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Rostellato, Roberta (2015) Innovation in the pig breeding sector: new traits, new models and new methods in breeding value prediction. [Ph.D. thesis]

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Thesis not accessible until 11 November 2023 for intellectual property related reasons.
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Abstract (italian or english)

The most important income for the pig industry in Italy arises from the processing of meat in high-added-value typical products, mainly dry-cured hams having Protected Designation of Origin (PDO) label. Even through use of purebred pigs is not an exception, raw thighs are largely obtained from crossbred (CB) animals, which are slaughtered at heavy body weight (BW) (nearly 165 kg) and advanced age (270 d or more).
Breeding programs of pig lines linked to dry-cured ham production should focus on enhancement of growth performance, carcass traits and qualitative and technological properties of green thighs, in order to comply the rules dictated by the disciplinary of production. Moreover, the breeding goal (aggregate genotype) must be defined at the level of the “CB slaughter animal”, so that the unfavourable effect on selection response due to genetic differences between purebreds (PB) and crossbreds, but also to environmental differences between nuclei and commercial farms, is alleviated. Given that breeding values (EBV) estimated using purebred phenotypes are often poorly related to the breeding goal defined at crossbred levels, the approach called “combined crossbred-purebred selection” is used in traditional genetic evaluation. It consists in estimation the EBV for the relevant traits using both PB and CB information. This approach is troublesome because it requires the availability of crossbred animals (half-sibs of the PB breeding candidates) which must be specifically reared as tested animals, and the phenotypic records of traits difficult and expensive to measured (as ham quality traits and curing losses). Moreover, EBV for members of a PB full-sibs family are identical when no PB individual information is available.

The main aim of this thesis was to provide new knowledge about innovative traits important in heavy pig industry and to propose new statistical models and genetic evaluation procedures to enhance the prediction of breeding values for carcass traits, and qualitative and technological properties of raw thighs.
The studies were carried out in collaboration with an Italian breeding company, Gorzagri s.s. (Fonzaso, Italy). It aims at producing boars (C21 line) and gilts (Goland line) used in commercial farms as sires and dams of CB pigs which are reared for production of PDO dry-cured hams.

The first part of this thesis aimed to investigate the prevalence and the genetic determinism of boar taint (BT), a new trait related to both meat quality and animal welfare which is becoming increasingly important for pig industries in EU countries after the decision to ban surgical castration of piglets from 1 January 2018, and hence, the need to find alternative to reduce BT in entire male pigs.
The objectives of the study were: to evaluate the prevalence of BT in intact male pigs at 160 and 220 d of age, and to estimate the genetic parameters for BT compounds at the two different ages and the genetic relationships with growth traits.
Contents of androstenone (AND), skatole (SKA) and indole (IND) have been quantified by HPLC with fluorescence detection in biopsy samples of adipose tissues collected in-vivo from the neck area of 500 C21 entire male pigs at 160 and 220 d of age. In addition, for 100 of the investigated animals, BT compounds were quantified also in a sample of subcutaneous fat of raw thighs collected at slaughterhouse.
Contents of BT compounds measured in intact male pigs at 220 d were higher than those found at 160 d of age, as well as the percentage of samples that exceeded the sensory thresholds discriminating tainted from untainted carcasses. Thus, the prevalence of BT is expected to be greater in mature and heavy pigs in respect to young and light pigs. The high phenotypic correlations between the contents of BT compounds measured in backfat and ham subcutaneous fat suggest that BT might be relevant also in PDO dry-cured hams. Medium-high heritabilities were found for contents of BT compounds at both ages, indicating that reduction of BT by means of genetic selection seems a valid alternative to surgical castration in pigs slaughtered at heavy BW. Genetic correlations between the contents of BT compounds measured at the two different ages were moderate to high. However, Spearman’s rank correlations revealed that the breeding candidates ranked differently when measures of BT compounds taken at the different ages are used. Finally, weak genetic correlations were found between BT compounds and growth traits, indicating that selective breeding to decrease the contents of AND, SKA and IND is expected to have trivial effects on growth performance.

In the second section of this thesis the contribution of social genetic effects on variation of carcass and ham quality traits was investigated. In the current breeding program of C21 line the impact of the genetic effect of an individual on phenotypes of its pen mates (called social genetic effects or heritable social effects) is neglected. If present, social genetic effects are part of the total heritable variance and they affect the response to selection.
The aims of this study were to estimate (co)variance components for body weight adjusted at 270 d (BW270), carcass and ham quality traits using direct and competitive models, and to compare the ability of such models to fit the data.
The study was carried out on 9,871 CB finishing pigs raised in social groups containing from 4 to 7 individuals (6.1 pigs per group on average). Four sequential univariate animal models were compared through likelihood ratio test. REML estimates of covariance components were obtained for BW270, carcass backfat depth and lean meat (CLM), iodine number (IOD) and linoleic acid content of raw ham subcutaneous fat, subcutaneous fat depth in the proximity of semimembranosus and quadriceps femoris muscles, and linear scores for ham round shape (RS), subcutaneous fat (SF), and marbling.
Model comparison based on likelihood ratio test revealed that the model accounting for heritable social effects was significantly better than the best direct model for BW270, CLM, IOD, RS, and SF. The contribution of social genetic effects to the total heritable variance was large for CLM and BW270, whereas the one for ham quality traits was lower. The correlation between direct and social additive genetic effects was positive for BW270, but it was not significantly different from zero, suggesting independence between direct and social genetic effects for this trait. In contrast, a negative genetic covariance between direct and associative components was found for CLM, IOD, RS, and SF, which reduced the total heritable variance exploitable for genetic selection. The results obtained in this study suggest that social genetic effects affect variation in traits relevant for heavy pigs used in dry-cured hams manufacturing and, hence, the procedures for estimation of breeding values should take heritable social effects into account.

The third part of this thesis aimed to investigate new methods including genomic information in order to enhance the EBV prediction for traits related to carcass, ham quality and manufacturing of dry-cured hams. Genomic selection (GS) approach might overcome some of the drawbacks of current procedures for genetic evaluation of C21 line based on sib-testing.
The objective of the first study regarding GS was to develop and to investigate GS procedures based on single step BLUP (SSBLUP) methodology for genomic evaluation of PB breeding candidates of C21 boar line for traits relevant for dry-cured ham production.
Observations on BW270, carcass and ham quality traits were recorded from 11,488 CB finishing pigs. In addition, for 1,878 of the investigated animals, phenotypes for weight losses occurring during salting, resting and curing production stages were available. To constitute the reference population, 1,088 CB pigs, 136 nucleus boars (C21_NB: sires of CB tested pigs) and 500 C21 half-sibs of CB animals (C21_HS: half-sibs of CB tested animals) were genotyped for 8,826 single nucleotide polymorphisms using GGP Porcine LD Chip. Traditional evaluation was performed using BLUP methodology, whereas genomic evaluation was carried out using SSBLUP method which combine pedigree and genomic information in order to estimate genomic breeding values (GEBV) for both genotyped and ungenotyped animals. Pearson’s correlation coefficients between EBV and GEBV (r_(EBV,GEBV)) were calculated in order to compare traditional and genomic evaluation. In addition, the 500 C21_HS with genotypic information were used to validate the prediction equation.
High r_(EBV,GEBV) were observed for all the investigated traits for both CB animals, C21_NB, suggesting that genetic merit estimated using GS was consistent with breeding values prediction from traditional evaluation. Positive and moderate to high r_(EBV,GEBV) were observed for C21_HS used in validation population. Differences in ranks of breeding candidates were found when they were based on traditional EBV or GEBV. In contrast to EBV, GEBV differed for members of a PB full-sibs family when they had genomic information. Thus, GS allows to choose the best animals based on “individual” genetic merit rather than “family” merit, increasing the accuracy of selection and reducing the rate of inbreeding. In addition, GS procedures might simplify genetic evaluation of PB breeding candidates of C21 boar line for traits difficult to measure.
As found in the second part of this thesis, competitive models provided a better fit than classical direct model for BW270, CLM, IOD, RS and SF. Hence, for these traits, traditional genetic evaluation accounting for heritable social effects was compared to SSBLUP analysis performed using a competitive model. The dataset used in this study was the same described above. For animals in validation population, positive and moderate to high Spearman’s correlation coefficients between direct EBV and direct GEBV were found for all the investigated traits, as well as between total breeding values and total genomic breeding values (TGBV). Hence, differences in ranks of breeding candidates were observed even when social genetic effects were included in the genomic evaluation. In fact, GS procedures accounting for heritable social effects allow to obtain individual TGBV rather than “family” TBV, increasing the benefit of GS for genetic evaluation of PB boar lines linked to dry-cured ham production.

Abstract (a different language)

I profitti più rilevanti per l’industria suinicola italiana derivano dalla trasformazione della carne in prodotti tipici di alto valore economico, principalmente prosciutti crudi con Denominazione di Origine protetta (DOP). Le cosce fresche destinate alla produzione dei prodotti DOP derivano principalmente da soggetti ibridi che vengono macellati a pesi elevati (circa 165 kg) e ad età avanzate (almeno 270 giorni).
I programmi di selezione delle linee suine destinate alla produzione dei prosciutti crudi dovrebbero focalizzarsi sul miglioramento delle prestazioni di crescita, della qualità della carcassa e delle caratteristiche qualitative e tecnologiche delle cosce fresche, cosicché i requisiti dettati dai disciplinari di produzione siano soddisfatti. In questo scenario gli obiettivi di selezione devono essere definiti a livello di soggetto ibrido, piuttosto che a livello di linea pura. I valori genetici (breeding values, EBV) stimati utilizzando le informazioni fenotipiche dei soggetti di linea pura sono poco correlati con gli obiettivi di selezione definiti al livello dei soggetti ibridi. Per questo la valutazione genetica dei candidati riproduttori di linea pura attualmente avviene attraverso un approccio che combina informazioni derivanti sia da soggetti puri che da soggetti ibridi. Questo approccio presenta alcune criticità dovute alla necessità di allevare appositamente soggetti ibridi (mezzi fratelli dei candidati riproduttori di linea pura) per ottenere i rilievi fenotipici per caratteristiche che alcune volte sono difficili da misurare (come i caratteri di qualità della coscia o i cali di stagionatura). Inoltre, quando nella valutazione genetica non sono incluse informazioni fenotipiche rilevate sugli animali di linea pura, i EBV per i candidati riproduttori che appartengono alla stessa famiglia di fratelli pieni sono identici.

L’obiettivo principale della tesi è stato quello di fornire nuove conoscenze su caratteri innovativi per l’industria del suino pesante e di proporre nuovi modelli statistici e procedure di valutazione genetica per migliorare la predizione dei EBV per caratteri legati alla qualità della carcassa e delle cosce fresche destinate alla produzione dei prosciutti crudi DOP.
Gli studi qui presentati sono stati condotti in collaborazione con un’azienda suinicola italiana, Gorzagri s.s (Fonzaso, Italia). Essa ha come obiettivo la produzione di verri (linea C21) e scrofe (linea Goland) usati negli allevamenti commerciali come padri e madri di soggetti ibridi destinati alla produzione dei prodotti DOP.

La prima parte della tesi si proponeva di studiare l’incidenza e il determinismo genetico dell’odore di verro, un nuovo carattere associato sia alla qualità della carne che al benessere animale, il quale sta diventando sempre più rilevante per l’industria suinicola italiana ed europea dopo la decisione di abbandonare la castrazione chirurgica dei suinetti maschi a partire dal 1 gennaio 2018. Questo impone la necessità di trovare valide alternative a questa pratica per ridurre l’odore di verro nei suini maschi interi.
Allo scopo di indagare la possibilità di sfruttare la selezione genetica per limitare l’odore di verro nel suino pesante, gli obiettivi dello studio sono stati: valutare la prevalenza dell’odore di verro in suini maschi interi di 160 e 220 giorni d’età e stimare i parametri genetici per i composti responsabili del problema alle due diverse età nonchè le relazioni genetiche che intercorrono tra questi e i caratteri legati all’accrescimento.
I contenuti di androstenone (AND), scatolo (SCA) e indolo (IND) sono stati quantificati tramite cromatografia liquida ad alta prestazione in microcampioni di tessuto adiposo prelevati in-vivo dalla regione del collo di 500 suini maschi interi della linea C21 al raggiungimento dell’età di 160 e 220 giorni. Inoltre, per 100 di essi, i composti sono stati quantificati anche in un campione di grasso di copertura della coscia prelevato in sede di macellazione.
Le concentrazioni dei tre composti misurati nel grasso di animali di 220 giorni sono risultati superiori a quelli riscontrati a 160 giorni di età, così come la percentuale di campioni che superano i limiti di accettabilità utilizzati per discriminare le carcasse affette o meno dall’odore di verro. Questo suggerisce che l’incidenza del problema dell’odore di verro è maggiore nei suini più pesanti e maturi da un punto di vista sessuale. Inoltre, un’elevata correlazione è stata riscontrata tra il contenuto di AND, SCA e IND nel grasso dorsale e nel grasso di copertura delle cosce, suggerendo che il problema può essere rilevante anche nei prosciutti crudi DOP. I composti responsabili dell’odore di verro hanno mostrato un’elevata ereditabilità ad entrambe le età, confermando che la selezione genetica potrebbe essere una valida soluzione per ridurre l’odore di verro anche in suini macellati a pesi elevati. Le correlazioni genetiche tra AND, SCA e IND misurati alle due diverse età sono risultate di grado moderato o elevato. Tuttavia, sono state riscontrate delle differenze nelle classifiche dei candidati riproduttori quando i fenotipi misurati alle due diverse età sono stati usati per la stima dei EBV. Infine, le correlazioni genetiche tra AND, SCA e IND e caratteri legati all’accrescimento sono risultate modeste, suggerendo che la riduzione della concentrazione di questi composti nel tessuto adiposo tramite selezione genetica non dovrebbe influenzare le prestazioni di crescita in suini non castrati.

Nella seconda parte di questa tesi è stato esaminato in contributo degli effetti sociali sulla variabilità di caratteri legati alla qualità della carcassa e della coscia in suini pesanti. Le attuali procedure di valutazione genetica della linea C21 non tengono in considerazione l’influenza che il genotipo di un animale ha sul fenotipo dei suoi compagni di gruppo (effetto sociale). Se presenti, gli effetti sociali contribuiscono alla varianza ereditabile e quindi possono influenzare la risposta alla selezione. Lo studio si è quindi proposto di stimare le componenti di varianza per il peso a 270 giorni di età (PESO270), caratteri di qualità della carcassa e della coscia utilizzando modelli genetici “classici” e modelli competitive (che includono gli effetti sociali), nonché determinare la bontà dell’adattamento ai dati di questi modelli.
Lo studio è stato condotto su 9,871 suini ibridi Goland allevati in gruppi contenenti da 4 a 7 individui, con dimensione media del gruppo pari a 6.1 suini. Quindi, quattro modelli sequenziali sono stati utilizzati per la stima delle componenti di varianza.
Il confronto dei modelli ha rivelato che il modello competitive mostra un miglior adattamento ai dati rispetto ad un modello che considera solo gli effetti genetici additivi per il PESO270, la percentuale di carne magra in carcassa (CM), il numero di iodio, la globosità e lo spessore del grasso sottocutaneo misurati sulla coscia. Gli effetti sociali contribuiscono in modo considerevole alla varianza ereditabile per il PESO270 e CM, mentre hanno un effetto meno rilevante per gli altri caratteri esaminati. La correlazione tra la componente genetica additiva e quella sociale è risultata negativa per i caratteri legati alla qualità della carcassa e della coscia, causando una diminuzione della varianza ereditabile sfruttabile per la selezione di questi caratteri. In conclusione, lo studio ha dimostrato che gli effetti sociali contribuiscono alla variabilità di caratteri rilevanti nel suino pesante destinato alla produzione dei prosciutti crudi DOP e, quindi, le attuali procedure per la valutazione genetica della linea C21 dovrebbero includere anche la componente sociale.

La terza parti della tesi ha riguardato lo studio di nuove procedure di valutazione genetica basate sulla selezione genomica (SG). L’obiettivo è quello di migliorare la predizione dei EBV per caratteri importanti nel suino pesante superando alcune delle criticità dell’attuale sistema di valutazione genetica della linea C21 basato su un programma di sib-testing.
In un primo lavoro, sono state studiate procedure di SG basate sulla metodologia single-step BLUP (SSBLUP). Le informazioni fenotipiche per caratteri riguardanti la qualità della carcassa e della coscia sono state registrate in 11,488 suini ibridi Goland. Per 1,878 animali sono stati inoltre rilevati i cali di peso della coscia durante le diverse fasi di trasformazione in prosciutto crudo. Allo scopo di costituire la popolazione di riferimento per lo sviluppo dell’equazione di predizione dei breeding values genomici (GEBV), 1,088 soggetti ibridi, 136 verri nucleo di linea C21 (C21_VN) e 500 soggetti C21 mezzi fratelli degli animali ibridi (C21_MF) sono stati genotipizzati per 8,826 polimorfismi a singolo nucleotide utilizzando il DNA chip GGP Porcine LD Chip. La valutazione genetica tradizionale è stata condotta sfruttando la metodologia BLUP, mentre la valutazione genomica si è basata su un approccio SSBLUP. L’equazione di predizione dei GEBV è stata validata utilizzando i 500 C21_MF con genotipo come popolazione di validazione. La valutazione genetica tradizionale e quella genomica sono state confrontate tra loro attraverso la correlazione tra EBV e GEBV (r_(EBV,GEBV)). Elevati coefficienti di correlazione tra EBV e GEBV sono stati osservati sia per i soggetti ibridi genotipizzati che per gli individui C21_VN, suggerendo che le stime dei GEBV sono simili a stime accurate dei EBV ottenute con metodi tradizionali. Per quanto concerne i soggetti inclusi nella popolazione di validazione, r_(EBV,GEBV) sono risultate di entità minore rispetto ai due gruppi considerati in precedenza. Differenze nelle classifiche dei candidati riproduttori sono state osservate quando esse erano basate sui EBV piuttosto che sui GEBV. Tali differenze sono attribuibili all’abilità della metodologia SSBLUP di stimare GEBV individuali, anziché EBV identici per soggetti che appartengono alla stessa famiglia di fratelli pieni (quando essi hanno informazione genomica). Quindi l’utilizzo di un approccio di SG permette di scegliere i soggetti migliori in base a meriti genetici individuali piuttosto che “familiari”, limitando il tasso di consanguineità e aumentando l’accuratezza della selezione. Inoltre, i risultati ottenuti rivelano che l’implementazione di procedure di SG nel programma di selezione della linea C21 consentirebbero di introdurre tra gli obiettivi di selezione anche caratteri di difficile misurazione.
Come descritto in precedenza, gli effetti sociali contribuiscono alla variabilità di caratteri rilevanti per il suino pesante e che modelli competitive forniscono un miglior adattamento ai dati per i caratteri PESO270, CM, il numero di iodio, la globosità e lo spessore del grasso sottocutaneo misurati sulla coscia. Quindi, per questi caratteri, sono state analizzate procedure di SG basate sulla metodologia SSBLUP che consideravano, oltre agli effetti genetici diretti, anche gli effetti sociali. Le informazioni fenotipiche e genomiche utilizzate sono le medesime descritte per il precedente studio. Differenze nelle classifiche degli animali inclusi nella popolazione di validazione sono state riscontrate sia quando esse erano basate su EBV e GEBV riferiti alla sola componente genetica diretta, che quando sono stati utilizzati i valori genetici e genomici totali. Quindi l’implementazione procedure di SG nel programma di selezione della linea C21 che utilizzano modelli competitive consentirebbero di sfruttare i vantaggi della SG già descritti in precedenza e contemporaneamente stimare più correttamente la varianza ereditabile totale considerando anche la componente associativa.

EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Carnier, Paolo
Data di deposito della tesi:30 January 2015
Anno di Pubblicazione:30 January 2015
Key Words:heavy pigs, boar taint, social genetic effects, genomic selection
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/17 Zootecnica generale e miglioramento genetico
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti Risorse Naturali e Ambiente
Codice ID:7751
Depositato il:23 Nov 2015 15:17
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