caetano workshop poa mp2 sg carrapato

Ferramentas genmicas aplicadas no melhoramento gentico animal: progressos

recentes e perspectivas futuras

Workshop Internacional para Seleo Genmica em Bovinos de Corte

Alexandre Rodrigues Caetano, Ph.D.

Embrapa Recursos Genticos e Biotecnologia

Resumo

Melhoramento animal

Prospeco de genes de interesse econmico

Seleo genmica

Sequenciamento de genomas

Perspectivas futuras

Antes da Genomica

1920: 5.300 kg / Lactao

17.4 kg / Dia

Presente: >16.000 kg / Lactao

>50 kg/ Dia

Aumento de ~200%

O melhoramento animal tradicional

teve um impacto significativo

sobre as cadeias de produo

animal

Melhoramento Animal

~10.000 anos

200 anos

~70 anos

~60 anos

Teste de Prognie

Fentipo medido nas filhas

Tempo Necessrio:

Nascimento do bezerro

Smen = ~1 a 1,5 anos

Gestao = 9 meses

Primeiro cio da filha = ~1 a 1,5 anos

Gestao = 9 meses

Primeiro controle leiteiro = 1ms

TOTAL = ~5 (8) anos

Melhoramento Animal

Resultados obtidos extremante importantes para a produo animal

Aumento na produtividade/eficincia

Melhoria na qualidade dos produtos

Processo no gera informao sobre mecanismos biolgicos envolvidos

Maiores dificuldades com caractersticas de difcil mensurao / baixa herdabilidade

Avaliao

Gentica

Sumrio Deciso

Aplicao de Ferramentas Moleculares no Melhoramento

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

Mapeamento de QTL e identificao de genes que controlam caractersticas de interesse

P

F1

F2

X

X

QQ qq

Qq Qq

Mapeamento de Genes que Controlam

Caractersticas 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

Identificao do Gene / Mutao

TESTE

DIAGNSTICO

Bovinos Leiteiros

BLAD

-casena

-lactoglobulina

DGAT

Etc.

Bovinos de Corte GDF8 Calpana Calpastatina Leptina DGAT Etc.

Sunos ESR HAL Rendement Napole (RN) Etc.

Equinos HYPP Hair color SCID White foal sindrome Etc.

Painis de Marcadores No Mercado Merial Igenity

Quantos Genes/SNPs? % da a

2 explicada? Correlao com o verdadeiro valor gentico do animal?

Pfizer GeneSTAR GeneSTAR MVPs (Molecular Value Predictions) Quantos Genes/SNPs? % da a

2 explicada? Correlao com o verdadeiro valor gentico do animal?

Qual o valor REAL dessas ferramentas para o melhoramento?


O segundo captulo - a era ps sequenciamento genmico (2008) :

Novas tecnologias de genotipagem impactaram significativamente a integrao da genmica com o melhoramento animal!

Genotipagem de SNPs com Chips de DNA

SNP Chips

Eficincia

Dezenas, centenas de milhares de marcadores genotipados em um nico ensaio

Acurcia

Abundancia / distribuio de marcadores pelo genoma

Custo

Microsatlites vs SNPs

Mapa tpico com microsatlites

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 indivduo (terceirizado)

SNP Chips

Bovinos Illumina HD, 50K, 3K (6K)

Affymetrix 600K

Equinos Illumina 50K

Sunos Illumina 60K

Ovinos Illumina 60k

Impactos das novas ferramentas

Perspectivas para o PRESENTE

Impacto das novas tecnologias

Programas de avaliao e melhoramento animal

Seleo genmica

Identificao de genes que afetam caractersticas de interesse econmico

Seleo Genmica

Caracterstica: Peso aos 2anos

Parmetros Genticos

= 450kg

Ga = 8 kg

40kg de efeito GA

+20kg -20kg

40kg de efeito gentico aditivo

400 genes controlam a caracterstica?

60 mil marcadores (1 marcador / 50kbp)

Estimativa do efeito de cada marcador/gene na caracterstica com uma

populao controlada

Avaliao Gentica

+50

+30 +20

0

-10

DEP= BV = pop - prog = +18kg

-50

-30 -10

0

+5

DEP= BV = pop - prog = -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 . . .

Identificao dos marcadores em regies que afetam a caracterstica

Diviso do efeito gentico em cada regio do genoma

Genotipagem de qualquer indivduo da populao

AA

bb

Cc

DD

ee

Ff

Gg

HH

KK

ii

MM

Jj

oo

ll

uu NN

TT

vv

SS

Rr

Pp

Qq

etc . . .

= +10kg Estimativa da DEP molecular % da a

2 explicada ??, acurcia?

-50g

+75g

+5g

-100g

-5g

-50g

+100g

+100g

+100g

-50g

+75g

+5g

-100g

-5g

-50g +100g

+100g

-50g

+75g

+5g

-5g

-50g

etc . . .

Avaliao

Gentica

Sumrio Deciso

+

Avaliao Genmica

e /ou

Avaliao

Genmica

+

Fazendo as Contas

Custo de testar um touro (leite) = US$50K

nessrio 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 Acurcia da GEBV? Corr (EBV, GEBV) ?

Progeny Tested Bull O-Man

Doses de smen ~200,000 unidades/ ano

Preo: US$40 / unidade

Faturamento > US$5 milhes / ano

40,144 filhas em lactao

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

USDA-ARS-AIPL: animais da raa 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 Acurcia1 por Raa

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

1Mdia de ganho sobre a mdia dos pais ~35%

Produo e Mrito Lquido(NM$) de touros jovens

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

Acurcias Estimas para Touros Jovens da Raa Holandesa

*Animais sem avaliao tradicional em Abril de 2011

John Cole, 2012 2011

Efeito do tamanho da populao de treinamento

Van tassel 2011

Quanto vale um SNP?

Avaliao com painel de SNP: ~34 filhas (produo de protena, h2 = 0,30)

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

Informao de pedigree: ~7 filhas

Impacto das novas tecnologias

Programas de avaliao e melhoramento animal

Seleo genmica

Identificao de genes que afetam caractersticas de interesse econmico

Clonagem Posicional

1988 Fibrose Cstica 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

Resistncia ao carrapato

Cardoso et al. 2012

O que est 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

Bioinfmatica

e Estatsticas

PC2 e 3

Expertise multidisciplinar para construo

e utilizao de ferramentas e metodologias

centrais

Experimentos de alta complexidade com

dados e amostras j coletados

Novas tecnologias e metodologias a

serem internalizadas e incorporadas a

atividades em andamento

INPUT Acesso a novas plataformas tecnolgicas

e metodologias

Obteno de resultados e conhecimentos

estratgicos para experimentos de alta

complexidade j em andamento

Estabelecimento de uma rede de

competncias para execuo de novos

projetos

PRODUTOS

Rede Genmica Animnal

Instituies Participantes

1. Embrapa Gado de Corte 2. Embrapa Gado de Leite 3. Embrapa Pecuria Sudeste 4. Embrapa Pecuria Sul 5. Embrapa Informtica

Agropecuria 6. Embrapa Recursos Genticos

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 Agncia Paulista de

Tecnologia do Agronegcio 18.UFSCAR 19.USP-ESALQ

Participao de 78 pesquisadores

Rede Genmica Animnal

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

MP2 Seleo Genmica para Resistncia ao Carrapato

Lder: 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 Seleo Genmica em Sunos

Lder: Monica Ledur

Genotipagem de 2500 animais

Captao de recursos: CNPq/GENOPROT

Dados: Crescimento

Eficincia Alimentar

Qualidade de carne e carcaa

Reproduo

Desenvolvimento conjunto / Transferncia

MP2 Seleo Genmica em Sunos

MP2 Seleo Genmica em Raas Leiteiras

Avaliao gentica de raas leiteiras

Holands, Gir, Girolando, Guzerat

Implementao da SG nos programas

Gir

Girolando

Guzer

Genotipagem de 5,000-10,000 animais

Lder: Marcos Vincius Silva

MP2 Seleo Genmica Nelore

Implementao da Seleo Genmica no programa de avaliao do Nelore liderado pelo CNPGC

Foco em caracterscas reprodutivas e de qualidade de carne e carcaa

Genotipagem de 5 a 10.000 animais

Lder: Luiz Otvio Campos da Silva

Laboratrio Multiusurio de Bioninformtica

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


O terceiro captulo: a utilizao de painis de SNP de baixa densidade para imputao

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

Identificao dos hapltipos existentes na populao utilizando o nmero mximo de marcadores

Rastrear os hapltipos identificados utlizando um conjunto mnimo de marcadores

Exemplo: usando 5 SNPs para reastrear 25 SNP 5 SNP: 22121

25 SNP: 2122121112112112111212211

Como Funciona a Imputao?

Touros

Animais Avaliados

Animais sem avaliao e vacas

Chip HD chip / Sequencia

90-50k chip / HD chip

3-10K chip

6K SNPs


O quarto captulo: perspectivas futuras

1950: Previso 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 mutaes causativas vs SNPs em L.D.

Re-Sequenciamento de Genomas

2009

2011

e vrios outros a caminho

2012

No Brazil

Genoma Minas: Guzerat e Gir

No Brazil

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

MP2 - Rede de Seqenciamento de Genomas

Desenvolvimento de capacidade para sequenciar, montar e analisar genomas Genotipagem por sequenciamento Integrao com os programas de avaliao e melhoramento da Embrapa

Genotipagem por Sequenciamento

Vrios mtodos em desenvolvimento

Seleo especfica de enzima/tamanho de fragmento

Baixo custo e automatizvel Descoberta e genotipagem de

SNPs Amostragem de 1-20% do

genoma = 10-500K SNPs

Cobertura varivel Custo compatvel com painis

fixos?

Elshire et al. 2011 Plos


Transio de chips genricos para chips customizados

Custo

Otimizao para uso em raas especficas

Novas tecnologias

Testes de Confirmao de Paternidade com SNPs

Tecnologia padro at o momento: microssatlites

~150 SNPs so suficientes para realizar o teste

Minimizar custos para o produtor

Microssatlites + 50K SNPs?

Converso dos Testes de Confirmao de Paternidade


A avaliao genmica apenas uma ferramenta! Encurta intervalo de geraes Aumenta acurcia das estimativas do VG MAS, aumenta tambm potencial de problemas se voc

escolher os objetivos incorretos

No fez sentido implementar o processo se o setor no fizer uso correto da ferramenta

Integrao dos resultados das avaliaes nos programas de melhoramento (com objetivos bem definidos)

Refinamento de modelos de avaliao (BLUP, Mtodos Bayesianos)

Perspectivas Futuras No Brasil

Boas perspectivas de implementao de avaliaes genmicas nos programas de avaliao

Necessidade de melhor integrao da ferramenta com os programas de melhoramento

Demanda para ndices econmicos

Melhor alinhamento dos objetivos de seleo com a estrutura da cadeia produtiva

Carne: maciez?

Leite: volume total vs slidos?

OBRIGADO !!!

[email protected]

caetano workshop poa mp2 sg carrapato

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