La Genomica Nell`allevamento Ovino

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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 Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura Approccio tradizionale della selezione genetica Processo “cieco”: nessuna conoscenza geni, alleli, frequenze, effetti e localizzazione Numero elevato di misure individuali Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura STIMA DEL VALORE GENETICO positivo negativo Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE P M Agris P M P M P M Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura P M Strategie: Nuovi obiettivi (misure semplificate) Organizzazione in ‘‘fasce’’ dello schema Genomica Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris • • • • • Quantità di latte (per capo) Quantità materia utile caseificabile (per capo) Persistenza lattazione Fertilità Longevità Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca 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)???? Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura • 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 Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE 500 Agris 750 1000 1250 1500 1750 Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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’. Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE E K E/E E/K K/K 202 10 98 6 2 0.953 0.047 0.925 0.057 0.019 Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris 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 . Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris 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 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura 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 Unità di Ricerca GENETICA E BIOTECNOLOGIE Agris Agenzia Regionale per la Ricerca in Agricoltura