Genomic regions under selection for important traits in domestic horse breeds

Abstract

Horses were domesticated 5500 years ago, thousands of years later than other domestic animals; however, in this relatively short period, domestic horses have had a great impact on human history by accelerating civilization, revolutionizing warfare and advancing agricultural production. Modern breeding using marker-assisted selection has greatly accelerated breeding progress. Therefore, identification of genetic markers underlying the traits of interest in domestic horses is the basis for the modern breeding system. In this review, we present an overview of genetic mapping studies and genome wide analyses to identify the genomic regions targeted by positive selection for four important aspects of horses, coat color, racing performance, gait and height at withers. The MC1R locus, for example, has been shown to be the main gene responsible for chestnut color, and the MSTN locus has been shown to control the muscle fiber growth in racing breeds. The missense mutation in DMRT3 is the causal mutation for the alternate gaits in horses. Height at withers, a quantitative trait, was mapped to four major loci (3:105547002, 6:81481064, 9:75550059 and 11:232597 32) that can explain 83% of the height variations in domestic horses.

Keywords

horse / coat color / racing performance / gait / height

References

[1] Outram A K, Stear N A, Bendrey R, Olsen S, Kasparov A, Zaibert V, Thorpe N, Evershed R P. The earliest horse harnessing and milking. Science, 2009, 323(5919): 1332–1335

[2] Wade C M, Giulotto E, Sigurdsson S, Zoli M, Gnerre S, Imsland F, Lear T L, Adelson D L, Bailey E, Bellone R R, Blöcker H, Distl O, Edgar R C, Garber M, Leeb T, Mauceli E, MacLeod J N, Penedo M C, Raison J M, Sharpe T, Vogel J, Andersson L, Antczak D F, Biagi T, Binns M M, Chowdhary B P, Coleman S J, Della Valle G, Fryc S, Guérin G, Hasegawa T, Hill E W, Jurka J, Kiialainen A, Lindgren G, Liu J, Magnani E, Mickelson J R, Murray J, Nergadze S G, Onofrio R, Pedroni S, Piras M F, Raudsepp T, Rocchi M, Røed K H, Ryder O A, Searle S, Skow L, Swinburne J E, Syvänen A C, Tozaki T, Valberg S J, Vaudin M, White J R, Zody M C, Lander E S, Lindblad-Toh K. Genome sequence, comparative analysis, and population genetics of the domestic horse. Science, 2009, 326(5954): 865–867

[3] McCue M E, Bannasch D L, Petersen J L, Gurr J, Bailey E, Binns M M, Distl O, Guérin G, Hasegawa T, Hill E W, Leeb T, Lindgren G, Penedo M C, Røed K H, Ryder O A, Swinburne J E, Tozaki T, Valberg S J, Vaudin M, Lindblad-Toh K, Wade C M, Mickelson J R. A high density SNP array for the domestic horse and extant Perissodactyla: utility for association mapping, genetic diversity, and phylogeny studies. PLoS Genetics, 2012, 8(1): e1002451

[4] Sabeti P C, Schaffner S F, Fry B, Lohmueller J, Varilly P, Shamovsky O, Palma A, Mikkelsen T S, Altshuler D, Lander E S. Positive natural selection in the human lineage. Science, 2006, 312(5780): 1614–1620

[5] Marklund L, Moller M J, Sandberg K, Andersson L. A missense mutation in the gene for melanocyte-stimulating hormone receptor (MC1R) is associated with the chestnut coat color in horses. Mammalian Genome, 1996, 7(12): 895–899

[6] Rosengren Pielberg G, Golovko A, Sundström E, Curik I, Lennartsson J, Seltenhammer M H, Druml T, Binns M, Fitzsimmons C, Lindgren G, Sandberg K, Baumung R, Vetterlein M, Strömberg S, Grabherr M, Wade C, Lindblad-Toh K, Pontén F, Heldin C H, Sölkner J, Andersson L. A cis-acting regulatory mutation causes premature hair graying and susceptibility to melanoma in the horse. Nature Genetics, 2008, 40(8): 1004–1009

[7] Imsland F, McGowan K, Rubin C J, Henegar C, Sundström E, Berglund J, Schwochow D, Gustafson U, Imsland P, Lindblad-Toh K, Lindgren G, Mikko S, Millon L, Wade C, Schubert M, Orlando L, Penedo M C, Barsh G S, Andersson L. Regulatory mutations in TBX3 disrupt asymmetric hair pigmentation that underlies Dun camouflage color in horses. Nature Genetics, 2016, 48(2): 152–158

[8] Li B, He X, Zhao Y, Zhao Q, Unierhu, Bai D, Manglai D. Tyrosinase-related protein 1 (TYRP1) gene polymorphism and skin differential expression related to coat color in Mongolian horse. Livestock Science, 2014, 167: 58–64

[9] Kerje S, Lind J, Schütz K, Jensen P, Andersson L. Melanocortin 1-receptor (MC1R) mutations are associated with plumage colour in chicken. Animal Genetics, 2003, 34(4): 241–248

[10] Fontanesi L, Dall’Olio S, Beretti F, Portolano B, Russo V. Coat colours in the Massese sheep breed are associated with mutations in the agouti signalling protein (ASIP) and melanocortin 1 receptor (MC1R) genes. Animal, 2011, 5(1): 8–17

[11] Kijas J M H, Wales R, Törnsten A, Chardon P, Moller M, Andersson L. Melanocortin receptor 1 (MC1R) mutations and coat color in pigs. Genetics, 1998, 150(3): 1177–1185

[12] Petersen J L, Mickelson J R, Rendahl A K, Valberg S J, Andersson L S, Axelsson J, Bailey E, Bannasch D, Binns M M, Borges A S, Brama P, da Câmara Machado A, Capomaccio S, Cappelli K, Cothran E G, Distl O, Fox-Clipsham L, Graves K T, Guérin G, Haase B, Hasegawa T, Hemmann K, Hill E W, Leeb T, Lindgren G, Lohi H, Lopes M S, McGivney B A, Mikko S, Orr N, Penedo M C, Piercy R J, Raekallio M, Rieder S, Røed K H, Swinburne J, Tozaki T, Vaudin M, Wade C M, McCue M E. Genome-wide analysis reveals selection for important traits in domestic horse breeds. PLoS Genetics, 2013, 9(1): e1003211

[13] Rieder S, Taourit S, Mariat D, Langlois B, Guérin G. Mutations in the agouti (ASIP), the extension (MC1R), and the brown (TYRP1) loci and their association to coat color phenotypes in horses (Equus caballus). Mammalian Genome: Official Journal of the International Mammalian Genome Society, 2001, 12(6): 450–455

[14] Reissmann M, Musa L, Zakizadeh S, Ludwig A. Distribution of coat-color-associated alleles in the domestic horse population and Przewalski’s horse. Journal of Applied Genetics, 2016, 57(4): 519–525

[15] Sundström E, Imsland F, Mikko S, Wade C, Sigurdsson S, Pielberg G R, Golovko A, Curik I, Seltenhammer M H, Sölkner J, Lindblad-Toh K, Andersson L. Copy number expansion of the STX17 duplication in melanoma tissue from Grey horses. BMC Genomics, 2012, 13(1): 365

[16] Jiang L, Campagne C, Sundström E, Sousa P, Imran S, Seltenhammer M, Pielberg G, Olsson M J, Egidy G, Andersson L, Golovko A. Constitutive activation of the ERK pathway in melanoma and skin melanocytes in Grey horses.BMC Cancer , 2014, 14(1): 857

[17] Teixeira R B, Rendahl A K, Anderson S M, Mickelson J R, Sigler D, Buchanan B R, Coleman R J, McCue M E. Coat color genotypes and risk and severity of melanoma in gray quarter horses. Journal of Veterinary Internal Medicine, 2013, 27(5): 1201–1208

[18] Stefaniuk-Szmukier M, Ropka-Molik K, Piórkowska K, Szmatoła T, Długosz B, Pisarczyk W, Bugno-Poniewierska M. Variation in TBX3 gene region in dun coat color polish konik horses. Journal of Equine Veterinary Science, 2017, 49: 60–62

[19] Gao K X, Chen N B, Liu W J, Li R, Lan X Y, Chen H, Lei C Z, Dang R H. Frequency of gray coat color in native Chinese horse breeds. GMR, 2015, 14(4): 14144–14150

[20] Petersen J L, Valberg S J, Mickelson J R, McCue M E. Haplotype diversity in the equine myostatin gene with focus on variants associated with race distance propensity and muscle fiber type proportions. Animal Genetics, 2014, 45(6): 827–835

[21] Hill E W, Gu J, Eivers S S, Fonseca R G, McGivney B A, Govindarajan P, Orr N, Katz L M, MacHugh D E. A sequence polymorphism in MSTN predicts sprinting ability and racing stamina in thoroughbred horses. PLoS One, 2010, 5(1): e8645

[22] Shin D H, Lee J W, Park J E, Choi I Y, Oh H S, Kim H J, Kim H. Multiple genes related to muscle identified through a joint analysis of a two-stage genome-wide association study for racing performance of 1156 thoroughbreds. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences, 2015, 28(6): 771–781

[23] Li R, Liu D H, Cao C N, Wang S Q, Dang R H, Lan X Y, Chen H, Zhang T, Liu W J, Lei C Z. Single nucleotide polymorphisms of myostatin gene in Chinese domestic horses. Gene, 2014, 538(1): 150–154

[24] Moon S, Lee J W, Shin D, Shin K Y, Kim J, Choi I Y, Kim J, Kim H. A Genome-wide scan for selective sweeps in racing horses. Asian-Australasian Journal of Animal Sciences, 2015, 28(11): 1525–1531

[25] Andersson L S, Larhammar M, Memic F, Wootz H, Schwochow D, Rubin C J, Patra K, Arnason T, Wellbring L, Hjälm G, Imsland F, Petersen J L, McCue M E, Mickelson J R, Cothran G, Ahituv N, Roepstorff L, Mikko S, Vallstedt A, Lindgren G, Andersson L, Kullander K. Mutations in DMRT3 affect locomotion in horses and spinal circuit function in mice. Nature, 2012, 488(7413): 642–646

[26] Promerová M, Andersson L S, Juras R, Penedo M C, Reissmann M, Tozaki T, Bellone R, Dunner S, Hořín P, Imsland F, Imsland P, Mikko S, Modrý D, Roed K H, Schwochow D, Vega-Pla J L, Mehrabani-Yeganeh H, Yousefi-Mashouf N, G Cothran E, Lindgren G, Andersson L. Worldwide frequency distribution of the ‘Gait keeper’ mutation in the DMRT3 gene. Animal Genetics, 2014, 45(2): 274–282

[27] Fegraeus K J, Johansson L, Mäenpää M, Mykkänen A, Andersson L S, Velie B D, Andersson L, Árnason T, Lindgren G. Different DMRT3 genotypes are best adapted for harness racing and riding in finnhorses. Journal of Heredity, 2015, 106(6): 734–740

[28] Jäderkvist K, Andersson L S, Johansson A M, Árnason T, Mikko S, Eriksson S, Andersson L, Lindgren G. The DMRT3 ‘Gait keeper’ mutation affects performance of Nordic and Standardbred trotters. Journal of Animal Science, 2014, 92(10): 4279–4286

[29] Kristjansson T, Bjornsdottir S, Sigurdsson A, Andersson L S, Lindgren G, Helyar S J, Klonowski A M, Arnason T. The effect of the ‘Gait keeper’ mutation in the DMRT3 gene on gaiting ability in Icelandic horses. Journal of Animal Breeding and Genetics, 2014, 131(6): 415–425

[30] Han H, Zeng L, Dang R, Lan X, Chen H, Lei C. The DMRT3 gene mutation in Chinese horse breeds. Animal Genetics, 2015, 46(3): 341–342

[31] Revold T, Mykkänen A K, Karlström K, Ihler C F, Pösö A R, Essén-Gustavsson B. Effects of training on equine muscle fibres and monocarboxylate transporters in young Coldblooded Trotters. Equine Veterinary Journal, 2010, 42(38): 289–295

[32] Solé M, Cervantes I, Gutiérrez J P, Gómez M D, Valera M. Estimation of genetic parameters for morphological and functional traits in a Menorca horse population. Spanish Journal of Agricultural Research, 2014, 12(1): 125

[33] Brard S, Ricard A. Genome-wide association study for jumping performances in French sport horses. Animal Genetics, 2015, 46(1): 78–81

[34] Makvandi-Nejad S, Hoffman G E, Allen J J, Chu E, Gu E, Chandler A M, Loredo A I, Bellone R R, Mezey J G, Brooks S A, Sutter N B. Four loci explain 83% of size variation in the horse. PLoS One, 2012, 7(7): e39929

[35] Frischknecht M, Jagannathan V, Plattet P, Neuditschko M, Signer-Hasler H, Bachmann I, Pacholewska A, Drögemüller C, Dietschi E, Flury C, Rieder S, Leeb T. A non-synonymous HMGA2 variant decreases height in shetland ponies and other small horses. PLoS One, 2015, 10(10): e0140749

[36] Kader A, Li Y, Dong K, Irwin D M, Zhao Q, He X, Liu J, Pu Y, Gorkhali N A, Liu X, Jiang L, Li X, Guan W, Zhang Y, Wu D D, Ma Y. population variation reveals independent selection toward small body size in chinese Debao pony. Genome Biology and Evolution, 2016, 8(1): 42–50

[37] Brooks S A, Makvandi-Nejad S, Chu E, Allen J J, Streeter C, Gu E, McCleery B, Murphy B A, Bellone R, Sutter N B. Morphological variation in the horse: defining complex traits of body size and shape. Animal Genetics, 2010, 41(Suppl 2): 159–165

[38] Petersen J L, Mickelson J R, Rendahl A K, Valberg S J, Andersson L S, Axelsson J, Bailey E, Bannasch D, Binns M M, Borges A S, Brama P, da Câmara Machado A, Capomaccio S, Cappelli K, Cothran E G, Distl O, Fox-Clipsham L, Graves K T, Guérin G, Haase B, Hasegawa T, Hemmann K, Hill E W, Leeb T, Lindgren G, Lohi H, Lopes M S, McGivney B A, Mikko S, Orr N, Penedo M C, Piercy R J, Raekallio M, Rieder S, Røed K H, Swinburne J, Tozaki T, Vaudin M, Wade C M, McCue M E. Genome-wide analysis reveals selection for important traits in domestic horse breeds. PLoS Genetics, 2013, 9(1): e1003211

[39] Signer-Hasler H, Flury C, Haase B, Burger D, Simianer H, Leeb T, Rieder S. A genome-wide association study reveals loci influencing height and other conformation traits in horses. PLoS One, 2012, 7(5): e37282

[40] Tetens J, Widmann P, Kühn C, Thaller G. A genome-wide association study indicates LCORL/NCAPG as a candidate locus for withers height in German Warmblood horses. Animal Genetics, 2013, 44(4): 467–471

[41] Metzger J, Schrimpf R, Philipp U, Distl O. Expression levels of LCORL are associated with body size in horses. PLoS One, 2013, 8(2): e56497

[42] Metzger J, Gast A C, Schrimpf R, Rau J, Eikelberg D, Beineke A, Hellige M, Distl O. Whole-genome sequencing reveals a potential causal mutation for dwarfism in the Miniature Shetland pony. Mammalian genome:Official Journal of the International Mammalian Genome Society, 2017, 28(3–4): 143–151

[43] Rafati N, Andersson L S, Mikko S, Feng C, Raudsepp T, Pettersson J, Janecka J, Wattle O, Ameur A, Thyreen G, Eberth J, Huddleston J, Malig M, Bailey E, Eichler E E, Dalin G, Chowdary B, Andersson L, Lindgren G, Rubin C J. Large deletions at the SHOX locus in the pseudoautosomal region are associated with skeletal atavism in Shetland Ponies. G3: Genes, Genomes, Genetics, 2016, 6(7): 2213–2223 doi:10.1534/g3.116.029645

[44] Hendrickson S L. A genome wide study of genetic adaptation to high altitude in feral Andean Horses of the páramo. BMC Evolutionary Biology, 2013, 13(1): 273

[45] Librado P, Der Sarkissian C, Ermini L, Schubert M, Jónsson H, Albrechtsen A, Fumagalli M, Yang M A, Gamba C, Seguin-Orlando A, Mortensen C D, Petersen B, Hoover C A, Lorente-Galdos B, Nedoluzhko A, Boulygina E, Tsygankova S, Neuditschko M, Jagannathan V, Thèves C, Alfarhan A H, Alquraishi S A, Al-Rasheid K A, Sicheritz-Ponten T, Popov R, Grigoriev S, Alekseev A N, Rubin E M, McCue M, Rieder S, Leeb T, Tikhonov A, Crubézy E, Slatkin M, Marques-Bonet T, Nielsen R, Willerslev E, Kantanen J, Prokhortchouk E, Orlando L. Tracking the origins of Yakutian horses and the genetic basis for their fast adaptation to subarctic environments. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2015, 112(50): E6889–E6897

Acknowledgements

This work was supported by the Agricultural Science and Technology Innovation Program of China (ASTIP-IAS01) and the National Infrastructure of Domestic Animal Resources.

Compliance with ethics guidelines

Xuexue Liu, Yuehui Ma, and Lin Jiang declare that they have no conflicts of interest or financial conflicts to disclose.

This article is a review and does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

RIGHTS & PERMISSIONS

The Author(s) 2017. Published by Higher Education Press. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)