Development of a metabolomic- and immunological platform as a precision phenotyping tool for selection of pigs with improved resilience

I det internasjonale markedet for svinegenetikk har vi søkelys på sykdomsresistens og robusthet i møte med miljøer som er ulik det norske miljøet. Produksjonsforholdene i Norge er svært lite krevende i global målestokk, og fravær av varmestress er en av dem, noe som indirekte kan forårsake begrenset internasjonalt vekstpotensiale for Norsvin. Grunnen til dette er at det er få stressituasjoner i norsk svineproduksjon og dermed vanskelig å måle egenskaper på dyret som er relatert til stresstoleranse og som kan inkluderes i avlsprogrammet. I dette prosjektet har vi testet ut nye strategier for å løse denne utfordringen. Nye biomarkører relatert til stressrespons er analysert, i tillegg ble det undersøkt potensialet for å gjøre in vitro (laboratorium) sykdomstest på celler fra friske dyr. Hovedformålet med prosjektet var å finne nye måter for å evaluere dyrenes sykdom- og stressresponser, for å kunne studere variasjonen mellom dyr med endelig mål om å implementere dette i avlsprogrammet. Blodprøver fra forsøksgrisene ble samlet på to tidspunkt på rundt 350 griser, en ved introduksjon til testanlegg og en ved CT-skanning. Metabolomanalyser av blodet fra forsøksgrisene ble analysert hos SINTEF i Trondheim, der målet var å finne metabolske markører for stress toleranse, sykdomsresistens og robusthet. Metabolomanalysen ble utført med en kombinasjon av målrettet og ikke-målrettet analyse. Målrettet analyse inkluderer analyse av aminosyrer og nevrotransmittere/tryptofan-metabolitter. Ikke-målrettet analyse ble til dels utført ved bruk av LC-MS men i hovedsak med ultra-høyoppløselig massespektrometri. Ultra- høyoppløselig massespektrometri gir en type fingeravtrykk av metabolomet med tusenvis av metabolittsignaler der den gode massnøyaktigheten og høye oppløsningen i spektra gir muligheter for å identifiseres metabolittene med hjelp av bland annet søk i databaser (som for eksempel human metabolome database (HMBD)). Totalt er det samlet inn over 900 blodprøver. Multivariat dataanalyse ble brukt for å sammenligne og gruppere disse komplekse spektra og for å koble sammen metabolomanalyser med annen informasjon som kan indikere robusthet. Parameterne som ble valgt kan gi en indikasjon om grisenes robusthet og toleranse for stress og sykdom er blant annet «holdbarhet», variasjon i fôropptak og vektøkning over tid. Det ble sett på sammenhenger mellom ulike metabolitter i blodet og dyrets avlsverdier. Generelt var det relativt lave korrelasjoner mellom enkeltmetabolitter og egenskapene, fra -0.35 til 0.39. Høyeste positive korrelasjoner var mellom alanin og egenskapene tilvekst fra 40 til 120 dager (0.39) og osteokondrose (0.35). Likevel var det et høyt antall metabolitter som hadde signifikant sammenheng til dyrets avlsverdier for robustetsegenskaper. Dette ga flere interessante biomarkører som kan brukes i avlsarbeidet for å bedre dyrets robusthet. Flere aminosyrer (alanin, isoleusin, serin og fenylalanin) hadde en signifikant korrelasjon til egenskapen holdbarhet, som indikerer hvor lenge dyret klarer å stå i produksjon. Resultater for tryptofanmetabolisme indikerte at kynurenin er en relevant biomarkør knyttet til variasjon i fôropptak og avlsverdi for hold ved avvenning. For å undersøke genetisk variasjon i de ulike metabolittene i populasjonen er det nå i igangsatt genetisk analyse av disse. Dette er analyser som ikke er ferdige. Det er likevel rimelig å forvente at flere av de identifiserte biomarkørene er arvelige og har potensiale for implementering. Datasettet som er frembrakt i dette prosjektet er unikt i den forstand at det er krevende å samle inn så store mengder informasjon om blodmetabolitter på så mange dyr. Det er også undersøkt de ikke-målrettede metabolomdata, og resultatene viser at metabolomdata kan brukes for å si noe om dyrets totale avlsverdi. Dette er viktig informasjon som kan utnyttes i estimering av avlsverdier for dyr. Dette prosjektet har gitt oss et detaljert datasett med god oversikt over ulike biomarkører i blod som kan knyttes til robusthet mot sykdom. Flere aktuelle biomarkører er identifisert og kan knyttes til avlsverdier for robusthetsegenskaper. Blant disse er kynurenin, alanin, glutamin, isoleusin, serin og fenylalanin. Flere ulike indikatoregenskaper har vært undersøkt, og alle ser ut til å ha betydning for robusthet hos dyret. Metabolomdata samvarierer i stor grad med dyrets totale avlsverdi og kan brukes i avlsarbeider for bedret robusthet mot sykdom og bedret stresstoleranse. Dette prosjektet har gitt oss mye grunnkunnskap og grisens metabolomprofil, konkrete biomarkører for økt robusthet og stresstoleranse og ikke minst muligheter for å undersøke denne typen egenskaper enda grundigere.

Different potential indicator traits (metabolites) was identified and linked to relevant breeding values related to resilience and robustness. These results provides us with relevant information regarding resilience, stress tolerance and robustness of the animals, and can be used further for phenotyping in high health status herds. If genetic parameters are identified for these metabolites, they can be used as indicator traits for rescilience and selection for improved resilience can be acheived. This will increase the on-farm profitability in terms of reduced reqruitment costs and veterinary costs, both nationally and internationally. Further, it will increase our competetiveness with rival providers of genetic material and strengthen Norsvins brand worldwide. Further, to enhance resilience, stress tolerance and robustness would lower the usage of antibiotics in pork production. This is a common global goal to reduce the threat of antibiotic resistance in human and porcine pathogens. The results also have positive effect with regards to a more sustainable production of livestock; thus leading to increased animal welfare for the animals and reduce the medical treatment and loss of animals. This also has the potential to reduce the impact of the environment by improving efficiency and sustainability of food production.

The project is intended to lead to new phenotypes and models to create more resilient pigs, better adapted to the international market. Resilience is the ability of the animals to recover quickly from a wide range of disruptive challenges back to the original level of normal health, fertility, and production. According to this definition it is clear that in practice, measuring and then selecting for resilience in livestock is particularly challenging. This is even more challenging in the high health, and fortunate, environment present in Norway, where natural exposure to challenging conditions is limited. The underlying idea in this project is to fill main gaps that must be addressed to be able to breed properly for improved resilience. Norsvin has high ambitions for expansion on international markets. Sustainability and high animal welfare are fundamental elements of Norsvins breeding strategy that have helped to ensure that the ambitious international effort is well on the way to success. However, due to more incidences of diseases worldwide it is essential to develop breeding programs for selection of resilience in order to keep competiveness internationally and improve animal welfare in challenged environments. The main objective of this project is therefore to enhance the ability of pigs to resist and minimize the impact of disease by developing methods to select for disease and stress resilience in a high-health nucleus breeding populations. In this project our ambition is to address these issues by using novel state of the art metabolomic tools combined with immunologic methods and bioinformatics to examine blood plasma for potential novel and known metabolic and immunologic biomarkers, and their role related to resilience. Additionally, instead of direct disease challenge on pigs, the macrophages from blood and lung will be in-vitro challenged with the most important pathogens to obtain genetic variants useful for selection.