Підписи селекції в геномах комерційних та некомерційних порід курей

Центр розведення та геноміки тварин, Університет і дослідницький центр Вагенінгена, Вагенінген, Нідерланди

Дослідницький та технологічний центр партнерського розведення, Hendrix Genetics, Boxmeer, Нідерланди

Державна ключова лабораторія агробіотехнологій, Китайський аграрний університет, Пекін, Китай

Центр розведення та геноміки тварин, Університет і дослідницький центр Вагенінгена, Вагенінген, Нідерланди

Мартін Г. Ельферінк,
Хендрік-Ян Мегенс,
Адді Верейкен,
Сяосян Ху,
Річард П. М. А. Круайманс,
Мартьєн А. М. Гронен

Цифри

Анотація

Цитування: Elferink MG, Megens H-J, Vereijken A, Hu X, Crooijmans RPMA, Groenen MAM (2012) Підписи селекції в геномах комерційних та некомерційних порід курей. PLoS ONE 7 (2): e32720. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0032720

Редактор: Тоші Шіода, Масачусетська загальна лікарня, Сполучені Штати Америки

Отримано: 6 травня 2011 р .; Прийнято: 3 лютого 2012 р .; Опубліковано: 27 лютого 2012 р

Фінансування: Мартін Ельферінк фінансувався Голландським технологічним фондом (STW), номер проекту 07106. Фінансисти не брали участі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори ознайомились з політикою журналу та мають такі конфлікти: Автор Адді Верейкен працює на службі в Hendrix Genetics, Boxmeer, Нідерланди. Це не змінює дотримання авторами всіх політик PLoS ONE щодо обміну даними та матеріалами.

Вступ

Одомашнені курячі породи різноманітні з різницею в морфології, фізіології та поведінці [1]. Традиційні породи здебільшого містяться в декоративних цілях і демонструють велике різноманіття морфологічних фенотипів між породами. Чарльз Дарвін вже помітив велику різноманітність фенотипів у курках і припустив, що одомашнена курка, яка походить від Gallus gallus (Red Junglefowl (RJF)), має єдине походження [2]. Хоча багато досліджень (наприклад, [3] - [6]) підтверджували наявність одного джерела, його обговорювали інші [7], [8]. Археологічні знахідки дозволяють припустити, що у створенні одомашненої курки брали участь численні події одомашнення та численні географічні регіони, що підтверджується молекулярно-генетичними даними [10] - [11]. Більше того, молекулярні дані підтверджують генетичний внесок інших видів джунглів у сучасних одомашнених курей. Наприклад, жовтий локус шкіри, присутній у кількох домашніх породах курей, найімовірніше, походить від Gallus sonneratii (сіра птиця джунглів) [12].

Можливо, курка була спочатку одомашнена з таких культурних причин, як релігія, прикраси та бій півників замість харчового ресурсу [13]. Незважаючи на селективне розведення, яке було задокументовано ще в римські часи [13], лише в 20 столітті комерційні племінні компанії відібрали сильний вибір для ознак виробництва. Спеціалізовані лінії розведення були інтенсивно відбирані або за ознаками росту (виробництво м’яса), або за репродуктивними ознаками (несучість яєць), що призвело до масової реакції селекції на ці цілі розведення [13] - [15]. Переважна більшість комерційних порід курей в Європі та Північній Америці створені лише з декількох порід. Хоча некомерційні породи все ще присутні, ефективна чисельність популяції, як правило, невелика (від десятків до сотень [6]), і багатьом породам загрожує інбридинг або вимирання, що призведе до зменшення біорізноманіття курей [16].

Нещодавнє дослідження, яке застосовувало стратегію масового паралельного секвенування, ідентифікувало хромосомні регіони та гени, які, як передбачається, відбирались під час одомашнення курей та селективного розведення [1]. Однак це дослідження зосереджувалось лише на невеликій кількості порід, роблячи узагальнення щодо історії селекції протягом одомашнених та диких курей.

На відміну від цього, ми прагнули зробити широку оцінку впливу історії селекції на одомашнених курчат. Тому ми проаналізували товарних курей, що представляють усі основні цілі розведення. Крім того, ми проаналізували некомерційне різноманіття курей для більшості традиційних голландських порід та вибір репрезентативних порід з Китаю. Окрім цього, було проаналізовано кілька неприручених популяцій курей, а також супутні неприручені види (Gallus lafayetii). Ця проба з 67 комерційних та некомерційних порід була оцінена на предмет підписів відбору в геномі, використовуючи інформацію 57 628 SNP, генотипованих на збірних зразках ДНК. Використання кількох популяцій для кожної породи зменшить вплив стохастичних ефектів, таких як генетичний зсув, який може бути результатом використання лише однієї популяції. Крім того, ця стратегія може розкрити більш масштабну історію відбору конкретних порід або цілей розведення, а не історію відбору, характерну для популяції, що потенційно полегшить інтерпретацію підписів відбору.

Матеріали та методи

Збір даних

Вибір маркера та розрахунки частоти алелів

Розрахунки генетичної відстані

Для обчислення попарних генетичних відстаней між породами використовували програмне забезпечення PHYLIP (версія 3.69 [31]). Генетична відстань Nei була використана як міра для генетичної відстані [32]. Оскільки PHYLIP не може мати справу з відсутніми даними, розрахунки відстані для кожної пари порід базувались на даних маркерів, що були спільними для цих порід [33]. Програмне забезпечення Mega 4.0 [34] було використано для ієрархічної кластеризації з використанням процедур приєднання сусідів на матриці генетичної відстані для всіх порід. Gallus lafayetii використовували для вкорінення дерева.

Підписи відбору

Для зменшення впливу стохастичних ефектів, таких як генетичний дрейф, підписи селекційного аналізу проводили на групах порід, що об'єднані силіко. Для кожної групи порід частота алелів для кожного маркера була розрахована як середнє значення для всіх порід у групі. Оскільки частоти алелів у кожній породі вважалися хорошою оцінкою частоти алелів у всій породі, частоти алелів для кожної породи в групах порід не зважувались.

Породи були згруповані в чотирнадцять різних породних груп на чотирьох рівнях (Таблиця 1). Перший рівень включав усі одомашнені породи (ДМ, n = 64). Дві неприручені породи не були згруповані та проаналізовані, оскільки розмір групи був замалий. Другий рівень базувався на їх комерційному досвіді та включав комерційні (СМ, n = 35) та некомерційні (NCM, n = 29) породи. Третій рівень базувався або на їх загальному комерційному призначенні, або на географічному розташуванні та включав бройлерів (BR, n = 13), несучок (LR, n = 22), голландську традиційну (DU, n = 19) та китайську (CH, n = 10) породи. Четвертий рівень базувався на їхньому положенні в дендрограмі (Рисунок 1) і включав лінії випуску бройлерів (BRS, n = 8), лінії дамб бройлерів (BRD, n = 5), білі яєчні яєчка (WL, n = 11) і коричневі яєчні несучки (BL, n = 11), або були засновані на їх класичній класифікації і включали голландських птахів (DCF, n = 8), голландських польських і бородатих (DPB, n = 5) та голландських нових породи (DNB, n = 6). Оскільки ефективні розміри популяцій для порід невідомі або дуже невизначені, ми не врахували загальний розмір породи в нашому аналізі, що призвело до рівних внесків на породу до породної групи.

Похвали вказують породні групи для скупчень, як використовувались у цьому дослідженні.

Для ідентифікації регіонів, що відбираються, був використаний підхід “Z трансформованої гетерозиготності” (ZHp), як описано раніше [1]. Коротко, при підході до перекриваючогося ковзаючого вікна (перекриття до послідовного вікна - це кількість маркерів на вікно - 1) гетерозиготність була розрахована як:, де сума основних частот алелів і сума малої частоти алелів в межах вікно. Окремі значення були Z-перетворені:, де загальна середня гетерозиготність і є стандартним відхиленням для всіх вікон в межах однієї породної групи. Ми застосували розмір вікна 5, 10, 20, 50 та 100 маркерів, щоб визначити регіони, за якими передбачається вибір. Були використані порогові значення ZHp для сугестивних (ZHp менше або дорівнює -4) та сильних (ZHp менше або дорівнює -6) доказів, оскільки вони представляють крайній нижній кінець розподілу (Рисунок S1).

Результати

З 57 628 SNP, які були включені в мікросхему, 51 076 були використані для селективного аналізу розгортки. Оскільки в пули породи були включені як особини жіночої, так і чоловічої статі, аналізи проводились лише на аутосомних маркерах, і тому 3023 маркери, розташовані на хромосомі W і Z, були виключені з аналізу. Більше того, 1136 маркерів не було нанесено на карту на поточну структуру геному і виключено з аналізу. Загалом було виключено 2389 маркерів, оскільки вони або були гомозиготними у всіх окремих тварин (n = 2146), або не пройшли контроль якості (n = 243). Група зв’язку LGE64 складалася лише з 4 маркерів і не була включена в подальший аналіз.

51 076 аутосомних SNP були використані для побудови дерева, що представляє генетичну відстань між 67 породами (рис. 1). Два підвиди RJF та скупчення Gallus lafayetii відокремлюються від одомашнених порід. Одомашнені породи поділяються на дві гілки. Коричневі яєчні несучки, бройлери та китайські породи скупчуються в одній гілці, тоді як несучі білі яйця та голландські традиційні породи скупчуються в іншій. У межах кластера бройлерів було виявлено чітке розмежування між ситом бройлерів та лініями дамб бройлерів, підкреслюючи, що вони були похідними від різних порід. Традиційні породи Голландії об’єднуються згідно їх класичної класифікації [35] за кількома винятками.

Непарні числа хромосом (і LGE22) відображаються червоним кольором, а парні хромосоми - синім. Сіра пунктирна лінія позначає порогове значення ZHp -4 або -6. Для регіонів, що мають вагомі докази відбору, посвідчення особи показано під графіком.

З розміром вікна п’ять маркерів, хромосомні області з вагомими доказами відбору не були ідентифіковані в групах породи DU, DCF, DPB, DNB, WL або BL. Для груп порід DCF, DPB, WL та BL ці регіони не були визначені, навіть якщо розмір вікна був збільшений до 100 маркерів (таблиця S6). Було визначено чотири регіони в породних групах DU та DNB (якщо регіони в межах породної групи перекривались між різними розмірами вікон маркерів, найменшою областю вважали передбачувану область, що відбирається), що показало вагомі докази для вибору, якщо розмір вікна був збільшено до 10 або 20 маркерів (таблиця S12). Для групи породи DU на 15-й хромосомі було виявлено область 558 kb (ZHp = -6,2, розмір вікна = 20). Для породної групи DNB на 7-й хромосомі було виявлено область 775 kb (ZHp = -6,4, розмір вікна = 10), на 5-й хромосомі - 538 kb (ZHp = -6,2, розмір вікна = 10), а на хромосомі 22 було виявлено область 1084 kb (ZHp = -6,2, розмір вікна = 20). Чотири регіони, визначені в групах породи DU та DNB, були перекриваються регіонами сугестивної значущості, виявленими в рамках аналізу на основі вікна з п'ятьма маркерами.

Обговорення

Положення порід у дендрограмі (рис. 1) значною мірою узгоджується з попередніми опублікованими даними [36] та очікуваним історичним походженням порід. Бройлери та яєчні несучки бурого кольору скупчуються між китайськими породами з одного боку та голландськими та білими яєчними несучками з іншого. Породи бройлерів та коричневих яєчних несучок були створені в кінці 19-го та на початку 20-го століття шляхом схрещування європейських порід з азіатськими [13], [16], що підтверджено молекулярними доказами [27]. Голландські традиційні та білі яєчні несучі породи походять з Європи [13], [16], хоча деякі східні та південно-східні азіатські явища були виявлені у деяких порід [27]. Ми застосували підхід до об'єднання популяцій у силіко, визначаючи групи на основі загальної генетичної спорідненості для зменшення стохастичних ефектів, таких як генетичний дрейф, у нашому аналізі. Якщо селекційний регіон присутній лише у однієї породи, він буде усереднений через велику різноманітність інших порід, що входять до тієї самої породної групи. Однак, якщо регіон присутній у всіх порід, впевненість у тому, що цей регіон справді знаходиться на селекції, зросте.

Хоча популяції бройлерів та шарів були однорідними щодо кількості особин у кожному пулі ДНК, обсяги вибірки голландських та китайських популяцій не були. Для породної групи, що включає голландську та китайську породи, ми досліджували вплив стратегій незваженого та зваженого об'єднання (вага на кількість особин у кожному пулі популяцій). Кореляції між незваженими та зваженими стратегіями були дуже високими (коефіцієнт кореляції (Пірсон) для ZHp на основі п'яти маркерних вікон становив 0,996, 0,980, 0,966, 0,953 та 0,942 для породи CH, DU, DCF, DPB та DNB басейни відповідно), тим самим підтверджуючи обґрунтованість стратегії незваженого об'єднання для всіх груп порід.

Окрім 13 регіонів, які були описані раніше, у цьому дослідженні було визначено 13 додаткових регіонів з вагомими доказами відбору. І навпаки, у нашому дослідженні не було виявлено декількох регіонів із значними доказами відбору, виявленими раніше [1]. Ці відмінності в ідентифікованих регіонах можуть бути зумовлені різними використовуваними методами. Хоча наше дослідження базувалося на генотипуванні багатьох порід за допомогою аналізу генотипування SNP, дослідження Rubin et al. [1] базувався на низькому охопленні повторного секвенування цілого геному невеликої кількості порід. Регіони, визначені в нашому дослідженні, можуть бути погано охоплені стратегією масового паралельного секвенування або, можливо, не були виявлені, оскільки породи не були включені. Крім того, ми включили більше порід на кожну групу порід, що може зменшити хибнопозитивні ділянки, виявлені в результаті генетичного дрейфу.

На закінчення, на основі розміру вікна у п’ять виробників, ми виявили 396 регіонів передбачуваної селекції в геномі курей, і 26 з цих регіонів демонструють вагомі докази селекції принаймні в одній з чотирнадцяти породних груп. Наш підхід демонструє силу включення багатьох різних популяцій з подібними та породними групами з різною історією відбору для зменшення стохастичних ефектів на основі окремих популяцій. Ідентифікація регіонів передбачуваного відбору виявила кілька генів-кандидатів, які могли б допомогти у подальшому поліпшенні виробничих ознак та стійкості до хвороб.