Exploring the Genetic Regulation of Ability and Quality of Gaits in Icelandic Horses

Abstract

Abstract: The Icelandic horse is celebrated for its unique gaits and versatility as a riding horse, yet the genetic basis of these characteristics is not fully understood. Its diverse gait range, the availability of extensive phenotypic records, and the application of advanced genomic technologies make the Icelandic horse an invaluable model for exploring the genetic foundations of gait traits and performance. This thesis aimed to identify novel genetic factors affecting gaits and performance in the Icelandic horse by integrating genomic approaches to analyse genetic variation through genome-wide patterns of homozygosity and polymorphic variation. The study utilized high-density SNP genotype data, generated using a 670k genotype array, from 380 horses to perform genome-wide association (GWA) studies and runs of homozygosity (ROH) analyses. Additionally, 39 horses were included for whole-genome sequencing (WGS) analysis. Through GWA studies, quantitative trait loci (QTLs) affecting gait traits were identified. One QTL was associated with breeding scores for back and croup conformation, which significantly influenced the quality of the lateral gaits tölt and pace. Two additional QTLs were directly linked to breeding scores for pace. Haplotype analysis revealed two frequent haplotypes for each identified QTL that had significant effects on the associated trait. The haplotypes associated with back and croup harboured genes with known roles in muscle and skeletal development in humans. The haplotypes affecting pace scores were located within the candidate genes STAU2 and RELN which are expressed in neural tissue. In addition to the observed effects on pace, the STAU2 haplotypes were found to significantly influence the quality of trot and gallop, while the RELN haplotypes impacted the quality of tölt, trot, canter, and gallop, and may potentially also influence the trainability and precocity of young horses. Moreover, interactions between STAU2, RELN, and the previously identified DMRT3 gene were observed, involving both additive and compensatory effects. Sequence analysis in these regions revealed a partial loss of the STAU2 protein caused by a one-base-pair frameshift insertion. This variant was proposed to be causative for the observed effects of the STAU2 haplotypes. In the RELN region, potential regulatory elements were identified and suggested as candidate variants influencing the effects of the RELN haplotypes. The enduring significance of the genomic region on ECA23, harbouring the DMRT3 gene, was confirmed through ROH analysis, while additional regions of potential relevance to performance traits were identified. Analyses of genomic inbreeding and genetic diversity indicated that recent breeding practices in the Icelandic horse breed have been sustainable, maintaining adequate genetic diversity. In conclusion, this thesis expands current knowledge of the genetic basis of gait and performance in the Icelandic horse, by demonstrating that genetic factors beyond DMRT3 contribute to the regulation of gait ability and quality. The findings warrant further investigations and may ultimately benefit the breeding of the Icelandic horse and assist breeders in making more informed breeding decisions.

Ágrip: Íslenski hesturinn er þekktur víða um heim sem fjölhæfur reiðhestur vegna hans einstöku ganghæfileika. Erfðafræðilegur grunnur þessara eiginleika er þó enn að miklu leyti óþekktur. Ganghæfileikar hans ásamt aðgengilegum og víðtækum svipfarsmælingum, gera íslenska hestinn að afar verðmætu viðfangi til rannsókna á þessu sviði. Meginmarkmið þessarar rannsóknar var að bera kennsl á nýja erfðaþætti sem hafa áhrif á gangtegundir og hæfileika íslenska hestsins. Það var gert með því að samþætta aðferðir sem annars vegar kanna arfhrein svæði á erfðamenginu vegna úrvals, og hins vegar svæði á erfðamenginu sem einkennast af breytileika arfgerða í tengslum við ákveðna eiginleika. Í rannsókninni var notast við háþéttni SNP-arfgerðagreiningar, byggðar á 670k flögu, fyrir 380 hross með kynbótadóma, til að framkvæma víðtæka erfðamengisleit og greiningu á samfelldum röðum arfhreinna svæða. Þar að auki voru erfðamengi 39 hrossa heilraðgreind til frekari greininga. Með víðtækri erfðamengisleit fundust áður óþekkt tengsl milli ganghæfileika og breytileika á ákveðnum svæðum á erfðamenginu (e. quantitative trait locus, QTL). Eitt QTL hafði tengsl við einkunnir fyrir bak og lend og hafði marktæk áhrif á gæði tölts og skeiðs. Tvö önnur QTL höfðu bein tengsl við einkunn fyrir skeið. Setraðagreining leiddi í ljós tvær algengar setraðir í öllum þessum QTL sem höfðu marktæk áhrif. Setraðirnar sem höfðu tengsl við einkunn fyrir bak og lend voru staðsettar innan gena sem hafa þekkt hlutverk í vöðva- og beinabyggingu í mannfólki. Setraðirnar sem höfðu áhrif á einkunnir fyrir skeið voru staðsettar í genunum STAU2 og RELN, sem bæði eru tjáð í taugavef. Umfram tengslin við skeiðeinkunn þá höfðu setraðirnar í STAU2-geninu einnig marktæk áhrif á einkunnir fyrir brokk og greitt stökk. Að sama skapi höfðu setraðirnar í RELN-geninu marktæk áhrif á einkunnir fyrir tölt, brokk, hægt og greitt stökk, umfram skeiðeinkunn. Vísbendingar bentu einnig til að RELN-setraðirnar hefðu áhrif á bráðþroska og hversu fljót hross væru til í þjálfun. Þar að auki voru víxlverkunum milli STAU2, RELN og hins áður þekkta DMRT3-gens lýst í formi samleggjandi- og uppbótaáhrifa. Frekari greining með heilraðgreiningagögnum sýndi fram á að hliðrunarstökkbreyting (e. frameshift mutation) í STAU2-geninu, sem olli skertri próteinframleiðslu, væri líkleg orsök fyrir þeim áhrifum sem setraðirnar sýndu á skeið, brokk og greitt stökk. Sambærileg greining leiddi í ljós stýriþætti í RELN-geninu sem mögulega útskýra þau áhrif sem RELN-setraðirnar höfðu á skeið, tölt, brokk, hægt og greitt stökk. Með greiningu á samfelldum röðum arfhreinna svæða var mikilvægi hluta litnings númer 23 staðfest gagnvart ganghæfni og getu íslenska hestsins, en þar er DMRT3-genið staðsett. Greiningin leiddi einnig í ljós áður óþekkt gen með mögulegar tengingar við afköst og getu. Útreikningar á skyldleikarækt og erfðabreytileika sem byggðu á erfðagögnum gáfu til kynna að ræktun íslenska hestsins síðastliðna áratugi hafi verið sjálfbær þar sem tap erfðabreytileika var í lágmarki. Rannsóknin eykur þekkingu á erfðafræðilegum grunni gangtegunda og sýnir fram á að erfðaþættir umfram DMRT3-genið hafa áhrif á ganghæfni íslenska hestsins. Niðurstöðurnar styðja við frekari rannsóknir á þessu sviði, ásamt því að nýtast ræktendum íslenska hestsins við að taka upplýstari ákvarðanir í ræktunarstarfinu.