La genomica nell`allevamento ovino

La genomica nell’allevamento ovino
Antonello Carta
AGRIS Sardegna
Settore Genetica e Biotecnologie
Unità di Ricerca
GENETICA E BIOTECNOLOGIE
Agris
Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura
Approccio tradizionale della
selezione genetica negli ovini
Controlli funzionali
Registrazione parentele
FA e MN controllata
Valutazione genetica
Diffusione del progresso
genetico verso allevamenti
commerciali
Barillet, 1997
La dimensione ottimale del nucleo dovrebbe essere compresa nell’intervallo fra
il 10 e il 20% della popolazione totale (Elsen and Mocquot, 1974)
Unità di Ricerca
GENETICA E BIOTECNOLOGIE
Agris
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Approccio tradizionale della selezione genetica
Processo “cieco”: nessuna conoscenza
geni, alleli, frequenze, effetti e
localizzazione
Numero elevato di misure
individuali
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STIMA DEL VALORE GENETICO
Sistema tradizionale
Parentele
½
½
½
½
Porzione dovuta al
fattore genetico
Porzione dovuta al
fattore allevamento
Porzione dovuta al
fattore annata
Produzioni
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STIMA DEL VALORE GENETICO
positivo
negativo
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GENETICA E BIOTECNOLOGIE
P M
Agris
P M
P M
P M
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P M
Strategie:
Nuovi obiettivi (misure semplificate)
Organizzazione in ‘‘fasce’’ dello schema
Genomica
Unità di Ricerca
GENETICA E BIOTECNOLOGIE
Agris
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Obiettivi del miglioramento genetico negli ovini da latte
incremento ricavi (quantità e “qualità economica”) e
riduzione dei costi di produzione
Resistenza alle malattie
Sostenibilità
• Mastiti (cellule e morfologia
ammaria)
• Nematodi e altri parassiti
• Paratubercolosi
• EST (SCRAPIE)
• VISNA MAEDI
• Basse emissioni di gas
• Uso sostenibile risorse foraggere
Efficienza
Attitudine alla mungitura
•Morfologia mammaria
•Cinetica mungitura
•Attitudine alla mungitura singola
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Agris
•
•
•
•
•
Quantità di latte (per capo)
Quantità materia utile caseificabile (per capo)
Persistenza lattazione
Fertilità
Longevità
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DNA arrays
•Identificazione di regioni del DNA che influenzano caratteri di
interesse economico
•Assegnazione delle parentele
•Selezione Genomica
Sequenziamento intero genoma
•Identificazione di mutazioni causative, imputazione, varianti
genomiche
Sequenziamento di geni candidati
•Varianti genomiche in geni candidati
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GENETICA E BIOTECNOLOGIE
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L’impiego della genetica molecolare
Identificazione geni e polimorfismi
In pratica approccio “Scrapie”
Approccio gene candidato: locus PrnP
Identificazione del polimorfismo al locus PrnP che
modula la suscettibilità/resistenza alla malattia
Tecniche molecolari “high throughput” per l’analisi
dei genotipi
Nessuna misurazione fenotipica
Facilità della verifica di effetti pleiotropici su altri
caratteri
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GENETICA E BIOTECNOLOGIE
Agris
Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura
10/04/2017
Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura
Settore:
Genetica e Biotecnologie
Popolazione (1000 capi?) che rappresenti l’intera variabilità genetica molecolare del LG
nella quale:
→
Misurare con registrazione accurate sia i caratteri misurati nel LG che caratteri difficili
o costosi da misurare su larga scala
→
Effettuare analisi molecolari con CHIP HD su tutti gli animali (4000 gia analizzati)
→
Individuare geni di interesse
→
Applicare la valutazione genetica tradizionale e la Selezione Genomica su un ampio
numero di caratteri
Vantaggi:
Aumento del numero dei caratteri valutati
Riduzione degli animali su cui rilevare i fenotipi
costo delle analisi del genotipo (numero di CHIP da acquistare)????
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GENETICA E BIOTECNOLOGIE
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• identificazione di varianti genomiche (SNP)
100
3.000
15.000
50.000
600.000
Unità di Ricerca
GENETICA E BIOTECNOLOGIE
SNP con solo 1 analisi
Agris
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Impiego DNA Chip
Regioni del DNA che influenzano caratteri del latte nella razza Sarda
1
6
13
14
18 19 20
4
-log10(Pvalue)
TG
3
2
1
0
Pos (Mb)
0
250
1
500
750
2
1000
1250
6
1500
11
1750
13
2000
2250
2500
2000
2250
2500
16
4
-log10(Pvalue)
TP
3
2
1
0
Pos (kb)
0
250
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500
Agris
750
1000
1250
1500
1750
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QTL che influenzano il contenuto in proteina del latte su OAR6
35
OAR6: QTL detection analysis .Protein
Content
-log(Pnom)
30
25
20
15
10
5
0
Mb 0
Unità di Ricerca
GENETICA E BIOTECNOLOGIE
20
Agris
40
60
80
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100
120
Varianti nei geni delle caseine
Gene
Symbol
Conseq.
cDNA_pos
CDS_pos
Prot_pos
AA
Codons
EXON INTRON
SIFT
85102965 CSN1S1
Missense
626
626
209
T/I
aCt/aTt
16/16
del(0.02)
85117333
Missense
699
595
199
M/V
Atg/Gtg
6/7
tol(0.4)
85190123 CSN1S2
splice_reg
intron_var
-
-
-
-
-
9/15
-
85194568 CSN1S2
Missense
645
645
215
N/K
aaC/aaG
15/16
tol(0.17)
Pos
CSN2
85190123_A/C
Gene: CSN1S2
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VISNA MAEDI
I lentivirus dei piccoli ruminanti (SRLV) sono membri della famiglia Retroviridae, virus
che infettano pecore e capre causando una malattia cronica e progressiva.
Il virus Visna-Maedi fa parte di questa famiglia e l’infezione è incurabile.
Le pecore in genere non mostrano i segni della malattia nei primi due anni
dall’infezione.
I sintomi sono perdita di peso, mastiti, difficoltà respiratorie, perdita del controllo
motorio e artrite.
Una volta infettati, gli animali saranno portatori del virus e non esiste ad oggi nessun
trattamento né vaccino.
Nelle pecore, alcuni animali risultano resistenti all’infezione nonostante ripetute esposizioni
al lentivirus.
Inoltre è stato accertato che la suscettibilità all’infezione è ‘razza/dipendente’.
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VISNA MAEDI
Precedenti studi eseguiti su pecore allevate in USA hanno identificato una causa
genetica della suscettibilità a tale malattia.
Polimorfismo E35K al gene TMEM154 → 2 varianC E e K
Genotipo E/E → SUSCETTIBILE
Genotipo E/K → SUSCETTIBILE
Genotipo K/K → RESISTENTE
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TMEM154 E35K
(razza Sarda)
106 arieC iscriE al LG della razza Sarda naC tra il 1988 ed il 2010→
tipizzati per il TMEM154 E35K
Genotipo
Allele
numero
frequenza
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E
K
E/E
E/K
K/K
202
10
98
6
2
0.953
0.047
0.925
0.057
0.019
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TMEM154 E35K
(Nucleo Genomico)
615 pecore del Nucleo Genomico di età>2 anni→ Cpizzate per il
TMEM154 E35K
Allele
Genotipo
E
K
E/E
E/K
K/K
numero
1153
77
540
73
2
frequenza
0.937
0.063
0.878
0.119
0.003
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VISNA MAEDI
(Nucleo Genomico)
Nella primavera 2016 su 863 femmine presenti nel Nucleo Genomico
→ analisi sierologica per VISNA-MAEDI (fonte IZS Sassari)
Anno nascita
N.
NEGATIVO
POSITIVO
Prevalenza
2009
80
1
79
0.99
2010
177
5
172
0.97
2011
101
3
98
0.97
2012
86
7
79
0.92
2013
89
1
88
0.99
2014
123
21
102
0.83
2015
207
104
103
0.50
Tot
863
142
721
0.84
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Impiego della monta naturale controllata
Gestione di un gruppo di pecore con un solo ariete durante la stagione di monta (“gruppo di monta”)
Periodo di monta
Gruppo di monta 1
Ariete1
mag
Parti
Gruppo di monta 2
Ariete2 o
gruppo di arieti
giu
lug
ago
Intervallo di 14 giorni
set
ott
nov
dic
Agnello1
padre: ariete1
madre: pecora1
gen
Agnello2
padre: ariete2 o sonosciuto
madre: pecora1
Realizzata sia con arieti giovani che con arieti provati
La dimensione dipende dall’attitudine sessuale dell’ariete (30-50 pecore)
Difficoltà dell’impego in allevamenti di grosse dimensione (numero gruppi)
Valorizzazione delle abilità acquisite dagli allevatori
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GENETICA E BIOTECNOLOGIE
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feb
Impiego della genomica nella monta naturale
Attribuzione delle parentele
Periodo di monta
Parti
Gruppo di monta
Gruppo di Arieti
mag
giu
lug
ago
set
ott
nov
dic
Agnello1
padre: ariete1
madre: pecora1
Unità di Ricerca
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Agris
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gen
Agnello2
padre: ariete2
madre: pecora1
feb
Applicazione di un protocollo “low cost” fondato sull’utilizzo di DNAARRAY per l’accertamento delle genealogie in ovini di razza Sarda
AB
AB
AB
AA
AB
BB
BB
AA
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GENETICA E BIOTECNOLOGIE
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Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura
Applicazione di un protocollo “low cost” fondato sull’utilizzo di DNAARRAY per l’accertamento delle genealogie in ovini di razza Sarda
Compatibilità non significa necessariamente attribuzione paternità .
Con l’analisi di tanti SNP sarà possibile identificare i genitori anche
nel caso di arieti o greggi molto imparentati .
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Applicazione di un protocollo “low cost” fondato sull’utilizzo di DNAARRAY per l’accertamento delle genealogie in ovini di razza Sarda
AA
?
AA
AA
?
AA
AA
AA
Unità di Ricerca
GENETICA E BIOTECNOLOGIE
?
Agris
??
Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura
AA
Applicazione di un protocollo “low cost” fondato sull’utilizzo di DNAARRAY per l’accertamento delle genealogie in ovini di razza Sarda
Per poter essere applicata su larga scala una tecnica molecolare per l’accertamento delle genealogie
deve possedere le seguenti caratteristiche
• Tempistica ridotta
• Costi accessibili
• Automazione di tutto il processo
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Selezione Genomica (Genomic selection)
Calcolo del valore genetico dei candidati alla selezione come somma degli effetti
dei genotipi ai singoli SNP stimati in una popolazione di riferimento
Popolazione di riferimento
Candidati alla selezione
Genotipi e fenotipi
Genotipi
Equazione di stima
con analisi statistiche complesse è
possibile stimare per ogni singolo
punto del DNA che impatto ha sulle
performance degli individui
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Animali selezionati
Impiego Selezione Genomica negli ovini da latte
Caratteristiche delle popolazioni
• Prove di progenie meno efficienti
• Raccolta fenotipi meno accurati
• Scarsa diffusione della FA
• Struttura della popolazione non ottimale per la valutazione genetica
Obiettivo
Non rivolto alla riduzione dell’intervallo di generazione
Migliorare l’accuratezza della prova di progenie
Limiti:
• Minore numero di caratteri misurati
• Maggiore costo della analisi molecolare in relazione all’informazione ottenuta
Bovini 800.000 SNP x 10-27 caratteri = 10-21.600.000 informazioni molecolari
Ovini 50.000 SNP x 1-5 Caratteri = 50.000-250.000 informazioni molecolari
Occorre una progettazione dell’utilizzo di questi strumenti
nella realtà ovina
Unità di Ricerca
GENETICA E BIOTECNOLOGIE
Agris
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Selezione Genomica 2.0
Centro
Arieti
FA
Libro Genealogico
Allevamento genomico
?
P M
Fondatori
Sequenza Intero Genoma +
Array ad Alta Densità
Nuovi Caratteri e
Fenotipi più vicini al
genotipo
P M
P M
P M
Array a Bassa Densità +
Imputazione
GEBV +
Mutazioni Causali
Stima dell’effetto degli
aplotipi e GWAS
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GENETICA E BIOTECNOLOGIE
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