Towards improved boar fertility by genetic characterization and detection of traits important in sperm production and quality (218891)

To grunnleggende forutsetninger for å kunne drive avlsarbeid gjennom kunstig inseminasjon er (1) at det er mulig å trene hanndyrene opp til uttak av sæd på en dyrevennlig, hygienisk og sikkerhetsmessig forsvarlig måte, og (2) at det finnes tilstrekkelig med befruktningsdyktige spermier i sæduttaket. I dette prosjektet har vi sett på metoder for å måle sædkvaliteten fra seminråner og analysert genetiske komponenter i forhold til sædkvaliteten. I tillegg har vi detektert spesifikke gener som er med og regulerer sædkvaliteten. Resultatene fra det genetiske assosiasjonsstudiet viser at det er signifikante sammenhenger mellom totalt født grisunger og genetiske varianter (SNPer) innen noen av de testede kandidatgenene. SNPer i fire gener forklarer hver mellom 0.27 and 1.18 % av den genetiske variasjonen for totalt antall fødte grisunger, noe som tyder på at disse genene har en begrenset effekt og at det er andre gener som også er viktige for denne egenskapen hos gris. I prosjektperioden har vi også sett på feltfertilitetsdata (antall fødte grisunger) og korrelasjonene med CASA- og ATP-analyseresultatene. Statistiske beregninger er gjort og viser at det er raseforskjeller når det kommer til motilitetsparametere, ATP-nivåer og lagringsevne. Prosentandelen av motile celler sank i begge raser etter lagring i 96 timer. En større andel hyperaktiverte celler ble funnet hos Duroc på uttaksdagen, men denne populasjonen sank etter lagring. I motsetning ble det funnet færre hyperaktiverte celler hos Landsvin, og denne populasjonen økte etter lagring. Mengden ATP sank etter lagring i begge raser. Andelen motile sperm celler, kurvlineær velositet og ATP nivået på uttaksdagen hadde en signifikant effekt på totalt antall fødte grisunger hos Landsvin, mens andelen hyperaktiverte celler, kurvlineær velosisitet og ATP nivået på uttaksdagen hadde en effekt på totalt antall fødte grisunger hos Duroc. Spermier kan ikke befrukte oocyten før kapasitering har skjedd, der sædcellene blir hyperaktive og andre modifikasjoner skjer som gjør sædcellen klar for fertilisering. Den hyperaktive motiliteten karakteriseres av et hurtig og ikke-lineært svømmemønster, som hjelper sædcellen å komme gjennom zona pellucida. CASA ble brukt til å gjøre analysene siden det kan gjenkjenne hyperaktivt svømmemønster. Vi sekvenserte totalt 29 dyr fordelt på to kontraster: 1) høy vs. lav hyperaktivitet dag 0 i Landsvin, og 2) høy vs. lav hyperaktivitet dag 4 vs. 0 i Landsvin. Dag 0 er uttaksdag og dag 4 er siste anbefalte forbruksdag av sæddoser i Norsvin. Gjennomsnittlig % hyperaktivitet for kontrast 1) er 14,5 % (±1.73) (n=4) for den høye gruppen og 1.6 % (±0.27) (n=4) for den lave gruppen. Hele 3219 gener ble funnet differensielt uttrykt mellom de to gruppene (FDR < 0,05), men ved å sette et svært strengt signifikansnivå reduserte vi antall signifikante gener til 64. Det mest signifikant oppregulerte genet hos gruppen med høy hyperaktivitet var DNL-type zinc finger (DNLZ) (FDR = 1.2e-05), og dette var også det høyest oppregulerte genet (logFC = 2.7). Det mest nedregulerte genet i gruppen med høy hyperaktivitet var zinc finger DBF-type containing 2 (ZDBF2) (logFC = -1.7). Genontologianalyser viste at 58 reaksjonsveier var overrepresenterte blant de differensielt uttrykte genene (p < 0.01). For kontrast 2) var gjennomsnittlig hyperaktivitet 15.06% (± 2.97) (n=3) for den høye gruppen og 2.66 % (± 0.58) (n=4) for den lave gruppen. Totalt ble 69 gener funnet nedregulert mellom gruppene i denne kontrasten mens 33 var oppregulert (FDR <0.05). Det mest signifikant differensielt uttrykte genet var solute carrier family 40 member 1 (SLC40A1) (FDR = 9.7e-4). Det mest signifikant nedregulerte genet i den høye gruppen var calcium dependent secretion activator (CADPS) (-2.0) mens det høyest oppregulerte genet var DNLZ (logFC= 1.9). DNLZ er veldig interessant ettersom dette er det samme som i kontrast 1), noe som indikerer en viktig funksjon for dette genet for hyperaktivitet i Landsvin. SNP deteksjon vil bli gjort i alle kontrastene og dette vil også avdekke mulige genetiske varianter i DNLZ som kan undersøkes videre som mulige genetiske markører. Proteinanalyser har blitt utført på LC-MS ved hjelp av erfarne folk på IKBM, NMBU og NOFIMA. Her ser vi på differensielt uttrykte proteiner mellom prøver med høy og lav DNA fragmentering i sæd, en naturlig videreføring av transkripsjonsstudiet på samme kontraster.

Increased variations of sow reproduction is observed between different AI boars and the sperm, especially from Duroc boars, have lower quantity and more variation in quality than demanded from efficient semen boars. Moreover, recent studies show unfavorab le correlations between sperm quality and important production traits, and between major sex hormones and boar taint. Selection of boars has traditionally focused on economically important traits and the sow reproduction, and so far no available parameter s are sufficiently describing the boars reproductive capability. In this project we want to find the traits describing the boar fertility as accurately as possible, and establish the most efficient and cost effective way to measure those traits. Additiona lly, we want to detect associations to other traits in the breeding goal, identify the underlying genes, genetic networks and biochemical pathways of boar fertility, and ultimately use the results and information in practical breeding to improve boar fert ility. A thorough boar breeding strategy will benefit Norwegian pig industry and make Norsvin pigs more attractive internationally. If we are able to genetically increase the boar fertility and decrease the level of boar taint, without reducing other fav orable traits in the breeding goal this would be a huge step in the international pig breeding society. The use of new and highly improved molecular genetics tools will make the data much more applicable and can facilitate effective pre-selection of candi dates entering the boar test. The project will contribute considerably to the development of scientific knowledge on semen quality and genetics in Norsvin, Nortura (owner of the Duroc breed) and our project partners. Economic gain due to increased litter size, increased farrowing rate and reduced number of sperms per dose is estimated to be as much as 140-200 mill NOK per decade.