Abordagens genômicas para caracterização da homozigosidade nas raças Hereford e Braford

Abstract

A genotipagem dos animais domésticos possibilita a investigação e compreensão de como o genoma é moldado devido a seleção. O objetivo geral deste trabalho foi identificar e caracterizar segmentos homozigotos presentes no genoma dos bovinos das raças Hereford e Braford, associar regiões homozigotas mais frequentes nessa população a genes envolvidos na expressão de características econômicas, calcular e correlacionar os coeficientes de endogamia genômico oriundos das corridas de homozigose e da matriz genômica de parentesco e coeficiente endogâmico obtido através do pedigree. Identificar no Braford assinaturas de seleção e atribuir a ancestralidade dessas marcas. No capítulo II foram utilizados dados de 3.183 animais e 371.571 SNPs da raça Hereford e 3.854 animais e 494.481 SNPs da raça Braford, através do software PLINK foram identificadas um total de 531.992 ROHs (n=329.971 Hereford n=202.021 Braford). As ilhas de autozigosidade foram evidentes em regiões genômicas associadas a importantes características econômicas. Os genes dentro dos termos enriquecidos (p<0,05) para o gado Braford foram associados principalmente a características relacionadas à qualidade do leite, reprodução e metabolismo lipídico envolvido em características relacionadas à qualidade da carne. Para o gado Hereford, os genes estiveram envolvidos principalmente na expressão de características de pigmentação e pelagem da raça, produção/qualidade do leite, persistência da lactação e funções moleculares relacionadas à fertilidade de touros e novilhas. Os coeficientes de endogamia na população Hereford foram calculados usando o pedigree (FPED: 0,003), matriz de relacionamento genômico (FGRM: 0,263) e ROH (FROH-Mean: 0,132). Nos animais Braford, os valores médios foram 0,001 (FPED), 0,215 (FGRM) e 0,061 (FROH-Mean). A maior correlação entre os coeficientes de endogamia foi entre FROH>16Mb e FPED (0,33) para a população Hereford e FROH_mean e FGRM (0,44) para a população Braford. A correlação entre FROH>16Mb e FPED evidenciou a superficialidade do pedigree, corroborando o conceito de que FROH pode captar níveis mais profundos de autozigosidade individual. No Capítulo III foram utilizados dados de SNPs de alta densidade de 7149 bovinos das raças Hereford-Embrapa, Braford, Braham, Nelore e Hereford USA, após controle de qualidade o banco de dados continha 310.816 SNPS comuns. Para determinar as regiões de baixa diversidade, o software PLINK v1.90 foi usado para calcular as ROHs, onde 1% dos SNPs mais frequentes foram usados para determinar as regiões de assinaturas de seleção. O software ADMIXTURE foi utilizado para calcular a probabilidade de ancestralidade das raças fundadoras de Braford. A ancestralidade do genoma do Braford, coberto por SNPs, manteve um percentual médio esperado por sua composição racial 3/8 Zebu. Dezenove ilhas de homozigose foram identificadas, essas regiões continham QTLs de características selecionadas nas raças. O uso de abordagens genômicas trouxe avanços, contribuindo com estimativas mais próximas da similaridade genética dos indivíduos da população. Coeficientes de endogamia estimados através de segmentos homozigotos no genoma (FROH) podem ser usados como estimadores mais precisos dos níveis de endogamia individual nos programas de melhoramento das raças, visando melhor direcionamento dos acasalamentos e cálculo de acuracia. A identificação das assinaturas de seleção no Braford, permitiu conhecer a estrutura de uma raça composta, e a contribuição no genoma dos fundadores do Braford, demonstra que a pressão de seleção na raça Braford mantem alelos favoráveis na complementariedade das raças, e as marcas no genoma estão relacionadas a importantes QTLs, na expressão de fenótipos de interesse da raça.

The genotyping of domestic animals makes it possible to investigate and understand how the genome is shaped by selection. The general objective of this work was to identify and characterize homozygous segments present in the genome of Hereford and Braford cattle, to associate more frequent homozygous regions in this population to genes involved in the expression of economic characteristics, to calculate and correlate the genomic inbreeding coefficients derived from races of homozygosity and genomic matrix of kinship and inbreeding coefficient obtained through the pedigree. Identify selection signatures in Braford and assign the ancestry of these marks. In chapter II, data from 3,183 animals and 371,571 SNPs of the Hereford breed and 3,854 animals and 494,481 SNPs of the Braford breed were used. A total of 531,992 ROHs were identified through the PLINK software (n=329,971 Hereford n=202,021 Braford). Islands of autozygosity were evident in genomic regions associated with important economic traits. Genes within the enriched terms (p<0.05) for Braford cattle were mainly associated with traits related to milk quality, reproduction and lipid metabolism involved in traits related to meat quality. For Hereford cattle, genes were mainly involved in the expression of breed pigmentation and coat traits, milk production/quality, lactation persistence, and molecular functions related to fertility in bulls and heifers. Inbreeding coefficients in the Hereford population were calculated using pedigree (FPED: 0.003), genomic relationship matrix (FGRM: 0.263) and ROH (FROH-Mean: 0.132). In Braford animals, the mean values were 0.001 (FPED), 0.215 (FGRM) and 0.061 (FROH-Mean). The highest correlation between inbreeding coefficients was between FROH>16Mb and FPED (0.33) for the Hereford population and FROH_mean and FGRM (0.44) for the Braford population. The correlation between FROH>16Mb and FPED evidenced the superficiality of the pedigree, corroborating the concept that FROH can capture deeper levels of individual autozygosity. In Chapter III, data from high-density SNPs of 7149 Hereford-Embrapa, Braford, Braham, Nellore and Hereford USA cattle were used. After quality control, the database contained 310,816 common SNPS. To determine the regions of low diversity, the PLINK v1.90 software was used to calculate the ROHs, where 1% of the most frequent SNPs were used to determine the selection signature regions. The ADMIXTURE software was used to calculate the probability of ancestry of the founding breeds of Braford. The ancestry of the Braford genome, covered by SNPs, maintained an average percentage expected for its 3/8 Zebu racial composition. Nineteen islands of homozygosity were identified, these regions contained QTLs of selected traits in the breeds. The use of genomic approaches brought advances, contributing with closer estimates of the genetic similarity of individuals in the population. Inbreeding coefficients estimated through homozygous segments in the genome (FROH) can be used as more accurate estimators of individual inbreeding levels in breed improvement programs, aiming at better targeting of mating and accuracy calculation. The identification of the selection signatures in the Braford, allowed to know the structure of a composite race, and the contribution in the genome of the founders of the Braford. The selection pressure in the Braford breed maintains favorable alleles in the complementarity of the breeds, and the marks in the genome are related to important QTLs, in the expression of phenotypes of interest to the breed.