Environmental Stress in Dairy Cattle in the Challenging and Heterogeneous Socio-ecological Environments: Impacts on Phenotypic Trait Expressions and Genomic Influence

Umweltstress bei Milchkühen in herausfordernden und heterogenen sozio-ökologischen Umgebungen: Auswirkungen auf phänotypische Merkmalsausprägungen und genomische Einflüsse. Die Landwirtschaft gilt als das Rückgrat der wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung Indiens. Der Tierhaltungssektor ist ein integraler Teilsektor der Landwirtschaft, der in vielfältiger Weise zum Wachstum und zur Entwicklung des Agrarsektors in Indien beiträgt. Der Tierhaltungssektor trägt 4,11 % zum Bruttoinlandsprodukt (BIP) und 25,6 % zum gesamten BIP des Landes bei. Indien ist der größte Viehhalter der Welt und verfügt über 192,46 Millionen Rinder, was etwa 35,94 % des gesamten indischen Viehbestands und 14,70 % des gesamten weltweiten Rinderbestands entspricht. Ebenso ist Indien der größte Produzent von Büffelfleisch und der zweitgrößte Produzent von Ziegenfleisch. Die Viehzucht in Indien wird überwiegend von Kleinbauern betrieben, die Tiere mit relativ geringen Herdengrößen halten. Neben der Unterstützung der Kleinbauern, die die indische Viehwirtschaft dominieren, spielt die Viehwirtschaft auch eine wichtige Rolle bei der Deckung des Nahrungsbedarfs der wachsenden Weltbevölkerung. Dieser Sektor ist jedoch durch die globale Erwärmung und das sich ständig ändernde Klimaszenario stark bedroht. Der Klimawandel hat direkte und indirekte Auswirkungen auf die Viehbestände und verursacht schwere wirtschaftliche Verluste. Die Schwere des Klimawandels, insbesondere der Hitzestress, wird in den tropischen Ländern voraussichtlich größer sein als in den gemäßigten Regionen. Hitzestress beeinträchtigt den Produktionsstatus der Tiere, wobei Tiere mit höherer Leistung allgemein anfälliger sind. Darüber hinaus beeinträchtigt Hitzestress auch die Reproduktionsleistung, den Immunstatus und das Wohlbefinden der Tiere. Zu den indirekten Folgen des Klimawandels, die das Problem des Klimawandels in der Viehwirtschaft weiter verschärfen, gehören der Rückgang der Futtermittelproduktion und der Rückgang der Weideflächen. Darüber hinaus verschlimmert die zunehmende Verstädterung und Industrialisierung das Szenario, indem sie indirekt zum Umweltstress in der Tierhaltung beiträgt. Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen von Umweltstressoren wie jahreszeitliche Schwankungen, Hitzestress, Verstädterung und Umweltschadstoffe auf die phänotypischen und genetischen Profile von indischen Milchkühen zu untersuchen, die in der aufstrebenden indischen Megastadt Bengaluru gehalten werden. Darüber hinaus wurde im Rahmen der Studie ein neuartiger Ansatz zur Bewertung der Klimaresilienz von Ziegen erforscht, bei dem ein ganzheitlicher, auf Hautreaktionen basierendes Verfahren verwendet wird, der mit fortschrittlichen Sequenzierungstechnologien des Genoms „next generation sequencing“ kombiniert wird. Kapitel 2 ist eine Literaturübersicht, die darauf abzielt, die Auswirkungen von Hitzestress auf die Milchproduktion bei Milchkühen zu verstehen und einen Überblick zu etwaigen Genotyp-Umwelt-Interaktion im Kontext der Hitzetoleranz zu geben. Dieses Kapitel gibt auch einen Einblick in die verschiedenen verfügbaren genomischen Instrumente und statistischen Modellierungsmöglichkeiten zur Bewertung der Auswirkungen von Hitzestress bei Milchkühen. Zusätzlich werden in Kapitel 2 genetische Ansätze zur Identifizierung klimaresistenter Tiere erörtert. Es mangelt an Informationen bezüglich der Auswirkungen der Jahreszeit, des Temperatur-Feuchtigkeits-Index (THI, ein Indikator zur Bewertung von Hitzestress) und der Urbanisierung auf die Reaktionen von Milchkühen. In Kapitel 3 wurden die Auswirkungen der genannten Faktoren auf Produktionsmerkmale, Energieeffizienzindikatoren und Hygienemerkmale bei 96 Milchkühen untersucht, die an der ländlich-urbanen Schnittstelle von Bengaluru gehalten wurden. Zu den phänotypischen Merkmalen, die für die Studie berücksichtigt wurden, gehörten die Milchleistung am Versuchstag (MY), der Body Condition Score (BCS), das Körpergewicht (BW), der Hock Assessment Score (HAS), der Euterhygienescore (UHS) und der Oberschenkelhygienescore (ULHS). Es wurde festgestellt, dass die Jahreszeit einen signifikanten Einfluss auf die Produktions- und Hygienemerkmale bei Rindern hat. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Survey Stratification Index (SSI), der den ländlich-städtischen Gradienten in ländlich, Übergang/gemischt und städtisch unterscheidet, die meisten phänotypischen Merkmale beeinflusst. Der signifikante SSI Effekt weist auf die Bedeutung des Managements in der Rinderhaltung hin.. Es wurde festgestellt, dass der THI einen signifikanten Einfluss auf MY, BCS und HAS von Milchkühen hat. In dieser Studie wurde der THI = 75 als Schwellenwert für Hitzestress bei Milchkühen in Bengaluru ermittelt. Kapitel 4 ist eine umfassende Detailstudie, die an 40 Milchkühen in Bengaluru durchgeführt wurde, um die Auswirkungen des jahreszeitlichen Übergangs und des THI auf die adaptiven Reaktionen der Tiere zu bewerten. Es wurde festgestellt, dass der Wechsel von der Sommer- zur Monsunzeit einen signifikanten Einfluss auf die physiologischen Reaktionen (Atmungsrate und Hautoberflächentemperatur), das hämatologische Profil (mittleres Thrombozytenvolumen und Thrombozytenverteilungsbreite (PDWc)), die Milchleistung am Prüfungstag und die Milchzusammensetzung (Milchdichte, Laktose, fettfreie Trockenmasse (SNF) und Salze) hat. Ebenso wurde festgestellt, dass der THI einen signifikanten Einfluss auf die Atmungsrate, die Hautoberflächentemperatur, die Thrombozytenzahl, den Thrombozytencrit und die PDWc hat. In dieser Studie wurden auch die molekularen Reaktionen von Milchkühen im Hinblick auf die relative mRNA-Expression selektiver, mit Hitzestress assoziierter Gene, untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Umweltstressoren das relative mRNA-Expressionsprofil der Gene Hitzeschockprotein 70 (HSP70), Interferon beta (IFNß), IFN?, Tumornekrosefaktor alpha (TNFa), Wachstumshormon (GH) und insulinähnlicher Wachstumsfaktor-1 (IGF-1) signifikant beeinflussen. Daher lieferte die Studie einen neuartigen und wertvollen Beitrag zur Bewertung der Umweltsensitivität von Milchkühen in Bengaluru im Hinblick auf ihre physiologischen, hämatologischen, produktiven und molekularen Reaktionen. Die Forschungsarbeiten wurden fortgesetzt und bezüglich des Datenmaterials ausgeweitet, um genomische Regionen zu identifizieren, die mit Merkmalen der Milchproduktion bei Milchkühen (240 Kühe), die von Kleinbauern in Bengaluru gehalten werden, assoziiert sind. Erstmals wurden Effekte der Selektion und diesbezüglich annotierte Gene und assoziierte Merkmale für die in Bengaluru am häufigsten gehaltenen Milchviehrassen (Holstein Friesian, Jersey und Kreuzungen) identifiziert (Kapitel 5). Mithilfe genomweiter Assoziationsstudien (GWAS) wurde festgestellt, dass zwei Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs), rs109340659 und rs41571523, signifikant mit der Milchleistung am Testtag assoziiert sind. Diese SNPs befanden sich in unmittelbarer Nähe der potenziellen Kandidatengene Fibrosin-like 1 (FBRSL) und Calcium voltage-gated channel auxiliary subunit gamma 3 (CACN), die in verschiedenen Stadien der Milchproduktion eine dominierende Rolle spielen. Darüber hinaus wurde die Methode der populationsübergreifenden erweiterten Haplotypenhomozygotie (XP-EHH) angewandt, um das Genom der Milchrinder zu „scannen“ mit dem Ziel, rassespezifische Signaturen der Selektion zu identifizieren.. Auf der Basis der Selektionssignaturen in Kombination mit bioinformatischen Auswertungen konnten Gene detektiert werden, die mit Stressreaktionsmechanismen und diesbezüglichen physiologischen Anpassungen in Verbindung stehen. Dazu gehörten Ubiquitinierung, Immunantwort, Zellsignalisierung, Cortisol-Synthese und -Sekretion, der Prolaktin-Signalweg, Steroidhormon-Biosynthese und Thermogenese. Die Ergebnisse dieser Studie deuten daher darauf hin, dass die Milchkuhrassen in Bengaluru wahrscheinlich auf thermische Resilienz selektiert wurden. Zusätzlich zum bedeutenden klimatischen Einfluss auf die Milchproduktion wurde in der vorliegenden Studie in Bengaluru die Verstädterung (dargestellt durch den SSI) als wesentlicher Faktor identifiziert. Daher wurde in Kapitel 6 eine Genomstudie durchgeführt, um Mechanismen und Reaktionen der Selektion von Milchkühen in Bengaluru als Folge der Verstädterung und der Umweltverschmutzung (die sich im Verzehr von mit Schwermetallen kontaminiertem Seefutter widerspiegelt) zu studieren . Diese Studie identifizierte eine Reihe von Selektionseffekten auf dem Genom bei Rindern im Vergleich der ländlichen, gemischten und städtischen Haltungsumwelten. Insbesondere auf BTA 21 wurden diesbezüglich stark auffallende bzw. divergierende (in Bezug zur Urbanisierung) Effekte nachgewiesen. Gene, die in unmittelbarer Nähe der identifizierten chromosomalen Selektionsabschnitte lokalisiert sind, waren Ras und Rab Interactor 3 (RIN3), Solute Carrier Family 24 Member 4 (SLC24A4), Tetraspanin 3 (TSPAN3) und Prolin-Serin-Threonin Phosphatase Interacting Protein 1 (PSTPIP1). Die anschließende funktionelle Genanalyse identifizierte Gene Ontology (GO) und KEGG-Terme, die mit Reproduktion, Stoffwechsel und Zellsignalisierungsmechanismen in Verbindung stehen. In ähnlicher Weise ergab die XP-EHH-Analyse für Stratifikationen gemäß der Cadmium-Schwermetallkontaminationen starke und intensive positive Selektionssweeps auf BTA 16 und BTA 19 in unmittelbarer Nähe von Genen , die die somatotrope Achse regulieren (an Wachstumsfaktor-Rezeptor gebundenes Protein 2 (GRB2) und Zellionenaustausch (Chlorid voltage-gated channel 6 (CLCN6)). Die Kuhgruppe mit der höchsten Kontaminationsrate zeigte Sweeps auf, die mit Genen für Schlachtkörpermerkmale (TNNC2, SLC12A5 und GABRA4), Milchleistung (HTR1D, SLCO3A1, TEK und OPCML), Fortpflanzung (GABRA4), Hypoxie-/Stressreaktion (OPRD1 und KDR), Zelladhäsion (PCDHGC3), Entzündungsreaktion (ADORA2A) und Immunabwehrmechanismus (ALCAM) assoziiert sind. Die Studie generierte daher neuartige methodische Impulse zur Identifizierung genomischer Anpassungsmechanismen und genomischer Reaktionen auf Umweltherausforderungen bei Milchkühen. Kapitel 7 schließlich fokussierte auf einen neuartigen und ganzheitlichen Ansatz, um die Reaktionen auf Hitzestress auf Haar- und Hautmerkmale zweier einheimischen Ziegenrassen, Kanni Aadu und Kodi Aadu, zu untersuchen. Dabei wurde eine Vielzahl an phänotypischen und genomischen Variablen berücksichtigt. Erstmals wurde in dieser Studie auch die transkriptomische, epigenetische und metagenomische Reaktion der Haut und der Hautmikroben (Metagenomik) auf Hitzestress bei Ziegen untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass Hitzestress die Haarfasermerkmale (Faserlänge) und das qPCR-Profil der Haarfollikel (HSP70, HSP90 und HSP110) bei Ziegen signifikant beeinflusst. Ebenso wiesen hitzegestresste Ziegen eine signifikant höhere Schwitzrate, aktivierte Schweißdrüsenanzahl, Hautepithel und Schweißdrüsenanzahl (Histometrie) auf. Die Metagenomik der Haut ergab eine signifikant veränderte Mikrobiota bei hitzegestressten Ziegen, wobei bei Kanni-Aadu-Ziegen eine diesbezüglich relativ größere Veränderung festgestellt wurde im Vergleich zu Reaktionen der Kodi-Aadi-Ziegen. Das veränderte transkriptomische und epigenetische Profil der Haut ist ein Indikator der signifikanten Auswirkungen von Hitzestress auf zellulärer und molekularer Ebene im Hautgewebe von Ziegen. Weitere Analysen ergaben, dass eine Reihe von Genen, die mit den Hautmerkmalen, der Adaption an Umweltbedingungen und der Immunreaktion in Zusammenhang stehen, signifikant exprimiert/methyliert sind. Weiteres Ergebnis dieser Studie war , dass die dunkel beschichteten Kanni Aadu-Ziegen empfindlicher auf Hitzestress reagieren im Vergleich zu den weiß beschichteten Kodi Aadu-Ziegen. Im Rahmen des Dissertationsvorhabens wurden erfolgreich grundlegende und detaillierte Informationen zu den Auswirkungen von Umweltstressoren auf der phänotypischen und genomischen Ebene bei Milchkühen und Ziegen gewonnen. In der allgemeinen Diskussion in Kapitel 8 werden die diesbezüglich herausragenden Ergebnisse der Kapitel 2 bis 7 in einem übergeordneten und gemeinsamen Kontext dargestellt. Die durchgeführten Studien sind auf weitere agro-ökologische Zonen übertragbar , um die Auswirkungen von Hitzestress und die Reaktion darauf bei verschiedenen Nutztierrassen zu vergleichen und zu verstehen. Darüber hinaus sollten auch multidisziplinäre Ansätze in Betracht gezogen werden, um die Auswirkungen verschiedener Umweltstressoren auf Merkmalsreaktionen verschiedener Tierarten simultan evaluieren zu können. Solche Ansätze können dazu beitragen, für die jeweilige agro-ökologische Zone die passende Nutztierart oder auch die am besten geeignetste Rasse, Nutztiere zu empfehlen. Environmental Stress in Dairy Cattle in the Challenging and Heterogeneous Socio-ecological Environments: Impacts on Phenotypic Trait Expressions and Genomic Influence. Agriculture is stated to be the backbone of India’s economic and social development. The livestock sector is an integral sub-sector of agriculture having multifaceted contributions to the growth and development of the agricultural sector in India. The livestock sector contributes to 4.11 % of the gross domestic product (GDP) and to 25.6% of total agriculture GDP of the country. Being the largest livestock owner in the world, India keeps 192.46 million cattle, representing about 35.94 % of the total Indian livestock population and 14.70 % of the total world’s cattle population. Likewise, India is the largest producer of buffalo meat and the second largest producer of goat meat. Livestock farming in India is predominated by small-scale farmers rearing animals in small-sized herds. In addition to supporting the small-scale farmers, who predominate the Indian livestock farming system, the livestock sector also plays a vital role in meeting the nutritional demands for the rising global human population. This sector, however, faces severe threats due to global warming, with the erratically changing climatic scenario. Climate change implies a direct and indirect impact on livestock, causing severe economic losses. The severity of climate change, especially heat stress, is predicted to be higher in the tropical countries when compared to temperate regions. Heat stress impairs the productive status of the animals with higher producing animals being more prone to heat stress adversities. In addition to detrimental effects on productivity, heat stress also impairs the animal’s reproductive performance, immune status and well-being. Reduction in feed and fodder production and shrinking pasturelands are among the few indirect consequences of climate change that further aggravates the climate change concern in livestock. In addition, the rising urbanization and industrialization worsens the scenario by indirectly contributing to environmental stress in livestock. This research aimed at assessing the impact of several environmental stressors including seasonal variation, heat stress, urbanization and environmental contaminants on the phenotypic and genetic profiles of Indian dairy cows reared in the rising Indian megacity, Bengaluru. Furthermore, the study also explored a novel insight to assess climate resilience in goats using a holistic skin-based approach incorporating some of the advanced next generation genome sequencing technologies. Chapter 2 is a literature review, which aimed at understanding the impact of heat stress on milk production in dairy cows. This review provides an overview of possible genotype-environment interactions in the heat stress context for traits of interest. This chapter also provides an insight into the existing various genomic tools and statistical model approaches to assess heat stress impact in dairy cows. A further paragraph outlines the possible genetic approaches to identify climate-resilient animals. There is a dearth in information content evaluating the effects of season, temperature humidity index (THI, an indicator to assess heat stress) and urbanization on dairy cattle responses. Chapter 3 addressed the impact of the mentioned concerns on production traits, energy efficiency indicators and hygiene traits in 96 dairy cows reared across the rural–urban interface of Bengaluru. Test day milk yield (MY), body condition score (BCS), body weight (BW), hock assessment score (HAS), udder hygiene score (UHS) and upper leg hygiene score (ULHS) were among the cow related phenotypic traits considered for the study. Season significantly influenced production and hygiene traits in cattle. Further, the survey stratification index (SSI), which distinguished the rural–urban gradient as rural, transition/mixed and urban, influenced most of the phenotypic traits, thereby revealing a predominant role of cattle management. The THI significantly influenced MY, BCS and HAS of dairy cows. This study also identified THI = 75 as heat stress threshold for dairy cows of Bengaluru. Chapter 4 is a comprehensive in-depth study considering 40 dairy cows of Bengaluru. The aim of this study was to assess the impact of seasonal transition and THI on adaptive responses in animals. Seasonal transition, from summer to monsoon, significantly influenced the physiological responses (respiration rate and skin surface temperature), hematological profiles (mean platelet volume and platelet distribution width (PDWc)), test day milk yield and milk composition (milk density, lactose, solids-not-fat (SNF) and salts). Likewise, THI also significantly influence respiration rate, skin surface temperature platelet count, plateletcrit and PDWc. This study also assessed the molecular responses of dairy cows with regard to the relative mRNA expression of selective heat stress associated genes. The environmental stressors significantly influenced the relative mRNA expression profiles of heat shock protein 70 (HSP70), interferon beta (IFNß), IFN?, tumor necrosis factor alpha (TNFa), growth hormone (GH) and insulin-like growth factor-1 (IGF-1) genes. Therefore, the study was successful in inferring mechanisms of environmental sensitivity of dairy cattle in Bengaluru with respect to physiological, hematological, production and molecular responses. The research design was expanded to 240 cows kept in small-scaled herds in Bengaluru, i.e., to identify genomic regions associated with milk production traits. A first-of-its-kind attempt was focused on the identification of signatures of selection for the commonly reared dairy cattle breeds (Holstein Friesian, Jersey and Crossbred) in Bengaluru (Chapter 5). Using genome-wide association studies (GWAS), two single nucleotide polymorphisms (SNPs), rs109340659 and rs41571523, were significantly associated with test-day milk yield. These SNPs are located in close proximity to the potential candidate genes fibrosin-like 1 (FBRSL) and calcium voltage-gated channel auxiliary subunit gamma 3 (CACN), which play a major role at various stages of milk production. Furthermore, the cross-population extended haplotype homozygosity (XP-EHH) methodology was adopted to scan the genome of the cattle for the identification of breed-specific selection signatures of selection. Identified signatures along with bio-informatics revealed d a number of genes that were associated with stress response mechanisms and adaptation pathways. Specifically, pathways included ubiquitination, immune response, cell signalling, cortisol synthesis and secretion, the prolactin signalling pathway, steroid hormone biosynthesis and thermogenesis. Consequently, the findings from this study indicate breed-specific selection towards thermal resilience. While climate change imparts a significant influence on dairy production, our study additionally identified urbanization (as depicted by SSI) as a factor that significantly influenced dairy cow traits in Bengaluru. Therefore, chapter 6 targeted a genomic study to identify selection response in dairy cows of Bengaluru due to urbanization and environmental contamination (reflected as consumption of lake fodder contaminated with heavy metals). This study identified a number of selection sweeps in cattle reared in rural, mixed and urban regions with quite large effects on BTA 21. The genes located in close proximity to the identified selection sweeps were Ras and Rab interactor 3 (RIN3), solute carrier family 24 member 4 (SLC24A4), tetraspanin 3 (TSPAN3), and proline-serine-threonine phosphatase interacting protein 1 (PSTPIP1). Functional enrichment analysis identified gene ontology (GO) and KEGG terms associated with reproduction, metabolism, and cell signalling-related functional mechanisms. Similarly, XP-EHH analysis for cadmium heavy metal contaminations revealed strong and intense positive selection sweeps on BTA 16 and BTA 19, which were in close proximity to genes regulating the somatotropic axis (growth factor receptor bound protein 2 (GRB2) and cell ion exchange (chloride voltage-gated channel 6 (CLCN6)). Lastly, the lead contaminated cow group revealed sweeps which were annotated with genes involved in carcass traits (TNNC2, SLC12A5, and GABRA4), milk yield (HTR1D, SLCO3A1, TEK, and OPCML), reproduction (GABRA4), hypoxia/stress response (OPRD1 and KDR), cell adhesion (PCDHGC3), inflammatory response (ADORA2A), and immune defence mechanism (ALCAM). The study was a novel and successful approach to identify and to infer genomic mechanisms of adaptation and genomic responses to environmental challenges in dairy cows. Lastly, chapter 7 focused on a further novel approach n to elucidate heat-stress responses considering a variety of hair and skin-based traits (phenotypes) and genomic variables in two indigenous goat breeds, Kanni Aadu and Kodi Aadu. As a first-time report, this study also assessed the transcriptomic, epigenetic and metagenomic response on skin and skin microbes (metagenomics) to heat stress in goats. Heat stress significantly influenced hair fiber characteristics (fiber length) and hair follicle qPCR profile (HSP70, HSP90, and HSP110) in goats. Likewise, heat stressed goats had a significantly higher sweating rate, activated sweat gland number, skin epithelium and sweat gland number (histometry). The skin metagenomics revealed significantly altered microbiota pattern in heat stressed goats, indicating a more extreme alteration in Kanni Aadu than in Kodi Aadi goats. Skin transcriptomics and epigenetics profiles pointed towards the significant impact of heat stress at the cellular and molecular levels in caprine skin tissue. Further analysis revealed a number of genes associated with skin characteristics, adaptation and immune response, which were significantly differently expressed/methylated. The findings from this study revealed stronger heat stress sensitivity of the dark coated Kanni Aadu goats compared to the responses of the white coated Kodi Aadu goats. This thesis was successful in providing a baseline and in-depth information with regard to the impact of environmental stressors at the phenotypic and genomic levels in dairy cattle and goats. Chapter 8 is a general discussion with focus on the prominent results from chapter 2 to 7. This study can be extended, i.e., across varied agro-ecological zones, and comparing heat stress impact and response among different livestock breeds. Furthermore, the developed framework for multidisciplinary approaches should be considered in future analyses to compare animal responses due to environmental stressors among livestock species. Such approaches may indicate most suitable breeds or livestock species for the specific agro-ecological zones.