شناسایی مناطق ژنومی کاندیدای تحت انتخاب مثبت مرتبط با صفات تولید و تداوم شیردهی در نژادهای مختلف گوسفند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی و محیط زیست، دانشگاه اراک، اراک، ایران.

2 دانشیار گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی و محیط زیست، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

هدف: کل شیر تولیدی و تداوم شیردهی از مهمترین صفات اقتصادی در صنعت پرورش گوسفند می‌­باشد. تداوم شیردهی بصورت توانایی حیوان جهت نگهداشتن تولید در سطح بالا بعد از اوج تولید  تعریف می‌­گردد. از طرف دیگر، شناسایی نشانه‌­های انتخاب می‌­تواند دیدگاه‌­های ارزشمندی در مورد مناطق ژنومی که تحت انتخاب مثبت هستند فراهم کند. هدف از این مطالعه، شناسایی مناطق ژنومی تحت انتخاب مثبت و ژن‌های کاندیدای مرتبط با صفات تولید و تداوم شیردهی در نژادهای گوسفند شیری و غیر شیری از طریق روش‌‌های شناسایی ردپای انتخاب بود.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش از اطلاعات ژنوتیپی گوسفندان غیر خویشاوند مربوط به گوسفندان نژادهای زندی (96 رأس)، کایاس (317 رأس) و وال دِل بیلس (481 رأس) تعیین ژنوتیپ شده توسط آرایه­های50K  شرکت ایلومینا استفاده شد. پس از کنترل کیفیت داده­های اولیه تعیین ژنوتیپ شده در برنامه PLINK نهایتاً 36605 نشانگر SNP و 880 رأس دام وارد آنالیزهای بعدی شدند. برای شناسایی نواحی ژنومی تحت انتخاب از آزمون آماری برآوردگر نااریب FST (تتا) با کد نویسی در برنامه R استفاده شد. ژن‌‌های کاندیدا با استفاده از SNP­هایی که در بازه‌ی 1/0 درصد ارزش بالای این آزمون واقع‌ شده بودند، شناسایی شدند. همچنین برای تفسیر بهتر عملکرد ژن­های به دست آمده از پایگاه­های اطلاعاتی آنلاینGeneCards  و UniProtKB استفاده شد.
نتایج: نتایج حاصل از آماره تتا در این پژوهش منجر به شناسایی ده منطقه ژنومی روی کروموزوم­های 1، 2، 4، 6، 8، 9، 11، 13، 17 و 20 بودند و در صدک 9/99 کل ارزش‌­های تتا قرار داشتند. ژن­‌های کاندیدای شناسایی شده مرتبط با صفات تولید و تداوم شیردهی در این مناطق ژنومی شامل ژن­‌های FAIM، CEP70، TLR4، SLC37A3 ، KDM7A، HERC6، NT5DC1، SPIDR، SMOX و RNF144B بودند. آنالیز بیوانفورماتیکی نشان داد که مناطق ژنومی شناسایی شده با ژن‌­های مؤثر بر در تولید شیر، سنتز و تولید چربی شیر، تداوم شیردهی، پاسخ التهابی و سیستم ایمنی بدن همپوشانی دارند. همچنین نتایج حاصل از بررسی QTL نشان داد مناطق ژنومی شناسایی شده با صفات عملکرد تولید، درصد چربی شیر، ترکیب اسیدهای چرب شیر و تداوم شیردهی در مطالعات پیشین همپوشانی دارند.
نتیجه‌گیری: ژن­های متعددی که در نواحی شناسایی شده بر اساس عملکرد می­توانند بعنوان کاندیداهای تحت انتخاب مطرح باشند. به هر حال بررسی بیشتر ژن­های مرتبط با مناطق ژنومی بدست آمده از مطالعات جستجوی پویش ژنومی ضروری است. نتایج این تحقیق می­تواند در درک ساز و کار ژنتیکی کنترل کننده صفات تولید شیر با هدف افزایش تولید شیر سالانه از طریق تداوم شیردهی بعد اوج شیردهی در طی یک دوره مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Identification of genomic regions related to lactation persistency and milk production traits in different sheep breeds

نویسندگان [English]

  • Hossein Mohammadi 1
  • Amir Hossein Khaltabadi Farahani 2
1 Assistant Professor, Department of Animal Sciences, Faculty of Agriculture and Environmental Sciences, Arak University, Arak, Iran.
2 Associate Professor, Department of Animal Sciences, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Arak University, Arak, Iran.
چکیده [English]

Objective
Lactation persistence and milk production are among the most economically important traits in the dairy sheep industry. Lactation persistency is defined as the ability of a sheep to maintain milk production at a high level after reaching peak production. Identifying selection signatures can provide valuable insights about the genes or genomic regions that have been under selection pressure, which in turn leads to a better understanding of genotype-phenotype relationships. This study aimed to identify genomic regions with positive selection signatures related to lactation persistency and milk production in sheep breeds using the FST method.
 
Materials and Methods
In this study, data from Zandi (96 samples), Chios (317 samples), and Valle del Belìce (481 samples) sheep, genotyped using a 50K BeadChip, were used to identify genomic regions under selection associated with milk traits. After quality control of the initial data using PLINK software, 36,605 SNP markers in 880 sheep were retained for further analysis. To identify the selection signatures, the statistical method of FST was employed using the FST software package. Candidate genes were identified by SNPs located in the top 0.1% of FST values. The GeneCards and UniProtKB databases were also used to interpret the functions of the identified genes.
 
 
Results
Using the FST approach, we identified ten genomic regions on chromosomes 1, 2, 4, 6, 8, 9, 11, 13, 17, and 20 that were in the 99.9th percentile of all FST values. The identified candidate genes associated with milk and lactation persistency traits in these genomic regions included FAIM, CEP70, TLR4, SLC37A3, KDM7A, HERC6, NT5DC1, SPIDR, SMOX, and RNF144B. Genes located in these identified regions under selection were associated with milk production, milk fat synthesis, lactation persistency, inflammatory response, and immune system functions, which can be directly and indirectly related to milk production traits. Additionally, a review of the extracted QTLs showed that these QTLs are involved in economically important traits in sheep, such as milk yield, milk fat composition, milk fat percentage, and milk yield persistence.
 
Conclusions
The genes identified within these regions can be considered candidates under selection based on their functions. However, further association and functional studies are necessary to confirm the implications of the genes obtained from this analysis. The results of this research can be used to understand the genetic mechanisms controlling milk production and persistency traits. These findings could potentially support genetic selection in sheep for improved milk yield and lactation persistence following peak lactation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • FST statistics
  • production peak
  • candidate gene
  • milk fat
  • sheep

مراجع

جعفری احمدآبادی سید علی اصغر، عسکری­همت حشمت­اله، محمدآبادی محمدرضا (1402) تاثیر شاهدانه بر بیان ژن DLK1 در بافت‌ قلب بره‌های کرمانی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 15(1)، 217-234.
شکری سمیرا، خضری امین، محمدآبادی محمدرضا، خیرالدین حمید (1402) بررسی بیان ژن MYH7 در بافتهای ران، دست و راسته بره‌های پرواری نژاد کرمانی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 15(2)، 217-236.
محمدآبادی محمدرضا، گلکار افروز، عسکری حصنی مجید (1402) اثر رازیانه (Foeniculum vulgare) بر بیان ژن فاکتور 1 رشد شبه انسولین در بافت شکمبه گوسفند کرمانی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 15(4)، 239-256.
محمدآبادی محمدرضا، بابنکو اولنا، بورشچ الکساندر، کلاشنیک الکساندر، ایوستافیوا یولیا، بوچکوفسکا ویتا (1403) اندازه‌گیری الگوی بیان نسبی ژن UCP2 در بافت‌های مختلف بز کرکی راینی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 16(3)، 317-332.
 
Amirteymoori E, Khezri A, Dayani O, et al. (2021) Effects of linseed processing method (ground versus extruded) and dietary crude protein content on performance, digestibility, ruminal fermentation pattern, and rumen protozoa. Ital J Anim Sci 20 (1), 1506-1517.
Argyriadou A, Gelasakis AI, Banos G, Arsenos G. (2020) Genetic improvement of indigenous Greek sheep and goat breeds. J Hell Vet Med Soc 71 (1), e2063.
Argyriadou A, Michailidou S, Vouraki S, et al. (2023) A genome-wide association study reveals novel SNP markers associated with resilience traits in tow Mediterranean dairy sheep breeds. Front Genet 14, e1294573.
Basdagianni Z, Sinapis E, Banos G (2019) Evaluation of reference lactation length in Chios dairy sheep. Animal 13(1), 1-7. 
Ben Jemaa S, Tolone M, Sardina MT, et al. (2023) A genome-wide comparison between selected and unselected Valle del Belice sheep reveals differences in population structure and footprints of recent selection. J Anim Breed Genet (5), 558-567.
Capuco AV, Ellis SE, Hale SA, et al. (2003) Lactation persistency: insights from mammary cell proliferation studies. Anim Sci J 81, 18–31.
Chang CC, Chow CC, Tellier LC, et al. (2015) Second-generation PLINK: rising to the challenge of larger and richer datasets. Gigascience 4, e13742.
Chen L, Wang X, Cheng D, et al. )2019( Population genetic analyses of seven Chinese indigenous chicken breeds in a context of global breeds. Anim Genet 50, 82–86.
Chen Z, Yao Y, Ma P, et al. (2018) Haplotype-based genome-wide association study identifies loci and candidate genes for milk Yield in Holsteins. PLoS one 13(2), e0192695.
Cheruiyot EK, Bett RC, Amimo JO, et al. )2018( Signatures of Selection in Admixed Dairy Cattle in Tanzania. Fron Genet, 9, 607.
Di Gerlando R, Sutera AM, Mastrangelo S, et al. (2019) Genome-wide association study between CNVs and milk production traits in Valle del Belice sheep. PLoS one 14(4), e0215204.
Do D, Bissonnette N, Lacasse P, et al. (2017) Genome-wide association analysis and pathways enrichment for lactation persistency in Canadian Holstein cattle. J Dairy Sci 100, 1955–1970
Fleming DS, Weigend H, Simianer A, et al. )2017( Genomic comparison of indigenous African and Northern European chickens reveals putative mechanisms of stress tolerance related to environmental selection pressure. G3: Gen Genom Genet 7(5), 1525-1537.
Ghotbaldini H, Mohammadabadi M, Nezamabadi-pour H, et al. (2019) Predicting breeding value of body weight at 6-month age using Artificial Neural Networks in Kermani sheep breed. Acta Scientiarum. Anim Sci 41, e45282.
Hajalizadeh Z, Dayani O, Khezri A, et al. (2019) The effect of adding fennel (Foeniculum vulgare) seed powder to the diet of fattening lambs on performance, carcass characteristics and liver enzymes. Small Rumin Res 175, 72-77.
Hajalizadeh Z, Dayani O, Khezri A, rt al. (2021) Expression of calpastatin gene in Kermani sheep using real-time PCR. J Livestock Sci Technol 9 (2), 51-57.
Hao Z, Zhou H, Hickford JGH, et al. (2020) Identification and characterization of circular RNA in lactating mammary glands from two breeds of sheep with different milk production profiles using RNA-seq. Genomics 112 (3), 2186–2193.
Illa SK, Mukherjee S, Nath S and Mukherjee A (2021) Genome-Wide Scanning for Signatures of Selection Revealed the Putative Genomic Regions and Candidate Genes Controlling Milk Composition and Coat Color Traits in Sahiwal Cattle. Front Gene 12, e699422.
Jafari Ahmadabadi SAA, Askari-Hemmat H, Mohammadabadi M, et al. (2023) The effect of Cannabis seed on DLK1 gene expression in heart tissue of Kermani lambs. Agric Biotechnol J 15 (1), 217-234 (In Persian).
Jonas E, Thomson PC, Hall EJ, et al. (2011) Mapping quantitative trait loci (QTL) in sheep. IV. Analysis of lactation persistency and extended lactation traits in sheep. Genet Sel Evol 43 (1), 22.
Kijas JW, Lenstra JA, Hayes B, et al. (2012) International Sheep Genomics Consortium Members. Genome-wide analysis of the world's sheep breeds reveals high levels of historic mixture and strong recent selection. PLoS Biol 10(2), e1001258.
Kim H, Song KD, Kim HJ, et al. (2015) Exploring the Genetic Signature of Body Size in Yucatan Miniature Pig. PLoS one 10, e0121732.
Kim JH, Nagappan A, Jung DY, et al. (2021) Histone demethylase KDM7A contributes to the development of hepatic steatosis by targeting diacylglycerol acyltransferase 2. J Mol Sci 22(20), e11085.
Li H, Wu, XL, Tait, RG, et al. (2020) Genome-wide association study of milk production traits in a crossbred dairy sheep population using three statistical models. Anim Genet 51(4), 624-628. 
Li R, Zhao Y, Liang B, et al. (2023) Genome-Wide Signal Selection Analysis Revealing Genes Potentially Related to Sheep-Milk-Production Traits. Animals 13, e1654.
Li X, Yuan L, Wang W, et al. (2022) Whole genome re-sequencing reveals artificial and natural selection for milk traits in East Friesian sheep. Front Vet Sci 9, e1034211
Mohammadabadi M, Babenko O, Borshch OO, Kalashnyk O, Ievstafiieva Y, Buchkovska V (2024) Measurement of the relative expression pattern of the UCP2 gene in different tissues of the Raini Cashmere goat. Agric Biotechnol J 16 (3), 317-332 (In Persian).
Mohammadabadi M, Golkar A, Askari Hesni M, et al. (2023). The effect of fennel (Foeniculum vulgare) on insulin-like growth factor 1 gene expression in the rumen tissue of Kermani sheep. Agric Biotechnol J 15 (4), 239-256 (In Persian).
Mohammadinejad F, Mohammadabadi M, Roudbari Z, Sadkowski T (2022) Identification of Key Genes and Biological Pathways Associated with Skeletal Muscle Maturation and Hypertrophy in Bos taurus, Ovis aries, and Sus scrofa. Animals 12 (24), e3471.
Mohammadipour LS, Mohammadabadi M, Nanaei HA, et al. (2023) Unraveling candidate genes related to heat tolerance and immune response traits in some native sheep using whole genome sequencing data. Small Rumin Res 225, e107018.
Nejad FM, Mohammadabadi M, Roudbari Z, et al. (2024) Network visualization of genes involved in skeletal muscle myogenesis in livestock animals. BMC Genomics 25 (1), e294.
Nicolazzi EL, Caprera A, Nazzicari N, et al. (2015) SNPchiMp v. 3: integrating and standardizing single nucleotide polymorphism data for livestock species. BMC Genomics16, e283. 
Pedrosa VB, Schenkel FS, Chen SY, et al. (2021) Genome wide Association Analyses of Lactation Persistency and Milk Production Traits in Holstein Cattle Based on Imputed Whole-Genome Sequence Data. Genes 12, 1830
Pulina G, Nudda A, Macciotta NP, et al. (2007) Non-nutritional factors affecting lactation persistency in dairy ewes: a review. Ital J Anim Sci 6 (2), 115–141.
Qanbari S, Strom TM, Haberer G, et al. (2012) A high resolution genome-wide scan for significant selective sweeps: an application to pooled sequence data in laying chickens. PLoS One 7(11), e49525.
Rezvannejad E, Asadollahpour Nanaei H, Esmailizadeh A (2022) Detection of candidate genes affecting milk production traits in sheep using whole-genome sequencing analysis. Vet Med Sci 8(3), 1197-1204.
Saadatabadi LM, Mohammadabadi M, Ghanatsaman ZA, et al. (2023) Data of whole-genome sequencing of Karakul, Zel, and Kermani sheep breeds. BMC Research Notes 16 (1), e353.
Safaei SMH, Dadpasand M, Mohammadabadi M, et al. (2022) An Origanum majorana Leaf Diet Influences Myogenin Gene Expression, Performance, and Carcass Characteristics in Lambs. Animals 13 (1), e14.
Safaei SMH, Mohammadabadi M, Moradi B, et al. (2024) Role of fennel (foeniculum vulgare) seed powder in increasing testosterone and IGF1 gene expression in the testis of lamb. Gene Expression 23 (2), 98-105.
Saravanan KA, Panigrahi M, Kumar H, et al. (2021) Genomic scans for selection signatures revealed candidate genes for adaptation and production traits in a variety of cattle breeds. Genomics 113(3), 955-963. 
Shokri S, Khezri A, Mohammadabadi M, Kheyrodin H (2023). The expression of MYH7 gene in femur, humeral muscle and back muscle tissues of fattening lambs of the Kermani breed. Agric Biotechnol J 15 (2), 217-236 (In Persian).
Stefanon B, Colitti M, Gabai G, et al. (2002) Mammary apoptosis and lactation persistency in dairy animals. J Dairy Sci 69 (1), 37–52.
Strillacci MG, Frigo E, Schiavini F, et al. (2014) Genome-wide association study for somatic cell score in Valdostana Red Pied cattle breed using pooled DNA. BMC Genet1, e1345.
Sutera AM, Portolano B, Di Gerlando R, et al. (2018) Determination of milk production losses and variations of fat and protein percentages according to different levels of somatic cell count in Valle del Belice Belìce dairy sheep. Small Rum Res 162, 39–42.
Vahabzadeh M, Chamani M, Dayani O, et al. (2021) Effects of sweet Marjoram (Origanum majorana) powder on growth performance, nutrient digestibility, rumen fermentation, meat quality and humoral immune response in fattening lambs. Iran J Appl Anim Sci 11 (3), 567-576.
Waineina RW, Okeno TO, Ilatsia ED, and Ngeno K (2022). Selection Signature Analyses Revealed Genes Associated With Adaptation, Production, and Reproduction in Selected Goat Breeds in Kenya. Front Genet 13, e858923.
Weir BS, Cockerham CC (1984) Estimating F‐statistics for the analysis of population structure. Evolution 38(6), 1358-1370. 
Wright S (1965). The interpretation of population structure by F-statistics with special regard to systems of mating. Evolution 1, 395-420.
Yilmaz O, Kizilaslan M, Arzik Y, et al. (2022) Genome-Wide association studies of preweaning growth and in vivo carcass composition traits in Esme sheep. J Anim Breed Genet 139, 26–39.
Yodklaew P, Koonawootrittriron S, Elzo MA, et al. (2017) Genome-wide association study for lactation characteristics, milk yield and age at first calving in a Thai multibreed dairy cattle population. Agric Res 51(3), 223–230.
Zhao F, Deng T, Shi L, et al. (2020) Genomic Scan for Selection Signature Reveals Fat Deposition in Chinese Indigenous Sheep with Extreme Tail Types. Animals 10(5), e773.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 17، شماره 1
فروردین 1404
صفحه 141-160

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار