often are phenotypically not visible as they get overlaid by the dominant gray color. Whereas the breeding objective of Piber is defined by the gray to white horse (predominantely caused by homozygosity on the gray locus), underlying patterns of white are not favoured, because they are linked with a higher photosensibility. In addition the author found indications for the segregation of dilution genes and spotting genes within the breeding herd of Piber. Such alleles segregate at a low frequency and get interpreted as remaining from the baroque breeding period. Therefore a precise scientific analysis of the color gene pool of the actual Lipizzan population including individual coat color gene charts will contribute to optimize selection decisions and conservation breeding. In this study we will use genotypic data already worked out by the author in previous works and it is planned to screen additional coat color loci of the Lipizzaner (276 horses) and \"Weißer Barock Esel\" (sample of 35 key animals) in order to create a complete genotypic profile on individual level. By use of segregation studies and the identification of carrier animals it will be possible to contribute to practical breeding work and planning. In a second step the white markings of the Lipizzan population will get phenotyped and analysed by BLUP models and GWAS analyses. A third aim of this project is a verification study of an already identified genetic marker (previous work from the author) for the roan coat color in Noriker horses. Such a verified marker could enhance and simplify selection decisions within this specific coat color strain of Noriker horses.

Schlagwörter (deutsch)

Tierzucht, Farbgene, Molekulargenetik, SNP Analyse, Pferdezucht, Erhaltungszucht, Lipizzaner, Noriker, Weiße Barockesel

Projektleitung

Gertrud Grilz-Seger

Forschungseinrichtung

Veterinärmedizinische Universität Wien, Institut für Tierzucht und Genetik

Finanzierungspartner

Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus
Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus

Projektnummer

101332

Projektlaufzeit

-

Projektziele

Dieser Projektantrag beinhaltet genetische Analysen einzelner Farbloci in Bezug auf die Förderung der Tiergesundheit und die Identifizierung von genetischen Komponenten einzelner Merkmalsvariationen in der österreichischen Pferdezucht, im Speziellen beim Lipizzaner, bei den Weißen Barockeseln und beim Noriker.
Das Ziel dieses Projektes ist es die Farbgenpools und spezifischen Allel Frequenzspektra beim Lipizzaner und beim Weißen Barock Esel zu bestimmen, um (1) das Auftreten von spezifischen Farballelen in beiden Populationen zu klären, und (2) die Erblichkeit bzw. genetische Komponente der vorkommenden Abzeichen und Scheckungsvarianten beim Lipizzaner zu bestimmen. Diese Ergebnisse können in der Zuchtplanung beim Lipizzaner für die Optimierung der Erhaltungszucht genutzt werden. Beim Noriker soll getestet werden (3), ob sich ein vom Antragsteller identifizierter genetischer Marker als Gentest für die für diese Rasse typische Mohrenkopffärbung (im Englischen als roan Färbung bezeichnet) eignet.

1. Farbgene beim Weißen Barockesel und Lipizzaner
Die Weißen Barockesel, die heuer als bedrohte Haustierrasse des Jahres 2018 nominiert sind, gelten als weltweite Rarität. Die genetische Grundlage ihrer Farbe wurde bislang noch nicht abgeklärt und dokumentiert. Es gibt Hinweise, dass sie Träger von sehr seltenen Allelvarianten von Aufhellergenen sind.
In Vorarbeiten vom Antragsteller wurde bei einer Stichprobe von 12 Eseln das seltene Champagne Gen SLC36A1 (Cook et al., 2008) entdeckt. Diese Genvariante alleine erklärt ohne das Vorhandensein weiterer Gene bzw. genetischer Faktoren den phänotypisch sichtbaren Grad der Aufhellung bei den Eseln nicht ausreichend. Um die Fragestellung der genetischen Grundlage der typischen Fellfärbung von Weißen Barockeseln zu klären, sollen in diesem Projekt die existierende (SNP Chip genotypisierte) Stichprobe plus einer erweiterten Stichprobe für weitere Farbgene genotypisiert werden: ASIP (Rieder et al., 2001), MC1R (Marklund et al., 1996), Cream (Mariat et al., 2003), Champagne (Cook et al., 2008), Dun - TBX3 (Imsland et al., 2016), Dominant White (Mau et al., 2004).
Damit wäre es möglich, die Farbgenetik der Weißen Barockesel abzuklären und in weiterer Folge sollen zuchtplanerische Maßnahmen (Identifizierung von Trägertieren, Hengsten, Stuten, Anpaarungsstrategien) erarbeitet werden.
Bei den Lipizzanern des Bundesgestüts Piber und der Spanischen Hofreitschule sind die segregierenden Farballele nicht bekannt. Die Identifizierung der Fellfarben, die im heutigen Genpool noch vorkommen, wird grundsätzlich durch die epistatische Wirkung des Schimmel Gens erschwert. Dennoch fallen einzelne Fohlen bei der Zucht an, deren Fellkleid nicht dem derzeit typischen Zuchtziel (Schimmel, bevorzugt Milchschimmel; Grundfarbe Rappe oder Brauner) entspricht. Darunter zählen Falben, Mohrenköpfe, Füchse und Schecken, die jedoch mit zunehmenden Alter unter der Schimmeldecke verschwinden und schwer zu identifizieren sind. Bei den Schecken handelt es sich höchstwahrscheinlich um Trägertiere seltener Allelvarianten wie z.B. PAX3, MITF (beide Hauswirth et al., 2012) oder SB1 (Brooks and Bailey, 2005). Generell sind in der Lipizzanerzucht Tiere mit markanten oder großen Weißabzeichen unerwünscht, da sie einerseits dem Zuchtziel nicht entsprechen und andererseits aufgrund der fehlenden Pigmentierung eine erhöhte Photosensibilität aufweisen. Mit den aus Vorarbeiten bestehenden Genotypisierungsinformationen und der Genotypisierung einzelner putativer Trägertiere auf die Scheckungsloci PAX3, SB1, MITF und auf die Loci der Grundfarben ASIP, MC1R und deren Aufhellungen TBX3, MATP, STX17 (Pielberg et al., 2008) kann der Farballel Pool des Lipizzaners eindeutig beschrieben und die einzelnen Trägertiere identifiziert werden.
Da die durch PAX, SB1 und MITF verursachten Scheckungsmuster einen fließenden Übergang zu unspezifischen Abzeichen zeigen können, werden die Scheckungen bzw. Abzeichen der Zuchtherde von Piber phänotypisch erhoben und in weiterer Folge einer Varianzkomponentenanalyse (BLUP Zuchtwertschätzung) unterzogen. In dieses statistische Modell können die einzelnen Genotypen integriert werden, um so die genetisch bedingten Varianzkomponenten in einen polygenetischen Anteil (Scheckungsloci) und in einen additiv genetischen Anteil zu trennen. Die aus dieser Analyse resultierenden Tierindividuellen Zuchtwerte und Farbgenotypen können verwendet werden, um einen möglichst schnellen Selektionserfolg gegen die Abzeichen zu gewährleisten.
Zusätzlich sollen die Abzeichen und deren genetische Grundlage mit einer genomweiten Assoziationsstudie untersucht werden, um zu testen inwieweit populationsspezifische Varianten existieren.

2. Verifizierung eines genetischen Markers für die Mohrenkopffärbung (roan Färbung) beim Noriker
Die kausale Mutation für die Roan Färbung ist bislang noch nicht bekannt. Marklund et al. haben 1998 gezeigt, dass der roan Faktor auf dem equine Chromosom 3 in die Nähe der KIT Region lokalisiert sein muss, es ist aber in weiterer Folge noch nicht gelungen einen abgesicherten genetischen Marker und/oder die kausale Mutation für diese für den Noriker typische Fellfärbung zu finden.
In genomweiten Analysen vom Antragssteller konnte für den Noriker ein hoch mit der Mohrenkopffarbe korrelierter SNP auf chr 3 identifiziert werden, der einer Plausibilitätsprüfung mit 2800 Pferden standhielt. Beim Noriker selbst konnten in der verwendeten Stichprobe von 22 Mohrenköpfen 4 homozygote Tiere genotypisiert werden, die auch mit den Stutbuchdaten plausibel erklärt werden konnten. In der Literatur galt der roan Faktor lange als Letalfaktor im homozygoten Zustand. Die in dieser Untersuchung gewonnen Hinweise entkräftigen diese These.
In diesem Antrag ist eine Verifizierung des gefundenen Markers geplant, der eine Segregationsanalyse mit Pedigreeinformation vorausgelagert werden soll. Anhand der Ergebnisse der Segregationsanalyse sollen einzelne Stichproben (Pferde) gewählt werde, die für den Marker genotypisiert werden sollen, und danach mit den restlichen Daten abgeglichen werden.
Da die Mohrenkopffarbe genealogisch und genetisch auf einer relativ engen Basis der Noriker Population beruht, kann die Kenntnis des Roan Genotyps die Farbzucht für diese Rasse wesentlich erleichtern, denn Roan homozygote Tiere können so an Rappen ohne Zeichen, die wenig mit der Mohrenkopfpopulation verwandt sind angepaart werden, wobei daraus erwartungsgemäß 100% Mohrenköpfe oder Blauschimmel fallen sollten. Damit kann die im Zuchtziel verankerte Farbzucht für die Mohrenkopf Subpopulation langfristig wesentlich leichter durchgeführt werden.

Praxisrelevanz

In Hinsicht auf die Tiergesundheit und die genetische Diversität der beiden gefährdeten österreichischen Nutztierrassen Lipizzaner, Weißer Barock Esel und Noriker stellen die Projektinhalte konkrete tierzüchterische Lösungen dar, die in der Praxis benötigt werden. Mit einem Marker für Roan (Mohrenkopf) wäre ein Gentest vorhanden, von dem die Farbzucht beim Noriker profitieren könnte.

Berichte

Zwischenbericht

Noriker Der österreichische Noriker ist die einzige Kaltblutpferderasse die europaweit in sechs verschiedenen Farbschlägen (Braun, Rappe, Fuchs, Mohrenkopf, Tiger, Schecke) gezüchtet wird. Die Herkunft der beiden seltenen Farbvarianten Tiger und Mohrenkopf ist wissenschaftlich und züchterisch von besonderem Interesse. Die Züchtung dieser beiden Fellfarben hat beim Noriker eine lange Tradition und lässt sich bis 1652 zurückverfolgen. Die Farbzucht ist darüber hinaus auch von praktischem Interesse, da die Erhaltung der spezifischen Varianten explizit im Zuchtprogramm der ARGE Noriker verankert ist. In der vorliegenden Studie wurden die Auswirkungen der einzelnen Selektions- und Anpaarungsmethoden in Hinblick auf die Genomweite Homozygotie (Runs of homozygosity ROH) untersucht. Besonderes Augenmerk wurde auf überlappende Homozygotie-Regionen (ROH island; ROH Inseln) innerhalb und zwischen den Subpopulationen, definiert durch Farbschläge, gelegt. Weiter wurde die gesamte Stichprobe auf Loci untersucht, die eine Rolle für die Morphologie (Größe, Kaliber, Proportionen) spielen. Hier konnten zwischen einzelnen Farbschlägen signifikante genotypische Unterschiede festgestellt werden. Die identifizierten Gene, die in ROH Inseln lokalisiert sind, wurden mit einer Gen-Ontologie und Anreicherungsanalyse (GO Analyse) in Hinblick auf signifikante biologische Prozesse, molekulare Funktion und zelluläre Komponenten untersucht. Lipizzaner Auf Basis von SNP Daten wurde erstmals für die gesamte Lipizzanerpopulation des Gestütes Piber der Homozygotiegrad in Form von sogenannten runs of homozygosity (ROH) bestimmt und die genetische Struktur und Vernetzung der österreichische Gestütspopulation mit vier weiteren europäischen Lipizzanergestüten (Topolcianky (SLK), Dakovo und Lipik (HR), Szilvasvarad (HUN)) verglichen. Für die Darstellung der genetischen Parameter wurde eine kürzlich etablierte Netzwerkanalysemethode angewandt. Zusätzlich wurden die innerhalb der überlappenden homozygoten Regionen (ROH islands) liegenden Gene identifiziert und mit einer Gen-Ontologie und Enrichment-Analyse biologischen und biochemischen Prozessen zugeordnet. Der Lipizzaner zählt zu einer der am intensivsten wissenschaftlich untersuchten Pferderassen. Im Rahmen des Kopernikus Projektes wurden eine Vielzahl von Publikationen zur Bestimmung des Genpools, der Inzuchtverhältnisse, der genetischen Struktur und Diversität, der molekulargenetischen maternalen und paternalen Genealogien durchgeführt. Ein zentraler Fokus der wissenschaftlichen Auseinandersetzung liegt auf dem genetischen Hintergrund der Schimmelfarbe, die einen Einfluss auf die Inzidenz und Ausprägung von Melanomen und Vitiligo hat. Der Einfluss des Allelstatus des Schimmelgens (Grey-Gen) auf Melanomstatus, Vitiligo und Ergrauungsgrad konnte anhand mehrerer Studien nachgewiesen werden. Von besonderer Bedeutung ist das Melanom, das beim Lipizzaner in einer Häufigkeit von 80% bei Tieren >15 Jahre auftritt. Während beim Menschen Melanome zu den letalsten Hauterkrankungen zählen, sind die Melanome beim Lipizzaner in den allermeisten Fällen gutartig. Diese Tatsache ist auf großes Interesse der Humangenetiker gestoßen. Bislang konnten die Faktoren, die das Metastasieren der Melanome beim Lipizzaner unterdrücken, noch nicht hinlänglich erklärt werden. Die vorliegende Arbeit verfolgte zwei Ziele: 1. Charakterisierung der Populationsstruktur, molekularen Verwandtschaft und Inzucht mittels genomweiter hochdichter Genotypen-Informationen 2. Identifizierung von Genen, die eine Rolle bei der spezifischen Melanomgenese beim Lipizzaner spielen.

Berichte

Abschlussbericht

Die Farbzucht stellt ein zentrales Element in der Pferdezucht dar und im speziellen hat diese Methode eine große Bedeutung für die österreichischen Pferderassen Noriker, Haflinger, Lipizzaner und den Weißen Österreichisch-Ungarischen Barockesel. Die Fellfarbe wird in den einzelnen Zuchtprogrammen in der Selektion sowohl aus ästhetischen als auch gesundheitlichen Gründen berücksichtigt, da sie die Fitness und den ökonomischen Wert der Pferde beeinflusst. In diesem Projekt wurden beim Lipizzaner bislang unbekannte Allel Frequenzen der einzelnen Farbgene, die aus dem barocken Genpool herrühren, untersucht und der Einfluss der langfristigen Selektion auf Fellfarbe auf die genomische Architektur beim Lipizzaner, Noriker und Haflinger analysiert. Weiter wurden genetische Marker, die mit der Mohrenkopf-, Blau-, Braun-, Rotschimmelfarbe assoziiert sind, evaluiert bzw. identifiziert, sowie putative Tumorsuppressor-Gene in Verbindung mit der Melanom Genese beim Lipizzaner ermittelt und in einem Ausschlussverfahren der genetische Hintergrund der weißen Fellfarbe des Österreichisch-Ungarischen Weißen Barockesel untersucht. Es konnte zusätzlich eine Interaktion zwischen den Genen OCA2/HERC2 mit der Schwalbenbauchfärbung (mealy, pangare) beim Exmoor Pony und den unterschiedlichen Fuchsschattierungen (chestnut, sorrel) beim Haflinger und Noriker festgestellt werden. In weiterer Folge wurde in diesem Projekt eine umfassende genomweite Analyse der Populationsstruktur, genomischer Verwandtschaft, Autozygotie und genetischer Diversität bei den drei österreichischen Hauptrassen Lipizzaner, Noriker und Haflinger unter besonderer Berücksichtigung der Farbzucht durchgeführt. Mittels der Analyse von durchgehenden Homozygotie Regionen (runs of homozygosity; ROH) war es möglich, eindeutige Selektionssignaturen für die Selektion auf Fellfarbe am Genom dieser drei Rassen zu identifizieren. Diese Resultate konnten auch in einer umfassenden Meta-Analyse mit einem Groß-Datensatz, der 12 Europäische Pferderassen beinhaltete, bestätigt werden. Selektionssignaturen für Fellfarben konnten somit beim Vollblutaraber, Haflinger, Gidran (MC1R), beim Lipizzaner und Gidran (STX17), beim Exmoor Pony (ASIP) und beim Noriker (MC1R, LP) nachgewiesen werden. Eine Reihe an Genen, die für die Leistung, Fitness und Exterieur Merkmale verantwortlich sind, wurden beispielsweise beim Noriker als Signaturen ausgewiesen, dazu zählen die mit Körpergröße assoziierten Loci wie LCORL/NCAPG, ZFAT und LASP1. Beim Gidran und dem Französischen Traber konnten Signaturen für Selektion auf Verhaltensmerkmale entdeckt werden (GRINB2 und NTM/OPCML), während die Selektion auf Exterieur Merkmale durch überlappende Homozygotie Regionen im HOXB Cluster beim Lipizzaner und Noriker nachgewiesen wurde. Weiter konnte gezeigt werden, dass beim Noriker mehrere Gene, die mit oxidativem Stress (COX11, STXBP4, HLF und MMD) und Autophagie (CALCOCO2), die mit der alpinen Haltungsumwelt zusammenhängen, unter langfristigem Selektionsdruck stehen. Zusammenfassend konnten in diesem Projekt zahlreiche Informationen mit hoher Relevanz für die praktische Zuchtarbeit gewonnen werden und die Selektionsentscheidungen können somit zukünftig auch mit genotypischen Informationen unterstützt werden. Viele der Resultate sind von weitreichender wissenschaftlicher Bedeutung im Bereich der Farbgenetik, der Erforschung genetischer Ursachen von Fitness, Exterieur- und Leistungsmerkmalen und bilden damit eine Grundlage für weitere wissenschaftliche Forschung.

Anhänge

Dateiname

Endbericht_FARBgen_GGrilz_Seger_g.pdf

Beschreibung

Farbgenetische Untersuchungen beim Lipizzaner, Noriker und dem Österreichisch-Ungarischen Weißen Barockesel

Autor/innen

Mag.Mag. Gertrud Grilz-Seger

Publikationen

Alle Publikationen wurden vom Projektverantwortlichen eingetragen und liegen in dessen Verantwortung.

Grilz-Seger, G; Reiter, S; Neuditschko, M; Wallner, B; Rieder, S; Leeb, T; Jagannathan, V; Mesarič, M; Cotman, M; Pausch, H; Lindgren, G; Velie, B; Horna, M; Brem, G; Druml, T (2020). A Genome-Wide Association Analysis in Noriker Horses Identifies a SNP Associated With Roan Coat Color (J Equine Vet Sci. 2020; 88:102950). DOI: 10.1016/j.jevs.2020.102950.

Grilz-Seger, G; Druml, T; Neuditschko, M; Mesarič, M; Cotman, M; Brem, G (2019). Analysis of ROH patterns in the Noriker horse breed reveals signatures of selection for coat color and body size (Animal Genetics 50(2)). DOI: 10.1111/age.12797.

Grilz-Seger, G; Neuditschko, M; Mesaric, M; Cotman, M; Brem, G; Druml, T (2019). Changes in breeding objectives of the Haflinger horse breed from a genomewide perspective Zuchtungskunde. 2019; 91(4): 296-311 (91/4). .

Grilz-Seger, G; Mesaric, M; Brem, G; Cotman, M (2021). Characterisation Of Coat Colour In The Slovenian Posavje Horse (Slovenian Veterinary Research 58(2)). DOI: 10.26873/SVR-1091-2020.

Grilz-Seger, G; Neuditschko, M; Ricard, A; Velie, B; Lindgren, G; Mesarič, M; Cotman, M; Horna, M; Dobretsberger, M; Brem, G; Druml, T (2019). Genome-Wide Homozygosity Patterns and Evidence for Selection in a Set of European and Near Eastern Horse Breeds (Genes (Basel). 2019; 10(7)). DOI: 10.3390/genes10070491.

Analysis of ROH patterns in the Noriker horse breed reveals signatures of selection for coat color and body size (2019). Grilz-Seger, G; Druml, T; Neuditschko, M; Mesarič, M; Cotman, M; Brem, G (50/4). Anim.Genet..

Grilz-Seger, G; Druml, T; Neuditschko, M; Dobretsberger, M; Horna, M; Brem, G (2019): High-resolution population structure and runs of homozygosity reveal the genetic architecture of complex traits in the Lipizzan horse. BMC Genomics. 2019; 20(1):174 (2019). High-resolution population structure and runs of homozygosity reveal the genetic architecture of complex traits in the Lipizzan horse (20/1). BMC Genomics, DOI: 10.1186/s12864-019-5564-x.

Grilz-Seger, G; Utzeri, VJ; Ribani, A; Taurisano, V; Fontanesi, L; Brem, G (2020). Known loci in the KIT and TYR genes do not explain the depigmented white coat colour of Austro-Hungarian Baroque donkey (19). .

Grilz-Seger, G; Dobretsberger, M; Brem, G; Druml, T (2020). Study on distribution of coat color related alleles and white markings in a closed population of Lipizzan horses (92(2)). .