Evaluation of the genetic progress and changes in genome structure of sheep under community-based breeding programs in Ethiopia

Abstract

[ES] Desde 2009 se establecieron varios programas piloto de cría basados en la comunidad (CBBPs) para varias razas de ovejas en Etiopía. El rasgo de selección principal para los CBBPs fue el peso a los seis meses (SMWT), el cual fue identificado a través de enfoques participativos. El propósito de este estudio fue el análisis de los resultados de los CBBPs en dos razas, Bonga y Menz. Para ello, se realizaron estudios genéticos y genómicos. Para el primero, la estima de la correlación entre la selección basada en fenotipos y BLUP-EBV, evaluación del efecto de la selección (SMWT sobre otros rasgos productivos y reproductivos), y cuantificación de la tendencia genética. Se recopilaron 10877 registros de corderos para Bonga y 16245 para Menz entre 2009 y 2018. Los datos de rendimiento de los programas de cría se analizaron utilizando el método de máxima verosimilitud restringida de información promedio (AI-REML). En los estudios genómicos, se evaluó la diversidad genómica, la estructura de la población, y la selección genómica entre las razas de ovejas Menz y Bonga. Se muestrearon un total de 182 animales de las dos razas en rebaños participantes y no participantes en los CBBPs y se utilizó un genotipado de SNP de alta densidad 600K. Las estimas de heredabilidad para Menz, fueron de 0.04, 0.18 y 0.39 para peso al nacimiento (BWT), peso al destete (WWT) y SMWT, respectivamente. Mientras que, para Bonga, los valores correspondientes fueron 0.17, 0.42 y 0.32. Las correlaciones genéticas para Menz fueron de 0.90, 0.53 y 0.88 entre SMWT y WWT, SMWT y YWT, y WWT y BWT, respectivamente. Mientras que para Bonga, las correlaciones genéticas fueron de 0.97 entre SMWT y WWT, y 0.42 entre el tamaño de la camada (LS) y SMWT. A lo largo de los años, hubo un progreso genético sostenido en SMWT para ambas razas, siendo en promedio 0.12 ± 0.022 y 0.04 ± 0.003 kg /año para Bonga y Menz, respectivamente. No se observó progreso genético para BWT en Bonga, pero si un aumento significativo en Menz. Para ambas razas, el WWT mostró un aumento significativo, alcanzando 0.09 ± 0.012 y 0.02 ± 0.018 kg /año para Bonga y Menz, respectivamente. Teniendo en cuenta que no hubo selección directa de WWT en las parvadas de la comunidad, el aumento de peso calculado se debe a respuestas correlacionadas. La tendencia genética de LS a lo largo de los años en Bonga fue positiva y significativa (P <0,01). En los análisis genómicos, en Menz, la heterocigosidad observada HO y la heterocigosidad esperada HE fueron de 0.31 y 0.32. En Bonga se obtuvo un valor similar, siendo este de 0.3 para HO y HE. La diferenciación poblacional por pares (FST) promedio entre las dos razas fue de 0.083% (variando de 0.078% a 0.087%), lo que indica una diferenciación entre baja y moderada. La FST dentro de la misma raza pero entre CBBPs y animales de control fue del 0,007%. Los análisis de PCA y ADMIXTURE revelaron un patrón de agrupamiento de las dos razas de ovejas según su distribución geográfica. Las regiones genómicas bajo selección putativa identificadas mediante enfoques FST revelaron genes asociados con la adaptación al medio ambiente, el metabolismo, la respuesta inmune, rasgos de crecimiento y reproducción. Los resultados de este estudio sugieren que es posible el desarrollo de esquemas alternativos óptimos de mejora y difusión para las ovejas Menz y Bonga, y un esquema modelo para otras razas de ovejas. Aunque preliminares, los hallazgos genómicos pueden representar en el futuro un gran avance en la mejora del diseño de CBBP para mejorar el rendimiento de las razas locales de ovejas en Etiopía.

[EN] Several pilot community-based breeding programs (CBBPs) were established since 2009 for various sheep breeds in Ethiopia. In these CBBPs, the main selection trait identified through participatory approaches was six months weight (SMWT). The purpose of this study was to contribute to an understanding of the results of CBBP practices for two breeds (Bonga and Menz) by addressing (i) Estimation of the correlation between phenotypic based selection and BLUP-EBV; (ii) Assessment of the effect of selection based on SMWT on other productive and reproductive traits; (iii) Quantification of genetic trend for growth traits; and (iv) Screening for genomic changes induced by CBBPs. Data of 10877 lamb records for Bonga and 16245 for Menz were collected between 2009 and 2018. Performance data from the breeding programs were analysed using Average Information Restricted Maximum Likelihood method (AI-REML). For Menz, heritability estimates of 0.04, 0.18 and 0.39 were obtained for Birth Weight (BWT), Weaning weight (WWT) and (SMWT), respectively. for Bonga, corresponding values were 0.17, 0.42 and 0.32. For Menz, genetic correlation estimates of 0.90, 0.53 and 0.88 were obtained between SMWT and WWT, SMWT and YWT and WWT and BWT, respectively. For Bonga, high to moderate genetic correlations of 0.97 and 0.42 were obtained between SMWT and WWT and litter size (LS) and SMWT, respectively. Over the years, there was a sustained genetic progress in SMWT for both breeds, being in average 0.12 ± 0.022 and 0.04 ± 0.003 kg/year for Bonga and Menz, respectively. Genetic progress in BWT was not observed in Bonga, but a significant increase occurred in Menz. For both breeds, WWT showed a significant increase reaching 0.09 ± 0.012 and 0.02 ± 0.018 kg/year for Bonga and Menz, respectively. Considering that there was no direct selection on WWT in the community flocks, the calculated increased weights are due to correlated responses. The genetic trend for LS over the years in Bonga was positive and significant (P < 0.01). To understand how selection on weight traits impacted the genomic structure, we assessed genomic diversity, population structure, and genomic selection among Menz and Bonga sheep breeds using 600K high density SNP genotyping. A total of 182 animals of the two breeds were sampled from participating and non-participating flocks in CBBPs. In Menz, the observed heterozygosity HO and Expected heterozygosity HE were 0.31 and 0.32, respectively while for Bonga, a lower similar value of 0.3 was calculated for HO and HE. The average pairwise population differentiation (FST) between the two breeds was 0.083%, ranging from 0.078% to 0.087%, indicating their low to moderate differentiation. The FST within the same breed but between CBBP and control animals was 0.007%. PCA and ADMIXTURE analyses revealed a clustering pattern of the two sheep breeds according to their geographical distribution. The genomic regions under putative selection identified by FST approaches revealed genes associated with adaptation to environments, metabolism, immune responses, growth and reproduction traits. Outputs of this study are to be used to develop optimum alternative improvement and dissemination schemes for Menz and Bonga sheep and a model scheme for other sheep breeds. Though preliminary, the genomic findings may represent in the future a breakthrough in improving the design of CBBP¿s for increased performance of local sheep breeds in Ethiopia.

[CA] Des de 2009 es van establir diversos programes pilot de cria basats en la comunitat (CBBP) per a diverses races d'ovelles a Etiòpia. En estos CBBPs, el tret de selecció principal identificat a través d'enfocaments participatius va ser el pes de sis mesos (SMWT). El propòsit d'este estudi va ser contribuir a la comprensió dels resultats de les pràctiques de CBBP per a dos races (Areca i Menz) a l'abordar (i) l'estimació de la correlació entre la selecció basada en fenotípics i BLUP-EBV; (ii) Avaluació de l'efecte de la selecció basada en SMWT sobre altres trets productius i reproductius; (iii) Quantificació de la tendència genètica dels trets de creixement; i (iv) Detecció de canvis genòmics induïts per CBBP. Les dades de 10877 registres de corders per a Areca i 16245 per a Menz es van recopilar entre 2009 i 2018. Les dades de rendiment dels programes de cria es van analitzar utilitzant el mètode de màxima probabilitat restringida d'informació mitjana (AI-REML). Per a Menz, es van obtindre estimacions d'heredabilidad de 0,04, 0,18 i 0,39 per al pes al nàixer (BWT), el pes al deslletament (WWT) i (SMWT), respectivament. Per a Areca, els valors corresponents van ser 0,17, 0,42 i 0,32. Per a Menz, es van obtindre estimacions de correlació genètica de 0,90, 0,53 i 0,88 entre SMWT i WWT, SMWT i YWT i WWT i BWT, respectivament. Per a Areca, es van obtindre correlacions genètiques altes a moderades de 0.97 i 0.42 entre SMWT i WWT i la grandària de la ventrada (LS) i SMWT, respectivament. Al llarg dels anys, va haver-hi un progrés genètic sostingut en SMWT per a ambdós races, sent com a mitjana 0,12 ± 0,022 i 0,04 ± 0,003 kg / any per a Areca i Menz, respectivament. No es va observar progrés genètic en BWT en Areca, però es va produir un augment significatiu en Menz. Per a ambdós races, el WWT va mostrar un augment significatiu aconseguint 0.09 ± 0.012 i 0.02 ± 0.018 kg / any per a Areca i Menz, respectivament. Tenint en compte que no va haver-hi selecció directa de WWT en les parvadas de la comunitat, l'augment de pes calculat es deu a respostes correlacionades. La tendència genètica de LS al llarg dels anys en Areca va ser positiva i significativa (P <0,01). Per a comprendre com la selecció dels trets de pes va afectar l'estructura genòmica, avaluem la diversitat genòmica, l'estructura de la població i la selecció genòmica entre les races d'ovelles Menz i Areca utilitzant el genotipatge de SNP d'alta densitat 600K. Es muestrearon un total de 182 animals de les dos races dels ramats participants i no participants en les broques. En Menz, l'heterocigosidad observada HO i l'heterocigosidad esperada HE van ser 0,31 i 0,32, respectivament, mentres que per a Areca, es va calcular un valor semblant inferior de 0,3 per a HO i HE. La diferenciació poblacional per parixes (FST) mitjana entre les dos races va ser de 0.083%, variant de 0.078% a 0.087%, la qual cosa indica la seua diferenciació baixa a moderada. La FST dins de la mateixa raça però entre CBBP i animals de control va ser del 0,007%. Les anàlisis de PCA i ADMIXTURE van revelar un patró d'agrupament de les dos races d'ovelles segons la seua distribució geogràfica. Les regions genòmiques baix selecció putativa identificades per mitjà d'enfocaments FST van revelar gens associats amb l'adaptació als entorns, el metabolisme, les respostes immunitàries, els trets de creixement i reproducció. Els resultats d'este estudi s'utilitzaran per a desenrotllar esquemes alternatius òptims de millora i difusió per a les ovelles Menz i Areca i un esquema model per a altres races d'ovelles. Encara que preliminars, les troballes genòmiques poden representar en el futur un gran avanç en la millora del disseny de CBBP per a millorar el rendiment de les races locals d'ovelles a Etiòpia.