The potential of gene editing and genomic selection in improving quantitative traits: A simulation study regarding dual-purpose chicken

Abstract

The practice of chick culling is the killing of day-old chicks of the layer line chicken. Because of their inability to lay eggs and inefficiency to grow meat, killing them instead of raising them is more economically efficient. In recent years, this practice has raised ethical concerns and led to the ban of this practice in several countries, including Germany and France. One of the several possible solutions is the use of dual-purpose chicken. Unlike the commercial layers, the dual-purpose chicken has abilities in both egg laying and meat production. Even though dual-purpose chicken has better meat growth performance compared to the commercial layers, the use of dual-purpose chicken is still challenging. One of the major challenges to improve dual-purpose chicken is the negative correlation between egg production and meat production. To cope with this negative correlation, some have proposed that gene editing could be a helpful tool to mitigate the problem. The aim of this simulation study is to explore the potential of gene editing to improve negatively correlated quantitative traits. To be more specific, given the aforementioned reasons, the negative correlation between the meat and egg production traits in chicken was chosen as the topic of this study. That is, chicken breeding programs that develop and improve dual-purpose chicken were simulated to discuss the potential of gene editing in animal breeding programs. Chapter 1 begins this thesis with a general introduction of the background to the problem of chick culling, the challenge of developing dual-purpose chicken, and the use of gene editing. Some previous simulation studies on the use of gene editing to improve quantitative traits in animal breeding programs is also introduced in this chapter. Chapter 2 presents a literature review that discusses how gene editing technologies could change the breeding and production of farm animals. In accordance with this thesis's aim, a specific focus was placed on improving quantitative traits. By reviewing the technical and social limitations of gene editing, this review provides a basis for further discussion of the feasibility of the gene-editing implementation as presented in the next chapters. Chapter 3 introduces the simulation framework to explore the potential of gene editing in chicken breeding programs. This framework first simulates two divergently selected lines that reflect the commercial layers and broilers. Based on these two lines, two alternative breeding programs were simulated. One is to develop a dual-purpose line from a layer line (the L-Pure Scenario), while the other selects and improves a synthetic line obtained from a cross between a layer line and a broiler line (the L-B cross scenario). In both breeding schemes, gene editing was integrated into the genomic selection scheme applying optimal contribution selection. The simulation presented in Chapter 4 considers multiplex genome editing that could edit five to one hundred single nucleotide variants at a time. These variants include the causal variants and other falsely edited variants. The results suggest that multiplex gene editing is beneficial in both the L-Pure and the L-B cross scenarios. It also demonstrated that when the risk of negative off-target effect exists, editing more nucleotides does not guarantee extra genetic gain. The simulation presented in Chapter 5 considers the introduction of major genes that would have larger effects on meat production. Here, only the L-Pure scenario is considered. Different to Chapter 4, in this chapter, editing is only possible with only one gene at a time. This chapter aims to study the effects of the numbers of major genes and the pleiotropy (on egg production and meat production). The results suggest that gene editing would be beneficial in dual-purpose chicken breeding programs when the gene is mildly pleiotropic. Chapter 6 ends the thesis with a general discussion that covers the limitations of this study and the possibilities to further expand the simulation study.

Beim Kükentöten werden die ein Tag alten männlichen Küken von Legehennen getötet. Aufgrund ihrer Unfähigkeit zu Legen und die langsame Wachstumsrate, ist es oft rentabler diese Küken zu töten, statt aufzuziehen. Zuletzt hat dieser Prozess ethische Bedenken aufgeworfen und zum Verbot des Kükentötens in mehreren Ländern, wie beispielsweise Deutschland und Frankreich, geführt. Eine mögliche Problemlösung stellt die Verwendung von Zweinutzungshühnern dar. Im Gegensatz zu den kommerziellen Legehennen, zeichnen sich Zweinutzungsrassen durch eine ausgeglichene Leistung sowohl in der Legeleistung als auch in Mastleistung aus. Obwohl männlichen Hähnen im Vergleich zu den Legehennen besser Schlachtleistung haben, die Verwendung von Zweinutungshuhne ist noch herausfordernd. Eine der größten Herausforderungen in der Zucht und Verwendung von Zweinutzungshühnern ist die unerwünschte Korrelation zwischen Lege- und Schlachtleistungen. Hierbei bietet Gen-Editierung einen möchlichen Lösungsansatz. Das Ziel der vorliegenden Simulationsstudie war es, das Potenzial der Gen-Editierung der quantitativen Merkmale mit unerwünschten Beziehungen zu verbessern. Um genauer zu sein, aufgrund der vorhergesagten Zusammenhänge, Schlachtleistung und Legeleistung wird als das Thema dieser Studie gewählt. Hierfür wurde ein Zuchtprogramm für Zweinutzungshühner simuliert, um das Potenzial der Gen-Editierung zu untersuchen. Kapitel eins führt in das Thema dieser Arbeit ein und gibt einen allgemeinen Überblick über den Hintergrund des Kükentötens, die Herausforderungen bei der Zucht der Zweinutzungshühner und das Potenzial der Gen-Editierungstechnologien. In dieser Einleitung wurde die vergangene ähnliche Simulationstudie übers das Thema Gen-Editierung und quantitative Merkmale in Tierzüchtung auch vorgestellt. Kapitel zwei gibt einen umfassenden Literaturüberblick,wie Gen-Editierungtechnologien die Tierzüchtung und Tierproduktion verändern können. Im Einklang mit dem Ziel dieser Doktorarbeit, liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Verbesserung der quantitativen Merkmale. Dieser Literaturüberblick über die technischen und gesellschaftlichen Herausforderungen der Anwendung von Gen-Editierung in der Tierzüchtung dient als die Grundlage für die nachfolgende Diskussion über die Durchführbarkeit der simulierten Szenarien mittels Gen-Editierung. Kapitel drei präsentiert ein Simulationsprotokoll zur Auswertung des Potenzials der Gen-Editierung in einem Geflügel Zuchtprogramm. Dieses Protokoll simuliert zunächst die langjährige Zucht auf entweder Ei- oder Fleischleistung für 100 Generationen. Die resultierende Legehennen- und Mastgeflügellinien dieses Prozesses werden dann als Basis für zwei Züchtungsschemata benutzt. Im ersten Schema (die L-Pure) werden aus den Legehennenlinien Zweinutzungslinien gezüchtet. Im zweiten Schema (die LB-Cross) werden aus den Nachkommen einer Kreuzung aus Legehennen und Masthühnern neue Zweinutzunglinien gezüchtet. In beiden Züchtungsschemata ist die Gen-Editierung als Zusatz zur genomischen Selektion evaluiert. Kapitel vier präsentiert die Ergebnisse der Simulation zur Multiplex-genomischen Editierung. Fünf bis 100 einzelne Nukleotid Varianten wurden per Editierung simuliert. Diese Varianten beinhalteten sowohl die kausale Variante als auch falsch-positive Varianten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Multiplex-genomische Editierung in beiden Szenarien, sowohl im L-Pure- als auch im LB-Cross-Szenario hilfreich sein konnte. Die Ergebnisse zeigten außerdem, dass bei einem bestehenden Risiko negativer Off-Target-Effekte die Editierung von mehr Nukleotiden keinen zusätzlichen genetischen Gewinn garantiert. Kapitel fünf beschreibt die Simulation der Einbringung von Hauptgenen (Varianten), die großen Effekte haben. Lediglich das Szenario L-Pure ist in diesem Kapitel betroffen. Anders als in Kapitel vier, ist jede Editierung jeweils auf ein Gen beschränkt. Das Ziel hier war es, die Auswirkungen der genetischen Architektur und der Pleiotropie auf die Leistungen in der Eier- und Fleischproduktion zu diskutieren. Die Ergebnisse zeigten, dass bei milder Pleiotropie die Gen-Editierung vorteilhaft für Zuchtprogramme für Zweinutzungshühner wäre. Kapitel sechs beinhaltet eine allgemeine Diskussion. Die Einschränkungen dieser Studie und die weiteren Möglichkeiten zur Erweiterung der Simulation werden diskutiert.