Genomic analyses for predicted milk fatty acid composition in dairy cattle: a longitudinal perspective

Abstract

Milk fat composition has important implications in the nutritional and processing properties of milk. In addition to nutritional and health aspects, milk fat composition can also be associated with cow physiological and health status. Milk fatty composition can be improved through various ways, including modification of the cow’s diet and genetic selection. The main objectives of this study were: 1) to estimate genetic parameters for five milk fatty acid (FA) groups (i.e., short-chain, medium-chain, long-chain, saturated, and unsaturated) predicted based on milk mid-infrared spectroscopy, for Canadian Ayrshire, Holstein and Jersey breeds; 2) to perform genomic prediction of breeding values using a longitudinal single-step GBLUP approach for these five traits; 3) to conduct a single-step genome-wide association study aiming to identify genomic regions, candidate genes and metabolic pathways associated with milk FA, and consequently, to understand the underlying biology of these traits. We used 31,709 test-day records of 9,648 Ayrshire cows from 268 herds, 629,769 records of 201,465 Holstein cows from 6,105 herds, and 34,341 records of 11,479 Jersey cows from 883 herds. The genomic database contained a total of 2,330 Ayrshire, 8,865 Holstein, and 1,019 Jersey animals. The average daily h2 ranged from 0.18 (long-chain FA) to 0.34 (medium-chain FA), from 0.24 (unsaturated FA) to 0.47 (medium-chain and saturated FAs) and from 0.25 (long-chain and unsaturated FAs) to 0.52 (medium-chain and saturated FAs) for Ayrshire, Holstein and Jersey, respectively. The reliability of the genomic prediction, when considering τ and ω equal to 1 (default), ranged from 0.540 (saturated) to 0.746 (unsaturated) in Ayrshire, and from 0.564 (long-chain) to 0.737 (medium-chain) in Holstein. When using the optimal τ and ω values, the Genomic Estimated Breeding Value’ reliability ranged from 0.528 (saturated) to 0.786 (unsaturated) in Ayrshire, and from 0.583 (long-chain) to 0.732 (short-chain) in Holstein. Important genomic regions were identified in the chromosomes BTA3, BTA5, BTA12, BTA13, BTA14, BTA16, BTA18, BTA20, and BTA21. The proportion of the variance explained by 20 adjacent SNPs ranged from 0.70% (SFA) to 1.12% (SCFA) in Ayrshire, from 0.71% (SFA) to 15.12% (LCFA) in Holstein, and from 0.70% (UFA) to 3.23% (MCFA) in Jersey. Important candidate genes with respective pathways were also identified. Important candidate genes and pathways were also identified. The results of this study contribute to better understand the genetic architecture of predicted milk FA in dairy cattle and will be of great value for the implementation of genomic selection for these traits.A composição da gordura do leite tem implicações importantes nas propriedades nutricionais e de processamento do leite. Além dos aspectos nutricionais e de saúde, a composição da gordura do leite também pode estar associada ao estado fisiológico e sanitário do animal. A composição de gordura do leite pode ser melhorada através de várias formas, incluindo modificação da dieta da vaca e seleção genética. Os principais objetivos deste estudo foram: 1) estimar parâmetros genéticos para cinco grupos de ácidos graxos do leite (AG) (isto é, cadeia curta, cadeia média, cadeia longa, saturados e insaturados) com base na espectroscopia do infravermelho médio do leite para as raças Ayrshire, Holandês e Jersey; 2) realizar predição genômica de valores genéticos usando uma abordagem longitudinal de um único passo GBLUP para estas cinco características; 3) conduzir um estudo de associação genômica ampla, com o objetivo de identificar regiões genômicas, genes candidatos e vias metabólicas associadas à AG do leite e, consequentemente, compreender os mecanismos biológicos de expressão dessas características. Utilizaram-se 31.709 registros de 9.488 registros de vacas Ayrshire de 268 rebanhos, 629.769 registros de 201.465 vacas Holandês de 6.105 rebanhos e 34.341 registros de 11.479 vacas Jersey de 883 rebanhos. Esses registros foram coletados (e usados para a previsão de AG de leite) entre janeiro de 2013 e julho de 2018. O banco de dados genômico continha um total de 2.330 animais Ayrshire, 8.865 Holandês e 1.019 Jersey. A h2 média diária variou de 0,18 (AG de cadeia longa) a 0,34 (AG de cadeia média), de 0,24 (AG insaturado) a 0,47 (AGs de cadeia média e insaturado) e de 0,25 (AGs de cadeia longa e insaturado) a 0,52 (AGs de cadeia média e saturado) para Ayrshire, Holandês e Jersey, respectivamente. A confiabilidade da previsão genômica, considerando τ e ω igual a 1 (padrão), variou de 0,540 (AG saturado) a 0,746 (AG insaturado) em Ayrshire, e de 0,564 (AG de cadeia longa) a 0,737 (AG de cadeia média) em Holandês. Ao usar os valores τ e ω ótimos, a confiabilidade do valor genômico estimado variou de 0,528 (AG saturado) a 0,786 (AG insaturado) para Ayrshire, e de 0,583 (AG de cadeia longa) a 0,732 (AG de cadeia curta) para Holandês. Regiões genômicas importantes foram identificadas nos cromossomos BTA3, BTA5, BTA12, BTA13, BTA14, BTA16, BTA18, BTA20, e BTA21. A proporção da variação explicada para 20 SNPs adjacentes variou de 0,70% (AGS) a 1,12% (AGCC) para Ayrshire, de 0,71% (AGS) a 15,12% (AGCL) para Holandês, e de 0,70% (AGI) a 3.23% (AGCM) para Jersey. Importantes genes e vias metabólicas também foram identificados. Os resultados deste estudo contribuem para um melhor entendimento da arquitetura genética de AG do leite em bovinos leiteiros e serão de grande valia para a implementação da seleção genômica para essas características.