Identificación de regiones genómicas asociadas a caracteres correlacionados con la capacidad fecundante de toros Holstein

Abstract

La sostenibilidad de las granjas lecheras está en riesgo debido a la disminución en la eficiencia reproductiva de las vacas con altas tasas de producción de leche en todo el mundo. El componente de la vaca de la fertilidad se ha incluido en los programas de mejora genética como un objetivo de selección. Sin embargo, la fertilidad masculina se ha considerado en menor medida. La identificación temprana de toros infértiles o subfértiles es de gran importancia económica para los centros de inseminación artificial (IA), lo que podría lograrse mediante la identificación de marcadores moleculares que definen la subfertilidad y el genotipo de los toros al nacer. El objetivo de este estudio fue identificar polimorfismos de único nucleótido (SNP) asociados significativamente a la evaluación fenotípica de la fertilidad del toro y los parámetros de calidad del semen y analizar la base genómica de las correlaciones genéticas entre la calidad seminal y la fertilidad masculina. Los fenotipos incluidos fueron de 715 animales con fertilidad del toro medida como éxito en la IA (EAI); 431 toros con registros de motilidad post-descongelación (PTM), motilidad individual (IM), motilidad masiva (MM), concentración (CON), número de espermatozoides (NSPZ) y volumen (VOL); y 199 toros con datos de tasa de fragmentación del ADN espermático a las 0 y 6 horas (SDF 0/6). Se han utilizado en el estudio los genotipos de Illumina BovineSNP50 de 754 toros que tienen uno o más de los fenotipos. Los SNP se editaron en su frecuencia de alelo menor (> 0,0001) y call rate (> 0,95). El análisis de asociación se basa en un modelo lineal mixto que considera el efecto de cada SNP que se testa para la asociación y un efecto aditivo poligénico para estimar el efecto de los SNPs para cada uno de los rasgos examinados. El método Benjamini y Hochberg para controlar FDR al 10% se utilizó para determinar los SNP con señales relevantes para cada rasgo. En general, se descubrieron 52 SNP que proporcionan señales significativas para todos los rasgos analizados. Los SNP asociados con EAI, PTM, SDF0 y SDF6 están cerca o dentro de (ventana de 1 Mb) genes con funciones biológicas implicadas en la reproducción, como el gen CD3E (CD3E), caspasa 4 gen (CASP4), factor de crecimiento derivado de plaquetas D gen (PDGFD) y el gen de la proteína de unión al ARN perinuclear espermático (STRBP) que participa en la generación de gametos en el proceso de espermatogénesis. A pesar de las correlaciones genéticas observadas entre los rasgos de calidad seminal y la fertilidad del toro, estos fenotipos no mostraron SNP significativamente asociados en común. Sin embargo, se definieron bloques de desequilibrio de ligamiento moderado entre ellos. A partir de un análisis de interacción de subredes, se encontró interacción reguladora o participación en el mismo proceso o vía para genes asociados con SNP significativos para diferentes fenotipos, lo que demuestra que existe una relación existente entre estos fenotipos. Una prueba de efectos pleiotrópicos entre los SNP significativos asociados con la calidad del semen y los fenotipos de fertilidad del toro mostró solo tres SNPs pleiotrópicos asociado con la motilidad individual, la motilidad masiva y la fragmentación del ADN espermático. Se necesitan más datos genómicos y fenotípicos para analizar con más detalle y confirmar la relación genómica entre los rasgos de calidad del semen y la fertilidad del toro para mejorar la fertilidad en vacas lecheras y facilitar la identificación de machos viables en los Centros de Inseminación Artificial.

The sustainability of dairy farms is at risk due to the decline in the reproductive efficiency of cows with high rates of milk production throughout the world. The cow component of fertility has been included in the genetic improvement programs as a selection goal. However, male fertility has been considered to a lesser extent. Early identification of infertile or subfertile bulls is of large economic importance for artificial insemination (AI) centers, which could be achieved by the identification of molecular makers defining subfertility and genotyping of bulls at birth. The objective of this study was to identify single nucleotide polymorphisms (SNPs) significantly associated to the phenotypic evaluation of bull fertility and semen quality parameters and analyze the genomic base of genetic correlations between seminal quality and male fertility. Phenotypes included were from 715 animals with male fertility measured as success at AI (EAI); 431 bulls with records of post-thawing motility (PTM), individual motility (IM), mass motility (MM), concentration (CON), number of spermatozoa (NSPZ) and volume (VOL); and 199 bulls with data of rate of sperm DNA fragmentation at 0 and 6 hours (SDF 0/6). Genotypes of the Illumina BovineSNP50 bead chip of 754 bulls having one or more of the phenotypes have been used in the study. SNPs were edited on their minor allele frequency (>0.0001) and call rate (>0.95). Analysis of association based on a linear mixed model that considers the effect of each SNP to be tested for association and an additive polygenic effect was used to estimate the effect of markers for each of the examined traits. The Benjamini and Hochberg method to control FDR at 10% was used to determine the SNPs with relevant signals for each trait. Overall, 52 SNPs providing significant signals for all the traits analyzed were discovered. The SNPs associated with EAI, PTM, SDF0 and SDF6 are in or near (within a 1Mb window) genes with biological functions involved in reproduction, such as CD3E gene (CD3E), caspase 4 gen (CASP4), platelet-derived growth factor D gene (PDGFD) and spermatid perinuclear RNA-binding protein gene (STRBP) that participates in the gamete generation in spermatogenesis process. Despite the observed genetic correlations between seminal quality traits and male fertility, these phenotypes did not show significantly associated SNPs in common. However, blocks of moderate linkage disequilibrium between them were defined. From a subnetwork interaction analysis, regulatory interaction or participation in the same process or pathway was found for genes associated with significant SNPs for different phenotypes, which demonstrates that existing relationship among traits. A test for pleiotropic effects between significant SNPs associated with seminal quality and male fertility phenotypes showed only three pleiotropic SNP associated with individual motility, mass motility, and sperm DNA fragmentation. More genomic and phenotypic data is necessary to analyze with more detail and confirm the genomic relationship between seminal quality traits and male fertility to improve the fertility in dairy cattle and facilitate identify viable male in Artificial Insemination Centres.