Estudo de associação de polimorfismos de nucleotídeo único (SNP) com características de temperamento em bovinos da raça Nelore

Abstract

A variabilidade individual no temperamento dos bovinos é um importante fator que afeta a rentabilidade das empresas pecuárias, em função dos efeitos negativos na produção, no bem-estar animal e na segurança do trabalhador. Assim, esta característica vem despertando interesse crescente de produtores e pesquisadores, com o objetivo de entender quais os fatores genéticos e ambientais que influenciam a expressão do temperamento e os efeitos sobre o desempenho dos bovinos. Desta forma, esta tese foi desenvolvida com o objetivo de estudar a associação genômica entre polimorfismos de nucleotídeo único (SNP) com diferentes indicadores do temperamento de bovinos da raça Nelore. Os objetivos específicos foram: 1) Estudar a associação genômica entre SNP e diferentes indicadores de temperamento; 2) Avaliar a existência de regiões do genoma associadas, simultaneamente, com distintos indicadores de temperamento; 3) Identificar genes e as respectivas funções biológicas que influenciam o temperamento e; 4) Estimar parâmetros genéticos para os diferentes testes de temperamento incluindo a informação genômica. O temperamento dos bovinos foi avaliado entre 2010 e 2015, durante o manejo de pesagem aos 18 meses de idade, utilizando os seguintes indicadores: 1) escore de movimentação (MOV); 2) escore de tensão (TENS); 3) escore de agitação no tronco de contenção (CS); 4) velocidade de fuga (VF) e; 5) escore de temperamento (ET). Os animais foram genotipados utilizando painel de alta densidade com 777.962 SNPs (Illumina BovineHD Beadchip). Todas as análises para estimar os componentes de variância e parâmetros genéticos, bem como os estudos de associação genômica ampla (GWAS) foram realizadas utilizando método de passo único (single-step GBLUP - ssGBLUP) combinando, simultaneamente, informações de pedigree, fenótipos e genótipos, utilizando inferência Bayesiana via amostragem de Gibbs. Foi utilizado modelo animal linear para VF e modelo de limiar para os demais indicadores de temperamento (MOV, TENS, CS e ET). No primeiro estudo foram utilizados 1.384 genótipos, 16.660 animais com fenótipo para VF e 455.374 SNPs. Foram identificadas nove regiões genômicas e seis genes candidatos associados a velocidade de fuga. Entre eles, os genes PARK2, GUCY1A2, CPE e DOCK1 estão relacionados com o sistema dopaminérgico; a formação da memória; a biossíntese de hormônio peptídico e neurotransmissores e, o desenvolvimento do cérebro, respectivamente. Para o segundo estudo foram utilizados, aproximadamente, 22.000 fenótipos para MOV, TENS, CS, VF e 45.000 para ET, 3.568 genótipos e 411.677 SNPs. As estimativas de herdabilidade variaram de 0,12 0,03 a 0,33 0,03. As estimativas a posteriori das correlações genéticas e fenotípicas entre os cinco indicadores de temperamento variaram de 0,57 0,06 a 0,99 0,00 e de 0,23 0,01 a 0,93 0,01, respectivamente. Os resultados das análises de ssGBLUP foram apresentados com base na porcentagem de variância explicada por janelas de 10 SNPs adjacentes. As 20 janelas que explicaram a maior variância genética aditiva para cada indicador foram consideradas como associadas ao temperamento. Um total de 100 janelas, 2.033 genes conhecidos, nove QTL descritos previamente e regiões genômicas semelhantes entre TENS x CS, MOV x FS, CS x ET e FS x ET foram identificadas. Concluímos que todas os indicadores de temperamento utilizadas no presente estudo podem ser consideradas em programas de melhoramento. Com o estudo de associação genômica ampla mapeamos genes que podem influenciar o temperamento dos bovinos, demonstrando que essa é uma característica complexa e amplamente influenciados por muitas regiões/genes de pequeno efeito. As análises de enriquecimento funcional proporcionaram novas perspectivas e vias que correspondem diretamente com aspectos de comportamento emocional.

The individual variability on cattle temperament is an important factor affecting the profitability of beef cattle enterprises, due to its adverse effects in production, animal welfare and labor safety. Thus, this characteristic has increasing interest of producers and researchers, who aim to understand the genetic and environmental factors affecting the expression of temperament and its effect on cattle performance. Thus, the objective of this thesis was to study the genomic association between single nucleotide polymorphisms (SNP) and temperament indicators of Nellore cattle. The specific objectives were: 1) Study the genomic association between SNP and different indicators of temperament; 2) Assess the existence of genomic regions associated, simultaneously, with distinct temperament indicators; 3) Identify genes and their biological functions that influences temperament and; 4) Estimate genetic parameters for different temperament indicators using genomic information. The temperament was evaluated between 2010 and 2015, during the weighing handling at 18 months of age, using the following indicators: 1) movement score (MOV); 2) tension score (TENS); 3) crush score (CS); 4) flight speed (FS) and; 5) temperament score (TS). The animals were genotyped using a panel with 777,962 SNP (Illumina BovineHD Beadchip). All analyses to estimate variance components and genetic parameters, as well as the genome-wide association study (GWAS), were performed using a single-step procedure (single-step GBLUP - ssGBLUP) which combined, simultaneously, pedigree information, phenotyped and genotyped animals in one step, using Bayesian inference via Gibbs sampling. Was used linear animal model for FS and threshold model for other temperament indicators (MOV, TENS, CS and TS). In the first study were used 1,384 genotypes, 16,660 phenotyped animals for FS and 455,374 SNP. There were identified nine genomic regions and six candidate genes associated with flight speed. Among them PARK2, GUCY1A2, CPE and DOCK1 genes which are related to dopaminergic system; memory formation; biosynthesis of peptide hormone and neurotransmitter; and brain development, respectively. For the second study were used, approximately, 22,000 phenotypes to MOV, TENS, CS, VF and 45,000 for TS, 3,568 genotypes and 411,677 SNPs. Heritability estimates for temperament indicators ranged from 0.12 0.03 to 0.33 0.03. The posterior means of genetic and phenotypic correlations between all five temperament indicators ranged from 0.57 0.06 to 0.99 0.00 and from 0.23 0.01 to 0.93 0.01, respectively. The results of ssGBLUP analysis were presented in based on the proportion of variance explained by 10 consecutive non-overlapping SNPs. The 20 SNP windows that explained the highest additive genetic variance for each indicator were considered as associated with temperament. Were identified A total of 100 SNP windows, 2.033 known genes, nine previously reported QTL and similar genomic regions between TENS x CS, MOV x FS, CS x TS and FS x TS. In conclusion, all temperament indicators addressed in the present study can be considered in breeding programs. With the genome-wide association study mapped genes that can influence cattle temperament, demonstrating that this is a complex trait and largely influenced by many regions/genes of small effect. Functional enrichment analyses delivered new insights and pathways that directly match with aspects of emotional behavior.