title: Genetic relationships among resilience, fertility, and milk yield in dairy cattle performing in sub-Saharan Africa
Creators: name: Oloo, Richard Dooso
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2025
Subjects: subject: 630

description: Despite the relevance of dairy production in the fight against food insecurity in sub-Saharan Africa (SSA), the negative effects of climate change and general changes in the production environment pose tremendous challenges to its profitability. Genetic improvement of resilience, the capacity of animals to be either minimally affected by an environmental disturbance or rapidly recover from a disturbance in their environment, is deemed as a part of the solution to low dairy productivity and poor cattle adaptability in SSA. However, to breed for resilience, reliable and practical methods for quantifying and analyzing resilience in SSA need to be described and undertaken. This thesis explored the measurement of resilience using different indicators and examined the relationships of resilience with fertility and milk production in dairy cows performing in SSA. Chapter two of this thesis reviewed potential solutions to enhance the sustainability and productivity of the dairy sector in SSA with an emphasis on breeding for resilience. It described the dairy production in SSA, and environmental challenges cattle have to weather in this region. The chapter further discussed different forms of resilience (general resilience and specialized resilience), indicators for measuring resilience, and provided insights into the data that can be utilized to quantify resilience in SSA’s dairy production systems. It is concluded that improving resilience of dairy animals in SSA would contribute to poverty alleviation, animal welfare improvement, and better preparedness in lieu of climate change in this region. In chapter three, the potential of quantifying general resilience using indicators based on deviations in milk yield was examined. Three indicators of general resilience were defined: variance (LnVar), lag-1 autocorrelation (rauto), and skewness (Skew) of deviations in milk yield based on actual and standardized deviations of observed milk yield from predicted milk yield. The heritability estimates of all resilience indicators except Skew were significant and ranged from 0.05 to 0.19. Weak to moderate genetic correlations were observed among indicators of general resilience, suggesting that these indicators captured different aspects of resilience. LnVar indicators indicated that resilient cows are genetically associated with better longevity. The use of actual deviations and standardized deviations to define indicators yielded identical traits except in LnVar. Standardization of deviations or correcting for the milk production potential of animals ensures that the resultant LnVar indicator does not inaccurately categorize low-producing animals as inherently resilient. The study concluded that LnVar holds a significant potential as a robust resilience indicator for dairy animals performing in SSA. The fourth chapter investigated the response of milk production at varying heat loads as an indication of heat tolerance, which is a specialized resilience. Random regression models, including reaction norm functions, were fitted to derive two resilience indicators: the slope of the reaction norm (Slope), and its absolute value (Absolute), reflecting changes in milk yield in response to varying heat load. Heritability estimates for these indicators ranged from 0.06 to 0.33 and were mostly significantly different from zero. The correlation analysis between these indicators and average milk yield revealed that high- producing cows are more vulnerable to heat stress and have less stable milk production under heat-stress conditions. The study demonstrated the possibility of using the slope of the reaction norm and its absolute value to measure the specialized resilience of dairy cattle to heat stress conditions in SSA. Chapter 5 examined the genetic parameters and relationships among resilience, fertility, and milk production traits. The heritability estimates of age at first calving (AFC), calving interval (CI), and test-day milk yield (MY) were 0.17, 0.06, and 0.35 respectively, and were all significantly different from zero. AFC was negatively correlated with both CI and MY, showing that animals that attain sexual maturity earlier exhibit longer calving intervals and higher milk production. A positive correlation between CI and MY showed that high-yielding cows faced challenges in maintaining shorter calving intervals. There was a generally positive correlation between resilience and fertility, implying that resilient animals might have better fertility. All indicators, except the variance of actual deviation corrected for milk production and variance of standardized deviations, revealed an antagonistic relationship between resilience and milk production. This thesis showed the potential for quantifying and breeding for resilience in dairy cattle performing in SSA. Cows with more than 50% Zebu genes and those performing in semi-arid environments had higher resilience, higher AFC, shorter CI, and lower MY. This suggests that zebu genes confer resilience advantage to animals and exposure of animals to various disturbances in semi-arid environments improved their resilience capacity. Different directions of relationship observed among the traits studied imply that developing a multi-trait selection index that combines all these traits could strike the right balance among resilience, fertility, and milk production. The implications of these findings are valuable in improving the productivity of dairy cattle through selective breeding for resilience to environmental stressors, particularly in low-income countries situated in tropical regions.
description: Trotz der Bedeutung der Milchproduktion im Kampf gegen die Ernährungsunsicherheit in Subsahara-Afrika (SSA) stellen die negativen Auswirkungen des Klimawandels und allgemeine Veränderungen im Produktionsumfeld enorme Herausforderungen für ihre Rentabilität dar. Die genetische Verbesserung der Resilienz, d. h. der Fähigkeit der Tiere, sich entweder nur minimal von einer Umweltstörung beeinflussen zu lassen oder sich schnell von einer Störung in ihrer Umgebung zu erholen, gilt als Teil der Lösung für die niedrige Produktivität der Milchwirtschaft und die geringe Anpassungsfähigkeit der Rinder in SSA. Um jedoch auf Resilienz zu züchten, müssen zuverlässige und praktische Methoden zur Quantifizierung und Analyse der Resilienz in SSA beschrieben und angewendet werden. In dieser Arbeit wurde die Messung der Resilienz anhand verschiedener Indikatoren untersucht und der Zusammenhang zwischen der Resilienz und der Fruchtbarkeit und Milchproduktion von Milchkühen in SSA untersucht. In Kapitel zwei dieser Arbeit wurden potenzielle Lösungen zur Verbesserung der Nachhaltigkeit und Produktivität des Milchsektors in SSA untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Zucht auf Widerstandsfähigkeit lag. Es beschreibt die Milchproduktion in SSA und die ökologischen Herausforderungen, denen Rinder in dieser Region ausgesetzt sind. Darüber hinaus werden verschiedene Formen der Resilienz (allgemeine Resilienz und spezielle Resilienz) sowie Indikatoren zur Messung der Resilienz erörtert und Einblicke in die Daten gegeben, die zur Quantifizierung der Resilienz in den Milchproduktionssystemen von SSA genutzt werden können. Die Schlussfolgerung ist, dass die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Milchkühen in SSA zur Armutsbekämpfung, zur Steigerung des Tierwohls und zur besseren Anpassung an den Klimawandel in dieser Region beitragen würde. In Kapitel drei wurde das Potenzial der Quantifizierung der allgemeinen Widerstandsfähigkeit anhand von Indikatoren auf der Grundlage von Abweichungen bei der Milchleistung untersucht. Es wurden drei Indikatoren für die allgemeine Resilienz definiert: die Varianz (LnVar), die Lag-1-Autokorrelation (rauto) und die Schiefe (Skew) der Abweichungen der täglichen Milchleistung auf der Grundlage der tatsächlichen Abweichungen und der standardisierten Abweichungen. Die Schätzungen der Heritabilität aller Resilienzindikatoren mit Ausnahme von Skew waren signifikant und reichten von 0,05 bis 0,19. Zwischen den Indikatoren der allgemeinen Resilienz wurden schwache bis moderate genetische Korrelationen beobachtet. Dies lässt den Schluss zu, dass die Indikatoren unterschiedliche Aspekte der Resilienz erfassen. Die LnVar-Indikatoren indizierten entsprechend der genetischen Korrelationen eine höhere Langlebigkeit bei resilienten Kühen. Die Verwendung von tatsächlichen Abweichungen und standardisierten Abweichungen zur Definition von Indikatoren ergab identische Merkmale, außer bei LnVar. Die Standardisierung der Abweichungen oder die Korrektur um das Leistungsniveau der Tiere stellte sicher, dass der resultierende LnVar-Indikator nicht fälschlicherweise Tiere mit geringer Leistung als von Natur aus belastbar einstuft. Die Studie kam zu dem Schluss, dass LnVar ein hohes Potenzial als robuster Resilienzindikator für Milchkühe in SSA besitzt. Das vierte Kapitel untersuchte die Reaktion der Kühe in ihrer Milchleistung auf unterschiedliche Hitzebelastungen als Hinweis auf die Hitzetoleranz, die eine spezielle Resilienz darstellt. Random Regression Modelle mit Reaktionsnormfunktionen wurden verwendet, um zwei Resilienzindikatoren abzuleiten: die Steigung der Reaktionsnorm (Slope) und ihr absoluter Wert (Absolute), der die Veränderungen der Milchleistung als Reaktion auf unterschiedliche Hitzebelastungen widerspiegelt. Die Schätzungen der Heritabilität für diese Indikatoren reichten von 0,06 bis 0,33 und waren meist signifikant von Null verschieden. Die Korrelationsanalyse zwischen diesen Indikatoren und der durchschnittlichen Milchleistung ergab, dass hochleistende Kühe anfälliger für Hitzestress sind und unter Hitzestressbedingungen eine weniger stabile Milchproduktion aufweisen. Die Studie hat gezeigt, dass es möglich ist, die Steigung der Reaktionsnorm und ihren absoluten Wert zu verwenden, um die spezielle Resilienz von Milchkühen gegenüber Hitzestressbedingungen in SSA zu messen. In Kapitel 5 wurden die genetischen Parameter und Beziehungen zwischen Merkmalen der Resilienz, Fruchtbarkeit und Milchproduktion untersucht. Die Schätzungen der Heritabilität für das Erstkalbealter (AFC), das Abkalbeintervall (CI) und die Milchleistung am Testtag (MY) betrugen 0,17, 0,06 bzw. 0,35 und waren alle signifikant von Null verschieden. Das AFC war sowohl mit dem CI als auch mit MY negativ korreliert, was darauf hindeutet, dass Tiere, die früher geschlechtsreif werden, ein längeres Abkalbeintervall und eine höhere Milchproduktion aufweisen. Eine positive Korrelation zwischen CI und MY zeigte, dass es für Kühe mit hoher Leistung schwierig ist, kürzere Abkalbeintervalle einzuhalten. Es gab eine allgemein positive Korrelation zwischen Resilienz und Fruchtbarkeit, was bedeutet, dass widerstandsfähige Tiere eine bessere Fruchtbarkeit haben könnten. Alle Indikatoren, mit Ausnahme der Varianz der tatsächlichen, um die Milchproduktion bereinigten Abweichung und der Varianz der standardisierten Abweichungen, zeigten eine antagonistische Beziehung zwischen Resilienz und Milchproduktion. Diese Arbeit zeigte das Potenzial für die Quantifizierung und Zucht auf Resilienz bei Milchkühen in SSA. Kühe mit mehr als 50% Zebu-Genen und solche, die in semiariden Umgebungen gehalten werden, wiesen eine höhere Widerstandsfähigkeit, ein höheres AFC, ein kürzeres CI und eine niedrigere MY auf. Dies deutet darauf hin, dass Zebu-Gene den Tieren einen Resilienzvorteil verleihen und dass die Exposition der Tiere gegenüber verschiedenen Störungen in semiarider Umgebung ihre Resilienzfähigkeit verbessert. Die unterschiedlichen Richtungen der Beziehungen, die zwischen den untersuchten Merkmalen beobachtet wurden, deuten darauf hin, dass die Entwicklung eines Selektionsindexes mit mehreren Merkmalen, der alle diese Merkmale kombiniert, das richtige Gleichgewicht zwischen Resilienz, Fruchtbarkeit und Milchproduktion herstellen könnte. Die Auswirkungen dieser Ergebnisse sind wertvoll für die Verbesserung der Produktivität von Milchkühen durch selektive Zucht auf Resilienz gegenüber Umweltstressoren, insbesondere in Ländern mit niedrigem Einkommen in tropischen Regionen.