Ferramentas genômicas aplicadas no melhoramento genético animal: progressos recentes e perspectivas futuras

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1 Ferramentas genômicas aplicadas no melhoramento genético animal: progressos recentes e perspectivas futuras Workshop Internacional para Seleção Genômica em Bovinos de Corte Alexandre Rodrigues Caetano, Ph.D. Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia

2 Resumo Melhoramento animal Prospecção de genes de interesse econômico Seleção genômica Sequenciamento de genomas Perspectivas futuras

3 Antes da Genomica

4 Presente: > kg / Lactação >50 kg/ Dia Aumento de ~200% 1920: kg / Lactação 17.4 kg / Dia O melhoramento animal tradicional teve um impacto significativo sobre as cadeias de produção animal

5 Melhoramento Animal

6 ~ anos 200 anos ~70 anos ~60 anos

7 Teste de Progênie Fenótipo medido nas filhas Tempo Necessário: Nascimento do bezerro Sêmen = ~1 a 1,5 anos Gestação = 9 meses Primeiro cio da filha = ~1 a 1,5 anos Gestação = 9 meses Primeiro controle leiteiro = 1mês TOTAL = ~5 (8) anos

8 Melhoramento Animal Resultados obtidos extremante importantes para a produção animal Aumento na produtividade/eficiência Melhoria na qualidade dos produtos Processo não gera informação sobre mecanismos biológicos envolvidos Maiores dificuldades com características de difícil mensuração / baixa herdabilidade

9 Avaliação Genética Decisão Sumário

10 Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento O primeiro capítulo... (1980s - ~2005) : Mapeamento de QTL e identificação de genes que controlam características de interesse

11 Mapeamento de Genes que Controlam Características Quantitativas QQ qq P X F 1 Qq X Qq F 2

12 5 * * LOD * * * * * QTL * * *

13 * * QTL * * * * * * Identificação do Gene / Mutação * * Desenvolvimento de mais marcadores AA GG AGATCAGGCATCTAGCTCTCT AGATCAGGCATCTAGCTCTCT AGATCAGGCGTCTAGCTCTCT AGATCAGGCGTCTAGCTCTCT Sequenciamento de Genes Candidatos TESTE DIAGNÓSTICO

14 Bovinos de Corte GDF8 Calpaína Calpastatina Leptina DGAT Etc. Bovinos Leiteiros BLAD κ-caseína β-lactoglobulina DGAT Etc.

15 Suínos ESR HAL Rendement Napole (RN) Etc. Equinos HYPP Hair color SCID White foal sindrome Etc.

16 Painéis de Marcadores No Mercado Merial Igenity Quantos Genes/SNPs? % da σ a 2 explicada? Correlação com o verdadeiro valor genético do animal? Pfizer GeneSTAR GeneSTAR MVPs (Molecular Value Predictions) Quantos Genes/SNPs? % da σ a 2 explicada? Correlação com o verdadeiro valor genético do animal? Qual é o valor REAL dessas ferramentas para o melhoramento?

17 Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento O segundo capítulo - a era pós sequenciamento genômico (2008) : Novas tecnologias de genotipagem impactaram significativamente a integração da genômica com o melhoramento animal!

18 Genotipagem de SNPs com Chips de DNA

19 Eficiência SNP Chips Dezenas, centenas de milhares de marcadores genotipados em um único ensaio Acurácia Abundancia / distribuição de marcadores pelo genoma Custo

20 Microsatélites vs SNPs Mapa típico com microsatélites 1 marcador a cada 20cM = 150 marcadores Custo = ~US$10 x marcador = US$1500 / individuo Bovine 50K 1 marcador a cada 0,05cM = ~60K marcadores Custo = US$215 $180 $150 $130 $75 $65 por indivíduo (terceirizado)

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22 SNP Chips Bovinos Illumina HD, 50K, 3K (6K) Affymetrix 600K Equinos Illumina 50K Suínos Illumina 60K Ovinos Illumina 60k

23 Impactos das novas ferramentas Perspectivas para o PRESENTE

24 Impacto das novas tecnologias Programas de avaliação e melhoramento animal Seleção genômica Identificação de genes que afetam características de interesse econômico

25 Seleção Genômica Característica: Peso aos 2anos Parâmetros Genéticos µ= 450kg σ Ga = 8 kg 40kg de efeito GA -20kg +20kg

26 40kg de efeito genético aditivo 400 genes controlam a característica? 60 mil marcadores (1 marcador / 50kbp) Estimativa do efeito de cada marcador/gene na característica com uma população controlada

27 Avaliação Genética 450kg 550kg DEP= ½BV = µ pop - µ prog = +18kg DEP= ½BV = µ pop - µ prog = -17kg

28 100g 50g 5g 50g 5g 50g 75g 100g 5g 5g 5g 75g 100g 75g 100g etc... 5g 100g 50g 50g 100g 50g 100g Identificação dos marcadores em regiões que afetam a característica Divisão do efeito genético em cada região do genoma

29 AA ii Pp bb Jj Qq Cc KK Rr DD ll SS ee MM TT etc... Ff NN uu Gg oo vv HH Genotipagem de qualquer indivíduo da população

30 +100g -50g -5g -50g +5g -50g +75g +100g +5g +5g -5g +75g -100g +75g +100g etc... -5g +100g -50g -50g -100g -50g +100g Estimativa da DEP molecular % da σ a 2 explicada??, acurácia? Σ= +10kg

31 + Avaliação Genética Decisão Sumário

32 Avaliação Genômica e /ou + Avaliação Genômica

33 Fazendo as Contas Custo de testar um touro (leite) = US$50K É nessário testar 10 touros para selecionarmos um = US$500K Custo de genotipagem com o 50K chip = US$70 Genotipagem de 10 touros, teste dos 5 superiores = (5 x $50 000) - (10 x $70) = = Economia = $ TEMPO Acurácia da GEBV? Corr (EBV, GEBV)?

34 Progeny Tested Bull O-Man Doses de sêmen ~200,000 unidades/ ano Preço: US$40 / unidade Faturamento > US$5 milhões / ano 40,144 filhas em lactação 9 th WCGALP, August 2010 (42) Van Tassell and Cole

35 USDA-ARS-AIPL: animais da raça holandesa genotipados Young animals** All Date Bulls* Cows* Bulls Heifers animals ,770 7,415 16,007 8,630 41, ,430 9,372 18,652 11,021 49, ,293 12,825 21,161 18,336 63, ,152 11,224 25,202 36,545 85, ,429 11,834 26,139 40,996 91, ,379 12,098 27,508 45, , ,386 12,219 28,456 50, , ,519 14,380 29,090 52, , ,812 14,415 30,185 56, , ,832 14,573 31,865 61, , ,834 14,716 32,975 65, , ,288 17,236 33,861 68, ,436 *Traditional evaluation **No traditional evaluation John Cole,

36 Ganhos em Acurácia 1 por Raça Produção e Mérito Líquido(NM$) de touros jovens Trait HO JE BS Net merit Milk Fat Protein Fat % Protein % Média de ganho sobre a média dos pais ~35% Gordon Conference on Quantitative Genetics, Feb (44) Paul VanRaden 2009

37 Acurácias Estimas para Touros Jovens da Raça Holandesa *Animais sem avaliação tradicional em Abril de 2011 John Cole,

38 Efeito do tamanho da população de treinamento

39 Quanto vale um SNP? Informação de pedigree: ~7 filhas Avaliação com painel de SNP: ~34 filhas (produção de proteína, h 2 = 0,30) Avaliação com painel de SNP: ~131 filhas (taxa de prenhes, h 2 = 0,04) Van tassel 2011

40 Impacto das novas tecnologias Programas de avaliação e melhoramento animal Seleção genômica Identificação de genes que afetam características de interesse econômico

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42 Clonagem Posicional 1988 Fibrose Cística em humanos (10 anos) 1997 Musculatura dupla (GDF8) em bovinos (2 anos) Curly Calf Sindrome (Artrogripose Multiplex) (2 semanas)

43 Net Merit VanRaden et al Resistência ao carrapato Cardoso et al. 2012

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45 2011

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47 O que está em andamento na Embrapa?

48 Rede Genômica Animnal PC4 Projeto de pesquisa a PC6 INPUT Expertise multidisciplinar para construção e utilização de ferramentas e metodologias centrais Experimentos de alta complexidade com dados e amostras já coletados Novas tecnologias e metodologias a serem internalizadas e incorporadas a atividades em andamento Projeto de pesquisa c Projeto de pesquisa b Ferramentas de Bioinfómatica e Estatísticas PC2 e 3 Projeto de pesquisa z Projeto de pesquisa.. PRODUTOS Acesso a novas plataformas tecnológicas e metodologias Obtenção de resultados e conhecimentos estratégicos para experimentos de alta complexidade já em andamento Estabelecimento de uma rede de competências para execução de novos projetos Projeto de pesquisa d Projeto de pesquisa e Projeto de pesquisa f PC5

49 Instituições Participantes 1. Embrapa Gado de Corte 2. Embrapa Gado de Leite 3. Embrapa Pecuária Sudeste 4. Embrapa Pecuária Sul 5. Embrapa Informática Agropecuária 6. Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia 7. Embrapa Meio-Norte 8. Embrapa Caprinos 9. EmbrapaTabuleiros Costeiros 10. UFV 11.UFJF 12.UFMS 13.UnB 14.UNESP Botucatu 15.UESB Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia 16.UNESP Jaboticabal 17.APTA Agência Paulista de Tecnologia do Agronegócio 18.UFSCAR 19.USP-ESALQ Participação de 78 pesquisadores

50 Rede Genômica Animnal

51 MP2 Seleção Genômica para Resistência ao Carrapato Líder: Fernando Cardoso, CPPSUL

52 Contagem de carrapatos em mais de animais (>8000 contagens) DNA coletado e processado Genotipagem de 2000 animais em 2011

53 Resultados SNPs effects for tick resistance (GWAS)

54 MP2 Seleção Genômica em Suínos Líder: Monica Ledur

55 MP2 Seleção Genômica em Suínos Genotipagem de 2500 animais Captação de recursos: CNPq/GENOPROT Dados: Crescimento Eficiência Alimentar Qualidade de carne e carcaça Reprodução Desenvolvimento conjunto / Transferência

56 MP2 Seleção Genômica em Raças Leiteiras Líder: Marcos Vinícius Silva Avaliação genética de raças leiteiras Holandês, Gir, Girolando, Guzerat Implementação da SG nos programas Gir Girolando Guzer Genotipagem de 5,000-10,000 animais

57 MP2 Seleção Genômica Nelore Líder: Luiz Otávio Campos da Silva Implementação da Seleção Genômica no programa de avaliação do Nelore liderado pelo CNPGC Foco em caracteríscas reprodutivas e de qualidade de carne e carcaça Genotipagem de 5 a animais

58 Laboratório Multiusuário de Bioninformática

59 Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento O terceiro capítulo: a utilização de painéis de SNP de baixa densidade para imputação

60 Illumina chips are [mostly] nested Bovine HD (700K) ~$200 Missing 7,352 SNP50 markers Missing 5,264 V2 markers Bovine SNP50 (50K) ~$70 50K is missing 14 3K markers Missing 76 3K markers Bovine LD (3K) ~$20 9 th WCGALP, August 2010 (68) Van Tassell and Cole

61 Como Funciona a Imputação? Identificação dos haplótipos existentes na população utilizando o número máximo de marcadores Rastrear os haplótipos identificados utlizando um conjunto mínimo de marcadores Exemplo: usando 5 SNPs para reastrear 25 SNP 5 SNP: SNP:

62 Touros Chip HD chip / Sequencia Animais Avaliados 90-50k chip / HD chip Animais sem avaliação e vacas 3-10K chip

63 6K SNPs

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65 Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento O quarto capítulo: perspectivas futuras

66 1950: Previsão do que seria um PC...

67 anos 200 anos ~70 anos ~60 anos

68 ~60 anos Abril SEQUENCIAMENTO DE NOVA GERACAO

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71 Perspectivas Futuras Sequenciamento de genomas Custo atual: US$5.000 Genoma por US$1.000? $100? Possibilidade de utilizar as mutações causativas vs SNPs em L.D.

72 Re-Sequenciamento de Genomas e vários outros a caminho

73 No Brazil

74 Genoma Minas: Guzerat e Gir

75 No Brazil Brasil, EUA e Itália: Unesp conclui o genoma do Nelore ABCZ - Laura Pimenta (editado por Melissa Miziara - CIGB) Agosto 2011

76 MP2 - Rede de Seqüenciamento de Genomas Desenvolvimento de capacidade para sequenciar, montar e analisar genomas Genotipagem por sequenciamento Integração com os programas de avaliação e melhoramento da Embrapa

77 Genotipagem por Sequenciamento Vários métodos em desenvolvimento Seleção específica de enzima/tamanho de fragmento Baixo custo e automatizável Descoberta e genotipagem de SNPs Amostragem de 1-20% do genoma = K SNPs Cobertura variável Custo compatível com painéis fixos? Elshire et al Plos

78 Perspectivas Futuras Transição de chips genéricos para chips customizados Custo Otimização para uso em raças específicas Novas tecnologias

79 Testes de Confirmação de Paternidade com SNPs Tecnologia padrão até o momento: microssatélites ~150 SNPs são suficientes para realizar o teste Minimizar custos para o produtor Microssatélites + 50K SNPs?

80 Conversão dos Testes de Confirmação de Paternidade

81 Perspectivas Futuras A avaliação genômica é apenas uma ferramenta! Encurta intervalo de gerações Aumenta acurácia das estimativas do VG MAS, aumenta também potencial de problemas se você escolher os objetivos incorretos Não fez sentido implementar o processo se o setor não fizer uso correto da ferramenta Integração dos resultados das avaliações nos programas de melhoramento (com objetivos bem definidos) Refinamento de modelos de avaliação (BLUP, Métodos Bayesianos)

82 No Brasil Perspectivas Futuras Boas perspectivas de implementação de avaliações genômicas nos programas de avaliação Necessidade de melhor integração da ferramenta com os programas de melhoramento Demanda para índices econômicos Melhor alinhamento dos objetivos de seleção com a estrutura da cadeia produtiva Carne: maciez? Leite: volume total vs sólidos?

83 OBRIGADO!!!