Genetic identification of Greek bovine breeds/populations using molecular markers

Abstract

The autochthonous cattle population of Greece is like that bred throughout the Balkan Peninsula and they consist of the Brachyceros (“Shorthorn”) and the Podolian or Steppe type. In the middle of the 20th century, eight indigenous breeds of cattle were reported in Greece. Today, four of them are considered officially extinct (Tinos, Andros, Chios, Corfu), three as threatened (Brachykeros, Katerini, and Sykia), and one (Kea) as a rare breed. During the introduction of domesticated cattle to Europe, the east Mediterranean coast and the southern Balkans played a decisive role. Greek cattle breeds originate from a geographical area near the center of domestication with a Mediterranean climate. The breeding of these breeds is characterized by the absence of performance records and thus low use of artificial selection, also by poor feeding and housing conditions as well as by the rare veterinary service. Most of these populations come from the last remains of formerly large populations and are bred mainly in mountainous areas and/or islands with poor infrastructure. Finally, these populations are reproductively isolated due to geographic distances and physical barriers without the use of artificial insemination. The Greek local cattle breeds have decreased to small numbers and are currently at risk of extinction due to socio-economic reasons, geographic isolation and crossbreeding with commercial breeds. This study represents the first comprehensive genome-wide analysis of 11 indigenous cattle populations from continental Greece, Greek islands and Cyprus and compares them with 104 international breeds using more than 46,000 single nucleotide polymorphisms (SNPs). The following local breeds from Greece and Cyprus were sampled in our analysis: (i) from mainland Greece: Greek Brachyceros breed (n = 97), Katerini breed (n = 20), Prespa cattle (n = 10), Rodope cattle (n = 12), Sykia breed (n = 16), (ii) from the islands: Kea breed (n = 97), Agathonisi cattle (n = 6), Crete cattle (n = 11), Kastelorizo cattle (n = 4), Nisyros cattle (n = 7) and (iii) Cyprus cattle (n = 5).Several parameters of genetic diversity (e.g., heterozygosity and allelic diversity) were estimated and indicated a severe loss of genetic diversity for the island populations compared to the mainland populations, which is mainly due to the declining size of their population in recent years and subsequent inbreeding. Greek Brachyceros breed present high level in almost all parameters similar with Buša and Anatolian Breeds. This high inbreeding status also resulted in higher genetic differentiation between island and mainland Greek breeds compared to the breeds from the remaining geographic groups. Supervised and unsupervised cluster analyses revealed that the phylogenetic patterns in the indigenous Greek breeds were consistent with their geographical origin and historical information regarding shared ancestry with breeds of Anatolian or Balkan origin. Greek island populations are placed close to the root of the tree as defined by Gir and the outgroup Yak, whereas the mainland breeds share a common historical origin with Buša. Unsupervised clustering and D-statistics analyses provided strong support for Bos indicus introgression in almost all the investigated local cattle breeds along the route from Anatolia up to the southern foothills of the Alps, as well as in most cattle breeds along the Apennine peninsula to the southern foothills of the Alps. Cyprus, Kastelorizo, and Agathonisi cattle populations showed a higher indicine ancestry compared to other populations from Greece and the Balkans. All investigated Cyprus and Greek breeds present complex mosaic genomes, as a result of historical and recent admixture events between neighbor and well-separated breeds. While the contribution of some mainland breeds to the genetic diversity pool seems important, some island and fragmented mainland breeds suffer from a severe decline of population size and loss of alleles due to genetic drift. Conservation programs that are a compromise between what is feasible and what is desirable should focus not only on the highly diverse mainland breeds but also promote and explore the conservation possibilities for island breeds.

Ο τοπικός πληθυσμός βοοειδών της Ελλάδας μοιάζει με τα βοοειδή που εκτρέφονται σε όλη τη Βαλκανική Χερσόνησο και αποτελείται από τον Βραχυκερατικό και τον Ποδολικό ή Στεππικό τύπο. Στα μέσα του 20ου αιώνα αναφέρθηκαν στην Ελλάδα οκτώ αυτόχθονες φυλές βοοειδών. Σήμερα, τέσσερις από αυτές θεωρούνται επισήμως εξαφανισμένες (Τήνου, Άνδρου, Χίου, Κέρκυρας), τρεις απειλούμενες (Βραχύκερατικής, Κατερίνης και Συκιάς) και μία (Κέας) σπάνια φυλή.Κατά την εισαγωγή των εξημερωμένων βοοειδών στην Ευρώπη, οι χώρες της Νοτιοανατολικής Μεσογείου και τα νότια Βαλκάνια έπαιξαν καθοριστικό ρόλο. Οι ελληνικές φυλές βοοειδών προέρχονται από μια γεωγραφική περιοχή κοντά στο κέντρο της εξημέρωσης με μεσογειακό κλίμα. Η εκτροφή αυτών των φυλών χαρακτηρίζεται από την απουσία γενεαλογικών στοιχείων καθώς και καταγραφών παραγωγικών αποδόσεων και συνεπώς χαμηλή χρήση τεχνητής επιλογής. Ως επί το πλείστον διατρέφονται κατά το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου σε υποβαθμισμένους ορεινούς βοσκοτόπους με ελλιπείς εγκαταστάσεις στέγασης καθώς και με ελάχιστη ή καθόλου κτηνιατρική φροντίδα. Οι περισσότεροι από αυτούς τους πληθυσμούς προέρχονται από τους τελευταίους απογόνους μεγάλων πληθυσμών του παρελθόντος και εκτρέφονται σε ορεινές περιοχές ή/και νησιά, κυρίως με κακές υποδομές. Τέλος, είναι αναπαραγωγικά απομονωμένοι πληθυσμοί λόγω γεωγραφικών αποστάσεων και φυσικών φραγμών χωρίς τη χρήση τεχνητής γονιμοποίησης. Οι ελληνικές τοπικές φυλές βοοειδών έχουν μειωθεί σε ελάχιστους ή πολύ μικρούς πληθυσμούς και σήμερα κινδυνεύουν να εξαφανιστούν λόγω κοινωνικοοικονομικών αιτίων, γεωγραφικής απομόνωσης καθώς και ανεξέλεγκτων διασταυρώσεων με ξένες φυλές υψηλών αποδόσεων. Η παρούσα μελέτη αντιπροσωπεύει την πρώτη ολοκληρωμένη ανάλυση σε επίπεδο γονιδιώματος 11 πληθυσμών αυτόχθονων βοοειδών από την ηπειρωτική Ελλάδα, τα ελληνικά νησιά και την Κύπρο, οι οποίοι συγκρίνονται με 104 φυλές, διεθνείς ή αυτόχθονες άλλων φυλών,σε περισσότερους από 46.000 μονονουκλεοτιδικούς πολυμορφισμούς (SNPs). Στην ανάλυσή μας ελήφθησαν δείγματα από τις ακόλουθες τοπικές φυλές από την Ελλάδα και την Κύπρο: (i) από την ηπειρωτική Ελλάδα: η Ελληνική Βραχυκερατική φυλή (n = 97), η ποδολική φυλή Κατερίνης (n = 20), τα τοπικά βοοειδή Πρέσπας (n = 10), τα τοπικά βοοειδή Ροδόπης (n = 12), η ποδολική φυλή Συκιάς (SYK; n = 16), (ii) από τα νησιά: η φυλή Κέας (n = 97), τα τοπικά βοοειδή Αγαθονησίου (n = 6), τα τοπικά βοοειδή Κρήτης (n = 11), τα τοπικά βοοειδή Καστελόριζου (n = 4), τα τοπικά βοοειδή Νισύρου (n = 7) καθώς και (iii) βοοειδή Κύπρου (n = 5).Υπολογίστηκαν αρκετές παράμετροι γενετικής ποικιλομορφίας (π.χ. ετεροζυγωτία και αλληλομορφική ποικιλομορφία), οι οποίες έδειξαν σοβαρή απώλεια γενετικής ποικιλότητας στους πληθυσμούς των νησιών σε σύγκριση με τους πληθυσμούς της ηπειρωτικής χώρας, η οποία οφείλεται κυρίως στη μείωση του μεγέθους του πληθυσμού τους τα τελευταία χρόνια και στην επακόλουθη ομομιξεία. Η ελληνική Βραχυκερατική φυλή παρουσιάζει υψηλά επίπεδα γενετικής και αλληλομορφικής ποικιλομορφίας σε όλες σχεδόν τις παραμέτρους με τιμές παρόμοιες με τις Ανατολικές φυλές και τις φυλές Buša.Τα υψηλά επίπεδα αναπαραγωγικής απομόνωσης οδήγησαν επίσης σε υψηλότερη γενετική διαφοροποίηση μεταξύ των νησιωτικών και ηπειρωτικών ελληνικών φυλών σε σύγκριση με τις φυλές από τις υπόλοιπες γεωγραφικές ομάδες. Οι εποπτευόμενες και μη εποπτευόμενες αναλύσεις ομαδοποίησης αποκάλυψαν ότι τα φυλογενετικά πρότυπα στις αυτόχθονες ελληνικές φυλές ήταν σε συμφωνία με τη γεωγραφική τους προέλευση και τις ιστορικές πληροφορίες σχετικά με την κοινή καταγωγή με φυλές από την Ανατολή ή με φυλές βαλκανικής προέλευσης. Οι πληθυσμοί των ελληνικών νησιών τοποθετούνται κοντά στη ρίζα του δέντρου όπως ορίζεται από τα είδη Gir και Yak, ενώ οι φυλές της ηπειρωτικής χώρας μοιράζονται μια κοινή ιστορική προέλευση με την Buša. Οι μη εποπτευόμενες αναλύσεις ομαδοποίησης και η ανάλυση D-statistics παρείχαν ισχυρές ενδείξεις για την παρουσία γονιδίων του Bos indicus σε όλες σχεδόν τις τοπικές φυλές βοοειδών που ερευνήθηκαν κατά μήκος της διαδρομής από την Ανατολή μέχρι τις νότιες παρυφές των Άλπεων, καθώς και στις περισσότερες φυλές βοοειδών κατά μήκος της χερσονήσου των Απεννίνων προς τους πρόποδες των Άλπεων. Οι πληθυσμοί βοοειδών της Κύπρου, του Καστελόριζου και του Αγαθονησίου παρουσίασαν υψηλά επίπεδα παρουσίας του Bos indicus, παρόμοια με αυτά των ανατολικών φυλών.Όλες οι φυλές της Κύπρου και της Ελλάδας που ερευνήθηκαν παρουσιάζουν ένα πολύπλοκο γονιδιωματικό μωσαϊκό ως αποτέλεσμα ιστορικών και πρόσφατων γεγονότων πρόσμιξης μεταξύ γειτονικών φυλών μιας γεωγραφικής έκτασης που εκτείνεται σε όλη την περιοχή της Νοτιοανατολικής Ευρώπης, συμπεριλαμβανομένης της Ευρωπαϊκής Ασίας. Αν και η συμβολή ορισμένων ηπειρωτικών φυλών στη δεξαμενή γενετικής ποικιλότητας φαίνεται σημαντική, ορισμένες νησιωτικές και κατακερματισμένες φυλές της ηπειρωτικής χώρας υποφέρουν από σοβαρή μείωση του μεγέθους του πληθυσμού τους και απώλειας αλληλομόρφων λόγω της τυχαίας γενετικής παρέκκλισης. Τα προγράμματα γενετικής διατήρησης, που θα μπορούσαν να εφαρμοστούν για τη προστασία των τοπικών φυλών, θα πρέπει να αποτελούν έναν συμβιβασμό μεταξύ του εφικτού και του επιθυμητού και να επικεντρώνονται όχι μόνο στις φυλές της ηπειρωτικής χώρας που έχουν υψηλά επίπεδα ποικιλομορφίας αλλά να διερευνούν και τις δυνατότητες διατήρησης των νησιωτικών φυλών.