Gene expression patterns observed from the skin of selected cattle breeds infested with Amblyomma hebraeum ticks
Date
2021-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Exotic livestock breeds are often poorly adapted to the local environment and are particularly
susceptible to ticks and tick-borne diseases. The infestation of cattle by ticks can lead to weight
loss, infertility, damage to hides and even death of animals. As a result, this contributes to
economic losses in cattle production. Even though natural resistance to ticks is influenced by
environmental factors, a substantial part of the tick resistance variation observed in different
cattle breeds is under genetic control. Breeding for resistance could provide an additional and
complementary approach to tick control that would be sustainable in the long term. This
approach could lead to the utilisation of animals that are beneficial to the environment as well as
avoid the introduction of potential contaminants into the environment by chemical methods of
tick control. This study aimed to assess gene expression in the skin of selected cattle before
and after infestation with Amblyomma hebraeum ticks. The objectives of the study were to
identify genes that mediate immune responses in F2 Nguni x Angus (n=10), Nguni (n=3), and
Angus (n=5) cattle infested with Amblyomma hebraeum ticks and to link the identified genes to
known bovine defense pathways. The host‟s defense response was stimulated through artificial
infestation by pathogen free Amblyomma hebraeum. Thereafter, the cattle were phenotyped for
resistance to Amblyomma hebraeum ticks as determined by the total number of engorged ticks
after a period of 10 days. Skin biopsy samples were collected before infestation (day 0) and at a
time point after infestation (day 11). RNA was isolated from the samples, quantified and reverse
transcribed for evaluation of gene expression. RNA sequencing was used to identify
differentially expressed genes at two time points for resistant and susceptible animals. The
differentially expressed genes were compared to similar gene expression studies involving tick
infested cattle. The analysis of the gene expression data addressed the following question
which genes are differentially expressed between animals of high, moderate, and low resistance
after a 10-day period. A total number of 139 differentially expressed genes were identified and
these genes were all different from those identified in previous studies. The most notable gene
identified was the NOS2 gene. Although it could be linked to host response defence pathways
to pathogens, it could not be linked to tick resistance specifically. In conclusion, this research
reports gene expression on tick bite sites of F2 Nguni x Angus cattle response to Amblyomma
hebraeum infestation for the first time, thus providing preliminary data concerning the underlying
mechanisms associated with the immune response in Amblyomma tick-infested cross bred
cattle.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Eksotiese vee-rasse is dikwels swak aangepas vir die plaaslike omgewing en is veral vatbaar vir bosluise en bosluisoorgedraagde siektes. Die besmetting van beeste deur bosluise kan lei tot gewigsverlies, onvrugbaarheid, huidskade en selfs dood. As gevolg hiervan dra dit by tot ekonomiese verliese in veeproduksie. Alhoewel natuurlike weerstand teen bosluise beïnvloed word deur omgewingsfaktore, is 'n wesenlike deel van die bosluisweerstandvariasie wat by verskillende beesrasse waargeneem word, onder genetiese beheer. Seleksie vir weerstand of vatbaarheid kan 'n addisionele en volhoubare benadering bied. Hierdie benadering kan lei tot die gebruik van diere wat voordelig is vir die omgewing, sowel as om die potensiële besoedeling van die omgewing deur chemiese metodes vir bosluisbeheer te vermy. Die doel van hierdie studie was om gene te identifiseer wat immuunresponse bemiddel in F2 Nguni x Angus-, Nguni- en Angus-beeste wat met Amblyomma hebraeum bosluise besmet is. Beeste is fenotipies vir weerstand teen Amblyomma hebraeum bosluise getoets deur die totale aantal versadigde bosluise na 'n periode van 10 dae te bepaal. Velbiopsiemonsters is voor besmetting (dag 0) en na besmetting (dag 11) versamel. RNA is uit die monsters geïsoleer en aan omgekeerde transkripsie onderwerp vir evaluering van geenuitdrukking. RNA-volgordebepaling is gebruik om gene wat op verskillende tye uitgedruk is te identifiseer vir weerstandige en vatbare diere. Die gene wat differensieel uitgedruk was, is vergelyk met soortgelyke geenuitdrukkingstudies waarin bosluisbesmette beeste bestudeer is. Hierdie vergelykings kan help om die ontwikkeling van selektiewe teelprogramme te bevorder om bosluisbeheer en algehele gesondheid van beeste te verbeter. Die gene-uitdrukkingsdata is gebruik om vas te stel watter gene differensieël uitgedruk word tussen diere met 'n hoë, matige en lae weerstand na 'n periode van tien dae. 'n Totale aantal van 139 gene wat verskillend uitgedruk is, is geïdentifiseer en almal verskil van dié in vorige studies. Die mees beduidende geen wat geïdentifiseer is, was die NOS2-geen. Alhoewel dit gekoppel was aan gasheerresponspaaie, kon dit nie direk gekorreleer word met weerstand teen bosluise nie. Ter opsomming, hierdie navorsing rapporteer geenuitdrukking op bosluisbytplekke van F2 Nguni x Angus-beeste in reaksie op Amblyomma hebraeum besmetting, en verskaf sodoende voorlopige data rakende die onderliggende meganismes wat verband hou met die immuunrespons by Amblyomma-bosluisbesmette kruisgeteelde beeste.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Eksotiese vee-rasse is dikwels swak aangepas vir die plaaslike omgewing en is veral vatbaar vir bosluise en bosluisoorgedraagde siektes. Die besmetting van beeste deur bosluise kan lei tot gewigsverlies, onvrugbaarheid, huidskade en selfs dood. As gevolg hiervan dra dit by tot ekonomiese verliese in veeproduksie. Alhoewel natuurlike weerstand teen bosluise beïnvloed word deur omgewingsfaktore, is 'n wesenlike deel van die bosluisweerstandvariasie wat by verskillende beesrasse waargeneem word, onder genetiese beheer. Seleksie vir weerstand of vatbaarheid kan 'n addisionele en volhoubare benadering bied. Hierdie benadering kan lei tot die gebruik van diere wat voordelig is vir die omgewing, sowel as om die potensiële besoedeling van die omgewing deur chemiese metodes vir bosluisbeheer te vermy. Die doel van hierdie studie was om gene te identifiseer wat immuunresponse bemiddel in F2 Nguni x Angus-, Nguni- en Angus-beeste wat met Amblyomma hebraeum bosluise besmet is. Beeste is fenotipies vir weerstand teen Amblyomma hebraeum bosluise getoets deur die totale aantal versadigde bosluise na 'n periode van 10 dae te bepaal. Velbiopsiemonsters is voor besmetting (dag 0) en na besmetting (dag 11) versamel. RNA is uit die monsters geïsoleer en aan omgekeerde transkripsie onderwerp vir evaluering van geenuitdrukking. RNA-volgordebepaling is gebruik om gene wat op verskillende tye uitgedruk is te identifiseer vir weerstandige en vatbare diere. Die gene wat differensieel uitgedruk was, is vergelyk met soortgelyke geenuitdrukkingstudies waarin bosluisbesmette beeste bestudeer is. Hierdie vergelykings kan help om die ontwikkeling van selektiewe teelprogramme te bevorder om bosluisbeheer en algehele gesondheid van beeste te verbeter. Die gene-uitdrukkingsdata is gebruik om vas te stel watter gene differensieël uitgedruk word tussen diere met 'n hoë, matige en lae weerstand na 'n periode van tien dae. 'n Totale aantal van 139 gene wat verskillend uitgedruk is, is geïdentifiseer en almal verskil van dié in vorige studies. Die mees beduidende geen wat geïdentifiseer is, was die NOS2-geen. Alhoewel dit gekoppel was aan gasheerresponspaaie, kon dit nie direk gekorreleer word met weerstand teen bosluise nie. Ter opsomming, hierdie navorsing rapporteer geenuitdrukking op bosluisbytplekke van F2 Nguni x Angus-beeste in reaksie op Amblyomma hebraeum besmetting, en verskaf sodoende voorlopige data rakende die onderliggende meganismes wat verband hou met die immuunrespons by Amblyomma-bosluisbesmette kruisgeteelde beeste.
Description
Thesis (MScAgric)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Amblyomma hebraeum ticks -- Genetics, Gene expression, F2 Nguni x Angus, Cattle -- Breeding -- Environmental aspects, Cattle -- Breeding -- Genetic aspects, Exotic livestock -- Breeds, UCTD