melhoramento genético animal: progressos recentes e...

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

Resumo

• Melhoramento animal

• Prospecção de genes de interesse econômico

• Seleção genômica

• Sequenciamento de genomas

• Perspectivas futuras

Antes da Genomica…

1920: 5.300 kg / Lactação

17.4 kg / Dia

Presente: >16.000 kg / Lactação

>50 kg/ Dia

Aumento de ~200%

O melhoramento animal tradicional

teve um impacto significativo

sobre as cadeias de produção

animal

Melhoramento Animal

~10.000 anos

200 anos

~70 anos

~60 anos

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

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

Avaliação

Genética

Sumário Decisão

Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento

O primeiro capítulo.... (1980s - ~2005) :

Mapeamento de QTL e identificação de genes que controlam características de interesse

P

F1

F2

X

X

QQ qq

Qq Qq

Mapeamento de Genes que Controlam

Características Quantitativas

LOD

1

2

3

4

5

* * *

*

*

* *

*

*

* QTL

1

2

3

4

5 *

* *

* *

* *

* *

*

QT

L

Desenvolvimento de

mais marcadores

Sequenciamento de

Genes Candidatos AGATCAGGCATCTAGCTCTCT

AGATCAGGCATCTAGCTCTCT

AGATCAGGCGTCTAGCTCTCT

AGATCAGGCGTCTAGCTCTCT

AA

GG

Identificação do Gene / Mutação

TESTE

DIAGNÓSTICO

Bovinos Leiteiros

• BLAD

• κ-caseína

• β-lactoglobulina

• DGAT

• Etc.

Bovinos de Corte • GDF8 • Calpaína • Calpastatina • Leptina • DGAT • Etc.

Suínos • ESR • HAL • “Rendement Napole” (RN) • Etc.

Equinos • HYPP • Hair color • SCID • White foal sindrome • Etc.

Painéis de Marcadores No Mercado • Merial – Igenity

– Quantos Genes/SNPs? – % da σa

2 explicada? – Correlação com o verdadeiro valor genético do animal?

• Pfizer – GeneSTAR – GeneSTAR MVPs (Molecular Value Predictions) – Quantos Genes/SNPs? – % da σa

2 explicada? – Correlação com o verdadeiro valor genético do animal?

• Qual é o valor REAL dessas ferramentas para o melhoramento?

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!

Genotipagem de SNPs com Chips de DNA

SNP Chips

• Eficiência

– Dezenas, centenas de milhares de marcadores genotipados em um único ensaio

• Acurácia

• Abundancia / distribuição de marcadores pelo genoma

• Custo

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)

SNP Chips

• Bovinos – Illumina HD, 50K, 3K (6K)

– Affymetrix 600K

• Equinos – Illumina 50K

• Suínos – Illumina 60K

• Ovinos – Illumina 60k

Impactos das novas ferramentas

Perspectivas para o PRESENTE

Impacto das novas tecnologias

• Programas de avaliação e melhoramento animal

– Seleção genômica

• Identificação de genes que afetam características de interesse econômico

Seleção Genômica

Característica: Peso aos 2anos

Parâmetros Genéticos

µ= 450kg

σGa = 8 kg

40kg de efeito GA

+20kg -20kg

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

Avaliação Genética

+50

+30 +20

0

-10

DEP= ½BV = µpop - µprog = +18kg

-50

-30 -10

0

+5

DEP= ½BV = µpop - µprog = -17kg

450kg 550kg

100g

50g

75g

5g

100g

5g

50g

100g

100g

50g

75g

5g

100g

5g

50g 100g

100g

50g

75g

5g

5g

50g

etc . . .

Identificação dos marcadores em regiões que afetam a característica

Divisão do efeito genético em cada região do genoma

Genotipagem de qualquer indivíduo da população

AA

bb

Cc

DD

ee

Ff

Gg

HH

KK

ii

MM

Jj

oo

ll

uu NN

TT

vv

SS

Rr

Pp

Qq

etc . . .

Σ= +10kg Estimativa da “DEP molecular”

% da σa2 explicada ??, acurácia?

-50g

+75g

+5g

-100g

-5g

-50g

+100g

+100g

+100g

-50g

+75g

+5g

-100g

-5g

-50g +100g

+100g

-50g

+75g

+5g

-5g

-50g

etc . . .

Avaliação

Genética

Sumário Decisão

+

Avaliação Genômica

e /ou

Avaliação

Genômica

+

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 = $249 300 + TEMPO Acurácia da GEBV? Corr (EBV, GEBV) ?

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

9th WCGALP, August 2010 (42) Van Tassell and Cole

USDA-ARS-AIPL: animais da raça holandesa genotipados

Date

Young animals** All animals Bulls* Cows* Bulls Heifers

04-10 9,770 7,415 16,007 8,630 41,822

08-10 10,430 9,372 18,652 11,021 49,475

12-10 11,293 12,825 21,161 18,336 63,615

04-11 12,152 11,224 25,202 36,545 85,123

05-11 12,429 11,834 26,139 40,996 91,398

06-11 15,379 12,098 27,508 45,632 100,617

07-11 15,386 12,219 28,456 50,179 106,240

08-11 16,519 14,380 29,090 52,053 112,042

09-11 16,812 14,415 30,185 56,559 117,971

10-11 16,832 14,573 31,865 61,045 124,315

11-11 16,834 14,716 32,975 65,330 129,855

12-11 17,288 17,236 33,861 68,051 136,436

*Traditional evaluation **No traditional evaluation

John Cole, 2012 2011

Ganhos em Acurácia1 por Raça

Trait HO JE BS

Net merit 23 9 3

Milk 23 11 0

Fat 33 15 5

Protein 22 4 1

Fat % 43 41 10

Protein % 34 29 5

1Média de ganho sobre a média dos pais ~35%

Produção e Mérito Líquido(NM$) de touros jovens

Gordon Conference on Quantitative Genetics, Feb. 2009 (44) Paul VanRaden 2009

Acurácias Estimas para Touros Jovens da Raça Holandesa

*Animais sem avaliação tradicional em Abril de 2011

John Cole, 2012 2011

Efeito do tamanho da população de treinamento

Van tassel 2011

Quanto vale um SNP?

Avaliação com painel de SNP: ~34 filhas (produção de proteína, h2 = 0,30)

Avaliação com painel de SNP: ~131 filhas (taxa de prenhes, h2 = 0,04)

• Informação de pedigree: ~7 filhas

Impacto das novas tecnologias

• Programas de avaliação e melhoramento animal

– Seleção genômica

• Identificação de genes que afetam características de interesse econômico

Clonagem Posicional

• 1988 – Fibrose Cística em humanos (10 anos)

• 1997 – Musculatura dupla (GDF8) em bovinos (2 anos)

• 2008 - Curly Calf Sindrome (Artrogripose Multiplex) (2 semanas)

Net Merit

VanRaden et al. 2009

Resistência ao carrapato

Cardoso et al. 2012

2011

O que está em andamento na Embrapa?

PC6

PC4

PC5 Projeto de

pesquisa e

Projeto de

pesquisa f

Projeto de

pesquisa a

Projeto de

pesquisa ..

Projeto de

pesquisa z

Projeto de

pesquisa b

Projeto de

pesquisa c

Projeto de

pesquisa d

Ferramentas

de

Bioinfómatica

e Estatísticas

PC2 e 3

● 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

INPUT ● 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

PRODUTOS

Rede Genômica Animnal

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

Rede Genômica Animnal

http://www.macroprograma1.cnptia.embrapa.br/GenomicaAnimal

MP2 – Seleção Genômica para Resistência ao Carrapato

Líder: Fernando Cardoso, CPPSUL

• Contagem de carrapatos em mais de 4.000 animais (>8000 contagens)

• DNA coletado e processado

• Genotipagem de 2000 animais em 2011

Resultados

SNPs effects for tick resistance (GWAS)

MP2 – Seleção Genômica em Suínos

Líder: Monica Ledur

• Genotipagem de 2500 animais

• Captação de recursos: CNPq/GENOPROT

• Dados: – Crescimento

– Eficiência Alimentar

– Qualidade de carne e carcaça

– Reprodução

• Desenvolvimento conjunto / Transferência

MP2 – Seleção Genômica em Suínos

MP2 – Seleção Genômica em Raças Leiteiras

• Avaliação genética de raças leiteiras

– Holandês, Gir, Girolando, Guzerat

• Implementação da SG nos programas

– Gir

– Girolando

– Guzer

• Genotipagem de 5,000-10,000 animais

Líder: Marcos Vinícius Silva

MP2 – Seleção Genômica Nelore

• 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 10.000 animais

Líder: Luiz Otávio Campos da Silva

Laboratório Multiusuário de Bioninformática

http://www.agropediabrasilis.cnptia.embrapa.br/web/lmb/home

Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento

O terceiro capítulo: a utilização de painéis de SNP de baixa densidade para imputação

Illumina chips are [mostly] nested

Bovine HD (700K)

Bovine SNP50 (50K)

Bovine LD (3K)

Missing 5,264 V2 markers

Missing 76 3K markers

Missing 7,352 SNP50 markers

50K is missing 14 3K markers

9th WCGALP, August 2010 (68) Van Tassell and Cole

~$200

~$70

~$20

• 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: 22121

– 25 SNP: 2122121112112112111212211

Como Funciona a Imputação?

Touros

Animais Avaliados

Animais sem avaliação e vacas

Chip HD chip / Sequencia

90-50k chip / HD chip

3-10K chip

6K SNPs

Aplicação de Ferramentas Moleculares no Melhoramento

O quarto capítulo: perspectivas futuras

1950: Previsão do que seria um PC...

10.000 anos

200 anos

~70 anos

~60 anos

~60 anos

Abril 2003

2009

SEQUENCIAMENTO DE NOVA GERACAO

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.

Re-Sequenciamento de Genomas

2009

2011

… e vários outros a caminho…

2012

No Brazil

Genoma Minas: Guzerat e Gir

No Brazil

Brasil, EUA e Itália: Unesp conclui o genoma do Nelore ABCZ - Laura Pimenta (editado por Melissa Miziara - CIGB) Agosto 2011

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

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 = 10-500K SNPs

• Cobertura variável • Custo compatível com painéis

fixos?

Elshire et al. 2011 Plos

Perspectivas Futuras

• Transição de chips “genéricos” para chips customizados

– Custo

– Otimização para uso em raças específicas

– Novas tecnologias

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?

Conversão dos Testes de Confirmação de Paternidade

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)

Perspectivas Futuras • No Brasil

• 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?

OBRIGADO !!!

alexandre.caetano@embrapa.br