27/11/2016. Temario. Herramientas Moleculares aplicadas al. Mejoramiento Genético Animal. Mejoramiento genético por selección.

Transcripción

1 Temario Introducción Herramientas Moleculares aplicadas al Mejoramiento Genético Animal Información molecular información genómica Aplicaciones y aportes a la mejora genética Determinación de paternidad Ing. Agr. Elly Ana Navajas Estudios de asociación para identificación causas genéticas genómica Comentarios finales Curso Zootecnia 2016 Facultad de Agronomía En Uruguay Existen programas de mejoramiento genético en ovinos y bovinos carne y leche Está en marcha la investigación y uso de genómica aplicada a la mejora genética animal con diferentes objetivos y enfoques pensada para fortalecer el aporte de los programas actuales de mejora genética Mejoramiento genético por selección Es una herramienta efectiva de incremento de la producción y rentabilidad de animales superiores en base a estimaciones objetivas del mérito genético 140,0 120,0 100,0 INDICE CRIA 80,0 60,0 40,0 20,0 www. Geneticabovina.com www. Genéticaovina.com 0, INDICE CRIA Objetivo de la mejora Busca la mejora de los ingresos de los sistemas productivos Incluye características relevantes a los ingresos y costos de la producción agropecuaria Valores genéticos de los individuos para características y para índices de selección Mejoramiento genético Sistemas modernos de evaluaciones genéticas permite estimaciones de valores genéticos y de las precisiones de dichas estimaciones Identificación de animales superiores Uso de los animales para mejora genética Peso al destete, al año, al sobreaño (15 o 18 meses) Circunferencia escrotal Peso adulto EJEMPLO: GANADO DE CARNE Área del ojo del bife y espesor de grasas (ultrasonido) 1

2 Aplicaciones de genómica en la mejora genética animal Paternidad por ADN Estudios de regiones del genoma genómica Información molecular Fenotipo = Genotipo + Ambiente Las características cuantitativas están controladas por MUCHOS GENES Cada gen tiene DIFERENTE EFECTO sobre el fenotipo Mayor influencia Menor influencia podemos observar directamente los genes? Cada gen presenta DIFERENTES ALELOS Pero podemos leer marcadores moleculares alelo MENOS favorable alelo MAS favorable 2

3 Qué es un marcador molecular? Cómo se lee? Segmento de ADN de ubicación y secuencia conocida Diferentes tipos ejemplos microsatélites polimorfismo de nucleótido simple (SNP) Medibles : se conoce donde están y es posible determinar sus alelos Genotipado: análisis de muestra de ADN por técnicas de laboratorio para determinar el genotipo Genómica Genoma conjunto de la información genética codificada en el ADN A A C C T A G T T G G A T C A A C T T A G T T G A A T C SNP: Polimorfismo de nucleótido simple COMO LEER EL GENOMA? Secuenciamiento Determinación de secuencia completa del ADN Genotipado Determinación del genotipo o contenido genómico mediante un procedimiento de laboratorio que permite leer posiciones especificas a nivel del ADN (marcadores) de 3000 a 800 mil marcadores SNP Pasos hasta la obtención del genotipado del ADN Animales identificados Toma de muestra biológica para obtención del ADN. La muestra debe estar en buen estado (ej. no contaminada, no coagulada, etc.) y con la correcta identificación del animal a la cual pertenece. En laboratorio se extrae el ADN de la muestra en base a protocolos específicos La muestra de ADN se genotipa Se obtiene la información de genotipado LA INFORMACIÓN DEL GENOTIPADO ES ANALIZADA SEGÚN USO ESPECÍFICO Y RESULTADOS SON DEVUELTOS A LOS CABAÑEROS Y PRODUCTORES Chips de marcadores de alta densidad Disponibilidad de chips con miles marcadores Vacunos Chip Illumina Bovine SNP50 54,000 marcadores SNP Otros chips: Illumina Bovine3k ~ 3,000 SNP Illumina BovineLD ~ 7,000 SNP Illumina BovineHD ~700,000 SNP Otras empresas: Affymetrix Ovinos Chip Illumina Ovine SNP50 Paternidad por ADN Paternidad en base a marcadores moleculares Confirmar madre o padre de un animal, determinar cual es el padre (monta múltiple) Minimizar posibilidad de errores en la genealogía Aporte a la mejora genética al mejorar la calidad de uno de los insumos de evaluaciones genéticas Bovinos: existe panel de marcadores para paternidad previamente: STR ahora paneles ~ 100 SNP (menor costo y tiempo) Ovinos: en desarrollo en base a iniciativas nacionales e internacionales (consorcio internacional ovino) en asociación con empresas internacionales. 3

4 Determinación Paternidades Panel 0 Corriedale Merino Padres Madres Padres Madres Autores Errores Comentario Brien et al., % Australia n=3500 Rosa et al., 2013 Dam ID 20% Sire ID 30% Dairy sheep, Italia Crawford et al., ,5 9,4%, New Zeland Pérdida en ganancia genética Ganancias 2.5 a 17.9% menores a las potenciales Israel e Weller, 2000 Banos et al., 2001 Spellman, 2002 Visscher et al., 2002 Shumbusho et al, 2013 Errores (%) (40) 7.69 (3) 6.12 (33) 4.35 (7) Nº de pares testados Nº padres/padres Raza A B C D E F G NUG % error Corriedale n Merino % error n Estudios de asociación Estudios de asociación molecular Objetivos: Identificación de genes o regiones del cromosoma que estén asociadas con las características de interés. Insumos en esta búsqueda Los genotipos de los marcadores y los fenotipos para las características relevantes Principios claves Encontrar marcadores asociados con diferencias en las características El marcador está ligado con un QTL o gen que determina las diferencias en el fenotipo 22 EJEMPLO: 1 marcador con dos variantes M Cómo usamos esta información? Genotipo Marcador mm Mm Media fenotípica m Identificación de animales con genes favorables para los caracteres a mejorar genéticamente Genotipado marcadores inferencia sobre genotipo de los animales Identificación de animales superiores Las diferencias fenotípicas deben estar causada por gen o QTL ligado al marcador 23 asistida por marcadores 4

5 Primeras aplicaciones Década de los 90 Uso de poco marcadores muy espaciados entre ellos Primeras aplicaciones Principales contribuciones Determinación de la herencia de características de herencia regulada por uno o pocos genes Astado o mocho, enfermedades hereditarias, genes mayores Búsqueda de genes mayores actuando en características productivas Ejemplo en bovinos de leche CVM Complejo de Malformación Vertebral Determinado por el gen SLC35A3 Partos prematuros o abortos, terneros con alteraciones en el esqueleto Solo los animales homocigotos para el alelo recesivo expresan la enfermedad portador de CVM libre de CVM Primeras aplicaciones Principales contribuciones Determinación de la herencia de características de herencia regulada por uno o pocos genes Astado o mocho, enfermedades hereditarias, genes mayores Escaso impacto en caracteres cuantitativos Son poligénicos Muchos genes de efecto pequeño que con pocos marcadores no es posible detectar Pocos genes conocidos responsables de explicar parte importante de la variación observada Test de ADN comerciales que no validaron Genotipados de alta densidad Alta densidad de marcadores cubriendo todo el genoma Posible gracias dos herramientas a nivel molecular Secuenciamiento del genoma que ha permitido la identificación de SNP (marcador molecular) Tecnologías que permiten la caracterización ió confiable y simultánea de MILES de SNP (genotipado) en poco tiempo Disponible para bovinos, ovinos, porcinos Chips de SNP, SNP, SNP Desarrollo de metodología estadísticas y bioinformáticas Estudios de asociación con genómica Ejemplo en ganado de leche (da Cruz Gouveia Pimentel et al., 2011) DGAT1 gene Cromosoma 14 Porcentaje de grasa en la leche Conteo células somáticas 5

6 RESISTENCIA GENÉTICA A PARÁSITOS GASTROINTESTINALES Análisis PCA Población: Líneas divergentes CIEDAG-SUL Línea S N= 44 S R S Línea R DEP HPG extremo CP < 0.04 ADN Illumina OvineSNP50 BeadChip Regresión lineal N= 54 R Estructura poblacional por análisis de componentes principales (PCA) Regresión lineal Modelo aditivo DEP HPG 1. La comparación de los genomas de animales resistentes y susceptible a parásitos gastrointestinales mostraron claras diferencias 2. Se identificaron marcadores ubicados en 8 cromosomas que tienen una gran incidencia en resistencia/susceptibilidad a parásitos. genómica 3. Se está trabajando para su inclusión en un panel para ovinos que también incluya marcadores relevantes para otras aplicaciones (ej paternidad) u otras características (mocho vs astado). genómica genómica Forma de selección asistida por marcadores donde miles de marcadores genéticos distribuidos en todo el genoma se encuentran ligados con sectores del cromosoma asociados a caracteres cuantitativos (QTL, quantitative trait loci) Forma de selección asistida por marcadores donde miles de marcadores genéticos distribuidos en todo el genoma se encuentran ligados con sectores del cromosoma asociados a caracteres cuantitativos (QTL, quantitative trait loci) 6

7 genómica Forma de selección asistida por marcadores donde miles de marcadores genéticos distribuidos en todo el genoma Incluye todos los QTL que influyen en las características se encuentran ligados con sectores del Características son en su mayoría poligénicas cromosoma asociados a caracteres cuantitativos (QTL, quantitative trait loci) genómica o Estimación de valor genético de reproductores asistida por información genómica Información genómica Impacto de la selección genómica Potencializa la mejora genética Mayor progreso genético por una mayor precisión a una edad más temprana: G = i x r x a IG G: progreso genético anual i: intensidad de selección r: precisión de la selección a : desvío estandard aditivo IG: intervalo generacional La mejora genética depende: de la precisión con la que identificamos los mejores animales Precisión de la estimación del mérito genético momento que podemos hacer la selección Condiciona el intervalo generacional Toro Toro Genómica Industria lechera Hijos nietos Bisnietos Nacimiento 1 año 2 años 5 años 10 años DEP de padres Nacimiento de Hijas Toro Probado Prueba de progenie Hijo Probado Prueba de progenie Impacto de la selección genómica Potencializa la mejora genética Mayor progreso genético por una mayor precisión a una edad más temprana Inclusión de características que antes no estaban consideradas Ejemplos: Eficiencia de conversión Resistencia genética a enfermedades Caracteres reproductivas Predicción genómica Un proceso en dos etapas Estimación de los efectos de los SNP usando una base de datos de entrenamiento que comprende animales genotipados con un chip denso en SNP y con datos fenotípicos Estimación del mérito de un nuevo animal basado en el conocimiento de su genotipo, multiplicado por los efectos estimados para cada uno de los alelos en cada SNP 7

8 Estimaciones y validaciones Estimaciones y validaciones Poblaciones de entrenamiento La obtención de buenas estimaciones están basadas en poblaciones de entrenamiento de muchos animales (muchos datos!) B.Hayes, Brasil, 2009 Rápida incorporación la información genómica en evaluaciones Chip 57,000 SNP Illumina BovineSNP50 BeadChip Diciembre 2007 Evaluación genética oficial Estados Unidos con selección genómica Enero 2009 Todos los toros jóvenes de los grandes centros de Inseminación seleccionados en base a selección genómica genómica en varios países (GANADO LECHERO) Estados Unidos Illumina Bovine50K Evaluacion genetica oficial 2009 Canada Illumina Bovine50K Evaluacion genetica oficial 2009 Francia Incorporacion de pocos SNP 2008 Holanda Chip 50k Illumina personalizado Illumina Bovine50K Nueva Zelandia Illumina Bovine50K 2008 Alemania 2009 Australia, Suiza, Italia Lanzamiento en 2011 Wiggans et al 2011 genómica a nivel mundial Impacto de la selección genómica Potencializa la mejora genética Mayor progreso genético por una mayor precisión a una edad más temprana Inclusión de características que antes no estaban consideradas Factibilidad económica condiciona su utilización: Ganado lechero, ganado de carne, ganado ovino Generación de paneles de baja densidad de SNP para reducir costos Sumar potencialidades al incluir SNP para Enfermedades hereditarias, paternidad, información proveniente de estudios de asociación. 8

9 Avances a nivel nacional Resistencia genética a parásitos gastrointestinales en ovinos Desarrollo de panel de SNP para determinación de paternidad en ovinos Implementación de selección genómica en ovinos Poblaciones de entrenamiento para en Hereford, Angus y Holando Genómica aplicada a calidad de canal, calidad de carne y eficiencia de conversión en Hereford EPD genómicos Hereford Uruguay Publicados por primera vez en julio 2016 Población de entrenamiento inicial: muestras de reproductores hembras y machos fueron utilizadas para validar las ecuaciones de predicción genómica desarrolladas en el marco de la Evaluación Genética Panamericana. Impacto en la evaluación: Incremento en las precisiones de los EPD siendo éste más significativo en los animales de menor precisión. EPD genómicos Hereford Uruguay Publicados por primera vez en julio 2016 Población de entrenamiento inicial: muestras de reproductores hembras y machos fueron utilizadas para validar las ecuaciones de predicción genómica desarrolladas en el marco de la Evaluación Genética Panamericana. Impacto en la evaluación: Incremento en las precisiones de los EPD siendo éste más significativo en los animales de menor precisión. Comentarios finales Información genómica: Aportes al mejoramiento genético animal Información genómica pasa a estar disponible: Costos decrecientes Tiempos de procesamiento decrecientes Desarrollos bioinformáticos y estadísticos Almacenamiento Procesamiento Interpretación Comentarios finales Aportes a la mejora genética Determinación de paternidad Permite mejorar la precisión de la información genealógica reducir los errores de las determinaciones tradicionales Estudio de las determinantes genéticas Conocimiento i de los genes que actúan en las diferentes características, incluyen efectos pleitrópicos Resultados permitirá hacer los chips de SNP más efectivos al poder concentrarnos en las regiones y genes de mayor influencia (reducción costos) genómica Potencializa progreso genético global Comentarios finales Los fenotipos son muy valiosos Sistemas de registro sistemáticos de información Integración e intercambio de información La información genómica no sustituye la importancia de los registros productivos ni de la existencia de los sistemas de evaluación genética Existen avances a nivel nacional en la investigación y aplicación de genómica Ovinos, bovinos de carne y leche Características en las evaluaciones genéticas y nuevas a ser incorporadas 9

10 Muchas gracias 10