Genome analysis of Greek sheep breeds and association with resilience and adaptation to environmental conditions

Abstract

The present PhD dissertation aimed to comprehensively characterise the genomic makeup of Greek sheep breeds, emphasizing on the genomic architecture of climate resilience of milk production and local environmental adaptation. This is the first study to investigate the demographic history of several native sheep breeds along with globally distributed populations, while innovative methodological approaches were developed to dissect livestock resilience to climatic perturbations. A total of 1,625 animals genotyped from Chios, Frizarta, Mytilini, Boutsko and Pelagonia sheep using the Illumina Ovine SNP50K Bead Chip, featuring more than 50,000 SNP markers, and collectively analyzed with 38 world breeds from Sheep HapMap project. A diverse genomic profile of Greek sheep was demonstrated using principal component analysis and model-based ancestry approaches. A central position was depicted for the Greek indigenous populations between European, Asian and African sheep. The admixture patterns, heterozygosity (Ho-observed, He-expected) and genetic differentiation levels (pairwise FST) revealed different within-breed selection practices related to specific production and adaptation purposes. These genetic patterns indicated the contribution of the Greek farmers to sheep evolution and dispersal during domestication and post-domestication times within Europe. Novel animal phenotypes were developed using reaction norm functions to evaluate the effect of seasonality on milk yield changes in response to temperature variation (climate resilience) in Chios dairy sheep. Seasonal adaptation of Chios resilience to daily and weekly cumulative climate variation was showed, especially exemplified by spring lambing animals. Diversified heritable trait variation (h2= 0.03–0.17) obtained for seasonal resilience under cold and hot weather conditions. Both favourable and antagonistic genetic correlations were estimated between resilience and lifetime milk production. Separate customized breeding objectives could be developed according to the calendar season of lambing to apply genetic selection. Genome-wide association study (GWAS) and regional heritability mapping revealed genomic regions on chromosomes 5 and 19 significantly associated with Chios overall resilience to heat stress conditions (25 °C) and lifetime milk production. Neighboring genes encode olfactory receptors that are involved in animal thermal homeostasis through respiratory evaporation. Additionally, highly homozygous and heterozygous hotspots were identified on chromosomes 3, 10, 13 and 19 based on the detection of runs of homozygosity (ROH) and heterozygosity (ROHet). These hotspots represent potential signals of directional selection and include annotated genes previously associated with milk traits, local adaptation to harsh environments, improved animal fitness and potential disease resistance. A genotype-environment association analysis was also performed using seasonal high and low altitude grazing locations of purebred Boutsko transhumant populations. Five annotated regions on chromosomes 6, 15 and 22 were significantly associated with precipitation seasonality. The spatial distribution of the homozygous genotypes partially coincided with the geographical variation of the bioclimatic variable. Several genes spanning these chromosomal regions were enriched in climate-driven biological processes, such as hypoxia and metabolic responses, developmental pathways and body conformation traits. The methodology deployed in this dissertation could be used for the effective management of farm animal genetic resources to apply multi-trait genomic selection and preserve long-term sustainability of livestock. This could enhance global food security and meet the challenges of climate change.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στον εκτενή χαρακτηρισμό του γονιδιωματικού προφίλ των ελληνικών φυλών προβάτων, εστιάζοντας στο γενετικό υπόβαθρο της κλιματικής ανθεκτικότητας της γαλακτοπαραγωγής και της περιβαλλοντικής προσαρμογής. Πρόκειται για την πρώτη μελέτη που διερευνά την εξελικτική ιστορία των εγχώριων φυλών προβάτων σε σύγκριση με πληθώρα φυλών παγκόσμιας εξάπλωσης, ενώ καινοτόμες μεθοδολογίες αναπτύχθηκαν για την αξιολόγηση της ανθεκτικότητας των ζώων στις κλιματικές διακυμάνσεις. Ένα σύνολο 1.625 ζώων των φυλών Χίου, Φριζάρτας, Μυτιλήνης, Μπούτσκο και Πελαγονίας γονοτυπήθηκε με το Illumina Ovine SNP50K Bead Chip, το οποίο περιλαμβάνει περισσότερους από 50.000 SNP δείκτες, και αναλύθηκε μαζί με 38 φυλές προβάτων από το Sheep HapMap πρόγραμμα. Το γονιδιωματικό προφίλ των ελληνικών προβάτων αναδείχθηκε ετερογενές με επαρκή διαφοροποίηση σε επίπεδο φυλής μέσω της ανάλυσης κύριων συνιστωσών και της ανάλυσης προσμίξεων. Οι ελληνικές φυλές κατέχουν μία κεντρική μεταξύ των Ευρωπαϊκών, Ασιατικών και Αφρικανικών πληθυσμών. Οι παρατηρούμενες προσμίξεις, τα επίπεδα ετεροζυγωτίας (Ho-παρατηρούμενη, He-αναμενόμενη) και γενετικής διαφοροποίησης (FST ανά ζεύγη) ανέδειξαν διαφορετικές πρακτικές διαχείρισης εντός φυλής που σχετίζονται με τη βελτίωση της παραγωγής και προσαρμογής. Η παρατηρούμενη γενετική δομή αναδεικνύει την συμβολή των Ελλήνων κτηνοτρόφων στην εξέλιξη και διασπορά των προβάτων κατά την εξημέρωση αλλά και μεταγενέστερα. Νέοι φαινότυποι αναπτύχθηκαν με τη χρήση συναρτήσεων reaction norm για τη μελέτη της επίδρασης της εποχικότητας στη μεταβολή της γαλακτοπαραγωγής ως απόκριση στη διακύμανση της θερμοκρασίας (κλιματική ανθεκτικότητα) στη φυλή Χίου. Εποχιακή προσαρμογή της ανθεκτικότητας στην ημερήσια και εβδομαδιαία θερμοκρασιακή διακύμανση αναδείχθηκε για τις προβατίνες Χίου με έμφαση στα θηλυκά που γεννούν την άνοιξη. Η εποχιακή ανθεκτικότητα της γαλακτοπαραγωγής εκτιμήθηκε υπό μερικό γενετικό έλεγχο (h2= 0,03-0,17) υπό ψυχρές και θερμές καιρικές συνθήκες με ευνοϊκή όσο και ανταγωνιστική γενετική συσχέτιση με την συνολική γαλακτοπαραγωγή. Διακριτά προγράμματα γενετικής βελτίωσης προτείνεται να εφαρμοστούν με βάση την εποχή τοκετού. Η ανάλυση συσχέτισης γενετικών δεικτών-φαινοτυπικών τιμών (GWAS) και τοπικής κληρονομησιμότητας (RHM) ανέδειξαν περιοχές των χρωμοσωμάτων 5 και 19 που συσχετίζονται σημαντικά με την ανθεκτικότητα της φυλής Χίου σε συνθήκες θερμικής καταπόνησης (25 °C) και την συνολική γαλακτοπαραγωγή σε όλες τις εποχές τοκετού. Ένα σύνολο γειτονικών γονιδίων, που κωδικοποιούν οσφρητικούς υποδοχείς, συμμετέχουν στη θερμική ομοιόσταση των ζώων μέσω της αναπνευστικής εξάτμισης. Επιπλέον, νησίδες ομοζυγωτίας (ROH) και ετεροζυγωτίας (ROHet) ταυτοποιήθηκαν στα χρωμοσώματα 3, 10, 13 και 19 στο γονιδίωμα της φυλής Χίου όπου εδράζονται γονίδια τα οποία ελέγχουν χαρακτήρες (ανα)παραγωγής, περιβαλλοντικής προσαρμογής και δυνητικής ανθεκτικότητας σε ασθένειες. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε μία ανάλυση συσχέτισης γονότυπου-περιβάλλοντος με τις γεωγραφικές συντεταγμένες βόσκησης μετακινούμενων πληθυσμών της φυλής Μπούτσκο. Πέντε γενετικοί δείκτες στα χρωμοσώματα 6, 15 και 22 συσχετίστηκαν σημαντικά με την εποχικότητα της βροχόπτωσης. Η συσχέτιση αφορά τη συνδιακύμανση της γεωγραφικής κατανομής των ομόζυγων γονοτύπων και των τιμών της περιβαλλοντικής μεταβλητής στις ορεινές και πεδινές τοποθεσίες. Γειτονικά γονίδια εμπλουτίστηκαν σε βιολογικές διεργασίες που σχετίζονται με την κλιματική προσαρμογή, όπως η υποξία, οι μεταβολικές αποκρίσεις, η ανάπτυξη και μορφομετρικοί χαρακτήρες. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαχείριση των ζωικών γενετικών πόρων μέσω της εφαρμογής γονιδιωματικής επιλογής και τη διασφάλιση της βιωσιμότητας του ζωικού κεφαλαίου. Με τον τρόπο αυτό προάγεται η κάλυψη των διατροφικών αναγκών στις επερχόμενες προκλήσεις της κλιματικής αλλαγής.