Γενετικός χαρακτηρισμός και συγκριτική μελέτη εγχώριων φυλών προβάτων

Abstract

The objective was to assess genetic diversity, phenotypic variation and effects of genetic and environmental parameters on productivity (milk yield/composition) and resilience traits (body condition score-BCS, somatic cell count-SCC, lactation persistency) of two Greek local dairy sheep breeds, Chios and Frizarta. In total, 864 ewes (Chios: 369, Frizarta: 495) were randomly selected from two farms per breed. Ewe body condition score (BCS) and milk yield were recorded monthly and individual milk samples were collected and analyzed to determine SCC and fat/protein/lactose content. Indoor temperature and relative humidity were recorded in each farm, to calculate Temperature-Humidity Index (THI). Genomic DNA samples of 1,033 sheep (Chios: 669, Frizarta: 364) were analyzed with medium-density genotyping beadchips (Illumina OvineSNP50). Linear mixed models were used to assess the effect of microclimate on the studied traits. Effects of temperature and THI on studied traits of both breeds were mostly negative (P<0.05), while fluctuating levels were associated with more intense effects. Different effects on milk yield and BCS were observed between breeds, which are most likely due to different heat stress adaptations. To assess within-breed genetic diversity, runs of homozygosity (ROH) were detected and inbreeding coefficients FROH and FIS, observed and expected heterozygosity, nucleotide diversity, linkage disequilibrium and historic effective population size were estimated. Genetic distance between breeds was assessed based on FST. Genetic relatedness of the studied breeds with other dairy sheep breeds (n=14) were assessed with admixture and Principal Component Analyses (PCA). Results have shown that Chios and Frizarta breeds maintain adequate levels of genetic diversity and are well differentiated. Chios population was more homogeneous, while Frizarta presented higher levels of heterozygosity. Admixture and PCA showed that Chios breed was related to Mediterranean fat-tailed breeds and Frizarta to East Friesian. Finally, heritability of the studied production and resilience traits was estimated using genomic data and genome-wide association studies (GWAS) were performed. We used PCA to search for possible within-breed population structure that should be accounted for. Genomic regions of 1 Mb upstream and downstream of significant SNPs were scanned for possible candidate genes. The studied traits were heritable (h2=0.38-0.70). Seven SNPs (Chios: 2, Frizarta: 5) and 19 candidate genes (Chios: 3, Frizarta: 16) were associated with resilience traits, while 19 SNPs (Chios: 12, Frizarta: 7) and 43 genes (Chios: 28, Frizarta: 15) with productivity traits, suggesting a polygenic mode of inheritance. No common SNPs/genes were identified between the two breeds, indicating that breed-specific programs are necessary to improve the studied traits. Candidate genes were involved in metabolism regulation, udder development and immune response, hormone synthesis and secretion, and cell cycle. Milk fat and lactose content of Chios sheep were associated with genes involved in climate adaptation and fat-tail development, emphasizing the significant impact of evolutionary processes on phenotypic traits. This is the first time that a holistic approach is implemented for the genetic characterization and comparative study of two Greek local dairy sheep breeds. Results can serve as a basis for breed-specific genetic improvement programs that will facilitate effective exploitation of local genetic resources.

Στόχος της διατριβής ήταν η εκτίμηση της γενετικής ποικιλότητας, της φαινοτυπικής παραλλακτικότητας και της επίδρασης γενετικών και περιβαλλοντικών παραγόντων σε χαρακτηριστικά παραγωγικότητας (ύψος γαλακτοπαραγωγής, χημική σύσταση γάλακτος) και ανθεκτικότητας (δείκτης θρεπτικής κατάστασης-ΔΘΚ, αριθμός σωματικών κυττάρων-ΑΣΚ, εμμονή στη γαλακτοπαραγωγή) των προβάτων των εγχώριων φυλών Χίου και Φριζάρτα. Επιλέχθηκαν τυχαία 864 προβατίνες (Χίου: 369, Φριζάρτα: 495) από δύο εκτροφές ανά φυλή. Μηνιαίως, για δύο παραγωγικά έτη ανά εκτροφή, γινόταν εκτίμηση του ΔΘΚ, καταγραφή γαλακτοπαραγωγής και συλλογή δειγμάτων γάλακτος των επιλεγμένων προβατίνων. Προσδιορίστηκε ο ΑΣΚ και η περιεκτικότητα σε λίπος/πρωτεΐνες/λακτόζη των δειγμάτων. Στο εσωτερικό των προβατοστασίων, καταγράφονταν τα επίπεδα θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας, βάσει των οποίων υπολογίστηκε ο δείκτης θερμικής καταπόνησης (THI). Γονιδιωματικό DNA 1.033 προβάτων (Χίου: 669, Φριζάρτα: 364) γενοτυπήθηκε με μικροσυστοιχίες μέσης πυκνότητας (Illumina OvineSNP50). Για την εκτίμηση της επίδρασης του μικροπεριβάλλοντος του προβατοστασίου στα μελετώμενα χαρακτηριστικά χρησιμοποιήθηκαν μικτά γραμμικά πρότυπα. Η αύξηση θερμοκρασίας και THI επέδρασε κυρίως αρνητικά στα χαρακτηριστικά (P<0,05), ενώ η ευμεταβλητότητά τους επέφερε τις μεγαλύτερες μεταβολές. Οι διαφορετικές επιδράσεις στη γαλακτοπαραγωγή και τον ΔΘΚ μεταξύ των δύο φυλών υποδηλώνουν διαφορετικό τρόπο αντιμετώπισης της θερμικής καταπόνησης. Για την εκτίμηση της γενετικής ποικιλότητας ανιχνεύθηκαν οι περιοχές ομοζυγωτίας (ROH) στο γονιδίωμα και εκτιμήθηκαν οι συντελεστές αιμομιξίας (FROH, FIS), η νουκλεοτιδική ποικιλότητα, οι βαθμοί ετεροζυγωτίας και ανισορροπίας σύνδεσης και το ιστορικό δραστικό μέγεθος κάθε φυλής. Η γενετική απόσταση μεταξύ των δύο φυλών εκτιμήθηκε με τον δείκτη FST και η συγγένειά τους με 14 ξενικές φυλές γαλακτοπαραγωγών προβάτων, με αναλύσεις πρόσμιξης και κύριων συνιστωσών (PCA). Ικανοποιητική γενετική ποικιλότητα ανιχνεύθηκε στις δύο φυλές, που είναι επαρκώς διαφοροποιημένες μεταξύ τους. Η φυλή Χίου ήταν περισσότερο ομοιογενής, ενώ η Φριζάρτα χαρακτηρίστηκε από υψηλότερο βαθμό ετεροζυγωτίας. Μικρές γενετικές αποστάσεις παρατηρήθηκαν μεταξύ της φυλής Χίου και των μεσογειακών πλατύουρων φυλών και μεταξύ των φυλών Φριζάρτα και Ανατολικής Φρισλανδίας. Τέλος, εκτιμήθηκαν οι συντελεστές κληρονομησιμότητας των μελετώμενων χαρακτηριστικών βάσει γονιδιωματικών δεδομένων, και έγιναν μελέτες συσχέτισης ολόκληρου του γονιδιώματος (GWAS). Η πληθυσμιακή δομή εντός κάθε φυλής διερευνήθηκε με αναλύσεις PCA. Υποψήφια γονίδια αναζητήθηκαν εντός 1 Mb ανοδικά και καθοδικά των στατιστικά σημαντικών SNP. Τα μελετώμενα χαρακτηριστικά ήταν κληρονομήσιμα (h2=0,38-0,70). Επτά δείκτες SNP (Χίου: 2, Φριζάρτα: 5) και 19 υποψήφια γονίδια (Χίου: 3, Φριζάρτα: 16) συσχετίστηκαν με τα χαρακτηριστικά ανθεκτικότητας και 19 SNP (Χίου: 12, Φριζάρτα: 7) και 43 γονίδια (Χίου: 28, Φριζάρτα: 15) με τα χαρακτηριστικά παραγωγικότητας, υποδηλώνοντας πολυγονιδιακό τρόπο κληρονόμησης. Δε βρέθηκαν κοινοί δείκτες SNP/γονίδια μεταξύ των δύο φυλών, υποδηλώνοντας ότι η βελτίωσή των χαρακτηριστικών προϋποθέτει προγράμματα ειδικά σχεδιασμένα για κάθε φυλή. Τα υποψήφια γονίδια εμπλέκονται στη ρύθμιση του μεταβολισμού, των λειτουργιών του μαστού, των ορμονών και του κυτταρικού κύκλου. Το λίπος και η λακτόζη του γάλακτος της φυλής Χίου συσχετίστηκαν με γονίδια που εμπλέκονται στην προσαρμογή σε ακραία περιβάλλοντα και την ανάπτυξη του πλατύουρου φαινοτύπου, αναδεικνύοντας τη σημασία του εξελικτικού υποβάθρου στη διαμόρφωση των χαρακτηριστικών κάθε φυλής. Με την παρούσα διατριβή εφαρμόστηκε πρώτη φορά στην Ελλάδα μία ολιστική προσέγγιση για τον χαρακτηρισμό και τη συγκριτική μελέτη δύο σημαντικών εγχώριων φυλών προβάτων. Τα αποτελέσματα θα συνεισφέρουν σε προγράμματα γενετικής βελτίωσης που επιτρέπουν την αποδοτικότερη αξιοποίηση του εγχώριου γενετικού δυναμικού.