Eventos de recombinação e estimativa da variância da diversidade gamética em bovinos nelore: implicações para programas de melhoramento - Fieno, Patrícia Iana Schmidt [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
A variância da diversidade gamética refere-se à variabilidade do potencial genético de um indivíduo que pode ser transmitido à sua prole por meio de seus gametas. Essa variância surge de dois processos genéticos fundamentais: amostragem mendeliana, que introduz aleatoriedade na segregação de alelos durante a meiose, e recombinação, que é um processo biológico fundamental que cria combinações de material genético. Os objetivos desta tese foram inicialmente calcular taxas de recombinação entre marcadores SNPs de painéis comerciais, identificar regiões de hotspots no genoma, construir um mapa de recombinação para machos Nelore, estimar parâmetros genéticos relacionados ao processo de recombinação, realizar estudo de associação genômica ampla (GWAS) para eventos de recombinação e identificar por meio de análises funcionais os genes candidatos próximos aos SNPs significativamente associados. Posteriormente, objetivou-se estimar a variância da diversidade gamética de todos os animais para diversas características economicamente importantes usando as taxas de recombinação entre marcadores SNPs previamente estimadas, bem como os efeitos de marcadores SNPs sobre tais características. Finalmente, a resposta à seleção para as características estudadas foi comparada considerando a seleção tradicional e a seleção considerando também a variância da diversidade gamética. Um total de 62.022 animais genotipados com painéis de baixa e média densidade foram imputados para um painel de alta densidade (409.029 marcadores SNP após controle de qualidade). As posições genômicas dos marcadores foram baseadas na montagem do genoma ARS-UCD1.2 Bos taurus. As características reprodutivas consideradas foram circunferência escrotal (SC), idade ao primeiro parto (IPP) e prenhez de novilhas (HP), reconcepção de novilhas (HR) e capacidade de permanência (STAY), e as características de crescimento foram peso corporal ao desmame (WW) e peso corporal ao ano (YW). Registros fenotípicos medidos em aproximadamente 1.100.000 animais Nelore de programas de melhoramento comercial foram usados. As taxas de recombinação foram medidas por meio de um método indireto usando pedigree e as informações de genotipagem. Foram extraídos pares progênie-pai do pedigree da população de gado Nelore estudada. Tanto o pai quanto a prole foram genotipados e faseados para inferir sobre eventos de recombinação para uma meiose paterna. As regiões de hotspots foram definidas como intervalos de SNPs com taxa de recombinação > 2,5 desvios padrão acima da média de recombinação. Os parâmetros genéticos para taxa de recombinação foram estimados usando dois modelos: 1) Usando o número médio de eventos de “crossovers” meióticos por reprodutor 2) Usando estes eventos como medidas repetidas, uma vez que os reprodutores tiveram vários descendentes. Posteriormente, usando ambos os modelos, as análises de GWAS foram realizadas, considerando todos os “crossovers” localizados e somente as regiões de hotspots, para identificar genes candidatos e mecanismos biológicos que afetam a taxa de recombinação. Em análises funcionais, genes dentro de 100 kb a jusante e a montante de cada marcador SNP significativo foram investigados. Em análises subsequentes, aplicamos o mapa de recombinação construído para os machos, no software gamevar.f90 e estimamos a variância da diversidade gamética e o coeficiente de variação relativa para toda população, considerando características reprodutivas e de crescimento. Os genótipos foram faseados utilizando o software findhap.f90 v4 e para a obtenção dos efeitos dos marcadores para cada característica fenotípica estudada, um modelo assumindo homogeneidade de variância dos seus efeitos, ssGBLUP, foi usado. Como resultado, foram identificados 407.828 eventos de “crossovers” e 12.357 meioses paternas, que abrangem 33 Morgans para machos Nelore. Foram encontradas 2.039 regiões de hotspots, destacando-se o cromossomo 1 com o maior número destas regiões. As estimativas de herdabilidade foram de 0,24±0,06 e 0,17±0,09 para os modelos 1 e 2, respectivamente. Para o modelo 2 a repetibilidade estimada foi de 0,50±0,03. Por meio de análises GWAS, encontramos SNPs significativos para ambos os modelos (1 - 29SNPs; 2 - 192 SNPs) e genes semelhantes que podem impactar a recombinação de várias maneiras, seja participando diretamente do processo de recombinação homóloga ou influenciando indiretamente o ciclo celular, a estabilidade genômica e os processos de reparo do DNA. Nosso GWAS utilizando as regiões de hotspots da recombinação, identificou o gene PRDM9 no cromossomo 1, em ambos os métodos, que está validado e diretamente relacionado com a recombinação meiótica. As estimativas de herdabilidade encontrados sugerem que os eventos de recombinação meiótica são um processo hereditário na população Nelore estudada. Por meio de nosso estudo, o primeiro mapa de recombinação para bovinos Nelore utilizando um painel comercial de SNP está sendo disponibilizado para a comunidade científica. A variância gamética foi identificada em todas as características, com BTA1 e BTA8 desempenhando papéis centrais na transmissão da variabilidade genética para características de crescimento e reprodução, respectivamente. O BTA1 teve o maior impacto na covariância gamética de YW, WWd e WWm, enquanto o BTA8 esteve associado a AFC, HP e HR, reforçando sua importância na regulação genética dessas características. A inclusão da variância gamética na seleção resultou em ganhos genéticos adicionais, com o maior aumento observado para HP (+8,41%) e STAY (+8,43%) sob REPD1.5. As características de crescimento apresentaram melhorias mais modestas, variando de 2,37% a 5,38%. O número de progênies necessário para capturar 90% da variância gamética variou entre 51 (SC e YW) e 125 (HP), destacando o potencial da seleção relativa em biotecnologias reprodutivas. Dado que este é o primeiro estudo na raça Nelore, nossos resultados revelam novos insights sobre a compreensão da recombinação e aplicação da variância gamética nessa raça de alta importância econômica para o Brasil.

The variance of gametic diversity refers to the variability in the genetic potential of an individual that can be transmitted to its offspring through its gametes. This variance arises from two fundamental genetic processes: Mendelian sampling, which introduces randomness in allele segregation during meiosis, and recombination, an essential biological process that creates combinations of genetic material. The objectives of this thesis were to calculate recombination rates between SNP markers from commercial panels, identify hotspot regions in the genome, construct a recombination map for Nellore males, estimate genetic parameters related to the recombination process, conduct a genome-wide association study (GWAS) for recombination events, and identify candidate genes through functional analyses near significantly associated SNPs. Subsequently, the aim was to estimate the variance of gametic diversity for all animals across various economically important traits using the recombination rates between previously estimated SNP markers, as well as the effects of SNP markers on such traits. Finally, the response to selection for the traits studied was compared, considering traditional selection and selection based on the variance of gametic diversity. A total of 62,022 animals genotyped with low- and medium-density panels were imputed to a high-density panel (409,029 SNP markers after quality control). The genomic positions of the markers were based on the ARS-UCD1.2 Bos taurus genome assembly. The reproductive traits considered were scrotal circumference (SC), age at first calving (AFC), heifer pregnancy (HP), heifer rebreeding (HR), and stayability (STAY), while the growth traits were weaning weight (WW) and yearling weight (YW). Phenotypic records measured in approximately 1,100,000 Nellore animals from commercial breeding programs were used. Recombination rates were measured using an indirect method based on pedigree and genotyping information. Pairs of progeny-sire from the Nellore cattle pedigree were extracted, with both the sire and offspring genotyped and phased to infer recombination events for paternal meiosis. Hotspot regions were defined as SNP intervals with a recombination rate >2.5 standard deviations above the mean recombination rate. Genetic parameters for recombination rate were estimated using two models: 1) using the average number of meiotic crossover events per sire, and 2) using these events as repeated measures, as sires had multiple offspring. Subsequently, using both models, GWAS analyses were performed, considering all located crossovers and only the hotspot regions, to identify candidate genes and biological mechanisms affecting the recombination rate. In functional analyses, genes within 100 kb upstream and downstream of each significant SNP marker were investigated. In subsequent analyses, we applied the recombination map constructed for males in the software gamevar.f90 and estimated the variance of gametic diversity and the relative coefficient of variation for the entire population, considering reproductive and growth traits. Genotypes were phased using the software findhap.f90 v4, and to obtain the marker effects for each studied phenotypic trait, a model assuming variance homogeneity of their effects, ssGBLUP, was used. As a result, 407,828 crossover events and 12,357 paternal meiosis were identified, covering 33 Morgans for Nellore males. A total of 2,039 hotspot regions were found, with chromosome 1 presenting the highest number of such regions. The heritability estimates were 0.24±0.06 and 0.17±0.09 for models 1 and 2, respectively. For model 2, the repeatability estimate was 0.50±0.03. Through GWAS analyses, we found significant SNPs for both models (1 - 29 SNPs; 2 - 192 SNPs) and similar genes that may impact recombination in various ways, either by directly participating in the homologous recombination process or indirectly influencing the cell cycle, genomic stability, and DNA repair processes. Our GWAS using recombination hotspot regions identified the PRDM9 gene on chromosome 1, in both methods, which is validated and directly related to meiotic recombination. The heritability estimates values found that suggest that the meiotic recombination events are a heritable process in the Nellore population studied. Through our study of the first recombination map for Nellore cattle, an SNP panel is being made available to the scientific community. Gametic variance was identified across all traits, with BTA1 and BTA8 playing central roles in transmitting genetic variability for growth and reproductive traits, respectively. BTA1 had the greatest impact on the gametic covariance of YW, WWd, and WWm, whereas BTA8 was associated with AFC, HP, and HR, reinforcing their importance in genetic regulation. The inclusion of gametic variance in selection resulted in additional genetic gains, with the largest increase observed for HP (+8.41%) and STAY (+8.43%) under REPD1.5. Growth traits showed more modest improvements, ranging from 2.37% to 5.38%. The number of progenies required to capture 90% of the gametic variance varied between 51 (SC and YW) and 125 (HP), highlighting the potential of relative selection in reproductive biotechnologies. Since this is the first study in the Nellore breed, our results reveal new insights into the understanding of recombination and the application of gametic variance in this breed, which is so important for Brazil.
Recombination events and estimation of gametic diversity variance in Nellore cattle: implications for breeding programs
Keywords: Genômica; Diversidade genética; Melhoramento genético; Bovinos de corte