شناسایی مناطق ژنومی مرتبط با صفات کیفی پشم در گوسفندان نژاد پشم ضخیم و ظریف برپایه آماره‌های نشانه‌های انتخاب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

2 گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

هدف: طی دهه­های اخیر تمایل به شناسایی مناطق ژنومی که هدف انتخاب برنامه های اصلاحی در دام های اهلی مانند گوسفند بوده­اند رو به افزایش بوده است. شناسایی نشانه­های انتخاب می­تواند دیدگاه­های ارزشمندی در مورد مناطق ژنومی که تحت انتخاب مثبت هستند فراهم کند که به نوبه خود منجر به درک بهتر ارتباط ژنوتیپ با فنوتیپ می­شود. هدف از این مطالعه، شناسایی ژن‌های کاندیدای و مناطق ژنومی تحت انتخاب مثبت مرتبط با صفات کیفی پشم در گوسفند از طریق روش‌های شناسایی ردپای انتخاب شامل FST و hapFLK می­باشد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش اطلاعات ژنوتیپی مربوط به 146 رأس گوسفندان با حداقل روابط خویشاوندی مربوط به گوسفندان نژادهای زندی و مرینوس تعیین ژنوتیپ شده توسط آرایه­های50K  شرکت ایلومینا استفاده شد. پس از کنترل کیفیت داده­های اولیه تعیین ژنوتیپ شده در برنامه PLINK نهایتاً 46793 نشانگر SNP و 144 رأس دام وارد آنالیزهای بعدی شدند. برای شناسایی نواحی ژنومی تحت انتخاب از دو آزمون آماری برآوردگر نااریب FST (تتا) با کد نویسی در برنامه R و روش hapFLK بوسیله نرم­افزارhapFLK  نسخه 4/1 استفاده شد. ژن‌های کاندیدا با استفاده از SNP­هایی که در بازه‌ی 1/0 درصد ارزش بالای این دو 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 هشت منطقه ژنومی روی کروموزوم­های 1 (دو منطقه)، 2، 3 (دو منطقه)، 10، 13 و 19 بودند و در صدک 9/99 کل ارزش­های تتا قرار داشتند. ژن­های کاندیدای شناسایی شده مرتبط با صفات کیفی پشم در این مناطق ژنومی شامل ژن­های POU1F1، FGF12،  GNAS، LHX2، TMTC3، NBEA و MITF بودند. آنالیز بیوانفورماتیکی نشان داد که مناطق ژنومی شناسایی شده با ژن­های مؤثر بر رشد و توسعه فولیکول­های مو، رشد و توسعه پوست، جعد، تفرق سلول­های اپیتلیال، رنگدانه­های پوست و تحریک کلاژن همپوشانی دارند. همچنین نتایج حاصل از آماره hapFLK در این پژوهش منجر به شناسایی چهار منطقه ژنومی روی کروموزوم­های 7، 10، 14 و 19 گردید. ژن­های کاندیدای شناسایی شده شامل DUOX1، RHPN2، و LOC106991379 بودند که عملکردهای متفاوتی در بیان ژن کراتینوسیت­ها و تمایز کلاژن­ها داشتند.
نتیجه‌گیری: ژن­های گزارش شده در مناطق ژنومی شناسایی شده، براساس عملکرد می­توانند به­عنوان کاندیداهای تحت انتخاب مثبت مطرح باشند. به هر حال بررسی بیشتر ژن­های بدست آمده از طریق مطالعات تکمیلی ضروری است. نتایج این تحقیق می­تواند در درک ساز و کار ژنتیکی کنترل کننده صفات کمی و کیفی مرتبط با پشم با هدف افزایش مقدار پشم شسته­شده سالانه و کاهش میانگین قطر الیاف و ضریب تغییرات آن مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Identification of genomic regions related to wool quality traits in coarse and fine wool sheep breeds based on selection signature

نویسندگان [English]

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

Objective
Over the last decade, interest in detection of genes or genomic regions that are targeted by selection has been growing. Identifying signatures of selection can provide valuable insights about the genes or genomic regions that are or have been under selection pressure, which in turn leads to a better understanding of genotype-phenotype relationships. The aim of this study was to identify genomic region with a positive signature of selection related to wool quality in sheep breeds using selection signature FST and hapFLK methods.
Materials and methods
In this study, data from 146 Zandi and Merino animals genotyped using 50 K BeadChip were used to identify genomic regions under selection associated with wool quality traits. After quality control of the initial data using plink software, 46,793 SNP markers in 144 animals of sheep were finally entered for further analysis. To identify the signatures of selection, two statistical methods of FST and hapFLK were used under FST and hapFLK software packages, respectively. Candidate genes were identified by SNPs located at 0.1% upper range of FST and hapFLK values. GeneCards and UniProtKB databases were also used to interpret the function of the obtained genes.
Results
Using FST approach, we identified eight genomic regions on chromosomes 1 (two region), 1, 3 (two region), 10, 13, and 19 chromosomes, which were in the 99.9 percentile of all FST values. The identified candidate genes associated with wool trait in these genomic regions included POU1F1, FGF12, GNAS, LHX2, TMTC3, NBEA, MITF. Genes located in identified regions under selection were associated with the crimp of wool, growth and development of skin, fiber diameter, hair follicle development, growth and development of fiber, stimulation of collagen, regulation of epithelial cell and skin pigments, which can be directly and indirectly related to the trait of the wool quality. Also, the results of hapFLK statistics in this research led to the identification of four genomic regions on chromosomes 7, 10, 14, and 19. The identified candidate genes associated with the wool trait in these genomic regions included DUOX1, RHPN2 and LOC106991379. It was determined that they had different functions in collagen differentiation and gene expression of keratinocytes.
Conclusions
Various genes that were founded within these regions can be considered as candidates for selection based on function. However, it will be necessary to carry out more association and functional studies to demonstrate the implication of genes obtained from association analyses. The results of our research can be used to understand the genetic mechanism controlling wool traits and using these findings could potentially be useful for genetic selection in sheep for better clean fleece yield and mean fiber diameters.

کلیدواژه‌ها [English]

  • hapFLK statistics
  • FST statistics
  • crimp
  • candidate gene
  • fiber diameter

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.
محمّدی حسین، رأفت سید عباس، مرادی شهر بابک حسین، شجاع جلیل، مرادی محمد حسین (1397) مطالعه ساختار و لایه‌بندی جمعیتی و ارتباط ژنومی هاپلوتیپی صفات کیفی پشم در گوسفندان نژاد زندی. پژوهش­های علوم دامی (دانش کشاورزی)، 28(2)، 204-193.
References
Arzik Y, Kizilaslan M, Behrem S, et al. (2023) Genome-Wide Scan of Wool Production Traits in Akkaraman Sheep. Genes 14, e713.
Asadollahpour Nanaei H, Kharrati-Koopaee H, Esmailizadeh A (2022) Genetic diversity and signatures of selection for heat tolerance and immune response in Iranian native chickens. BMC Genom 23(1), e224.
Barazandeh A, Mohammadabadi MR, Ghaderi-Zefrehei M, Nezamabadi-Pour H (2016) Genome-wide analysis of CpG islands in some livestock genomes and their relationship with genomic features. Czech J Anim Sci 61(11), 487–495.
Choi H, Park JY, Kim HJ, et al. )2014( Hydrogen peroxide generated by DUOX1 regulates the expression levels of specific differentiation markers in normal human keratinocytes. J Dermatol Sci 74, 56–63.
Dominik S, Swan AA, (2018) Genetic and phenotypic parameters for reproduction, production and bodyweight traits in Australian fine-wool Merino sheep. Anim Prod Sci 58, 207–212.
Fariello MI, Boitard S, Naya H, et al. (2013) Detecting signatures of selection through haplotype differentiation among hierarchically structured populations. Genetics 193(3), 929-941.
Ghafouri Kesbi F, Eskandarinasab MP, Shahir MH (2008) Estimation of direct and maternal effects on body weight in Zandi sheep using random regression models. Arch Anim Breed 51 (3), 235–246.
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.
Huang C, Zhao Q, Chen Q, et al. (2024). Runs of Homozygosity Detection and Selection Signature Analysis for Local Goat Breeds in Yunnan, China. Genes 15, e313.
Jafari Ahmadabadi SAA, Askari-Hemmat H, Mohammadabadi M, Asadi M, Mansouri M (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, 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 ES, Elbeltagy AR, Aboul-Naga AM, et al. (2016) Multiple genomic signatures of selection in goats and sheep indigenous to a hot arid environment. Heredity116(3), 255-64.
Koseniuk A, Ropka-Molik K, Rubiś D, et al. (2018) Genetic background of coat colour in sheep. Arch Anim Breed 61(2), 173-178.
Lan XY, Shu JH, Chen H, et al. (2009) A PstI polymorphism at 30UTR of goat POU1F1 gene and its effect on cashmere production. Mol Biol Rep 36, 1371–1374. 
Lv XL, Chen WH, Sun W, et al. (2020) Analysis of lncRNAs expression profiles in hair follicle of Hu sheep lambskin. Animals 10, e1035.
Magee DA, Berkowicz EW, Sikora KM, et al. (2010) A catalogue of validated single nucleotide polymorphisms in bovine orthologs of mammalian imprinted genes and associations with beef production traits. Animal 4, 1958–1970.
Megdiche S, Mastrangelo S, Ben Hamouda M, et al. (2019) A Combined MultiCohort Approach Reveals Novel and Known Genome-Wide Selection Signatures for Wool Traits in Merino and Merino-Derived Sheep Breeds. Front Genet 10, e1025.
Mohamadipoor Saadatabadi L, Mohammadabadi M, Amiri Ghanatsaman Z. (2021) Signature selection analysis reveals candidate genes associated with production traits in Iranian sheep breeds. BMC Vet Res 17, e369.
Mohammadabadi M, Golkar A, Askari Hesni M (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).
Mohammadabadi MR, Tohidinejad F (2017) Characteristics determination of Rheb gene and protein in Raini Cashmere goat. Iran J Appl Anim Sci 7(2), 289–295.
Mohammadi H, Khaltabadi Farahani HK, Moradi MH, et al. (2022) Weighted Single-Step Genome-Wide Association Study Uncovers Known and Novel Candidate Genomic Regions for Milk Production Traits and Somatic Cell Score in Valle del Belice Dairy Sheep. Animals (Basel) 12(9), 11-55.
Mohammadi, H., rafat, S., Moradi, H., et al. (2019) Study of haplotype blocks structure and haplotype-based genome scan in autosomal chromosomes to body weight gain trait in Zandi sheep breed. Anim Sci Res 28(4), 69-82.
Morgan MD, Pairo-Castineira E, Rawlik K, et al. (2018) Genome-Wide Study of Hair Colour in UK Biobank Explains Most of the SNP Heritability. Nat Commun 9, e5271.
Megdiche S, Mastrangelo S, Ben Hamouda M, et al. (2019) A Combined MultiCohort Approach Reveals Novel and Known Genome-Wide Selection Signatures for Wool Traits in Merino and Merino-Derived Sheep Breeds. Front Genet 10, e1025.
Nazari-Ghadikolaei A, Mehrabani-Yeganeh H, Miarei-Aashtiani SR, et al. (2018) Genome-Wide Association Studies Identify Candidate Genes for Coat Color and Mohair Traits in the Iranian Markhoz Goat. Fron Genet 9, e105.
Nicolazzi EL, Caprera A, Nazzicari N, et al. (2015) SNPchiMp v. 3: integrating and standardizing single nucleotide polymorphism data for livestock species. BMC Genom 16, e283.  
Patiabadi Z, Razmkabir M, Esmailizadeh Koshkoiyeh A, et al. (2023) Genomic
scanning of selection signature in Iranian skin and wool sheep using FST unbiased estimator and hapFLK methods. Anim Prod Res 12(2), 85-103 (In Persian).
Pavlidis P, Alachiotis N. (2017) A survey of methods and tools to detect recent and strong positive selection. J Biol Res 24, 1-17.
Peng W, Zhang Y, Gao L (2024) Selection signatures and landscape genomics analysis to reveal climate adaptation of goat breeds. BMC Genom 25, e420.  
Purcell S, Neale B, Todd-Brown K, et al. (2007) PLINK: a tool set for whole-genome association and population-based linkage analyses. Am J Hum Genet 3, 559-575.
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. 
Ren X, Yang GL, Peng WF, et al. (2016) A genome-wide association study identifies a genomic region for the polycerate phenotype in sheep (Ovis aries). Sci Rep 6, e21111. 
Rostamzadeh Mahdabi E, Esmailizadeh A, Ayatollahi Mehrgardi A, et al. (2021) A genome-wide scan to identify signatures of selection in two Iranian indigenous chicken ecotypes. Genet Sel Evol 53(1), e72. 
Ramos Z, Garrick DJ, Blair HT, et al. (2023) Genetic and phenotypic relationships between ewe reproductive performance and wool and growth traits in Uruguayan Ultrafine Merino sheep. J Anim Sci 101, e071.
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. 
Shahsavari M, Mohammadabadi M, Khezri A, et al. (2023) Correlation between insulin-like growth factor 1 gene expression and fennel (Foeniculum vulgare) seed powder consumption in muscle of sheep. Anim Biotechnol J 34 (4), 882-892 (In Persian).
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).
Sun W, Ni R, Yin JF, et al. (2013) Genome array of hair follicle genes in lambskin with different patterns. PLoS One 8, e68840.  
Sun X, Guo J, Li R, et al. (2024) Whole-Genome Resequencing Reveals Genetic Diversity and Wool Trait-Related Genes in Liangshan Semi-Fine-Wool Sheep. Animals 14, e444.
Taylor P, Mortimer S, Bird-Gardiner T, Atkins K (2017) Merino breeding objectives & selection indexes to increase wool profit. (Ed. BJ McGuirk) pp. 579–592. (Australian Wool Corporation: Melbourne).
Theron PG, Brand TS, Cloete SWP, et al (2024) Wool production and quality traits of pure- and crossbred Merino-type sheep. Trop Anim Health Prod 56(2), e47.
Waineina RW, Okeno TO, Ilatsia ED, et al. (2022) Selection Signature Analyses Revealed Genes Associated With Adaptation, Production, and Reproduction in Selected Goat Breeds in Kenya. Front Genet 13, e858923.
Wang Z, Zhang H, Yang H, et al. (2014) Genome-wide association study for wool production traits in a Chinese Merino sheep population. PLoS One 9, e107101.  
Wang FH, Zhang L, Gong G, et al. (2021) Genome-wide association study of fleece traits in Inner Mongolia Cashmere goats. Anim Genet 52(3), 375-379.
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.   
Zhang W, Jin M, Li T, et al. (2023) Whole-Genome Resequencing Reveals Selection Signal Related to Sheep Wool Fineness. Animals 13, e2944.
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.
Zhao H, Guo T, Lu Z, et al. (2021) Genome-wide association studies detect candidate genes for wool traits by re-sequencing in Chinese fine-wool sheep. BMC Genom 1, e127.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 16، شماره 3
مهر 1403
صفحه 133-154

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار