Szelekciós aláírások a kereskedelmi és nem kereskedelmi csirkefajták genomjában

Állattenyésztési és Genomikai Központ, Wageningen Egyetem és Kutatóközpont, Wageningen, Hollandia

Hovatartozás-tenyésztési kutatási és technológiai központ, Hendrix Genetika, Boxmeer, Hollandia

Hovatartozás állami kulcslaboratórium az agrobiotechnológiához, Kína Mezőgazdasági Egyetem, Peking, Kína

Állattenyésztési és Genomikai Központ, Wageningen Egyetem és Kutatóközpont, Wageningen, Hollandia

Martin G. Elferink,
Hendrik-Jan Megens,
Addie Vereijken,
Xiaoxiang Hu,
Richard P. M. A. Crooijmans,
Martien A. M. Groenen

Ábrák

Absztrakt

Idézet: Elferink MG, Megens H-J, Vereijken A, Hu X, Crooijmans RPMA, Groenen MAM (2012) A szelekció aláírása a kereskedelmi és nem kereskedelmi csirkefajták genomjában. PLoS ONE 7 (2): e32720. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0032720

Szerkesztő: Toshi Shioda, Massachusetts General Hospital, Amerikai Egyesült Államok

Fogadott: 2011. május 6 .; Elfogadott: 2012. február 3 .; Közzétett: 2012. február 27

Finanszírozás: Martin Elferinket a Holland Technológiai Alapítvány (STW) finanszírozta, 07106. számú projekt. A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők elolvasták a folyóirat politikáját és a következő konfliktusokkal küzdenek: A szerző Addie Vereijken a hollandiai Hendrix Genetics alkalmazásában áll. Ez nem változtatja meg a szerzők betartását az adatok és anyagok megosztására vonatkozó PLoS ONE összes politikájához.

Bevezetés

A háziasított csirkefajták különböznek morfológiájukban, fiziológiájukban és viselkedésükben [1]. A hagyományos fajtákat többnyire díszítési célokra tartják, és a morfológiai fenotípusok nagy változatosságot mutatnak a fajták között. Charles Darwin már észrevette a fenotípusok sokféleségét a csirkén belül, és egyetlen eredetet feltételezett a Gallus gallusból (Red Junglefowl (RJF)) leszármazott háziasított csirkének [2]. Bár az egyetlen eredetet számos tanulmány támogatta (pl. [3] - [6]), mások vitatták [7], [8]. A régészeti eredmények arra utalnak, hogy több háziasítási esemény és több földrajzi régió vett részt a háziasított csirke létrehozásában [9], amelyet molekuláris genetikai bizonyítékok támasztanak alá [10] - [11]. Ezenkívül a molekuláris bizonyítékok alátámasztják a dzsungelladarak más fajainak genetikai hozzájárulását a jelenlegi háziasított csirkékhez. Például a többféle házi csirke fajtánál előforduló sárga bőr lokusz valószínűleg a Gallus sonneratii (szürke dzsungelfowl) eredetéből származik [12].

A csirkét eredetileg kulturális okokból - például vallás, díszítés és kakasverekedés - háziasíthatták élelmiszerforrás helyett [13]. A szelektív tenyésztés ellenére, amelyet már a római időkben dokumentáltak [13], a kereskedelmi tenyésztő társaságok csak a 20. században válogattak erőteljesen a termelési tulajdonságok szerint. A specializált tenyésztési vonalakat intenzíven választották ki a növekedési tulajdonságok (hústermelés) vagy a szaporodási tulajdonságok (tojásrakás) szempontjából, ami masszív szelekciós választ eredményezett e tenyésztési célokra [13] - [15]. Az európai és észak-amerikai kereskedelmi csirkefajták túlnyomó többsége csak néhány fajtából származik. Bár továbbra is vannak nem kereskedelmi célú fajták, a tényleges populációnagyság általában kicsi (tíz-százas [6]), és sok fajtát beltenyészés vagy kihalás fenyeget, ami a csirke biológiai sokféleségének csökkenését eredményezi [16].

Egy nemrégiben végzett tanulmány, amely masszívan párhuzamos szekvenálási stratégiát alkalmazott, a csirke háziasítása és szelektív tenyésztése során feltételezhetően szelekció alatt álló kromoszóma régiókat és géneket azonosított [1]. Ez a tanulmány azonban csak kis számú fajtára összpontosított, így a háziasított és vad csirkék szelekciótörténetének általánosításai bizonytalanok voltak.

Ezzel szemben a háziasított csirke szelekciós előzményeinek hatásainak átfogó értékelésére törekedtünk. Ezért az összes főbb tenyésztési célt képviselő kereskedelmi csirkét elemeztük. Ezenkívül elemeztük a legtöbb hagyományos holland fajta nem kereskedelmi jellegű csirke sokféleségét és a Kínából származó reprezentatív fajták válogatását. Ezenkívül számos nem háziasított csirkepopulációt, valamint egy rokon nem háziasított fajt (Gallus lafayetii) elemeztek. Ezt a 67 kereskedelmi és nem kereskedelmi fajtából álló mintát értékelték a szelekció aláírására a genomban, összevont DNS-mintákon genotipizált 57 628 SNP információ felhasználásával. Több populáció használata minden fajtához csökkenti a sztochasztikus hatások, például a genetikai sodródás hatását, amelyek csak egyetlen populáció használatából eredhetnek. Továbbá, ez a stratégia nagyobb populáció- vagy tenyésztési cél-specifikus szelekciós előzményeket tárhat fel, nem pedig populáció-specifikus szelekciós előzményeket, ami potenciálisan megkönnyítheti a szelekció aláírásainak értelmezését.

Anyagok és metódusok

Adatgyűjtés

Marker kiválasztás és allél frekvencia számítások

Genetikai távolságszámítások

A fajták közötti páros genetikai távolság kiszámításához PHYLIP szoftvert (3.69. Verzió [31]) használtunk. A genetikai távolság mérésére a Nei genetikai távolságot használták [32]. Mivel a PHYLIP nem képes megbirkózni a hiányzó adatokkal, az egyes fajtapárok távolságának kiszámítása azokon a marker adatokon alapult, amelyek ezekben a fajtákban közösek voltak [33]. A hierarchikus klaszterezéshez a Mega 4.0 szoftvert [34] alkalmazták a Neighbor-Joining eljárásokkal, minden fajta genetikai távolságmátrixán. A Gallus lafayetii-t használták a fa gyökerezéséhez.

A kiválasztás aláírása

A sztochasztikus hatások, például a genetikai sodródás hatásának csökkentése érdekében szelekciós elemzés aláírásait végeztük in silico egyesített fajtacsoportokon. Az egyes fajtacsoportok esetében az egyes markerek allélgyakoriságát a csoporton belüli összes fajta átlagaként számítottuk ki. Mivel az egyes fajtákon belüli allélfrekvenciákat jó becslésnek tekintették az egész fajtán belüli allélfrekvenciára, a fajtacsoportokban az egyes fajták allélfrekvenciáit nem súlyozták.

A fajtákat tizennégy különböző fajtacsoportba csoportosítottuk négy szinten (1. táblázat). Az első szint az összes háziasított fajtát magában foglalta (DM, n = 64). A két nem háziasított fajtát nem csoportosítottuk és elemeztük, mert a csoport mérete túl kicsi volt. A második szint kereskedelmi hátterükön alapult, és kereskedelmi (CM, n = 35) és nem kereskedelmi (NCM, n = 29) fajtákat tartalmazott. A harmadik szint vagy általános kereskedelmi céljukon, vagy földrajzi elhelyezkedésükön alapult, és magában foglalta a brojlereket (BR, n = 13), a réteget (LR, n = 22), a hagyományos hollandot (DU, n = 19) és a kínai (CH, n = 10) fajták. A negyedik szint a dendrogramban elfoglalt helyükön alapult (1. ábra), és magában foglalta a brojler apai vonalakat (BRS, n = 8), a brojler gát vonalait (BRD, n = 5), a fehér tojásrétegeket (WL, n = 11) és a barna tojásrétegek (BL, n = 11), vagy klasszikus osztályozásukon alapultak, és magukban foglalták a holland országos szárnyasokat (DCF, n = 8), a holland lengyel és szakállasakat (DPB, n = 5) és a holland új fajták (DNB, n = 6). Mivel a fajták tényleges populációs méretei nem ismertek vagy nagyon bizonytalanok, elemzésünkben nem vettük figyelembe a teljes fajtaméretet, ami fajtánként egyenlő hozzájárulást eredményezett a fajtacsoporthoz.

Az elismerések jelzik a klaszterek fajtacsoportjait, a jelen tanulmányban használtak szerint.

A szelektálás alatt álló régiók azonosításához a „Z-transzformált heterozigozitás” (ZHp) megközelítést alkalmaztuk a korábban leírtak szerint [1]. Röviden, átfedésben lévő csúszóablakos megközelítésben (az egymást követő ablak átfedése az ablakonkénti markerek száma - 1) a heterozigozitást a következőképpen számoltuk:, ahol a fő allél frekvenciák összege, és a kisebb allél frekvencia összege egy ablak. Az egyes értékeket Z-transzformációval alakítottuk ki: ahol az általános átlagos heterozigozitás és a standard eltérés az összes fajtacsoport összes ablakánál. 5, 10, 20, 50 és 100 marker ablakméretet alkalmaztunk a feltételezett szelekció alatt álló régiók azonosítására. A szuggesztív (ZHp kisebb vagy egyenlő -4) és az erős (ZHp kisebb vagy egyenlő -6) bizonyíték ZHp küszöbértékeit használtuk, mert ezek az eloszlás legalsó alsó végét jelentik (S1 ábra).

Eredmények

A chipen szereplő 57 628 SNP közül 51 076-ot használtak fel a szelektív sweep-elemzéshez. Mivel a fajtacsoportok női és hím egyedeket egyaránt tartalmaztak, az elemzéseket csak autoszomális markereken végezték, ezért a W és Z kromoszómán elhelyezkedő 3023 markert kizárták az elemzésből. Ezenkívül 1136 markert nem térképeztek fel a jelenlegi genomépítésen, és kizárták az elemzésből. Összesen 2389 markert kizártunk, mivel vagy minden egyes állatban homozigóta volt (n = 2146), vagy nem ment át a minőségellenőrzésen (n = 243). Az LGE64 összekapcsolási csoport csak 4 markerből állt, és nem került bele a további elemzésbe.

Az 51 076 autoszomális SNP-t 67 fajták genetikai távolságát képviselő fa felépítéséhez használtuk (1. ábra). A két RJF alfaj és a Gallus lafayetii klaszter elkülönül a háziasított fajtáktól. A háziasított fajták két ágra oszlanak. A barna tojásrétegek, a brojlerek és a kínai fajták az egyik ágban, míg a másikban a fehér tojásos és a holland hagyományos fajták csoportosulnak. A brojlerfürtön belül egyértelmű különbséget találtak a brojler apja és a broiler gát vonalai között, kiemelve, hogy különböző fajtákból származnak. A holland hagyományos fajták klasszikus besorolásuk szerint csoportosulnak [35], néhány kivételtől eltekintve.

A páratlan kromoszómaszámokat (és az LGE22) piros színnel, a páros kromoszómaszámokat kék színnel mutatjuk be. A szürke pontozott vonal -4 vagy -6 ZHp küszöbértéket jelöl. Azoknál a régióknál, ahol a szelekció bizonyítékokkal rendelkezik, az azonosító a cselekmény alatt látható.

Öt markert tartalmazó ablakmérettel a DU, DCF, DPB, DNB, WL vagy BL fajtacsoportokon belül nem azonosítottak kromoszóma régiókat, amelyeknél a szelekció bizonyítékai erősek voltak. A DCF, DPB, WL és BL fajtacsoportok esetében ezeket a régiókat akkor sem azonosították, ha az ablak méretét 100 jelzőre növelték (S6. Táblázat). A DU és a DNB fajtacsoportban négy régiót azonosítottak (ha egy fajtacsoporton belüli régiók átfedésben vannak a különböző marker ablakméretek között, akkor a legkisebb régiót tekintik a kiválasztott feltételezett régiónak), amelyek erős bizonyítékot szolgáltattak a szelekcióra, ha az ablak mérete 10-re vagy 20-ra emelkedett (S12. táblázat). A DU fajtacsoport esetében 558 kb méretű régiót azonosítottak a 15. kromoszómán (ZHp = −6,2, ablakméret = 20). A DNB fajtacsoportnál 775 kb méretű régiót azonosítottak az 1. kromoszómán (ZHp = −6.4, ablakméret = 10), 538 kb régiót azonosítottak az 5. kromoszómán (ZHp = −6.2, ablakméret = 10). és 1084 kb méretű régiót azonosítottunk a 22. kromoszómán (ZHp = -6,2, ablakméret = 20). A DU és a DNB fajtacsoportban azonosított négy régió mind átfedő, szuggesztív jelentőségű régió volt, amelyet az elemzés során azonosítottak egy öt marker ablak alapján.

Vita

A fajták helyzete a dendrogramban (1. ábra) nagyrészt egyezik a korábban publikált adatokkal [36] és a fajták várható történelmi eredetével. A brojlerek és a barna tojásrétegek az egyik oldalon a kínai fajták, a másik oldalon a holland és a fehér tojásrétegek csoportosulnak. A brojler és a barna tojásréteg fajtákat a 19. század végén és a 20. század elején hozták létre az európai fajták ázsiai fajtákkal való keresztezésével [13], [16] amelyet molekuláris bizonyítékok is megerősítettek [27]. A holland hagyományos és fehér tojásréteg-fajták egyaránt Európából származnak [13], [16], bár néhány fajtánál találtak néhány kelet- és délkelet-ázsiai hatást [27]. Elemzésünkben a populációk in silico pooling megközelítését alkalmaztuk, az általános genetikai rokonság alapján csoportokat határozva meg a sztochasztikus hatások, például a genetikai sodródás csökkentésére. Ha egy szelekció alatt álló régió csak egy fajtában van, akkor azt átlagolni kell, mivel az ugyanazon fajtacsoportba tartozó többi fajtában nagy a változatosság. Ha azonban egy régió minden fajtában jelen van, akkor megnő a bizalom, hogy ez a régió valóban szelektálás alatt áll.

Míg a Broiler- és Layer-populációk homogének voltak az egyes DNS-csoportokban lévő egyedek számát tekintve, a holland és a kínai populációk mintanagysága nem. A holland és a kínai fajtákat tartalmazó fajtacsoport esetében megvizsgáltuk a súlyozatlan és súlyozott összevonási stratégiák hatását (súly az egyes populációs csoportok egyedszámára). A súlyozatlan és súlyozott stratégiák közötti összefüggés nagyon magas volt (a korrelációs együttható (Pearson) a ZHp esetében öt marker ablak alapján 0,996, 0,980, 0,966, 0,953 és 0,942 volt a CH, DU, DCF, DPB és DNB fajták esetében medencék), ezáltal megerősítve a súlyozatlan összevonási stratégia érvényességét az összes fajtacsoport esetében.

A korábban leírt 13 régió mellett további 13 olyan régiót azonosítottak, amelyekben a szelekció erős bizonyítékokkal rendelkezik. Ezzel ellentétben tanulmányunkban nem azonosítottak több régiót, amelyeknél korábban szelektív bizonyítékot találtak [1]. Ezek a különbségek az azonosított régiókban az alkalmazott különböző módszereknek köszönhetők. Míg tanulmányunk számos fajta genotipizálásán alapult SNP genotípus-vizsgálattal, Rubin és mtsai. [1] kis számú fajta alacsony lefedettségű egész genom újraszekvenálásán alapult. A vizsgálatunk során azonosított régiókat rosszul fedheti le a masszívan párhuzamos szekvenálási stratégia, vagy esetleg nem fedezték fel, mert a fajtákat nem vették fel. Ezenkívül fajtacsoportonként több fajtát vontunk be, amelyek csökkenthetik a genetikai sodródás eredményeként talált hamis pozitív régiókat.

Összegzésképpen elmondható, hogy az öt készítő ablakmérete alapján 396 feltételezett szelekciójú régiót azonosítottunk a csirke genomjában, és ebből 26 régió erős bizonyítékot mutat a szelekcióra a tizennégy fajtacsoport legalább egyikében. Megközelítésünk megmutatja annak erősségét, hogy sok különböző populációt bevonunk hasonló és különböző szelekciós előzményekkel rendelkező fajtacsoportokba, hogy csökkentsük a sztochasztikus hatásokat az egyes populációk alapján. A feltételezett szelekció régióinak azonosítása számos jelölt gént fedezett fel, amelyek hozzájárulhatnak a termelési tulajdonságok és a betegségekkel szembeni ellenálló képesség további javításához.