Pedigree and genomic information for horse breeding and genetic diversity conservation

Abstract

Riassunto: Tra le numerose sfide che l'industria equina è stata chiamata ad affrontare negli ultimi decenni, due importanti questioni sono tuttora oggetto di dibattito: I) come affrontare la perdita di diversità genetica nelle razze autoctone a limitata diffusione e II) come introdurre l’innovazione portata dalle nuove tecnologie molecolari nel settore dell'allevamento equino. La maggior parte delle razze equine sono oggigiorno utilizzate per attività sportive e amatoriali e diverse razze autoctone, tradizionalmente impiegate in agricoltura, sono a rischio di riduzione della loro numerosità, con conseguente perdita di diversità genetica. La perdita di diversità genetica provoca una diminuzione del fitness a livello individuale, ma presenta anche un effetto estremamente negativo sulla capacità di sopravvivenza di una popolazione nel lungo termine. Questa ricerca di dottorato ha avuto perciò lo scopo di monitorare la perdita di diversità genetica nelle razze locali equine, proponendo uno studio sulla diversità genetica e prendendo come caso studio una razza equina autoctona italiana (Sfida # 1, Caso studio: Cavallo Bardigiano). Il cavallo Bardigiano è una razza autoctona italiana allevata principalmente in contesti rurali, e tradizionalmente utilizzata in agricoltura. Le dimensioni relativamente ridotte di questa popolazione e la presenza di un libro genealogico chiuso evidenziano l’importanza del monitoraggio della diversità genetica. In questo dottorato è stata pertanto studiata la diversità genetica nel cavallo Bardigiano sulla base di dati sia genealogici che molecolari. I dati genealogici analizzati contenevano 9469 cavalli, di cui 3416 vivi. In questa ricerca di dottorato sono stati stimati parametri demografici e genetici su diverse sottopopolazioni all’interno della razza per valutare potenziali differenze genetiche tra, ad esempio, animali da riproduzione e non da riproduzione, cavalli con meriti genetici differenti (EBVs) oppure allevati in aree geografiche diverse. Sulla base dei dati genealogici, la consanguineità è aumentata costantemente dalla prima generazione analizzata in questo studio (1975-1983), raggiungendo nella più recente generazione un valore medio pari a 0,10. Il tasso di consanguineità per generazione, ipotizzando un intervallo medio di generazione di 8,74 anni, è risultato uguale all'1,64%. Inoltre, sono state evidenziate differenze significative sia sulla parentela media che sulla consanguineità tra i cavalli con EBVs alti e bassi. Nel corso di questo dottorato, sono stati inoltre genotipizzati 89 cavalli Bardigiani con un pannello a media densità (70k SNPs), che hanno permesso di comprendere ulteriormente la perdita di variabilità genetica nella razza e individuare potenziali segni di selezione. La numerosità effettiva della popolazione basata sul Linkage Disequilibrium (Ne) è risultata pari a 39 cavalli e ha mostrato una diminuzione costante nel tempo. La consanguineità media basata sulle cosiddette “Runs of Homozygosity” (ROH), è stata pari a 0,17 (SD = 0,03). La maggior parte delle ROH presenta una lunghezza relativamente breve (il 91% aveva lunghezza pari o inferiore a 2 Mbp), evidenziando la presenza di “colli di bottiglia” avvenuti nella popolazione nelle scorse generazioni. Sono state trovate in totale otto “ROH islands”, ovvero ROH condivise in oltre il 70% dei cavalli Bardigiani testati. Quattro di queste “ROH islands” sono localizzate in prossimità di QTL (quantitative trait loci), conosciuti per la loro importanza riguardo caratteri morfologici (ad es. altezza al garrese e colore del mantello) e suscettibilità ad alcune patologie. Il lavoro svolto durante questo dottorato ha approfondito la diversità genetica nel cavallo Bardigiano sia attraverso informazioni di pedigree che genomiche, evidenziando la necessità di implementazione di nuove strategie per il monitoraggio della diversità genetica finalizzate a garantire la sopravvivenza a lungo termine di questa razza. Questa ricerca di dottorato ha inoltre contribuito a comprendere il background genetico dei caratteri legati alle performance nei cavalli sportivi mediante l’analisi di dati genomici (Sfida # 2, caso studio: Cavallo a Sangue Caldo Svedese). Grazie alla collaborazione con la Prof.ssa Sofia Mikko e la Prof.ssa Susanne Eriksson dell'Università Svedese di Scienze Agrarie (Uppsala, Svezia), sono stati analizzati dati genomici di cavalli Svedesi a Sangue Caldo (SWB) al fine di identificare regioni genomiche coinvolte in caratteri legati alle prestazioni sportive. In questo studio sono state rilevate regioni genomiche con bassa variabilità, e quindi potenzialmente sotto selezione, in 380 cavalli SWB analizzando dati genomici ad alta densità (670k). Per verificare se tali regioni genomiche fossero il risultato della selezione per prestazioni sportive, i risultati ottenuti nei cavalli SWB sono stati confrontati con quelli ottenuti in una razza non selezionata per performance sportive (Exmoor pony). Inoltre, poiché è sempre più comune avere allevamenti specializzati nei confronti di una specifica disciplina equestre specifica (p.es: salto ostacoli o dressage), questa ricerca di dottorato ha esplorato la struttura genomica dei cavalli SWB per valutare la presenza di eventuali sottopopolazioni e cercare segni di selezione in sottogruppi di cavalli SWB con meriti genetici alti e bassi (EBV) per il salto ostacoli. L’analisi delle ROH ha identificato ROH con lunghezza superiore a 500 kbp, condivise in più dell'85% degli individui SWB genotipizzati. Tali ROH sono localizzate nei seguenti cromosomi: ECA4, ECA6, ECA7, ECA10 e ECA17. Al contrario, le ROH identificate nei pony Exmoor sono distribuite uniformemente nel genoma nel 77% dei cromosomi. Due test di genetica delle popolazioni (Fst e XP-EHH) hanno rilevato potenziali segni di selezione su ECA1, ECA4 e ECA6 nei cavalli SWB. Nel complesso, da questo studio è emerso che geni relativi al comportamento, a capacità fisiche e alla fertilità, sembrano essere obiettivi di selezione nella razza SWB. Per valutare la potenziale stratificazione e la presenza di eventuali sottogruppi legati alla tendenza alla specializzazione per una sola disciplina sportiva all’interno della popolazione SWB, sono state eseguite due analisi: PcoA e DAPC. Inoltre, Fst e XP-EHH sono stati usati per verificare la presenza di potenziali segni di selezione in due sottogruppi di cavalli creati sulla base degli EBV per la disciplina salto ostacoli. In accordo con l'attuale pratica di allevamento nel cavallo svedese, questo studio ha evidenziato la presenza di due sottopopolazioni con potenziali segni di selezione differenti in undici cromosomi. Queste regioni coinvolgono geni con funzioni legate al sistema endogeno di ricompensa, sviluppo dell’apparato muscolo scheletrico e tessuto connettivo e controllo motorio. Questo studio ha fornito una prima mappa genomica dei segni di selezione nei cavalli SWB e ha presentato una potenziale divergenza nella popolazione causata dalla specializzazione in cavalli da salto ostacoli e da dressage. È possibile considerare questo studio il punto di partenza per ulteriori studi funzionali che contribuiranno a comprendere meglio i meccanismi biologici alla base della complessa natura dei caratteri di performance nei cavalli sportivi.

Abstract: The horse industry has faced two main challenges in the last decades: I) how to cope with the loss of genetic diversity in native breeds and II) how to use the advance in genomics in the sport horse breeding sector to meet the demand for more innovative selection strategies. Horses are nowadays mainly used for sport and leisure activities, and several local breeds, traditionally used in agriculture, have suffered a significant decrease in population size and loss of genetic diversity. Loss of genetic diversity determines in turn a reduction in individual fitness and population viability, thus endangering such local horse breeds. This PhD research aimed at preventing loss of genetic diversity in local horse breeds by proposing a study on genetic diversity in a native Italian horse breed (Challenge #1, The Bardigiano case study). The Bardigiano horse is a native Italian breed living in rural areas, traditionally used in agriculture. The relatively small size and the closed status of the breed raise the issue of monitoring genetic diversity. In this PhD, the genetic diversity of the Bardigiano horse breed was studied based on pedigree and molecular data. Pedigree data contained 9,469 horses, of which 3,416 are alive. Demographic and genetic parameters were estimated on subpopulations to evaluate potential genetic diversity differences among breeding and nonbreeding animals, horses showing different breeding values (EBVs) and horses bred in different areas. Based on pedigree data, from the first studied birth year cohort (1975–1983) inbreeding steadily increased, reaching in the last birth year cohort a mean value equal to 0.10. The rate of inbreeding per generation, assuming a mean generation interval of 8.74 years, was equal to 1.64%. Moreover, both average relatedness and inbreeding among horses with high and low EBVs showed significant differences. Genotype data for 89 Bardigiano horses has permitted to study loss of genetic variability and to detect potential signatures of selection based on GGP Equine70k SNP data. The effective population size based on Linkage Disequilibrium (Ne) was equal to 39 horses, and it showed a decline over time. The average inbreeding based on runs of homozygosity (ROH) was equal to 0.17 (SD = 0.03). The majority of the ROH were relatively short (91% were 2 Mbp long), thus highlighting the occurrence of past bottlenecks. A total of eight ROH islands, shared among more than 70% of the Bardigiano horses, were found. Four of them mapped to known quantitative trait loci related to morphological traits (e.g., body size and coat colour) and disease susceptibility. The work done in this PhD provided first insights into genetic diversity and selection signatures in an Italian native horse breed. This study highlighted that breeding strategies for the coming generations are needed to ensure long‐term survival of the Bardigiano breed. In addition, this PhD program contributed to further understand the performance traits’ genetic background in sport horses by means of genomic data (Challenge #2, the Swedish Warmblood breed case study). Therefore, thanks to the collaboration with Prof. Sofia Mikko and Prof. Susanne Eriksson at the Swedish University of Agricultural Sciences (Uppsala, Sweden), high density Single Nucleotide Polymorphism (SNP) data of Swedish Warmblood Horses were examined with several methodologies to detect genomic regions potentially involved in sport performance traits. The motivation behind this second study is the growing demand for improved physical skills and mental attitude in modern sport horses, which has led to intensive selection for performance in many warmblood studbooks. The aim was to detect genomic regions with low diversity, and therefore potentially under selection, in 380 Swedish Warmblood horses (SWB), by analysing high-density SNP data. To investigate if such signatures were the result of selection for equestrian sport performance, SWB SNP data were compared to those from Exmoor ponies, a horse breed not selected for sport performance traits. In addition, since several modern SWB breeders have specialized breeding strategies either towards show jumping or dressage disciplines, this PhD research explored the genomic structure of SWB horses to evaluate the presence of genomic subpopulations, and to search for signatures of selection in subgroups of SWB with high or low breeding values (EBVs) for show jumping . The genomic scan for homozygous regions identified long runs of homozygosity (ROH) shared by more than 85% of the genotyped SWB individuals. Such ROH were located on ECA4, ECA6, ECA7, ECA10 and ECA17. Long ROH were instead distributed evenly across the genome of Exmoor ponies in 77% of the chromosomes. Two population differentiation tests (Fst and XP-EHH) revealed signatures of selection on ECA1, ECA4, and ECA6 in SWB horses. Overall, genes related to behaviour, physical abilities and fertility, appear to be targets of selection in the SWB breed. To evaluate potential population stratification within the SWB, Principal Coordinates Analysis and Discriminant Analysis of Principal Components were performed. In addition, the Fst and XP-EHH were used to scan the genome for potential signatures of selection. In accordance with current breeding practice, this study highlighted the development of two separate breed subpopulations with putative signatures of selection in eleven chromosomes. Such regions involve genes with known function in, e.g., mentality, endogenous reward system, development of connective tissues and muscles, motor control, body growth and development. This study showed genetic divergence due to specialization towards different disciplines in SWB horses. This latter evidence can be of interest for SWB and other horse studbooks encountering specialized breeding. This second study provided a genome-wide map of selection signatures in SWB horses and showed potential divergence based on disciplines, and ground for further functional studies to unravel the biological mechanisms behind complex traits in horses.