Post on 08-Nov-2015
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?
Aplicao de Ferramentas Moleculares no 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
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
2011
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
Aplicao de Ferramentas Moleculares no Melhoramento
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
Aplicao de Ferramentas Moleculares no Melhoramento
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
Perspectivas Futuras
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
Perspectivas Futuras
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 !!!
alexandre.caetano@embrapa.br