Research on Animal Production

fa بررسی تفاوت‌های ژنومی مرتبط با عملکرد باروری بین نژادهای گوسفندان بومی ایران و ایسلند با استفاده از آماره‌ی نااریب FST Identification of Genomic Regions Related to Litter Size With Divergent Selection between Iranian Indigenous Sheep Breeds and Iceland Sheep Breed using FST Unbiased Statistics ژنتیک و اصلاح نژاد دام ژنتیک و اصلاح نژاد دام پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: به‌دلیل افزایش تقاضا برای فرآورده‌های دامی، حتی در مواردی که تاکید بر تولید شیر یا پشم است، بازدهی تولیدمثلی یکی از اهداف اصلی در صنعت پرورش گوسفند است. به‌ویژه هنگامی‌که برنامه‌های اصلاحی بر تولید گوشت تأکید داشته باشند، افزایش بازدهی تولیدمثلی مهم‌ترین شاخص به‌شمار می‌رود. هر چند که افزایش باروری به‌روش‌های متفاوت میسر است، اما افزایش نرخ تخمک‌گذاری و تعداد بره در هر زایش برای رسیدن به باروری بالا از اهداف اصلی برنامه های اصلاح نژادی است. بنابراین، بهبود عملکرد تولیدمثلی گوسفند اهمیت ویژه‌ای بر سودآوری این حیوان، به‌‌خصوص در سیستم‌های پرورشی نیمه بسته و بسته دارد. در این پژوهش، تفاوت‌های ژنومی مرتبط با عملکرد باروری بین نژادهای گوسفندان بومی ایران و ایسلند با استفاده از آماره‌ی XPEHH مورد بررسی قرار گرفت. مواد و روش‌ها: از اطلاعات ژنومی 204 نمونه شامل 54 نمونه مربوط به نژاد ایسلند و 154 نمونه مربوط به 11 نژاد از گوسفندان بومی ایران (افشاری، قزل، شال، کیوسی، کرمانی، بلوچی، قره گل، سنجابی، سیاه کبود، لری بختیاری و کبوده شیراز) استفاده شد. اطلاعات این گروه‌های ژنتیکی به‌ترتیب از پایگاه‌ اطلاعاتی iSheep و آدرس https://disk.yandex.ru/d/3N2wEv0-9_NL0w، به‌دست آمد. برای اطمینان از کیفیت داده‌‌های ژنومی، کنترل کیفیت بر روی داده‌های اولیه اعمال و داده‌های با کیفیت پایین کنار گذاشته شد. کنترل کیفی و فیلتراسیون داده‌ها با نرم‌افزار PLINK-1.9 انجام شد. در مراحل فیلتراسیون، حیوانات و نشانگر‌هایی که بیشتر از پنج درصد ژنوتیپ از دست رفته‌ داشتند، حذف شدند. همچنین، نشانگرهایی ژنتیکی با حداقل فراوانی آللی کمتر از یک درصد و نیز مواردی که در تعادل هاردی واینبرگ قرار نداشتند، کنار گذاشته شدند. از کل داده‌های اولیه‌‌ی موجود، شامل 552847 نشانگر SNP مربوط به کروموزم‌های بدنی با جایگاه شناخته شده از 204 حیوان، در نهایت 527292 نشانگر SNP مربوط به 204 حیوان با نرخ ژنوتایپینگ 0/9994 باقی ماندند. این سری داده‌ی مشترک برای آنالیزهای ساختار و تمایز ژنتیکی بین جمعیتی استفاده شد. سپس داده‌ها برای شناسایی نشانه‌های انتخاب شناسایی مجددا مورد فیلتراسیون قرار گرفت و در نهایت در این ویرایش از داده‌ها 527284 نشانگر SNP مربوط به 174 حیوان برای بررسی نشانه‌های انتخاب باقی ماندند. آنالیز شاخص تمایز ژنتیکی (FST) و آنالیز مؤلفه‌های اصلی (PCA) برای تعیین گروه‌های ژنتیکی با نرم‌افزار PLINK1.9، صورت گرفت. به‌منظور شناسایی نشانه‌های انتخاب، از آماره‌ی XPEHH استفاده شد. در نهایت 0/1 درصد مناطق ژنومی با ارزش عددی بالا (0/32)، به‌عنوان نشانه‌های انتخاب شناسایی و تعیین شدند. استخراج ژن‌های مرتبط با مناطق ژنومی تحت انتخاب توسط پایگاه اطلاعاتی آنلاین BIOMART با انطباق روی ژنوم گوسفند (Oar_v3.1) انجام شد. سسپس ژن‌های شناسایی شده جهت تعیین مسیرهای بیولوژیکی و وجود شبکه‌های احتمالی ژنی در سامانه‌های آنلاین DAVID و STRING (https://string-db.org/) مورد واکاوی بیشتر قرار گرفتند. یافته‌ها: مطابق نتایج به‌دست‌آمده از آنالیز تجزیه به مولفه‌های اصلی (PCA)، گروه با چندقلوزایی بالا (ایسلند) به‌طور کامل از گروه ژنتیکی با چندقلوزایی پایین (نژادهای ایرانی) مجزا هستند. تمایز کامل بین دو گروه با چندقلوزایی پایین و بالا، می‌تواند مربوط به جدایش منطقه‌ای این دو گروه باشد. مؤلفه دوم توجیه تمایز بین برخی از نژادهای ایرانی از همدیگر است. به‌طوری که دو نژاد کرمانی و کیوسی (نگهداری‌شده در مرکز پرورشی کیوسی در استان کرمان) با مؤلفه‌ی دوم از گروه ژنتیکی اصلی مربوط به سایر نژادهای ایرانی شده‌است. با واکاوی‌های بیشتر ساختار جمعیتی و ارتباط ژنتیکی بین دام‌های مورد مطالعه، با آنالیز FST و رسم درخت فیلوژنی مستخرج از اطلاعات تعیین فواصل ژنتیکی، تأیید شد. نژاد ایسلند بیشترین فاصله‌ی ژنتیکی را با سایر نژادهای مورد مطالعه را دارد. نزدیک‌ترین نژاد از لحاظ ژنتیکی به ایسلند مربوط به نژاد سیاه کبود شیراز (SDK) و دورترین مربوط به نژاد کرمانی است. برای کاهش اریبی موجود در مطالعات مربوط به نشانه‌های انتخاب و با توجه به تمایز نسبی گروه‌های کرمانی و کیوسی، اطلاعات این گروه از حیوانات نیز از ادامه آنالیزها کنار گذاشته شد. تعداد 391 ژن مرتبط با مناطق ژنومی تحت انتخاب، به‌عنوان نشانه‌ی انتخاب شناسایی شدند. از میان ژن‌های شناسایی شده، تعداد حداقل 13 مورد شامل ژن‌های BMPR2، SLC26A4، WNT16، CREB3L4، PRLR، ACVR2B، PRKCSH، HOXA9، HOXA10، Dkks، KATNAL1، OSBP2 و W5PHY6_SHEEP به‌نوعی با عملکرد تولیدمثلی و صفت چندقلوزایی در گوسفند مرتبط بودند. هرچند هیچ مسیر بیولوژیکی قابل توجه و معنی‌دار از لحاظ آماری که با عملکرد تولیدمثلی در گوسفند ارتباط داشته باشد، شناسایی نشد. در هر صورت، برخی از ژن‌های شناسایی شده، اثرات عمده‌ای در عملکرد باروری گوسفند دارند. ژن‌های شناسایی شده از مطالعه حاضر و تلفیق آن با سایر اطلاعات مرتبط با صفت چندقلوزایی می‌تواند در طراحی برنامه‌های اصلاح نژادی جهت بهبود عملکرد تولیدمثلی، مؤثر باشد. نتیجه‌گیری: در مطالعه‌ی مسیرهای بیولوژیکی شناسایی شده از مقایسه‌ی جمعیت‌های گوسفندان ایران با نژاد ایسلند که جزو شاخص‌ترین نژادهای چندقلوزای دنیا به‌شمار می‌رود، عمدتاً مسیرهای بیولوژیکی درگیر در ایمنیت، بویایی و ساختار هموگلوبینی، به‌عنوان مسیرهای تحت انتخاب شناسایی شدند و باوجود شناسایی تعداد متعددی از ژن‌های مرتبط با عملکرد تولیدمثلی این ژن‌ها در مسیرهای بیولوژیکی واحدی تشکیل یک شبکه ژنی معنی‌دار را ندادند. در هر صورت با توجه به شناسایی برخی ژن‌های شاخص در عملکرد تولیدمثلی، این اطلاعات می‌تواند بعد از تایید در مطالعات دیگر و تکمیلی در طراحی بهتر پروژه‌های بهبود عملکرد تولیدمثلی مؤثر باشد.  </div> <div style="text-align: justify;">Extended Abstract Background: Due to the increasing demand for animal products, reproductive efficiency considered as one of the main objectives of sheep breeding, even in cases where the main emphasis is on milk or wool production. In cases the meat production is the main breeding objective, increasing reproductive efficiency is the most important goal of breeding programs. Although increasing fertility in ewe is possible in different pathways, ovulation rate and liter size are the main goals in breeding programs to achieve high fertility. Then, this study was performed to detection selection signature between Iranian native (as a genetic group with low reproductive performance) and Icelandic (as a genetic group with high reproductive performance) sheep breeds, and identify genes related to fecundity and litter size in sheep. Methods: In this regard, the genomic information of 154 samples including 11 Iranian sheep breeds (Kermani, Baluchi, Afshari, Karakul, Sanjabi, SiahKabud, LoriBakhtiari, Shal, Ghezel, Chios, GrayShiraz) and 54 Iceland sheep breeds, were used. The genomic data related to these genetic groups including Icelandic and Iranian sheep breeds were obtained from the iSheep database and the address https://disk.yandex.ru/d/3N2wEv0-9_NL0w, respectively. Quality control of genomic data and filtering was performed using the PLINK software. The individuals and SNP with more than 5% missing genotypes were excluded. Then, the data were screened based on Minor allele frequency (MAF) less than 1%, and Hardy-Weinberg equilibrium (HWE). From the total available data, including 552,847 SNP markers related to autosomal chromosomes with known locations from 204 animals, finally 527,292 SNP markers from 204 animals, with about 0.999376 genotyping rate, was remained for inter-population genetic differentiation and structure analyses. Then, data filtering was done for seprate genetic groups. In this edition of the data, 527,284 SNP markers related to 174 animals were endured to selection signature analysis. Genetic differentiation index analysis (FST) and principal component analysis (PCA) were performed to determine genetic groups using PLINK 1.9 software. Ubiased FST (θ) estimator statistic were used to explore the signs of selection. In order to better identify the selection signals, numerical values of SNP markers were averaged using the creeping window method up to a maximum length of 100 kb for adjacent SNPs. Only 0.1% of the genome regions with the highest values, were identified and determined as selection signatures. The genes related to selected genomic regions was extracted using the BIOMART online database corresponding areas in the sheep genome assembly (Oar 3.1). The detected genes, related to the selected regions, were surveyed by DAVID 2021 (The Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery) and STRING (Version 12) to identifying biological pathways and probably gene interaction networks. Results: According to the principal component analysis (PCA) results, the group with high reproductive performance (Icelandic sheep) is completely separate from the genetic group with low reproductive performance (Iranian sheep breeds). The complete differentiation between two groups with low and high reproductive performance can be related to the regional separation of these two groups. Kermani and Chios breeds (from the Chios breeding center in Kerman province of Iran) are seprated from other Iranian breeds with the second component. It was confirmed by further population structure analysis, with FST analysis and phylogeny tree extracted from the genetic distance determination information. The Icelandic breed had the greatest genetic distance with other studied breed. The GrayShiraz (SDK) and Kermani had the lowest and the highest genetically distance with Icelandic breed, respectively. In order to reduce the bias in selection signatures analysis, Kermani and Chios breeds was excluded from the further analysis. The results of principal component analysis (PCA), four distinc genetic groups was detected based on the information of the 1th component with one of the 2th to 6th components. According to the obtained results, the group with high reproductive performance or litter size (Icelandic) is completely separate from the genetic group with low reproductive performance (Iranian sheep breeds). The 2th to 6th components could demonstration differences among Iranian sheep breeds, and Kermani and Chios sheep breeds (raised in the Chios breeding center in Kerman province) were separated from the Iranian other sheep breeds. In the identified regions as selection signatures (N=55), including 0.1% of all studied markers, the number of 391 genes were identified. Of all detected genes, at least 13 genes including BMPR2, SLC26A4, WNT16, CREB3L4, PRLR, ACVR2B, PRKCSH, HOXA9, HOXA10, Dkks, KATNAL1, OSBP2 and W5PHY6_SHEEP genes were related to reproductive performance and probably litter size in sheep. Although no significant biological pathways (with high significance) related to litter size in sheep were identified, some of the identified genes have major effects on reproductive performance. Detected genes from this study and other complementary studies about involved genes on litter size in sheep, could be effective in designing breeding programs to improve reproductive performance. Conclusion: Survey on identified biological pathways related to genomic differences between Iranian native and Icelandic (which is considered one of the most significant multi-twin breeds in the world) sheep breeds, was shown that, the significant biological pathways involved in immunity, smell, and hemoglobin construction. Despite of the identification a large number of genes related to The reproductive performances, these genes did not involved in a significant biological pathways. However, although no significant biological pathways related to litter size in sheep were identified, some of the identified genes have major effects on reproductive performance. Detected genes from this study and other complementary studies about involved genes on litter size in sheep breeds could be effective in designing breeding programs to improve reproductive performance.  </div> آرایه‌های ژنومیکی, جاروب انتخاب, چندقلو زایی, گوسفندان بومی, نژاد ایسلند Genomic array, Icelandic, Iranian native sheep, Litter Size, Selective Sweep 109 120 http://rap.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-185-11&slc_lang=fa&sid=1 Parviz Azizi پرویز عزیزی azizi.p88@gmail.com 100319475328460024280 100319475328460024280 No Department of Animal Science, Faculty of Agricultural Science and Engineering, University College of Agriculture and Natural Resources (UTCAN), University of Tehran, Karaj, Iran گروه علوم دامی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشگاه تهران، تهران، ایران Hossein Moradi Shahrbabak حسین مرادی شهربابک hmoradis@ut.ac.ir 100319475328460024281 100319475328460024281 Yes Department of Animal Science, Faculty of Agricultural Science and Engineering, University College of Agriculture and Natural Resources (UTCAN), University of Tehran, Karaj, Iran گروه علوم دامی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشگاه تهران، تهران، ایران، Mohammad Moradi Shahrbabak محمد مرادی شهربابک moradim@ut.ac.ir 100319475328460024282 100319475328460024282 No Department of Animal Science, Faculty of Agricultural Science and Engineering, University College of Agriculture and Natural Resources (UTCAN), University of Tehran, Karaj, Iran گروه علوم دامی، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی، دانشگاه تهران، تهران، ایران Mahdi Mokhber مهدی مخبر m.mokhber@urmia.ac.ir 100319475328460024283 100319475328460024283 No Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران