Wykorzystanie informacji o genomie w selekcji bydªa Tomasz Suchocki 1,2, Joanna Szyda 1,2 1 Grupa Biostatystyki, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocªawiu 2 Instytut Zootechniki - PIB, Kraków 1 / 50
1. Ocena genomowa bydªa mlecznego w Polsce 2. Analiza genetyczna chorób nóg i racic u krów rasy Fleckvieh i Braunvieh 3. Projekt Gene2Farm 4. Podsumowanie 2 / 50
1. Ocena genomowa bydªa mlecznego w Polsce 3 / 50
Ocena genomowa bydªa mlecznego w Polsce 1. Historia oceny genomowej w Polsce 2. ///////// Obecna Dawna ocena genomowa w Polsce 3. Ocena genomowa w Polsce oparta o genotypy z bazy EuroGenomics i fenotypy z bazy Interbull 4 / 50
Historia oceny genomowej w Polsce 5 / 50
Historia - MASinBULL 2008 Rysunek 1: Zaªo»yciele konsorcjum MASinBULL, rok 2008. 6 / 50
Historia - MASinBULL 2011 Rysunek 2: Skªad czªonków konsorcjum MASinBULL w roku 2011. 7 / 50
Historia - Genomika Polska 2013 Rysunek 3: Skªad czªonków konsorcjum Genomika Polska (dawniej MASinBULL) w roku 2013. 8 / 50
Obecna ///////// Dawna ocena genomowa w Polsce 9 / 50
Materiaª - osobniki 1. Zgenotypowane osobniki rasy Polska holszty«sko-fryzyjska: czarnoi czerwono-biaªa (a) 7 868 buhajów - mikromacierz Illumina BovineSNP50 Genotyping BeadChip (2 635 wersja 1) (b) 10 933 krów - mikromacierz Illumina BovineLD lub BovineSNP50 Genotyping BeadChip Rysunek 4: Buhaje rasy Polska holszty«sko-fryzyjska czarno-biaªa i czerwono-biaªa. 10 / 50
SNP Rysunek 5: Ilustracja polimorzmu pojedynczego nukleotydu. ródªo Wikipedia. 11 / 50
Materiaª - genotypy 2. 46 267 tsnp (Cz stotliwo± rzadszego allelu (ang. MAF) 0.01, jako± genotypowania (ang. Call Rate) 90%) 3. rednia cz stotliwo± rzadszego allelu 0.23 (wszystkie SNP), 0.26 (tsnp) 4. rednia jako± genotypowania 99.20% (wszystkie SNP), 99.36% (tsnp) Rysunek 6: Mikromacierz Illumina BovineSNP50 Genotyping BeadChip. 12 / 50
Materiaª - cechy 5. Ocenie podlega 31 cech: (a) 3 produkcyjne (h 2 0.33) (b) 22 pokroju (h 2 [0.10; 0.54]) (c) 4 pªodno±ci (h 2 0.02) (d) liczba komórek somatycznych (h 2 0.32) (e) dªugowieczno± funkcjonalna (h 2 0.17) 13 / 50
Materiaª - populacja referencyjna Rysunek 7: Wielko± populacji referencyjnej w ocenie genomowej w Polsce. 14 / 50
Metody - DGV Model SNP BLUP: y = 1µ + Zq + e, y - zderegresowane warto±ci EBV z oceny konwencjonalnej µ - ±rednia ogólna q - losowy efekt SNP N (0, I Z = { 1, 0, 1} e - bª d losowy N (0, D σ 2 e ) σ 2 α 46 267 ) DGV = µ + Z q 15 / 50
Metody - DGV Rysunek 8: Przykªad wyznaczenia DGV dla dwóch buhajów. 16 / 50
Metody - dokªadno± DGV Dokªadno± DGV: {( ) } REL DGV = diag Q σ2 e σ α 2 C 22 Q 1, C 22 - odwrotno± macierzy wspóªczynników dla MME Q = ZZ T 1 p b het p b het - suma cz sto±ci heterozygotycznych SNP w populacji bazowej 17 / 50
Metody - GEBV Rysunek 9: Ilustracja obliczania GEBV. 18 / 50
Metody - GEBV GEBV dla itego osobnika: GEBV i = (1 REL PA i )(DGV i µ EBV ) + (1 REL DGVi )(PA i µ EBV ) 1 REL DGVi REL PAi +µ EBV Dokªadno± GEBV dla itego osobnika: REL GEBVi = REL DGV i (1 REL PAi ) + REL PAi (1 REL DGVi ) 1 REL DGVi REL PAi 19 / 50
Wyniki Ilo± ocen genomowych (a) 3 oceny gªówne: kwiecie«, sierpie«, grudzie«(b) 3 oceny dodatkowe: luty, czerwiec, pa¹dziernik Rysunek 10: rednia, minimum i maksimum dokªadno±ci GEBV dla mªodych osobników. 20 / 50
Wyniki Rysunek 11: Zmiany dokªadno±ci DGV dla mªodych buhajów i liczebno±ci populacji referencyjnej na przestrzeni lat dla wydajno±ci mleka. 21 / 50
Wyniki Rysunek 12: Walidacja systemu oceny genomowej dla cech produkcyjnych w Interbull. 22 / 50
Aktualna ocena genomowa - baza EuroGenomics 23 / 50
EuroGenomics Eurogenomics: 1. Czªonkowie: Austria+Niemcy, Belgia, Francja, Hiszpania, Holandia, Luksemburg, kraje Skandynawskie (Dania, Finlandia, Szwecja), Polska 2. Misja: ª czenie zbiorów referencyjnych (zwi kszenie dokªadno±ci DGV), wspólne badania naukowe Rysunek 13: Podpisanie umowy akcesyjnej pomi dzy Polsk i EuroGenomics, Warszawa 2012. 24 / 50
Metody - zmiany 1. Dodanie do modelu efektu poligenicznego (z góry ustalony procent wariancji genetycznej dla ka»dej z cech). 2. U»ycie zderegresowanych mi dzynarodowych konwencjonalnych warto±ci hodowlanych (MACE). 3. Zmiany w obliczaniu indeksów rodowodowych (oparte na danych Interbull). 4. Zmainy w obliczaniu dokªadno±ci DGV (kwadrat wspóªczynnika korelacji Pearsona pomi dzy DGV i zderegresowanymi warto±ciami EBV podzielony przez ±redni dokªadno± EBV dla córek danego osobnika). 5. Przyst pienie do wymiany ocen genomowych mªodych buhajów pomi dzy pa«stwa czªonkowskie EuroGenomics. 25 / 50
Wyniki Pierwsza ocjalna ocena na bazie EG odb dzie si w grudniu 2016. Rysunek 14: Populacja referencyjna oparta na bazie polskiej i EG. 26 / 50
Wyniki Rysunek 15: Korelacja pomi dzy ocanami opartymi na bazie referencyjnej polskiej i EuroGenomics. 27 / 50
2. Analiza genetyczna chorób nóg i racic u krów rasy Fleckvieh i Braunvieh 28 / 50
Cel Poszukiwania genów odpowiedzialnych za predyspozycje do chorób nóg i racic u krów rasy Fleckvieh i Braunvieh. Rysunek 16: Krowy rasy Fleckvieh i Braunvieh. ródªo Wikipedia. 29 / 50
Materiaª 1. 2 043 krów zgenotypowanych przy u»yciu GeneSeek R Genomic Proler TM HD (a) 1 057 Fleckvieh (b) 986 Braunvieh 2. 70 026 tsnp ( rednia cz stotliwo± rzadszego allelu (ang. MAF) 0.05, jako± genotypowania (ang. Call Rate) 95%) 3. liczba chorób racic u krów (w skali od 0 do 7) 30 / 50
Metody Liniowy model mieszany: y = µ + la + b + SNP + a + p + ɛ, gdzie (a) y - liczba chorób racic (0 7) (b) la - staªy efekty jtej laktacji (j = 1, 2, 3) (c) b - staªy efekty ktego stada (1 - Fleckvieh,2 - Braunvieh) (d) SNP - staªy efekty markera SNP (SNP = { 1, 0, 1}) (e) a - losowy efekt addytywnie poligeniczny, a N ( 0, A σa 2 ) (f ) p - losowy efekt trwaªy ±rodowiskowy, p N ( 0, I n σp 2 ) (g) ɛ - bª d losowy, ɛ N ( 0, I N σɛ 2 ) 31 / 50
Wyniki Rysunek 17: Wyniki analizy skªadowych gªównych (ang. PCA). 32 / 50
Wyniki Rysunek 18: Interakcje pomi dzy 100 SNP wyselekcjonowanymi przy pomocy metody PCA. 33 / 50
Wyniki Rysunek 19: Poªo»enie dwóch SNP z najmniejsz p-warto±ci na 29 chromosomie. 34 / 50
Wnioski 1. Na podstawie liniowego modelu mieszanego zostaªo wyselekcjonowanych 301 istotnych markerów SNP. 2. Analiza skªadowych gªównych pozwoliªa ograniczy liczb istotnych markerów do 100. 3. Na podstawie analizy epistazy uzyskali±my 307 istotnych interakcji genetyczych oraz 15 istotnych efektów dominacyjnych. 4. Gen LUZP2 znajduj cy si na 29 chromosomie jest potencjalnym QTL zwi zanym z liczb chorób racic. Do tej pory gen ten byª znany jako QTL dla cech: ustawienie zadu, racice i waga ciaªa dorosªego osobnika. 35 / 50
3. Projekt Gene2Farm 36 / 50
Cel Porównanie zmienno±ci genetycznej rasy Simental i Fleckvieh z innymi rasami na podstawie sekwencji DNA caªych genomów. Rysunek 20: Zmienno± genetyczna. ródªo PFHBiPM. 37 / 50
Materiaª Sekwencje DNA caªych genomów dla nast puj cych ras 1. Simental (16 osobników; SIM) 2. Fleckvieh (30 osobników; FLV) 3. Guernsey (20 osobników; GUE) 4. Parda de la Montana (4 osobników; PDM) 5. Brown Swiss (48 osobników; BSW) 6. Norwegian Red (27 osobników; RED) 7. Pezzata Rosa Italiana (3 osobniki; PEZ) 38 / 50
SNP Rysunek 21: Ilustracja polimorzmu pojedynczego nukleotydu. ródªo Wikipedia. 39 / 50
Wyniki SNP Rysunek 22: Caªkowita liczba SNP zidentykowana dla ka»dego z osobników. rednia liczba markerów: 5 528 133, odchylenie standardowe: 572 257, minimum: 2 510 178 i maksimum: 6 465 167 (Simental ±rednia: 5 648 335, odchylenie standardowe: 164 364, minimum: 5 332 848 i maksimum: 5 833 526, Fleckvieh ±rednia: 5 482 153, odchylenie standardowe: 756 303, minimum: 2 904 960 i maksimum: 6 040 227). 40 / 50
Wyniki SNP Rysunek 23: Liczba polimorzmów SNP charakterystycznych tylko dla jednej z ras. BSW: Brown Swiss, SIM: Simental, FLV: Fleckvieh, GUE: Guernsey, PDM: Parda De Montaña, RED: Norwegian Red, PEZ: Pezzata Rosa Italiana. 41 / 50
Wyniki SNP Rysunek 24: Liczba polimorzmów SNP wspólnych pomi dzy ras Simentalsk, a pozostaªymi analizowanymi rasami. BSW: Brown Swiss, SIM: Simental, FLV: Fleckvieh, GUE: Guernsey, PDM: Parda De Montaña, RED: Norwegian Red, PEZ: Pezzata Rosa Italiana. 42 / 50
Wyniki SNP Rysunek 25: Liczba polimorzmów SNP wspólnych pomi dzy ras Fleckvieh, a pozostaªymi analizowanymi rasami. BSW: Brown Swiss, SIM: Simental, FLV: Fleckvieh, GUE: Guernsey, PDM: Parda De Montaña, RED: Norwegian Red, PEZ: Pezzata Rosa Italiana. 43 / 50
CNV Rysunek 26: Ilustracja CNV. ródªo Wikipedia. 44 / 50
Wyniki CNV Rysunek 27: rednia liczba polimorzmów CNV zidentykowanych dla ka»dej z ras z podziaªem na duplikacje i delecje. BSW: Brown Swiss, SIM: Simental, FLV: Fleckvieh, GUE: Guernsey, PDM: Parda De Montaña, RED: Norwegian Red, PEZ: Pezzata Rosa Italiana. 45 / 50
Wyniki CNV Rysunek 28: rednia dªugo± polimorzmu CNV z podziaªem na duplikacje i delecje. BSW: Brown Swiss, SIM: Simental, FLV: Fleckvieh, GUE: Guernsey, PDM: Parda De Montaña, RED: Norwegian Red, PEZ: Pezzata Rosa Italiana. 46 / 50
Wnioski 1. Rasa Simentalska charakteryzuje si stosunkowo maªa liczb SNP (625145) charakterystyczn tylko dla tej rasy. 2. Rasa Simentalska wykazuje najwi ksze podobie«stwo genetyczne z rasami Fleckvieh (89% wspólnych SNP), Norwegian Red (77%) oraz Brown Swiss (75%). 3. Liczba indeli jest znacznie ni»sza ni» SNP i w przeliczeniu na pojedynczego osobnika waha si pomi dzy 306 090 i 343 858. 4. Liczba CNV waha si pomi dzy 12 228 i 28 604 dla pojedynczego osobnika. 47 / 50
4. Podsumowanie 48 / 50
Wnioski ogólne Jak wyra¹nie wynika z przytoczonych powy»ej przykªadów analiz w dobie szybko rozwijaj cej si genomiki, mamy coraz wi cej informacjo o genomie bydªa, w tym równie» rasy Simental i Fleckvieh. Malej ce koszty genotypowania oraz sekwencjonowania caªych genomów pozwalaj nie tylko na genomiczne scharakteryzowanie bardzo du»ej liczby osobników lecz tak»e na szerokie wykorzystanie tej informacji w selekcji. Obecnie w Polsce genotypowanie, a co za tym idzie równie» i praktyczne wykorzystanie informacji genomicznej w hodowli dotyczy gªównie rasy holszty«sko-fryzyjskiej. Cz ± uzyskanych dla tej rasy wyników mo»na ekstrapolowa równie» na ras Simental lub Fleckvieh, cen jest mniejsza dokªadno±. 49 / 50
Dzi kuj za uwag! 50 / 50