Domestication and early experiences in chickens: Behavior, stress and gene expression

A number of animal species have undergone domestication, the process of becoming adapted to living in captivity and in proximity to humans. Common for these species is that they have all developed certain traits, including changes to coat color, body size and level of fearfulness. This has been termed the domestic phenotype. Among these traits is also an attenuation of the response to stress, both behaviorally and physiologically. Thus, release of glucocorticoids such as cortisol or corticosterone is lower in domesticated species. However, the underlying mechanism for this is not yet well understood. In this thesis, we have investigated genetic mechanisms for the attenuation of the physiological stress response in ancestral chickens, the Red Junglefowl, and domesticated chickens, the White Leghorn. We found a number of genes that differed in expression between the two breeds in several tissues involved in the stress response. Among the most interesting findings were lower expression of genes involved in production and secretion of ACTH in the pituitary, and in the production of glucocorticoids in the adrenal glands, in the domesticated White Leghorns. We also found higher expression of the glucocorticoid receptor in White Leghorns, indicating that they may have a more efficient negative feedback of the physiological stress response. We then investigated the transcriptome of the chicken pituitary more closely, and we discovered that a number of genes highly involved in several important physiological axes showed differential expression between the ancestral and the domesticated breed. Among these were genes involved in the stress response, the reproductive system, and in metabolism and growth. As these traits are modified in domesticated species, our results suggest that changes to gene expression in the pituitary may be an important underlying factor of the domestic phenotype. A separate aim of this thesis was to investigate effects of hatching time in chickens on their subsequent phenotype. Time of hatching constitutes an early experience that may differ between individuals, and we therefore hypothesized that differences in hatching time would affect chickens later in life. While a number of studies have been performed on hatching time and post-hatch growth, very little work has been done on effects on behavior. We found that the time of hatching had sex-specific effects. Hatching times in females were negatively correlated with body weight, whereas in males, behaviors such as reaction to novelty and spatial learning were affected. As time of hatching is governed by various hormones, including thyroid hormone and corticosterone, we suggest that changes to the levels of these hormones could affect both hatching time and post-hatch phenotypes. Understanding these mechanisms better would be beneficial in terms of production, where batch homogeneity is important, in research on early experiences and the potential for maternal programming, and in evolutionary questions on trade-off between different life strategies. Populärvetenskaplig sammanfattning Processen där djur anpassas till att leva i fångenskap och i närhet till människor kallas för domesticering. Många djurarter har blivit domesticerade; exempel på dessa är hunden, hästen, fåret, grisen och hönan. Domesticeringen av höns började i östra Asien för 8000 år sedan. Röd djungelhöna, förfadern till alla dagens domesticerade höns, lever fortfarande kvar där. Detta gör att vi kan jämföra ursprungshönan med domesticerade höns, som till exempel den äggläggande rasen White Leghorn, och lära oss mer om ändringarna som har skett under domesticeringen. Om man jämför olika domesticerade djurarter visar det sig att de har utvecklat ett antal gemensamma drag, som till exempel ändringar i pälsfärg, kroppsstorlek, mindre rädsla för människor och ändringar i reproduktionsmönstret. Man har också observerat att domesticerade djur har en mindre utpräglad respons till stress, både vad gäller beteende och fysiologiskt, det vill säga, det som händer inuti kroppen. Mekanismerna som skapar skillnaden i stressrespons är dock inte väl förstådda. När en individ utsätts för stress utsöndras stresshormonet kortisol hos däggdjur, eller hos fåglar, kortikosteron. Detta händer som ett resultat av en kedja av hormonella reaktioner som kallas HPA-axeln (HPA står för hypothalamus-pituitary-adrenal). Hypothalamus är en del av hjärnan, och när individen utsätts för stress skickar hypothalamus hormoner till hypofysen. Hypofysen är en liten körtel som sitter precis under hjärnan. Hypofysens roll är att vidareförmedla signaler från hjärnan som handlar om bland annat stress, tillväxt och reproduktion, och den utsöndrar ett antal viktiga hormoner. När hypofysen får signaler om stress från hypothalamus utsöndrar den ett hormon som kallas ACTH. ACTH transporteras genom blodet till binjurarna, där det stimulerar produktion och utsläpp av kortikosteron. Hos domesticerade höns har man tidigare mätt nivån av kortikosteron i blodet efter stress och sett att nivån är lägre än hos röda djungelhöns. I den här avhandlingen undersökte vi vilka gener som kan förklara denna skillnad genom att mäta nivån av genuttryck i olika vävnader involverade i den fysiologiska stressresponsen. Genuttrycket är det RNA som produceras från en särskild gen. RNA är kopior av genens DNA-sekvens, och antalet kopior som görs av en given gen kan variera mycket. RNA görs sedan om till proteiner som utför olika funktioner i kroppen. Man kan utgå ifrån att mängden av protein som skapas kommer att påverka hur effektivt den biologiska funktionen fungerar. Genom att mäta genuttryck, alltså mängden RNA, får man en indikation på hur mycket protein som skapas från en särskild gen. Om olika grupper av djur, till exempel djur från olika hönsraser, visar skillnader i genuttryck är det troligt att själva den biologiska funktionen också har påverkats. Vi upptäckte att höns av den domesticerade rasen White Leghorn hade lägre uttryck av gener som är involverade i att producera kortikosteron i binjurarna. De hade också lägre uttryck av gener som producerar hormonen ACTH från hypofysen. Dessa resultat indikerar att den reducerade nivån av kortikosteron efter stress hos domesticerade höns är ett resultat av modifieringar i flera olika vävnader i kroppen. På grund av hypofysens viktiga roll i flera funktioner i kroppen, bland annat de funktioner som ofta ändras av domesticeringsprocessen, bestämde vi oss sedan för att undersöka skillnader i genuttryck i hypofysen hos röda djungelhöns och White Leghorns på en större skala, vid att mäta uttryck av tusentals gener på en gång. Vi upptäckte att det fanns tydliga skillnader på genuttryck i hypofysen hos djungelhöns och domesticerade höns. Bland generna vars uttryck skiljde sig fanns ett antal gener som är involverade i just de funktioner som har ändrats under domesticeringsprocessen. Våra resultat visar därför att domesticeringen kan ha påverkat djurarter genom att modifiera genuttryck i hypofysen. Ett annat område som är av intresse inom forskningen är hur djurs erfarenheter tidigt i livet påverkar deras senare liv. Man vet från tidigare studier att djur som till exempel utsätts för stress under tiden före och efter födseln kan påverkas av detta senare i livet. Hos fåglar kan man se kläckningsprocessen som en speciell form av tidig erfarenhet. Alla fåglar går igenom den, men det tar olika lång tid. Om man inkuberar ett antal ägg från höns samtidigt kan det ta upp emot 48 timmar från det att det första ägget kläcks till det sista kläcks. Den här skillnaden kan uppstå för att olika individer behöver olika lång tid i ägget för att bli redo för att kläckas, men också för att själva kläckningsprocessen tar kortare eller längre tid för olika kycklingar. Tidigare studier har visat att denna skillnad i kläckningstid hänger ihop med senare tillväxt hos kycklingarna, men väldigt lite forskning har undersökt om det finns någon effekt på beteende. Vi undersökte därför detta genom att göra ett antal olika beteendetest på kycklingar som hade kläckts efter olika lång tid. Våra resultat visade att hos honor påverkades tillväxten, medan hos hanar påverkades beteendet. Hanar som hade kläckts tidigt visade en starkare reaktion till en ny miljö, vilket kan tyda på högre rädsla. De kunde också lösa ett inlärningsproblem fortare än hanar som kläcktes sent. Resultaten från det här försöket visar att det finns en koppling mellan tid för kläckning och senare tillväxt och beteende, men vi vet än så länge inte vilka mekanismer som skapar denna koppling. Vi föreslår att det kan vara hormoner som är involverade i både kläckningsprocessen och i att forma individens tillväxt och beteende senare i livet. Stresshormonet kortikosteron skulle kunna vara ett sådant hormon. Som slutsats kan man säga att den här avhandlingen har ökat vår kunskap om domesticeringen och de mekanismer som har påverkat djur under domesticeringsprocessen. Vi har också fått en bättre förståelse för hur kläckningshändelsen hänger ihop med senare egenskaper hos höns. Resultaten från avhandlingen belyser därför två viktiga områden inom forskningen, men kan också vara till användning inom djurhållning, för att öka djurens välfärd. List of publications I. Løtvedt, P.*, Fallahshahroudi, A.*, Bektic, L., Altimiras, J., & Jensen, P. (2017). Chicken domestication changes expression of stress-related genes in brain, pituitary and adrenals. Neurobiology of Stress, 7, 113-121. II. Fallahshahroudi, A.*, Løtvedt, P.*, Bèlteky, J., Altimiras, J., & Jensen, P. Alterations in the gene expression pattern of the pituitary is consistent with domestication effects on the stress response in chickens. Manuscript III. Løtvedt, P., & Jensen, P. (2014). Effects of hatching time on behavior and weight development of chickens. PloS one, 9(7), e103040. * Equal contribution Table of