Genomic analyses of behavior traits in laying hen lines divergently selected for feather pecking

Feather pecking is a longstanding problem in commercial layer flocks. It often causes injured birds and even cannibalism. In the past, hens were beak trimmed to reduce feather pecking. Nevertheless, this procedure is already prohibited in some EU countries. Hence, a solution to this problem is urgently needed. The experimental populations analyzed in this thesis were formed by hens based on a White Leghorn layer strain which were divergently selected for high and low feather pecking since 1995. The first experimental population of this thesis was an F2 cross of about 900 hens which was established of the 10th generation of the pure selection lines. The second population consisted of about 500 hens of the 15th generation of these two lines. The aim of this thesis was to gain further knowledge of the genetic background of feather pecking and its relation to additional behavior traits and the gut microbiome. In chapter one, a novel model to detect extreme feather pecking hens was developed. Therefore, a mixture of two negative binomial distributions was fitted to feather pecking data of the F2 cross. With the estimated parameters, the trait posterior probability of a hen to belong to the extreme feather pecking subgroup (pEFP) was calculated. The fear tests tonic immobility and emerge box were conducted at juvenile and adult age of the hens to relate fearfulness to pEFP. After dichotomization, all traits were analyzed in a multivariate threshold model and subsequent genomewide association studies (GWAS) were performed. The fit revealed that extreme feather peckers made up a proportion of about one third of the hens. The new trait pEFP has a medium heritability of 0.35 and is positively correlated with the fear traits. Breeding for this new trait could be an option to reduce the proportion of extreme feather peckers. An index of fear related traits might serve as a proxy to breed indirectly against pEFP. In chapter two, the model to detect extreme feather pecking hens was applied to the pure selection lines. After calculation of the trait pEFP, GWAS with a subsequent post GWAS analysis were performed. Additionally, to find genomic regions influencing feather pecking, selection signatures were mapped by applying the intra-population iHS and the inter-population FST approach. Mapping of selection signatures revealed no clear regions under selection. GWAS revealed a region on chromosome one, where the existence of a quantitative trait locus (QTL) influencing feather pecking is likely. The candidate genes found in this region are a part of the GABAergic system. Despite the polygenic nature of feather pecking, selection on these candidate genes may reduce the extreme occurrence of it. In chapter three, the relation between agonistic behavior and feather pecking was analyzed. Therefore, the active parts of the traits (delivery of feather pecking, aggressive pecking or threatening) as well as the passive parts (reception of the traits) were considered. These groups of traits were additionally summarized by means of an index formation which led to the two additional traits Activity and Passivity, because all these behaviors are undesired in their excessive manifestations. Moreover, Indices were built by subtracting the passive traits from the respective active traits to obtain the feather pecking index, the aggression index and the threat index. Phenotypic correlations were estimated between all traits which were followed by heritability estimations and GWAS. Feather pecking is significantly positively correlated with the agonistic traits in both lines. The active traits and the feather pecking index show medium heritabilities. Hence, selection on high feather pecking leads to an increase of agonistic behavior whereas the correlation probably depends on the phase of establishing the social hierarchy and might disappear, after a stable ranking is established. GWAS revealed that the heritable traits in this study seem to be typical quantitative traits. Chapter four provides the analyses of the gut microbial composition of the two feather pecking lines, followed by the estimation of microbiabilities for feather pecking and the two agonistic behavior traits, to study the influence of the gut microbiome on behavior. Microbiota samples from digesta and mucosa were taken from ileum and caecum. The microbial communities were determined by using 16S RNA gene sequencing techniques. Although both lines differ significantly in some fractions of their gut microbial composition, the microbial animal effects were mostly negligibly small. Thus, the calculated microbiabilities were close to zero and not significant in both lines and for all traits investigated. Hence, trait variations were not affected by the gut microbial composition in both feather pecking lines. The thesis ends with a general discussion where additional results of a meta-analysis of pEFP and breeding strategies against feather pecking are considered.

Federpicken ist ein lange bestehendes Problem in kommerziellen Legehennenherden. Es führt häufig zu Verletzungen und sogar Kannibalismus. In der Vergangenheit wurden Schnäbel gekürzt, um das Federpicken zu reduzieren. Da dieses Verfahren in einigen EU-Ländern bereits verboten ist, ist eine Lösung dringend erforderlich. Die analysierten Versuchspopulationen bildeten Hennen, die auf einer Weißen Leghorn Legerasse basierten und seit 1995 divergent für hohes und niedriges Federpicken selektiert wurden. Die erste Versuchspopulation war eine F2-Kreuzung von etwa 900 Hennen, die aus der 10. Generation der reinen Selektionslinien gebildet wurde. Die zweite Population bestand aus etwa 500 Hennen der 15. Generation dieser beiden Linien. Das Ziel war es, weitere Erkenntnisse über den genetischen Hintergrund des Federpickens und dessen Beziehung zu weiteren Verhaltensmerkmalen sowie dem Darmmikrobiom zu gewinnen. Im ersten Kapitel wurde ein neuartiges Modell zum Nachweis extremen Federpickens ausgearbeitet. Dazu wurde eine Mischung aus zwei negativen Binomialverteilungen an die Federpickdaten der F2-Kreuzung angepasst. Mit den geschätzten Parametern wurde das Merkmal die a posteriori Wahrscheinlichkeit einer Henne, zur Untergruppe der extremen Federpicker zu gehören (pEFP), berechnet. Die Furchttests tonische Immobilität und Emerge Box wurden in juvenilem und adultem Alter durchgeführt, um die Furcht mit pEFP in Beziehung zu setzen. Nach der Dichotomisierung wurden alle Merkmale in einem multivariaten Schwellenwertmodell analysiert und anschließend genomweite Assoziationsstudien (GWAS) durchgeführt. Extreme Federpicker machten etwa ein Drittel der Hennen aus. Das neue Merkmal pEFP hat eine mittlere Heritabilität von 0,35 und ist positiv mit den Furchtmerkmalen korreliert. Die Züchtung dieses neuen Merkmals könnte den Anteil extremer Federpicker reduzieren. Ein Index der furchtbezogenen Merkmale könnte als Hilfsmerkmal dienen, um indirekt gegen pEFP zu züchten. Im zweiten Kapitel wurde das Modell zum Nachweis extremer Federpicker auf die zwei reinen Selektionslinien angewandt. Nach der Berechnung des Merkmals pEFP wurden GWAS mit einer anschließenden post GWAS Analyse durchgeführt. Um zusätzlich genomische Regionen zu detektieren die das Federpicken beeinflussen, wurden Selektionssignaturen mittels intra- (iHS) und inter-Populations-Ansatz (FST) kartiert. Diese Kartierung ergab keine eindeutigen Regionen, an denen Selektion stattgefunden hat. Die GWAS zeigte eine Region auf Chromosom eins, in der die Existenz eines quantitative trait locus, welcher Federpicken beeinflusst, wahrscheinlich ist. Die gefundenen Kandidatengene sind ein Teil des GABA-Systems. Trotz der polygenen Natur des Merkmals Federpicken könnte die Selektion auf diese Kandidatengene das extreme Auftreten des Federpickens reduzieren. In Kapitel drei wurde die Beziehung zwischen agonistischem Verhalten und Federpicken analysiert. Dabei wurden die aktiven (Ausübung des Federpickens, aggressiven Pickens oder Drohens) und die passiven (Empfang der Merkmale) Anteile der Merkmale betrachtet. Diese Merkmalsgruppen wurden in einer Indexbildung zusammengefasst, die zu den beiden Merkmalen Aktivität und Passivität führte, da all diese Verhaltensweisen in ihrer exzessiven Ausprägung unerwünscht sind. Es wurden Indizes gebildet, indem die passiven von den jeweiligen aktiven Merkmalen subtrahiert wurden, um den Federpick-, Aggressions- und Bedrohungsindex zu erhalten. Zwischen allen Merkmalen wurden phänotypische Korrelationen und Heritabilitäten geschätzt und GWAS angewandt. Federpicken ist signifikant positiv mit den agonistischen Merkmalen in beiden Linien korreliert. Die aktiven Merkmale und der Federpick-Index zeigen mittlere Heritabilitäten. Daher führt die Selektion auf hohes Federpicken zu einer Zunahme des agonistischen Verhaltens, wobei die Korrelation wahrscheinlich von der Phase der Etablierung der sozialen Hierarchie abhängt. Die GWAS ergab, dass es sich um typische quantitative Merkmale zu handeln scheint. Kapitel vier enthält die Analysen der Darmmikrobiota der beiden Linien, sowie die Schätzung der Microbiabilities für Federpicken und agonistischer Verhaltensmerkmale, um den Einfluss des Darmmikrobioms auf das Verhalten zu untersuchen. Mikrobiotaproben aus der Digesta und Mucosa wurden aus Ileum und Caecum entnommen. Die Mikrobengemeinschaften wurden mit Hilfe von 16S-RNA Gen-Sequenzierungstechniken bestimmt. Obwohl sich beide Linien in einigen Fraktionen ihrer mikrobiellen Zusammensetzung im Darm signifikant unterscheiden, waren die mikrobiellen Tiereffekte meist vernachlässigbar gering. Somit waren die berechneten Microbiabilities nahe Null und nicht signifikant. Dies bedeutet, dass die Merkmalsvariation nicht durch die Zusammensetzung des Darmmikrobioms beeinflusst wurde. Die Dissertation endet mit einer allgemeinen Diskussion, in der zusätzliche Ergebnisse einer Meta-Analyse sowie Zuchtstrategien gegen Federpicken berücksichtigt werden.