Architecture and dissection of F2 population and girolando breed genome

Abstract

Livestock production is one of the most important activities of Brazilian agribusiness. Milk production has taken a prominent position in this sector, with continuous growth over the last decades. Most of the milk in Brazil is produced in systems relying on grazing mainly located in tropical and subtropical regions, which favors parasite infections in dairy cattle. Among the parasites that affect cattle, ticks are the main cause of economic losses in tropical and subtropical regions around the world. The bovine tick, Rhipicephalus (Boophilus) microplus, promotes several losses in bovine production. In parallel, gastrointestinal nematodes infections are the biggest problem on livestock production, especially in ruminants, in which the infections are usually subclinical, what makes difficult the diagnosis of this parasitosis and aggravates the losses caused by this parasite. Such parasite infections and also heat stress, bring, large losses in dairy industry. In these circumstances, an alternative to overcome parasite infections and heat stress in dairy production systems is the use of crossing or synthetic breeds containing some portion of Bos indicus genetics. To meet these requirements, the Girolando breed was created aiming to produce milk sustainably in tropical and subtropical regions. Despite of its relevance in dairy production, Girolando Breed still lack information about its genomic architecture and genomic data regarding important traits for production and adaptive. GWAS studies was the first step in our process to find causal variants in our work. Post-GWAS studies, such as ontology terms enrichment and gene-transcription factors networks, were used to identify most likely candidate genes. By the BOA approach we assigned breed-of-origin of alleles in the crossbred animals. In this context, our overall aims were 1) to identify genetic markers and haplotypes associated with tick counts, variation of rectal temperature and averages of last measurements for fecal egg count (AVFEC) in Gir x Holstein crossbred cattle, as well as for 305-days milk yield in Girolando breed; 2) to identify candidate genes for the four evaluated traits using the ontology terms enrichment and gene-transcription factors networks; 3) To infer the breed origin of marker alleles located on the candidate genes identified for adaptive traits in F2 population, to check if there is a prevalence of alleles from a certain breed in animals groups; 4) To investigate whether estimated SNP- specific variance for 305MY is affected by the breed of origin. The results of this thesis showed the genetic variability for the evaluated traits, which makes the use of genetic selection promising for the improvement of them. Results from GWAS approaches pinpointed relevant QTL regions for four traits in several Bos taurus chromosomes. The post-GWAS analyses increased the biological understanding of evaluated traits and allowed us to identify the TREM1, TREM2, TREML1, CD83, MYO5A and PRSS16 candidate genes for tick counts, the LIF, OSM, TXNRD2 and DGCR8 candidate genes for variation of rectal temperature, and finally the LEP, CLOCK, CASR, LRRC4, DOCK1, SLC15A2 and SND1 candidate genes for the 305MY. Based in the literature review we identified the MYOD1 and CALCB candidate genes for AVFEC. According to the origin of alleles analysis we observed that most of resistant animals for tick infestation showed two alleles from Gir breed, while the susceptible ones showed alleles from Holstein. Holstein breed alleles could be associated to higher response to heat stress effects and to AVFEC resistance. For the seven candidate genes identified for 305MY in Girolando cattle, the SNP variances were different depending upon the breed-of-origin, while the alleles coming from the Gir breed- of-origin showed the highest genetic variance. The present study was shown a rich information resource to add more pieces to the intricate nature of Girolando Cattle, providing better biological comprehension of its nature and physiology of production under tropical conditions.

A produção pecuária é uma das atividades mais importantes do agronegócio brasileiro. A produção de leite assume posição de destaque neste setor, com crescimento contínuo nas últimas décadas. A maior parte do leite no Brasil é produzido em sistemas que dependem de pastagem, principalmente localizados em regiões tropicais e subtropicais, o que favorece infestações por parasitas em gado leiteiro. Entre os parasitas que afetam o gado, os carrapatos são a principal causa de perdas econômicas em regiões tropicais e subtropicais ao redor do mundo. O carrapato bovino, Rhipicephalus (Boophilus) microplus, promove diversas perdas na produção bovina. Paralelamente, infecções por nematódeos gastrintestinais são o maior problema na produção pecuária, especialmente em ruminantes, onde as infecções são geralmente subclínicas, o que dificulta o diagnóstico dessa parasitose e agrava as perdas causadas por esse parasita. Tais infestações parasitárias e também estresse térmico, trazem grandes perdas na indústria de laticínios. Nestas circunstâncias, uma alternativa para superar infestações por parasitas e estresse térmico em sistemas de produção de laticínios é o uso de cruzamentos ou raças sintéticas contendo alguma porção da genética de Bos indicus. Para atender a esses requisitos, foi criada a raça Girolando, que visa a produção leite de forma eficiente nas condições de produção das regiões tropicais e subtropicais. Apesar de sua relevância na produção leiteira, a Raça Girolando ainda carece de informações sobre sua arquitetura genômica e dados genômicos sobre características importantes para produção e adaptação. Os estudos de GWAS foram o primeiro passo em nosso processo para encontrar variantes causais para as características em questão. Estudos pós-GWAS, tais como enriquecimento de termos de ontologia e redes de fatores de transcrição genética, foram usados para identificar os genes candidatos mais prováveis. Por meio da abordagem BOA, atribuímos a raça de origem dos alelos nos animais cruzados. Nesse contexto, nossos objetivos gerais foram 1) identificar marcadores genéticos e haplótipos associados à contagem de carrapatos, variação da temperatura retal e às médias das últimas medições para contagem de ovos fecais (AVFEC) em bovinos mestiços Gir x Holandês, bem como para produção de leite até os 305 dias na raça Girolando; 2) identificar genes candidatos para as quatro características avaliadas utilizando as redes de enriquecimento de termos de ontologia e fatores de transcrição genética; 3) Inferir a origem da raça de alelos marcadores localizados nos genes candidatos identificados para características adaptativas na população F2, verificando se há uma prevalência de alelos de uma determinada raça em grupos de animais; 4) Investigar se a variância específica estimada de SNPs para a produção de leite até os 305 dias (305MY) é afetada pela raça de origem. Os resultados desta tese mostraram a variabilidade genética para as características avaliadas, o que torna o uso da seleção genética promissor para a melhoria das mesmas. Resultados de abordagens de GWAS identificaram regiões de QTL relevantes para quatro características em vários cromossomos do Bos taurus. As análises pós-GWAS aumentaram o entendimento biológico das características avaliadas e nos permitiram identificar os genes candidatos TREM1, TREM2, TREML1, CD83, MYO5A e PRSS16 para contagem de carrapatos, os genes candidatos LIF, OSM, TXNRD2 e DGCR8 para variação da temperatura retal, e finalmente os genes candidatos LEP, CLOCK, CASR, LRRC4, DOCK1, SLC15A2 e SND1 para o 305MY. Com base na revisão de literatura, identificamos os genes candidatos MYOD1 e CALCB para AVFEC. De acordo com a análise da origem dos alelos, verificamos que a maioria dos animais resistentes para infestação de carrapatos apresentou dois alelos da raça Gir, enquanto os suscetíveis apresentaram alelos da raça Holandesa. Os alelos da raça Holandesa podem estar associados a uma maior resposta aos efeitos do estresse térmico e à resistência AVFEC. Para os sete genes candidatos identificados para 305MY no gado Girolando, as variâncias dos SNPs foram diferentes dependendo da raça de origem, indicando maior variância para os alelos provenientes da raça de origem Gir. O presente estudo mostrou-se um rico recurso de informação para agregar mais peças à natureza intrincada do gado Girolando, proporcionando melhor compreensão biológica de sua natureza e fisiologia de produção em condições tropicais.