Signals of selection and the genetic basis of milk production in cattle

Abstract

Domesticated species such as cattle have evolved under natural and artificial selection, leading to cattle breeds (both Bos taurus and Bos indicus) that display a broad phenotypic spectrum. As a result of intensive artificial selection together with artificial insemination, highly productive global cattle breeds have been developed that are replacing local, native cattle breeds. This study focuses on analyses of how selection has modified the genomes of different cattle populations having diverse breeding histories, especially with regard to milk production and adaptation. For that, both gene and genome level studies were conducted.

The molecular architecture of two quantitative trait loci (QTL) was investigated in different species and breeds using two candidate genes for milk yield, GHR and PRLR. The intracellular parts of the two genes were sequenced from over 10 cattle breeds and from different Artiodactyla species. The study revealed divergent selection pressures on GHR and PRLR genes among Artiodactyl species. The GHR gene was more divergent within genus Bos than between different species among the Bovinae linage. Nonsynonymous mutations have accumulated in the PRLR gene in pigs, possibly implying that PRLR has been either target of directional or artificial selection in pigs.

SNP markers covering the whole genome at medium density were used to search for effects of artificial selection in different types of cattle breeds and to compare the genetic relatedness of differently selected breeds. This revealed evidences that GHR gene has been a target of selection in certain cattle breeds. In addition, several other genomic regions were found to be targets of selection. Most of them were not shared between the breeds but a region on chromosome 16 was found to be under selection in six breeds. Clear genetic separation between the turano-mongolicus type breed and other Bos taurus breeds was found by both whole genome SNP data and the GHR gene sequence. The within breed diversity was relatively similar for all breeds even if the histories of the studied breeds varied substantially. The estimates of effective population sizes calculated from whole genome SNP data varied from extremely low (24) to moderately high (150).

In the last stage of the study, whole genome sequences were used for genome-wide association study (GWAS) to find genomic regions affecting milk, protein and fat yield in Nordic dairy cattle. The association study confirmed the existence of milk QTL on cattle chromosome 20, at the GHR gene, whereas no support for the QTL at PRLR gene was gained. Several thousand additional candidate SNPs with effect on milk production were located from eight cattle chromosomes. However, establishing the true causative variant remains challenging even when the densest possible marker map is used because of linkage disequilibrium.

Taken together, this thesis provides genetic information from various Northern Eurasian cattle breeds that can be used for example for conservation decisions and gives a map of selection signatures for them. These selected genome regions may contain variation that would provide valuable traits for changing climate conditions. The knowledge of the genetic background of milk production and the effect of artificial selection is essential when breeding organizations are making decisions how to maintain and improve their genetic material.

Valinnan jalanjäljet ja maidontuotannon geneettinen tausta naudalla

Ihmisen tekemä valinta yhdessä luonnonvalinnan kanssa on johtanut nautarotuihin, joiden ulkoasut vaihtelevat suuresti. Intensiivinen jalostusvalinta yhdessä keinosiemennyksen käyttöönoton kanssa on johtanut korkeatuottoisten rotujen maailmanlaajuiseen menestymiseen paikallisten nautarotujen kustannuksella. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin, kuinka valinta on vaikuttanut eri tavalla jalostettujen nautarotujen perimään, erityisesti keskittyen maidontuotantoon ja adaptaatioon.

Ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin kahden kvantitatiivisiin ominaisuuksiin vaikuttavan lokuksen (QTL) molekyylirakennetta. Kahden maidontuotantoon vaikuttavan kandidaattigeenin, kasvuhormonireseptorin (GHR) ja prolaktiinireseptorin (PRLR) solunsisäisen osan koodaava alue sekvensoitiin eri tavalla jalostetuilta nautaroduilta sekä verrattiin saatuja sekvenssejä eri sorkkaeläinlajien vastaaviin sekvensseihin. Valintapaineen todettiin olleen erilainen näissä kahdessa geenissä, GHR geeni oli muuntelultaan rikkaampaa Bos suvun sisällä kuin lajien välillä Bovinae linjassa. Työssä selvitettiin, että sioilla PRLR geeniin on kerääntynyt useita aminohappomuutokseen johtavia mutaatioita, toisin kuin naudoilla. Sioilla PRLR geeni onkin voinut olla joko suoran tai ihmisen suorittaman jalostusvalinnan kohde.

Valinnan jalanjälkiä haettiin koko perimän kattavasta SNP-merkkiaineistosta käyttäen eri tavalla jalostettuja nautarotuja. Samaa aineistoa käytettiin nautarotujen geneettisen rakenteen selvittämiseen. Tässä työssä pystyttiin osoittamaan, että GHR geeni on ollut valinnan kohteena tietyissä nautaroduissa. Lisäksi löydettiin useita muita perimän alueita, joihin on kohdistunut valintaa. Useimmat alueista eivät ole samoja eri rotujen kesken, mutta naudan kromosomissa 16 on mielenkiintoinen alue, jonka osoitettiin olleen valinnan kohteena kuudessa eri rodussa. Työssä todettiin turano-mongolicus alatyyppiin kuuluvan nautarodun eroavan selvästi geneettisesti muista Bos taurus -tyyppisistä naudoista. Rotujen sisäisen geneettisen monimuotoisuuden todettiin olevan suhteellisen samanlaista, vaikka tutkittujen rotujen jalostushistoriat poikkeavatkin merkittävästi toisistaan. Teholliset populaatiokoot vaihtelivat nautarotujen välillä äärimmäisen alhaisesta (24) kohtalaisen korkeaan (150).

Viimeisessä vaiheessa koko perimän sekvenssien perusteella määritettyjä variaatioita käytettiin assosiaatiokartoituksessa, jonka avulla paikannettiin maito-, rasva- ja proteiinimääriin vaikuttavia perimän alueita pohjoismaisessa punaisessa lypsyrodussa. Tutkimus vahvisti GHR geenin olevan erittäin vahva kandidaatti havaitulle QTL vaikutukselle kromosomissa 20 kun taas PRLR geenistä vastaavaa ei todettu. Lisäksi löydettiin useita tuhansia maitotuotokseen assosioituneita SNP-merkkejä yhteensä kahdeksasta eri kromosomista. Vaikka käytössä oli teoreettisesti kaikki mahdolliset variaatiot naudan perimästä, kausatiivisen variaation tunnistaminen on haastavaa johtuen variaatioiden välisestä kytkentäepätasapainosta.

Yhteenvetona voidaan sanoa, että tutkimus tuo lisätietoa pohjoisen Euraasian nautarotujen geneettisestä taustasta mahdollisten suojelupäätösten tueksi ja antaa pohjan valinnan jalanjälkien tarkempaan tutkimukseen näillä roduilla. Eläinten geneettisten resurssien kartoittaminen on erityisen tärkeää muuttuvissa ilmasto-olosuhteissa. Maidontuotannon geneettisten taustojen selvittäminen on tärkeää jalostusohjelmissa ja tietoa voidaan käyttää jalostussuunnitelmien tukena.