ADER 8.1.6/2019

Titlul proiectului: Cercetări privind utilizarea markerilor SNP și formarea unei populații de referință în vederea implementării selecției genomice la taurine

Tipul proiectului: Plan sectorial pentru cercetare-dezvoltare din domeniul agricol şi de dezvoltare rurală al Ministerului Agriculturii și Dezvoltării Rurale, pe anii 2019-2022, "Agricultură şi Dezvoltare Rurală - ADER 2022"

Cod proiect: ADER 8.1.6
Nr. Contract/data: 8.1.6/27.09.2019
Unitatea Finantatoare: Ministerul Agriculturii și Dezvoltării Rurale

Coordonator proiect: Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Biologie și Nutriție Animală- IBNA Balotești

Partener : Stațiunea de Cercetare-Dezvoltare pentru Creșterea Bovinelor Arad

 

Rezumat:

Din anul 2000 a început dezvoltarea testelor de genotipare pentru un număr mare de polimorfisme ale unei singure nucleotide SNP, iar primul cip comercial de genotipare SNP a fost lansat în decembrie 2007. Peste 15.000 de genotipuri au fost utilizate pentru a determina SNP-uri, care ar trebui să fie utilizate în evaluarea genomică a bovinelor de lapte din Statele Unite ale Americii, SUA. Evaluările genomice ale SUA au fost lansate pentru prima dată în ianuarie 2009 pentru rasele Holstein și Jerseys, în august 2009 pentru Brown Swiss, în aprilie 2013 pentru Ayrshires și în aprilie 2016 pentru Guernseys. Astfel, tematica proiectului vizează studii de selecție genomică la vaci în contextul bio-economic din România. Proiectul își propune investigarea unui număr de 50.000 de SNP-uri în cadrul raselor Bălțată cu Negru Românească, Bălțată Românească și Brună de Maramureș și efectuarea de studii de asociere la nivel genomic, studii GWAS, pentru caracterele importante din punct de vedere economic. Genotiparea cu ajutorul SNP-urilor va genera un set de informații precise despre structura genetică a efectivelor de vaci din România.

Obiective:

Obiective principale:

(a) cu ajutorul controlului oficial al performanțelor să se edifice o bază de date consistentă, coerentă și flexibilă care să cuprindă informații fenotipice (cantitatea de lapte, greutăți corporale, evaluarea exteriorului, informații despre reproducție) și genotipice (polimorfismele SNP-urilor); (b) estimarea efectului SNP-urilor asupra caracterelor evaluate prin cele mai noi metode biometrice;

 (c) estimarea componenților de varianță-covarianță care implicit conduc la estimarea parametrilor genetici; identificarea celor mai bune metodologii de analiză biometrică care vor fi folosite la predicția valorii de ameliorare.

Ca obiective secundare ale proiectului amintim:

(i) optimizarea metodelor de măsurare a fenotipurilor;

(ii) optimizarea metodelor alese pentru estimarea parametrilor genetici în funcție de specificul caracterelor (caractere cu heritabilitate mică, caractere care se măsoară repetat în decursul vieții productive ale animalului);

(iii) verificarea SNP-urilor corespunzătoare populațiilor analizate și identificarea densității panelurilor ce urmează a fi folosite la genotipare;

 (iv) analiza comparativă a diverselor metode matematice folosite în estimarea valorii de ameliorare genomice.

Derularea activitatilor:

An	Obiective	Activitati
2019	Etapa I. Studiu bibliografic privind efectul polimorfismelor markerilor moleculari asupra fenotipurilor ce fac obiectul ameliorării taurinelor și folosirea acestora in selecția genomică.	Activitatea I.1 Studiu asupra markerilor utilizați în selectia genomica și a metodelor de genotipare.
		Activitatea I.2 Studiu asupra prelucrării datelor obținute în urma genotipării și metodologia GWAS.
		Activitatea I.3 Studiu privind utilizarea informației genomice în selecția genomică la taurine
2020	Etapa II. Investigarea efectelor markerilor genetici asupra caracterelor ce fac obiectul ameliorării producției de lapte la taurine	Activitatea II.1 Colectarea datelor legate de caracterele producției de lapte
		Activitatea II.2 Colectarea probelor biologice
		Activitatea II.3 Procesarea datelor fenotipice
		Activitatea II.4 Estimarea parametrilor genetici ai caracterelor ce fac obiectul ameliorării producției de lapte
		Activitatea II.5 Identificarea și analiza SNP-urilor.
		Activitatea II.6 Utilizarea metodologiei Genome-Wide Analisys Signature în detecția semnăturii selecției.
		Activitatea II.7 Analiza polimorfismelor SNP asociate cu caractere calitative și cantitative ale producției de lapte la bovine
		Activitatea II.8 Estimarea efectului  polimorfismelor SNP asupra caracterelor de producție a laptelui la taurine
2021	Etapa III Investigarea efectelor markerilor genetici asupra caracterelor ce fac obiectul ameliorării producției de carne la taurine	Activitatea III.1 Evaluarea caracterelor morfo-productive la rasele de taurine din România
		Activitatea III.2 Evaluarea non-invazivă cu ultrasunete a producției de carne în carcasă
		Activitatea III.3 Estimarea greutății cărnii în carcasă prin ecuații de regresie multiplă
		Activitatea III.4 Procesarea datelor fenotipice
		Activitatea III.5 Estimarea paramerilor genetici ai caracterelor ce fac obiectul ameliorării producției de carne
		Activitatea III.6 Identificarea și analiza SNP-urilor
		Activitatea III.7 Utilizarea metodologiei Genome-Wide Analisys Signature în detecția semnăturii selecției.
		Activitatea III.8 Analiza polimorfismelor SNP asociate cu caractere calitative si cantitative ale producției de carne la taurine
		Activitatea III.9 Estimarea efectului  polimorfismelor SNP asupra caracterelor de producție a laptelui la taurine
2022	Etapa IV Investigarea efectelor markerilor genetici asupra caracterelor ce fac obiectul ameliorării reproducției și stării de sănătate la taurine	Activitatea IV.1 Evaluarea caracterelor  legate de reproducție și bunăstare la rasele de taurine din România
		Activitatea IV.2 Procesarea datelor fenotipice
		Activitatea IV.3 Estimarea paramerilor genetici ai caracterelor ce fac obiectul ameliorării parametrilor de reproducție și bunăstare
		Activitatea IV.4 Identificarea și analiza SNP-urilor
		Activitatea IV.5 Utilizarea metodologiei Genome-Wide Analisys Signature în detecția semnăturii selecției
		Activitatea IV.6 Analiza polimorfismelor SNP asociate cu caractere de reproductie si bunăstare la taurine
		Activitatea IV.7 Estimarea efectului  polimorfismelor SNP asupra caracterelor de reproductie si bunăstare la taurine
		Activitatea IV.8 Stabilirea modelului statistic utilizat
		Activitatea IV.9  Management și diseminare

Rezultate asteptate:

• Genotiparea unui lot de animale cu 800 capete Bălțată cu Negru Românească, 600 Bălțată Românească și 100 Brună de Maramureș pe baza unui panel de 50.000 de SNP-uri -Single Nucleotide Polymorphism, în scopul creării unor populații de referință pentru aceste rase
• Crearea și dezvoltarea unor baze de date genotipice și fenotipice proprii fiecărei populații de referință, cu date achiziționate în conformitate cu standardele de calitate stipulate de ghidurile internaționale
• Metodologie de estimare prin metode moderne a parametrilor genetici ai populațiilor de taurine din România
• Efectuarea de studii de asociere la nivel genomic, studii GWAS - Genome-Wide Association Study, pentru caracterele de producție și reproducție importante din punct de vedere economic
• Adaptarea modelelor matematice pentru estimarea valorilor de ameliorare genomice
• Elaborarea Indexului de Selecție optim pentru caracteristicile morfo-productive ale populațiilor de taurine din România
• Metodologie de implementare a cuantificării unor noi genotipuri, scorul podal, ecografia mușchiului Longissimus dorsi, LD, ale unor caractere ce fac obiectul ameliorării
• Identificarea punctelor din programele de ameliorare ce vor trebui modificate în vederea trecerii la Selecția Genomică

Stadiul proiectului si rezultate obtinute:

Etapa 1. Studiu bibliografic privind efectul polimorfismelor markerilor moleculari asupra fenotipurilor ce fac obiectul ameliorării taurinelor și folosirea acestora în selecția genomică

Obiectivele Etapei:

În etapa 1/2019 ne-am propus identificarea principalilor markeri moleculari utilizați în selecția genomică, studierea metodologiei estimării asocierii acestor markeri cu caracterele fenotipice de interes în ameliorarea taurinelor precum și coroborarea informației obținute cu metodologia de estimare a valorii de ameliorare. 

Rezumatul Etapei 1

In ultimele decenii au fost facute eforturi remarcabile pentru studierea arhitecturii genetice a caracterelor ce fac obiectul ameliorarii la animalele domestice. In urma acestor numeroase eforturi s-au dezvoltat o serie de aplicatii ce au permis selectia indivizilor chiar de la nastere, pe baza unei valori de ameliorare genomice estimate.

Ideea principală în utilizarea SNP-urilor este aceea că un SNP la care se constată că are un anume grad de asociere cu un caracter fenotipic fie este un proxy (influencer) al unei gene fie un variant cauzativ (adică un SNP care afectează caracterul în mod direct). Numărul mare de SNP-uri din genom face să crească probabilitatea descoperirii unui SNP legat de un variant cauzativ, îmbunătățind astfel șansa de a găsi o genă ce contribuie la varianța unui caracter.

dată cu apariția valorilor de ameliorare genomice (GEBV) a început și cursa genotipării animalelor. Disponibilitatea unei multitudini de genotipuri a dus la dezvoltarea de metode noi de încorporare a informației genomice în sistemele de evaluare națională a taurinelor. Prima metodă a fost cea denumită cu pași multipli (multi-step), pași ce trebuiau parcurși pentru a obține valoarea de ameliorare genomică. Au fost necesare evaluarea unor populații distincte de validare și de perfecționare pentru a estima valoarea de ameliorare moleculară (MBV) sau cea genomică directă (DGV) și introducerea acestor valori în valoarea de ameliorare estimată în mod tradițional. Acest model cu pași multipli a fost implementat prima dată în SUA. Metoda cu pași multipli beneficiază de avantajul păstrării metodologiei BLUP neschimbate și a utilizării selecției genomice ca analiză adițională. Cu toate acestea, această metodă prezintă și dezavantaje: a) MBV este generată doar pentru modele simple (un singur caracter, modele non-materne etc.) ceea ce nu reprezintă tocmai o evaluare genetică; b) sunt necesare pseudo-fenotipuri (valoarea de ameliorare este ajustată cu media părinților și acuratețea); c) pseudo-fenotipurile se bazează pe o acuratețe obținută prin algoritmi aproximativi ce pot genera estimări de calitate slabă; d) în model sunt incluse doar animale genotipate; e) MBV poate conține o parte din media părinților ceea ce duce la o anumită redundanță în informație.  Deoarece doar o parte din animale sunt genotipate Misztal, Legarra și Aguilar au propus în 2009 o metodologie ce combină informația din pedigreu, fenotipuri și genotipuri într-o singură evaluare. Această metodologie a fost denumită BLUP genomic într-un singur pas (single step Genomic BLUP sau ssGBLUP) și presupune alterarea relațiilor de înrudire dintre animale pe baza genotipurilor. Ca exemplu, semi-frații au în medie 50% din ADN comun, dar în practică acesta poate varia între 20% și 70%. Această metodă poate fi utilizată cu modelele multi-caracter, cu modelele cu efecte materne, previne redundanța informațiilor fenotipice și de pedigreu, asigură o ponderare optimă a tuturor surselor de informații și poate fi utilizat în populații de orice mărime și cu orice număr de animale genotipate. Per ansamblu prin utilizarea ssGBLUP se așteaptă o îmbunătățire a acurateței în comparație cu metoda cu pași multipli. La scurt timp după implementarea în GS, ssGBLUP a fost folosit la populații cu mai mult de 6000 de animale genotipate. O aplicație timpurie a ssGBLUP a fost utilizarea unor date simulate a 1500 animale în evaluarea greutății la înțărcare cu efecte materne. Deși s-a utilizat un număr mic de animale, a fost observat un spor de acuratețe observat pentru efectele materne directe și indirecte. Următorul pas a fost aplicarea ssGBLUP pe seturile de date ale asociațiilor de creștere. Acest pas a consistat în evaluarea a 52000 de vaci Angus genotipate observându-se un spor consistent de precizie.                                              

 

Publicatii si comunicari (se actualizeaza la fiecare etapa si la finalul proiectului):

Alte rezultate relevante

Rezultat: Studiu asupra markerilor utilizați în selecția genomică și a metodelor de genotipare

Efecte scontate: Identificarea principalilor markeri moleculari utilizați în selecția genomică în vederea punerii la punct a panelurilor dense de evaluare genomică a animalelor precum și a metodologiei optime de genotipare a acestor markeri.

 

Rezultat: Studiu asupra prelucrării datelor obținute în urma genotipării și metodologia GWAS

Efecte scontate: Elucidarea pașilor ce trebuie urmați în managerierea datelor obținute în urma genotipării, a metodologiei optime de analiză utilizate în studiile de asociere genomică precum și echipamentul software necesar în analiză.

 

Rezultat: Studiu privind utilizarea informației genomice în selecția genomică la taurine Efecte scontate: Identificarea metodei de introducere a informației genomice în modelele utilizate în metodologia BLUP și transformarea în metodologie Genomic BLUP (GBLUP) respectiv single step Genomic BLUP (ssGBLUP).