Published October 11, 2019
| Version v1
Publication
Open
Cardiac and Skeletal Muscle Transcriptome Response to Heat Stress in Kenyan Chicken Ecotypes Adapted to Low and High Altitudes Reveal Differences in Thermal Tolerance and Stress Response
Creators
- 1. National Institute of Animal Science
- 2. International Livestock Research Institute
- 3. Chung-Ang University
Description
Heat stress (HS) negatively affects chicken performance. Agricultural expansion will happen in regions that experience high ambient temperatures, where fast growing commercial chickens are vulnerable. Indigenous chickens of such regions, due to generations of exposure to environmental challenges might have higher thermal tolerance. In this study, two indigenous chicken ecotypes, from the hot and humid Mombasa (lowland) and the colder Naivasha (highland) regions were used to investigate the effects of acute (5h, 35°C) and chronic (3d of 35°C for 8h/d) heat stress on the cardiac and skeletal muscle, through RNA sequencing. The rectal temperature gain and the number of differentially expressed genes (DEGs) (FDR < 0.05) were two times higher in the acute stage than in the chronic stage in both the ecotypes, suggesting, cyclic exposure to HS can lead to adaptation. A tissue and stage specific difference in response to HS was observed, with PPAR signaling and MAPK signaling pathways, enriched in heart and skeletal muscle respectively and the p53 pathway enriched only in the acute stage in both the tissues. The acute and chronic stage DEGs were integrated by a region specific gene co-expression network (GCN) and genes with the highest number of connections (HUB genes) were identified. The hub genes in the lowland network were CCNB2, Crb2, CHST9, SESN1 and NR4A3, while COMMD4, TTC32, H1F0, ACYP1 and RPS28 were the hub genes in the highland network. Pathway analysis of genes in the GCN showed that p53 and PPAR signaling pathways were enriched in both low and highland networks, while MAPK signaling and Protein processing in endoplasmic reticulum were enriched only in the gene network of highland chickens. This shows that to dissipate the accumulated heat, to reduce heat induced apoptosis and to promote DNA damage repair, the ecotypes activated or suppressed different genes, indicating the differences in thermal tolerance and heat stress response mechanisms between the ecotypes. This study provides information on the HS response of chickens, adapted to two different agro climatic environments, extending our understanding of the mechanisms of heat stress response and the effect of adaptation in counteracting HS.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يؤثر الإجهاد الحراري (HS) سلبًا على أداء الدجاج. سيحدث التوسع الزراعي في المناطق التي تشهد درجات حرارة محيطة عالية، حيث تكون الدواجن التجارية سريعة النمو معرضة للخطر. قد يكون للدجاج الأصلي في هذه المناطق، بسبب أجيال من التعرض للتحديات البيئية، تحمل حراري أعلى. في هذه الدراسة، تم استخدام نمطين بيئيين أصليين للدجاج، من مناطق مومباسا الساخنة والرطبة (الأراضي المنخفضة) ونيفاشا الباردة (المرتفعات) للتحقيق في آثار الإجهاد الحراري الحاد (5 ساعات، 35 درجة مئوية) والمزمن (3 أيام من 35 درجة مئوية لمدة 8 ساعات/يوم) على عضلة القلب والهيكل العظمي، من خلال تسلسل الحمض النووي الريبي. كان ارتفاع درجة حرارة المستقيم وعدد الجينات المعبر عنها بشكل تفاضلي (DEGs) (FDR < 0.05) أعلى مرتين في المرحلة الحادة منه في المرحلة المزمنة في كل من الأنماط البيئية، مما يشير إلى أن التعرض الدوري لـ HS يمكن أن يؤدي إلى التكيف. لوحظ وجود اختلاف محدد في الأنسجة والمرحلة استجابة لـ HS، مع إشارات PPAR ومسارات إشارات MAPK، المخصبة في عضلة القلب والهيكل العظمي على التوالي ومسار p53 المخصب فقط في المرحلة الحادة في كلا الأنسجة. تم دمج DEGs في المرحلة الحادة والمزمنة من خلال شبكة التعبير المشترك للجينات الخاصة بالمنطقة (GCN) وتم تحديد الجينات التي تحتوي على أكبر عدد من الروابط (الجينات المحورية). كانت الجينات المحورية في شبكة الأراضي المنخفضة هي CCNB2 و Crb2 و CHST9 و SESN1 و NR4A3، بينما كانت COMMD4 و TTC32 و H1F0 و ACYP1 و RPS28 هي الجينات المحورية في شبكة الأراضي المرتفعة. أظهر تحليل المسار للجينات في GCN أنه تم إثراء مسارات إشارات p53 و PPAR في كل من شبكات الأراضي المنخفضة والمرتفعات، في حين تم إثراء إشارات MAPK ومعالجة البروتين في الشبكة الإندوبلازمية فقط في الشبكة الجينية لدجاج المرتفعات. وهذا يدل على أنه لتبديد الحرارة المتراكمة، ولتقليل موت الخلايا المبرمج الناجم عن الحرارة وتعزيز إصلاح تلف الحمض النووي، قامت الأنماط البيئية بتنشيط أو قمع جينات مختلفة، مما يشير إلى الاختلافات في التسامح الحراري وآليات الاستجابة للإجهاد الحراري بين الأنماط البيئية. توفر هذه الدراسة معلومات عن استجابة النظام المنسق للدجاج، والتي تم تكييفها مع بيئتين مناخيتين زراعيتين مختلفتين، مما يوسع فهمنا لآليات الاستجابة للإجهاد الحراري وتأثير التكيف في مواجهة النظام المنسق.Translated Description (French)
Le stress thermique (HS) affecte négativement les performances des poulets. L'expansion agricole se produira dans les régions qui connaissent des températures ambiantes élevées, où les poulets commerciaux à croissance rapide sont vulnérables. Les poulets indigènes de ces régions, en raison de générations d'exposition aux défis environnementaux, pourraient avoir une tolérance thermique plus élevée. Dans cette étude, deux écotypes de poulet indigènes, des régions chaudes et humides de Mombasa (basses terres) et des régions plus froides de Naivasha (hautes terres) ont été utilisés pour étudier les effets du stress thermique aigu (5h, 35°C) et chronique (3d de 35°C pendant 8h/j) sur le muscle cardiaque et squelettique, par séquençage de l'ARN. Le gain de température rectale et le nombre de gènes exprimés différentiellement (DEG) (FDR < 0,05) étaient deux fois plus élevés au stade aigu qu'au stade chronique dans les deux écotypes, ce qui suggère que l'exposition cyclique à l'HS peut conduire à une adaptation. Une différence spécifique au tissu et au stade de la réponse à l'HS a été observée, avec des voies de signalisation PPAR et MAPK, enrichies respectivement en cœur et en muscle squelettique et la voie p53 enrichie uniquement au stade aigu dans les deux tissus. Les DEG de stade aigu et chronique ont été intégrés par un réseau de co-expression de gènes spécifiques à la région (GCN) et les gènes ayant le plus grand nombre de connexions (gènes HUB) ont été identifiés. Les gènes hub du réseau des basses terres étaient CCNB2, Crb2, CHST9, SESN1 et NR4A3, tandis que COMMD4, TTC32, H1F0, ACYP1 et RPS28 étaient les gènes hub du réseau des hautes terres. L'analyse de la voie des gènes dans le GCN a montré que les voies de signalisation p53 et PPAR étaient enrichies dans les réseaux des basses terres et des hautes terres, tandis que la signalisation MAPK et le traitement des protéines dans le réticulum endoplasmique étaient enrichis uniquement dans le réseau génétique des poulets des hautes terres. Cela montre que pour dissiper la chaleur accumulée, réduire l'apoptose induite par la chaleur et favoriser la réparation des dommages de l'ADN, les écotypes ont activé ou supprimé différents gènes, indiquant les différences de tolérance thermique et de mécanismes de réponse au stress thermique entre les écotypes. Cette étude fournit des informations sur la réponse au SH des poulets, adaptées à deux environnements agro-climatiques différents, élargissant notre compréhension des mécanismes de réponse au stress thermique et de l'effet de l'adaptation dans la lutte contre le SH.Translated Description (Spanish)
El estrés por calor (HS) afecta negativamente al rendimiento del pollo. La expansión agrícola ocurrirá en regiones que experimentan altas temperaturas ambientales, donde los pollos comerciales de rápido crecimiento son vulnerables. Los pollos autóctonos de estas regiones, debido a generaciones de exposición a los desafíos ambientales, podrían tener una mayor tolerancia térmica. En este estudio, se utilizaron dos ecotipos de pollos indígenas, de las regiones cálidas y húmedas de Mombasa (tierras bajas) y las más frías de Naivasha (tierras altas) para investigar los efectos del estrés térmico agudo (5h, 35°C) y crónico (3d de 35°C durante 8h/d) en el músculo cardíaco y esquelético, a través de la secuenciación del ARN. El aumento de la temperatura rectal y el número de genes expresados diferencialmente (DEG) (FDR < 0.05) fueron dos veces mayores en la etapa aguda que en la etapa crónica en ambos ecotipos, lo que sugiere que la exposición cíclica a HS puede conducir a la adaptación. Se observó una diferencia específica de tejido y estadio en respuesta a HS, con vías de señalización de PPAR y señalización de MAPK, enriquecidas en corazón y músculo esquelético respectivamente y la vía de p53 enriquecida solo en el estadio agudo en ambos tejidos. Los DEG en estadio agudo y crónico se integraron mediante una red de coexpresión génica específica de la región (GCN) y se identificaron los genes con el mayor número de conexiones (genes HUB). Los genes hub en la red de tierras bajas fueron CCNB2, Crb2, CHST9, SESN1 y NR4A3, mientras que COMMD4, TTC32, H1F0, ACYP1 y RPS28 fueron los genes hub en la red de tierras altas. El análisis de la ruta de los genes en el GCN mostró que las rutas de señalización de p53 y PPAR se enriquecieron en las redes de las tierras bajas y altas, mientras que la señalización de MAPK y el procesamiento de proteínas en el retículo endoplásmico se enriquecieron solo en la red génica de los pollos de las tierras altas. Esto demuestra que para disipar el calor acumulado, reducir la apoptosis inducida por el calor y promover la reparación del daño en el ADN, los ecotipos activaron o suprimieron diferentes genes, lo que indica las diferencias en la tolerancia térmica y los mecanismos de respuesta al estrés térmico entre los ecotipos. Este estudio proporciona información sobre la respuesta al SA de los pollos, adaptada a dos entornos agroclimáticos diferentes, ampliando nuestra comprensión de los mecanismos de respuesta al estrés térmico y el efecto de la adaptación para contrarrestar el SA.Files
pdf.pdf
Files
(3.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:e8282e1e0387ff48e0c5bed564a84f35
|
3.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- استجابة ترانسكريبتوم العضلات القلبية والهيكلية للإجهاد الحراري في الأنماط البيئية للدجاج الكيني المتكيفة مع الارتفاعات المنخفضة والعالية تكشف عن الاختلافات في التسامح الحراري والاستجابة للإجهاد
- Translated title (French)
- La réponse du transcriptome des muscles cardiaques et squelettiques au stress thermique chez les écotypes de poulet kenyans adaptés aux basses et hautes altitudes révèle des différences de tolérance thermique et de réponse au stress
- Translated title (Spanish)
- La respuesta del transcriptoma del músculo cardíaco y esquelético al estrés por calor en los ecotipos de pollo keniano adaptados a altitudes bajas y altas revela diferencias en la tolerancia térmica y la respuesta al estrés
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2979977337
- DOI
- 10.3389/fgene.2019.00993
References
- https://openalex.org/W1650797637
- https://openalex.org/W178670659
- https://openalex.org/W1903430549
- https://openalex.org/W1964964696
- https://openalex.org/W1968161229
- https://openalex.org/W1968303604
- https://openalex.org/W1968830300
- https://openalex.org/W1969857764
- https://openalex.org/W1988827216
- https://openalex.org/W1990065094
- https://openalex.org/W1996187315
- https://openalex.org/W1996681581
- https://openalex.org/W1999796994
- https://openalex.org/W2000075953
- https://openalex.org/W2000181095
- https://openalex.org/W2000284524
- https://openalex.org/W2001277653
- https://openalex.org/W2008887283
- https://openalex.org/W2012616844
- https://openalex.org/W2015898709
- https://openalex.org/W2018720126
- https://openalex.org/W2025109588
- https://openalex.org/W2028182105
- https://openalex.org/W2034226738
- https://openalex.org/W2035291205
- https://openalex.org/W2040106859
- https://openalex.org/W2048955370
- https://openalex.org/W2050322164
- https://openalex.org/W2053095786
- https://openalex.org/W2054822003
- https://openalex.org/W2057476376
- https://openalex.org/W2059568263
- https://openalex.org/W2063703457
- https://openalex.org/W2063945491
- https://openalex.org/W2069020846
- https://openalex.org/W2079650519
- https://openalex.org/W2083475160
- https://openalex.org/W2085723888
- https://openalex.org/W2086206776
- https://openalex.org/W2088653554
- https://openalex.org/W2091266657
- https://openalex.org/W2098121035
- https://openalex.org/W2099599270
- https://openalex.org/W2100305481
- https://openalex.org/W2105444399
- https://openalex.org/W2109590351
- https://openalex.org/W2114387248
- https://openalex.org/W2114570899
- https://openalex.org/W2116838544
- https://openalex.org/W2117844197
- https://openalex.org/W2119999468
- https://openalex.org/W2120326869
- https://openalex.org/W2120736516
- https://openalex.org/W2121351383
- https://openalex.org/W2126218858
- https://openalex.org/W2126762966
- https://openalex.org/W2129117102
- https://openalex.org/W2131271579
- https://openalex.org/W2132211535
- https://openalex.org/W2134586291
- https://openalex.org/W2147502402
- https://openalex.org/W2148376127
- https://openalex.org/W2153306468
- https://openalex.org/W2158217645
- https://openalex.org/W2159482845
- https://openalex.org/W2159675211
- https://openalex.org/W2164272243
- https://openalex.org/W2168469604
- https://openalex.org/W2168844780
- https://openalex.org/W2169589032
- https://openalex.org/W2238568103
- https://openalex.org/W2277986268
- https://openalex.org/W2291568825
- https://openalex.org/W2329682346
- https://openalex.org/W2329912018
- https://openalex.org/W2346339331
- https://openalex.org/W2474074361
- https://openalex.org/W2528210617
- https://openalex.org/W2549305032
- https://openalex.org/W2555871875
- https://openalex.org/W2584477695
- https://openalex.org/W2602250696
- https://openalex.org/W2607254817
- https://openalex.org/W2739926192
- https://openalex.org/W2754955735
- https://openalex.org/W2773236159
- https://openalex.org/W2790098430
- https://openalex.org/W2791472156
- https://openalex.org/W2889373986
- https://openalex.org/W2898755725
- https://openalex.org/W2902272922
- https://openalex.org/W2903991410
- https://openalex.org/W2904621083
- https://openalex.org/W4256409604
- https://openalex.org/W4294216483