Evaluation of gene expression in endometrial epithelial and immune cells and segregation of candidate genes polymorphisms in slick and non-slick cattle

Abstract

Under environmental conditions where the thermo-neutral zone of cattle is exceeded, the performance of the animals is affected due to heat stress. The selection of heat-tolerant cattle is a viable option to face the problems and economic losses caused by heat stress in cattle. The slick phenotype (SL) has been associated with an improved ability to dissipate heat and with having shorter calving intervals, compared to wildtype animals (WT). The first objective of this study was to investigate the apparent reproductive advantage in SL Holstein by analyzing if candidate genes express differentially between SL and WT Holsteins in endometrial tissue. Hypothesizing that the differences in expression would allow us to explain the molecular basis of the reproductive advantage of SL cattle. Using the real-time polymerase chain reaction (qPCR), the expression CCDC80, HSF1, HSPA1A, PGR, SPP1, STAT1, and TAP genes in endometrial samples collected via uterine swabs was compared in SL and WT cows and heifers. SL heifers tend to have an up-regulation of PGR (2.94-fold), compared to WT heifers (p=0.06). In addition, a higher expression of HSPA1A and HSF1 genes was observed in the sampling carried out in March 2021 where the temperature and humidity index (THI) was lower (THI = 73) than in the sampling carried out in November 2020 (THI=75). The second objective was to observe the segregation of polymorphisms in candidate genes in Holstein and Senepol cattle to identify possible genetic markers that help counteract the negative effects of HS in Puerto Rico. Association analysis of polymorphisms with molecular breeding values (MBV) and genomic predicted transmission ability (GPTA) for important traits was performed. In the SPP1 gene, the genotype in c.20C>T was associated with the GPTA for gestation length (GL) (pA had a significant effect on GPTA for milk production and daughter pregnancy rate. For HSPA1A, segregation of ten polymorphisms was observed in iii Holstein and Senepol cattle. In Holsteins, the polymorphisms c.*54G>A/c.*101C>T; c.*114T>C; c.*173C>T had an effect on the GPTA for GL (pA polymorphism was associated with the MBV for marbling, with the CC genotype being the favorable one (pC polymorphism affected the MBV for milk production, longevity, and calving ease maternal (CEM) (pC /c.*140A>G also affected MBV for CEM. The results presented herein for PGR expression could indicate that the differences in reproductive efficiency of SL and WT cattle could be potentially explained by differences in the concentrations of that hormone and receptor during the reproductive cycle. Furthermore, multiple candidate gene polymorphisms showed novel associations with economically important traits GPTA and MBV within our unique populations of SL and WT Holsteins and SL Senepols, which could be used in marker assisted selection and marker assisted management.

En condiciones ambientales en las que se supera la zona termoneutral del ganado se ve afectado el rendimiento de los animales debido al estrés por calor. La selección de ganado más termo-tolerante al calor es una opción viable para enfrentar los problemas y las pérdidas económicas que ocasiona el estrés por calor en ganado vacuno. El fenotipo pelon (SL) se ha asociado con una mayor capacidad para disipar el calor y con intervalos entre partos más cortos, en comparación con animales sin el fenotipo SL (WT). El primer objetivo del estudio fue investigar la aparente ventaja reproductiva en SL Holstein analizando si los genes candidatos se expresan de manera diferencial entre Holstein SL y WT en el tejido endometrial. Hipotetizando que las diferencias en la expresión nos permitirían explicar la base molecular de la ventaja reproductiva del ganado SL. Utilizando la reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real (qPCR), se comparó la expresión de genes candidatos CCDC80, HSF1, HSPA1A, PGR, SPP1, STAT1 y TAP en muestras de endometrio recolectadas a través de isopos uterinos en vacas y novillas SL y WT. Las novillas SL mostraron una tendencia (p=0.06) de regulación positiva de PGR (cambio de pliegue de 2.94), en comparación con las novillas WT. Además, se observó una mayor expresión de los genes HSPA1A y HSF1 en el muestreo realizado en marzo donde el índice de temperatura y humedad (THI) fue menor (THI = 73) que en el muestreo realizado en noviembre (THI=75). El segundo objetivo fue observar la segregación de polimorfismos en HSPA1A en ganado Holstein y Senepol, y en SPP1, CCDC80 y TAP en Holstein, para identificar posibles marcadores genéticos que ayuden a contrarrestar los efectos negativos de la HS en Puerto Rico. Se realizó un análisis de asociación de polimorfismos con valores genéticos moleculares (MBV) y capacidad de transmisión genómica predicha (GPTA) para rasgos importantes. En el gen SPP1, el genotipo para c.20C>T se asoció con el GPTA para la duración v de la gestación (GL) (pA tuvo un efecto significativo en GPTA para la producción de leche y la tasa de embarazo de las hijas. Para HSPA1A, se observó segregación de diez polimorfismos en ganado Holstein y Senepol. En Holstein, los polimorfismos c.*54G>A/c.*101C>T; c.*114T>C; c.*173C>T tuvieron un efecto sobre el GPTA para GL (pA se asoció con el MBV para el marmoleo, siendo el genotipo CC el favorable (pC afectó el MBV para producción de leche, longevidad y facilidad de parto materna (CEM) (pC /c.*140A>G también afectó el MBV para CEM. Los resultados observados en la expresión de PGR podrían indicar que las diferencias en la eficiencia reproductiva del ganado SL y WT pueden explicarse potencialmente por las diferencias en las concentraciones de esa hormona y su receptor durante el ciclo reproductivo. En adición, múltiples polimorfismos de genes candidatos mostraron asociaciones novedosas con los GPTA y MBV para rasgos económicamente importantes dentro de nuestras poblaciones únicas de Holstein SL y WT, y Senepol SL. Estos podrían usarse en selección asistida por marcadores y manejo asistido por marcadores.