شناسایی تنوع ژنوم در نژاد‌های گوسفندان بومی ایران با استفاده از روش توالی‌یابی کل ژنوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگر دوره پسا دکترا، بخش مهندسی علوم‌دامی، دانشکدة کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

2 دانشیار بخش مهندسی علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

3 بخش تحقیقات علوم‌دامی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان فارس، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، شیراز، ایران

4 محقق ارشد، گروه ژنتیک کمی، دپارتمان ژنتیک و اصلاح نژاد دام، دانشکده دامپزشکی و علوم دامی، دانشگاه علوم کشاورزی سوئد، اوپسلا، سوئد، استاد یار پژوهشی، بخش پژوهش‌های بیوتکنولوژی، موسسه تحقیقات علوم دامی کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی (تات)، کرج، ایران.

چکیده

چکیده
هدف: کشور ایران از جمله قدیمی‌ترین مراکز اهلی‌سازی و پرورش گونه‌‎های دام و طیور در دنیا محسوب می‌شود. در حال حاضر، اکوتیپ‌های مختلفی از گوسفند‌های بومی در مناطق جغرافیایی مختلف کشور مورد نگهداری قرار می‌گیرند که به لحاظ ویژگی‌های ظاهری و تولیدی تفاوت‌های آشکاری با یکدیگر دارند. تاکنون مطالعه جامعی در سطح کل ژنوم برای شناسایی تنوع ژنتیکی گوسفندان بومی ایران صورت نگرفته است. لذا هدف این مطالعه شناسایی ویژگی‌های ژنومیکی این ذخایر بومی بمنظور سازماندهی برنامه‌های مناسب برای بهره برداری و حفاظت از آنها است.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه توالی‌های کل ژنوم 29 راس گوسفند بومی ایران از پایگاه دادهNCBI دانلود و آنالیز شد. توالی‌یابی کل ژنوم داده‌های مطالعه شده به صورت Paired-End توسط دستگاه‌های توالی‌یاب Hiseq2000 و Hiseq X Ten انجام شده است. کنترل کیفیت توالی داده‌های خام توسط برنامهFastQC انجام شد. برای همردیفی توالی داده‌ها با ژنوم مرجع گوسفند (Oar v.4.0, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/GCF_000298735.2)
از الگوریتم BWA-MEM بکار برده شده در بسته نرم افزاری BWA استفاده شد. برای حذف PCR duplicates از خروجی‌های همردیفی از برنامه Picard استفاده شد. پردازش خروجی‌های همردیفی با ژنوم مرجع در دو مرجله شامل همردیفی مجدد حذف و اضافه‌های کوچک و کالیبره‌کردن مجدد نمره کیفیت باز با استفاده از برنامه GATK انجام شد. میانگین عمق پوشش و درصد همردیفی برای خروجی همردیفی با ژنوم مرجع با استفاده از دستور‌های depth و flagstatبه کار برده شده در نرم افزارsamtools محاسبه شد‌ند. چندریختی‌های تک‌نوکلئوتیدی (SNPs) توسط ابزار UnifiedGenotyper بکار رفته در برنامه GATK شناسایی شد‌ند. مقادیر تنوع نوکلئوتیدی و ضریب همخونی ژنومی بر اساسSNP های هموزیگوت برای هر فرد با استفاده از دستور het به کار رفته در برنامهVCFtools محاسبه شد‌ند.
نتایج: میانگین عمق پوشش داده‌های استفاده شده در این مطالعه X 39/18 بود. میانگین درصد همردیفی توالی‌های کوتاه با ژنوم مرجع گوسفند 89/99 درصد بدست آمد. مقادیر ضریب همخونی ژنومی در نژاد‌های گوسفندان بومی ایران از 01/0 تا 12/0 متغیر بود. کمترین مقدار ضریب همخونی ژنومی در ژنوم گوسفند مغانی مشاهده شد (01/0) و بیشترین مقدار ضریب همخونی در ژنوم گوسفند افشاری مشاهده شد. همچنین مقادیر میانگین درصد هتروزیگوسیتی مشاهده و مورد انتظار محاسبه شده برای چند ریختی‌های تک‌نوکلئوتیدی در ژنوم اکوتیپ‌های گوسفندان بومی ایران از 67/20 تا 06/23 و 415/32 تا 421/32 متغیر بود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Identification of genome diversity in different breeds of Iranian native sheep using the whole genome sequencing method

نویسندگان [English]

  • Hojjat Asadollahpour nanaei 1
  • Masoud Asadi Fouzi 2
  • Zeinab Amiri Ghanatsaman 3
  • Mohammad hossein Banabazi 4
1 .Postdoctoral Researcher, Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
2 Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
3 Animal Science Research Department, Fars Agricultural and Natural Resources, Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Shiraz, Iran
4 Department of Animal Breeding and Genetics (HGEN), Centre for Veterinary Medicine and Animal Science (VHC), Swedish University of Agricultural Science (SLU), 75007 Uppsala, Sweden. E-mail address: Mohammad.hossein.banabazi@slu.se, Department of Biotechnology, Animal Science Research Institute of IRAN (ASRI), Agricultural Research, Education & Extension Organization (AREEO), 3146618361 Karaj, Iran. E-mail address: m.h.banabazi@gmail.com
چکیده [English]

Purpose: Iran is considered to be one of the oldest centers of domestication and breeding of livestock and poultry species in the world. Currently, different ecotypes of indigenous sheep are kept in different geographical regions of the country, which have obvious differences from each other in terms of appearance and production characteristics. So far, there has not been a comprehensive study on the whole genome level to identify the genetic diversity of native Iranian sheep. Therefore, the aim of this study is to identify the genomic characteristics of these native reserves in order to organize appropriate programs for their exploitation and protection
Materials and methods
In this study, the whole genome sequences of 29 native Iranian sheep were downloaded from the NCBI database and analyzed. Whole genome sequencing of the studied data has been done by Hiseq2000 and Hiseq X Ten sequencer devices. Quality control of raw data sequences was done by FastQC program. To align the sequence data with the sheep reference genome (Oar v.4.0, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/assembly/GCF_000298735.2), the BWA-MEM algorithm used in the BWA software package was used. Picard program was used to remove PCR duplicates from mapping outputs. The alignment outputs with the reference genome were processed in two stages, including re-alignment of deletions and small insertions and recalibration of the base quality score using the GATK program. The average coverage depth and alignment percentage for alignment output with the reference genome were calculated using depth and flagstat commands used in samtools software. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) were identified by the UnifiedGenotyper tool used in the GATK program. Nucleotide diversity values and genomic inbreeding coefficient were calculated based on homozygous SNPs for each individual using the het command used in the VCFtools program.
Results
The average coverage depth of the used data in this study was 18.39 X. The average percentage of alignment of short sequences with the sheep reference genome was 99.89%. The values of genomic inbreeding coefficient in Iranian native sheep breeds ranged from 0.01 to 0.12. The lowest value of genomic inbreeding coefficient was observed in the genome of Mughani sheep (0.01) and the highest value of inbreeding coefficient was observed in the genome of Afshari sheep. Also, the average values of observed and expected percentage of heterozygosity calculated for single nucleotide polymorphisms in the genome of Iranian native sheep ecotypes ranged from 20.67 to 23.06 and 32.415 to 32.421.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Iranian native sheep
  • Whole genome sequencing
  • Single nucleotide polymorphisms

مراجع

 
بازگیر حمیده، اسماعیلی زاده کشکوئیه علی، امیری قنات سامان زینب، اسدی فوزی مسعود (1400) شناسایی تنوع ژنوم در مرغ لاری با استفاده از روش توالی‌یابی کل ژنوم.‎ مجله بیوتکنولوژی کشاورزی (2) 13، 189-204.
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.
راستی فر مهدیه، نجاتی جوارمی اردشیر، مرادی محمد حسین، عبداللهی آرپناهی رستم (1394) شناسایی مناطق ژنومی مرتبط با قطر پشم در نژادهای گوسفند ایرانی. علوم دامی ایران (1) 46، 72-65.
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.
شمس الدینی نژاد هادی، بحرینی بهزادی محمد رضا (1395) بررسی تنوع ژنتیکی بز کرکی رائینی با استفاده از روش تحلیل شجره. نشریه پژوهش در نشخوارکنندگان، 4 (1)، 76-55.
عرب‌پور رق آبادی زهرا، محمدآبادی محمدرضا، خضری امین (1400) الگوی بیانی ژن p32 در بافت‌های ران، دست، راسته و چربی پشت بره کرمانی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 13(4)، 183-200.
محمدی حسین، نجفی ابوذر ، شمس اللهی محمد (1401) مطالعه پویش کل ژنوم بر پایه آنالیز مسیر مرتبط با صفات رشد در گوسفند. ژنتیک نوین (4) 17، 385-375.
محمدی حسین، رافت سید عباس، مرادی شهربابک حسین و همکاران (1396) پویش ژنگان کل برای تعیین جایگاه‌های تحت انتخاب مثبت در گوسفندان نژاد زندی. علوم دامی ایران (4) 48، 548-534.
محمدی فر آمنه، محمدآبادی محمدرضا (1390) کاربرد نشانگرهای ریزماهواره برای مطالعه ژنوم گوسفند کرمانی. مجله علوم دامی ایران 42(4)، 344-337.
محمودی مریم، آیت اللهی مهرجردی احمد، محمدآبادی محمدرضا (1396) بررسی اگزون چهارم ژن کاپاکازئین گوسفند کرمانی با تکنیک PCR-RFLP. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی، 9(3)، 128-119.
مرادی محمد حسین، فراهانی امیر حسین، نجاتی جوارمی اردشیر (1396) ارزیابی ژنگانی اندازه موثر جمعیت گوسفند ایرانی با استفاده از اطلاعات عدم تعادل پیوستگی. مجله علوم دامی ایران (1) 48، 49-39. 
موسی نژاد خبیصی مژده، اسماعیلی زاده کشکوئیه علی، اسدی فوزی مسعود (1401) بررسی میزان همخونی ژنومی در گوسفندان بومی ایران با استفاده از نشانگرهای متراکم (SNP 600K). پژوهش‌های تولیدات دامی (13) 35، 167-158.
میرزاپور آبی بگلو عباس، هدایت نعمت، خلخالی ایوریق رضا و همکاران (1402) پویش ژنومی برای شناسایی رشته‌های هموزیگوت و ژن‌های موجود در این نواحی در ژنوم گوسفندان بومی ایران. پژوهش‌های تولیدات دامی (39) 14، 130-121.
یوسفی زهره، بیگی نصیری محمد تقی، مرادی محمد حسین، عبداللهی آرپناهی رستم، شیر علی مسعود (1397) بررسی ژنومی ساختار جمعیتی و عدم تعادل پیوستگی در برخی از نژاد‌های گوسفند بومی ایران. پژوهش و سازندگی (1) 121، 251-241.
 
References
Abdoli R, Mirhoseini SZ, Hossein-Zadeh NG et al. (2019) Genome-wide association study of four composite reproductive traits in Iranian fat-tailed sheep. Reprod Fertil Dev 31(6), 1127-1133.
Almasi M, Zamani P, Mirhoseini SZ, Moradi MH (2020) Genome-wide association study of weaning traits in Lori-Bakhtiari sheep. Ann Anim Sci 20(3), 811-824. 
Amiri Roudbar M, Abdollahi-Arpanahi R, Ayatollahi Mehrgardi A, et al. (2018) Estimation of the variance due to parent-of-origin effects for productive and reproductive traits in Lori-Bakhtiari sheep. Small Rumin Res 160, 95-102.
Amiri Roudbar M, Mohammadabadi MR, Mehrgardi AA, Abdollahi-Arpanahi A (2017) Estimates of variance components due to parent-of-origin effects for body weight in Iran-Black sheep. Small Rum Res 149, 1-5.
Arabpour Z, Mohammadabadi M, Khezri A (2021) The expression pattern of p32 gene in femur, humeral muscle, back muscle and back fat tissues of Kermani lambs. Agric Biotechnol J 13 (4), 183-200 (In Persian).
Bazgir H, Esmaeelizadeh A, Amiri Z, Asadi Fouzi M (2021) Identification of genome diversity in Lari chicken using whole genome sequencing method. J Agric Biotechnol 13(2), 189-204 (In Persian).
Danecek P, Auton A, Abecasis G et al. (2011) The variant call format and vcftools. Bioinformatics. 27, 2156-2158.
Dashaba GR, Aslaminejada A, Nassiria M et al. (2011). Analysis of genetic diversity and structure of Baluchi sheep by microsatellitemarkers. Trop Subtrop Agroecosystem 14, 1047–1054.
Engelsma KA, Veerkamp RF, Calus MPL, Windig JJ (2011) Consequences for diversity when prioritizing animals for conservation with pedigree or genomic information. J Anim Breed Genet 128(6), 473-481.
Esmaeilkhanian S, Banabazi MH (2006) Genetic variation within and between five Iranian sheep populations using microsatellite markers. Pak J Biol Sci 9, 2488–2492.
Esmaeilkhanian S, Negati-Javaremi A, Afraz F et al. (2007) Genetic Variation among Baluchi Sheep Population Using Microsatellite Markers. J Agric Sci Technol 11, 373–380.
Ghasemi M, Zamani P, Vatankhah M, Abdoli R (2019) Genome-wide association study of birth weight in sheep. J Anim 13, 1797–1803.
Gholizadeh M, Rahimi-Mianji G, Nejati-Javaremi A (2015) Genome wide association study of body weight traits in Baluchi sheep. J Genet 94, 143–146.
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).
Kijas JW, Townley D, Dalrymple BP, et al. (2009) A genome wide survey of SNP variation reveals the genetic structure of sheep breeds. PloS one 4(3), e4668.
Li H, Durbin R (2009) Fast and accurate short read alignment with burrows–wheeler transform. Bioinformatics 25, 1754-1760.
Li H, Handsaker B, Wysoker A et al. (2009) The sequence alignment/map format and sam tools. Bioinformatics 25, 2078-2079.
Mahmoudi M, Ayatollahi Mehrjardi A, Mohammad Abadi MR (2016) Examining the fourth exon of Kermani sheep capacasein gene by PCR-RFLP technique. Agric Biotechnol J 9(3), 128-119.
Manzari Z, Mehrabani‐Yeganeh H, Nejati‐Javaremi A et al. (2019) Detecting selection signatures in three Iranian sheep breeds. Anim Genet 50(3), 298-302.
Masoudzadeh SH, Mohammadabadi MR, Khezri A, et al. (2020) Dlk1 gene expression in different Tissues of lamb. Iran J Appl Anim Sci 10, 669-677.
McKenna A, Hanna M, Banks E et al. (2010) The genome analysis toolkit, a mapreduce frame work for analyzing next-generation dna sequencing data. Genome Res 20, 1297-1303. 
Mirzapour A, Hedayat N, Khalkhali R, et al. (2023) Genome-Wide San for Detection of Runs of Homozygosity in Iranian Indigenous Sheep Breeds. Anim Prod Res 14(39), 121-13 (In Persian).
Mohamadipoor Saadatabadi L, Mohammadabadi M, Amiri Ghanatsaman Z et al. (2021) Signature selection analysis reveals candidate genes associated with production traits in Iranian sheep breeds. BMC Vet Res 17(1), 1-9. 
Mohamadipoor Saadatabadi L, 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.
Mohammadabadi M, Masoudzadeh SH, Khezri A, et al. (2021) Fennel (Foeniculum vulgare) seed powder increases Delta-Like Non-Canonical Notch Ligand 1 gene expression in testis, liver, and humeral muscle tissues of growing lambs. Heliyon 7 (12), e08542.  
Mohammadabadi MR (2016). Inter-Simple Sequence Repeat Loci associations with predicted breeding values of body weight in Kermani sheep. Genet 3rd Millennium 14, 4383-4390.
Mohammadi H, Najafi A, Shamsollahi M (2023) Genome wide association study based on pathway analysis relate to growth traits in sheep. Modern Genet 7(4), 375-385 (In Persian).
Mohammadi H, Rafat SA, Moradi Shahrbabak H) 2018( Genome-wide analysis for detection of loci under positive selection in Zandi sheep breed. Iran J Anim Sci 48(4(, 533-548 (In Persian).
Mohammadifar A, Mohammadabadi MR (2011) Application of Microsatellite Markers for a Study of Kermani Sheep Genome. Iran J Anim Sci 42 (4), 337-344 (In Persian).
Molaee V, Osfoori R, Eskandari Nasab MP, Qanbari S (2009) Genetic relationships among six Iranian indigenous sheep populations based on microsatellite analysis. Small Rumin Res 84, 121–124.
Moosanezhad Khabisi M, Esmailizadeh A, Asadi Fozi M (2022) Evaluation of Genomic Inbreeding Rate in Iranian Native Sheep using Dense SNP Markers 600K. Iran Livest Prod Sci 13 (35), 158-167 (In Persian).
Moradi MH, Farahani AH, Nejati-Javaremi A (2017) Genome-wide evaluation of effective population size in some Iranian sheep breeds using linkage disequilibrium information. Iran J Anim Sci 48(1), 39-49 (In Persian).
Nakazato T, Ohta T, Bono H (2013) Experimental design-based functional mining and characterization of high-throughput sequencing data in the sequence read archive. PLoS One 8, e77910.
Nanekarani S, Amirinia C, Amirmozafari N, et al. (2010) Genetic variation among pelt sheep population using microsatellite markers. Afr J Biotechnol 9, 7437-7445.
Rastifa M, Nejati-Javaremi A, Moradi MH, Abdollahi-Arpanahi R (2015) Identification of genomic regions associated with wool diameter in Iranian sheep breeds. Iran J Anim Sci 46(1), 65-72 (In Persian).
Ruiz-Larrañaga O, Nanaei HA, Montes I et al. (2020) Genetic structure of Iranian indigenous sheep breeds: insights for conservation. Trop Anim. Health Prod 52(5), 2283-2290.
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.
Seidani ES, Amirinia C, Lavaf A et al. (2009) Genetic variation among different ecotypes of the Iranian Sanjabi sheep. J Anim Vet Adv 8, 1173–1176.
Shahsavari M, Mohammadabadi M, Khezri A, et al. (2022) Effect of Fennel (Foeniculum Vulgare) Seed Powder Consumption on Insulin-like Growth Factor 1 Gene Expression in the Liver Tissue of Growing Lambs. Gene Express 21 (2), 21-26.
Shamsaddini Nejad H, Bahreini Behzadi MR (2016) A study on genetic diversity of Raeini Cashmere Goat using pedigree analysis. J Rumin Res 14 (1), 55-76.
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).
 Soma P, Kotze A, Grobler JP, van Wyk JB (2012) South African sheep breeds: population genetic structure and conservation implications. Small Rumin Res 103,112–119.
 Vahidi SMF, Faruque MO, Falahati Anbaran M et al. (2016) Multilocus genotypic data reveal high genetic diversity and low population genetic structure of Iranian indigenous sheep. Anim Genet 47, 463–470.
Yousefi Z, Beigi Nasiri M T, Moradi MH et al. (2017) Genomic study of population structure and linkage disequilibrium in some native sheep breeds of Iran. Anim Sci J 121, 241-252 (In Persian).
Zahedi Z, Esmaeelkhanian S, Vaez Torshizi R (2007) Microsatellite variation in one breed of Iranian sheep with 12 markers. Pak J Biol Sci 10, 4455–4460.
Zeder MA (2008) Domestication and early agriculture in the Mediterranean Basin: Origins, diffusion, and impact. Proc Natl Acad Sci USA 33, 11597–11604.
 Zhang H, Wang SZ, Wang ZP, Da Y et al. (2012) A genome-wide scan of selective sweeps in two broiler chicken lines divergently selected for abdominal fat content. BMC genom 13(1), e704.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 15، شماره 4
آذر 1402
صفحه 145-160

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار