References

vavilov

Вавиловский журнал генетики и селекции

Vavilov Journal of Genetics and Breeding

2500-3259

Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS

10.18699/VJ15.035

vavilov-408

Research Article

ЭВОЛЮЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА И ВИДООБРАЗОВАНИЕ

Animal genetics and breeding

Применение репродуктивных технологий для повышения эффективности геномной селекции молочного крупного рогатого скота

Application of reproductive technologies to the improvement of dairy cattle genomic selection

Юдин

Н. С.

Yudin

N. S.

yudin@bionet.nsc.ru

Лукьянов

К. И.

Lukyanov

K. I.

Воевода

М. И.

Voevoda

M. I.

Колчанов

Н. А.

Kolchanov

N. A.

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, Россия Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт терапии и профилактической медицины», Новосибирск, Россия Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, РоссияРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia Institute of Internal and Preventive Medicine, SB RAMS, Novosibirsk, Russia Novosibirsk State University, Novosibirsk, RussiaRussian Federation

2015

29112015

193277285

2015

Юдин Н.С., Лукьянов К.И., Воевода М.И., Колчанов Н.А.

Yudin N.S., Lukyanov K.I., Voevoda M.I., Kolchanov N.A.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/408

Геномная селекция – отбор, при котором племенная ценность животного предсказывается по маркерам, равномерно покрывающим весь геном. В работе обобщены сведения о некоторых современных тенденциях в области геномной селекции молочного крупного рогатого скота, а также о применении репродуктивных технологий для повышения эффективности отбора. Основные тенденции в развитии метода геномной селекции заключ аются в повышении точности племенных оценок путем объединения референсных популяций; включ ении в селекционные программы генотипирования коров; предсказании генотипов отсутствующих SNP на основе чипов с более низкой плотностью маркеров и предсказании генотипов животных по генотипам родственников. В сочетании с современными репродуктивными биотехнологиями (сексирование семени, множественная овуляция и пересадка эмбрионов, трансвагинальная аспирация ооцитов с последующим экстракорпоральным оплодотворением, генотипирование эмбрионов, клонирование лучших животных-производителей и т. д.) отбор по геному потенциально способен давать еще большую экономическую выгоду. При геномной селекции молочного скота биотехнологические манипуляции с половыми клетками и эмбрионами делают возможным улучшение множества факторов, от которых зависит эффективность отбора: его интенсивности, надежности племенной оценки и интервала между поколениями. Разработаны успешные подходы для генотипирования эмбрионов по большому числу маркеров после биопсии на стадии морулы или бластоцисты, основанные на увеличении количества ДНК эмбриона путем предварительной полногеномной амплификации. В перспективе это позволит разработать новые подходы для снижения интервала между поколениями, селекции элитных маток, снижения степени инбридинга и т. д.

Genomic selection is a direction of breeding in which the value of an animal is predicted from DNA markers evenly covering the entire genome. This review summarizes information on modern trends in the genomic selection of dairy cattle and on application of reproductive technologies to the improvement of breeding process. The main trends in the development of genomic selection include improvement of the accuracy of breeding value estimations by combination of reference populations; use genotyping of cows in breeding programs; imputation of genotypes for absent SNPs with low marker density microarrays, and prediction of animal genotypes from the genotypes of relatives. Genomic selection can be even more profitable in combination with up-to-date reproductive biotechnologies: semen sexing, multiple ovulation and embryo transfer, ovum pick-up followed by in vitro fertilization, embryo genotyping, cloning of best breeders, etc. In programs of dairy cattle genomic selection, biotechnological procedures with gametes and embryos allow improvement of a variety of parameters determining breeding efficacy: selection intensity, accurate breeding value assessment, and generation interval. Successful methods for embryo genotyping for numerous markers after biopsy at the morula or blastocyst stage are based on whole genome amplification of embryo DNA. Eventually, these achievements will provide grounds for new approaches to the reduction of generation interval, selection of elite cows, reduction of inbreeding rate, etc.

крупный рогатый скотBos taurusгеномная селекциярепродуктивная технологияпризнаки продуктивностимолочное животноводствоплеменная оценкабык-производительпересадка эмбрионасуперовуляция

cattleBos taurusgenomic selectionreproductive technologyproduction traitsdairy husbandrybreeding valuebreeding bullembryo transfersuperovulation

References1

Смарагдов М.Г. Геномная селекция молочного скота в мире. Пять лет практического использования. Генетика. 2013;49(11): 1251-1260.

Berry D.P., McClure M.C., Mullen M.P. Within- and across-breed imputation of high-density genotypes in dairy and beef cattle from medium- and low-density genotypes. J. Anim. Breed. Genet. 2014;131(3):165-172. DOI: 10.1111/jbg.12067

Boichard D., Chung H., Dassanneville R., David X., Eggen A., Fritz S., Gietzen K.J., Hayes B.J., Lawley C.T., Sonstegard T.S., Van Tassell C.P.,VanRaden P.M., Viaud-Martinez K.A., Wiggans G.R. Design of a bovine low-density SNP array optimized for imputation. PLoS One. 2012;7:e34130. DOI: 10.1371/JOURNAL.PONE.0034130

Boichard D., Ducrocq V., Fritz S. Sustainable dairy cattle selection in the genomic era J. Anim. Breed Genet. 2015;132(2):135-143. DOI: 10.1111/jbg.12150

Bouquet A., Juga J. Integrating genomic selection into dairy cattle breeding programmes: a review. Animal. 2013;7(5):705-713. DOI: 10.1017/S1751731112002248

Bouquet A., Sorensen A.C., Juga J. Genomic selection strategies to optimize the use of multiple ovulation and embryo transfer schemes in dairy cattle breeding programs. Livestock Sci. 2015;174:18-25. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.livsci.2015.01.014

Bouwman A.C., Hickey J.M., Calus M.P., Veerkamp R.F. Imputation of non-genotyped individuals based on genotyped relatives: assessing the imputation accuracy of a real case scenario in dairy cattle. Genet. Sel. Evol. 2014;46:6. DOI: 10.1186/1297-9686-46-6

Calus M.P., de Haas Y., Veerkamp R.F. Combining cow and bull reference populations to increase accuracy of genomic prediction and genome-wide association studies. J. Dairy Sci. 2013;96(10):6703-6715. DOI: 10.3168/jds.2012-6013

Carneiro M.C., Takeuchi P.L., Araujo A., Lobo R.B., Elias F.P., Vila R.A., Miranda-Furtado C.L., Ramos E.S. Sexing single bovine blastomeres using TSPY gene amplification. Genet. Mol. Res. 2011;10(4):3937-3941. DOI: 10.4238/2011

Cenariu M., Pall E., Cernea C., Groza I. Evaluation of bovine embryo biopsy techniques according to their ability to preserve embryo viability. J. Biomed. Biotechnol. 2012;2012:541384. DOI: 10.1155/2012/541384

Clark S.A., Kinghorn B.P., Hickey J.M., van der Werf J.H. The effect of genomic information on optimal contribution selection in livestock breeding programs. Genet. Sel. Evol. 2013;45:44. DOI: 10.1186/1297-9686-45-44

Ertl J., Edel C., Emmerling R., Pausch H., Fries R., Götz K.U. On the limited increase in validation reliability using high-density genotypes in genomic best linear unbiased prediction: observations from Fleckvieh cattle. J. Dairy Sci. 2014;979(1):487-496. DOI: 10.3168/jds.2013-6855

Falconer D.S., Mackay T.F.C. Introduction to Quantitative Genetics. Burnt Mill, England : Longman, 1996.

Fisher P.J., Hyndman D.L., Bixley M.J., Oback F.C., Popovic L., McGowan L.T., Berg M.C., Wells D.N. Brief communication: potential for genomic selection of bovine embryos. Proc. N.Z. Soc. Anim. Prod. 2012;72:156-158.

Galli C., Duchi R., Colleoni S., Lagutina I., Lazzari G. Ovum pick up, intracytoplasmic sperm injection and somatic cell nuclear transfer in cattle, buffalo and horses: from the research laboratory to clinical practice. Theriogenology. 2014;Jan. 1;81(1):138-151. DOI: 10.1016/j.theriogenology.2013.09.008

Gamarra G., Le Bourhis D., Gall L., Laffont L., Ruffini S., Humblot P. Attempts to culture biopsied cells from in vitro bovine blastocysts for genotyping. Reprod. Fertil. Dev. 2010;22:238–239. DOI:10.1071/RDV22N1AB160

Georges M., Massey J.M. Velogenetics, or the synergistic use of marker assisted selection and germ-line manipulation. Theriogenology. 1991;35(1):151-159. DOI: 10.1016/0093-691X(91)90154-6

Haskell M.J., Simm G., Turner S.P. Genetic selection for temperament traits in dairy and beef cattle. Front. Genet. 2014;5:368. DOI: 10.3389/fgene.2014.00368

Hasler J.F. Forty years of embryo transfer in cattle: a review focusing on the journal Theriogenology, the growth of the industry in North America, and personal reminisces. Theriogenology. 2014;81(1):152-169. DOI: 10.1016/j.theriogenology.2013.09.010

Hoze C., Fouilloux M.N., Venot E., Guillaume F., Dassonneville R., Fritz S., Ducrocq V., Phocas F., Boichard D., Croiseau P. High-density marker imputation accuracy in sixteen French cattle breeds. Genet .Sel. Evol. 2013;45: 33. DOI: 10.1186/1297-9686-45-33

Hoze C., Fritz S., Phocas F., Boichard D., Ducrocq V., Croiseau P. Efficiency of multi-breed genomic selection for dairy cattle breeds with different sizes of reference population. J. Dairy Sci. 2014;97(6):3918-3929. DOI: 10.3168/jds.2013-7761

Humblot P., Le Bourhis D., Fritz S., Colleau J.J., Gonzalez C., Guyader Joly C., Malafosse A., Heyman Y., Amigues Y., Tissier M., Ponsart C. Reproductive technologies and genomic selection in cattle. Vet. Med. Int. 2010;2010:1-8. DOI: 10.4061/2010/192787

Illumina. Bovine HD Genotyping BeadChip. 2015a. available at http://www.illumina.com/Documents/products/datasheets/datasheet_bovineHD.pdf

Illumina. Bovine SNP50 Genotyping BeadChip. 2015b. available at http://http://www.illumina.com/Documents/products/datasheets/datasheet_bovine_snp5O.pdf.Illumina.%202011c.

Illumina. Bovine LD. 2015c. available at http://www.illumina.com/documents/products/product_information_sheets/product_info_bovineLD.pdf

Jimenez-Montero J.A., Gianola D., Weigel K., Alenda R., Gonzalez-Recio O. Assets of imputation to ultra-high density for productive and functional traits. J. Dairy Sci. 2013;96(9):6047-6058. DOI: 10.3168/jds.2013-6793

Jonas E., de Koning D.J. Genomic selection needs to be carefully assessed to meet specific requirements in livestock breeding programs. Front Genet. 2015;Feb. 20;6:49. DOI: 10.3389/fgene.2015.00049

Kasinathan P., Wei H., Xiang T., Molina J.A., Metzger J., Broek D., Kasinathan S., Faber D.C., Allan M.F. Acceleration of genetic gain in cattle by reduction of generation interval. Sci. Rep. 2015;5:8674. DOI: 10.1038/srep08674

Larmer S.G., Sargolzaei M., Schenkel F.S. Extent of linkage disequilibrium, consistency of gametic phase, and imputation accuracy within and across Canadian dairy breeds. J. Dairy Sci. 2014;97(5):3128-3141. DOI: 10.3168/jds.2013-6826

Lauri A., Lazzari G., Galli C., Lagutina I., Genzini E., Braga F., Mariani P., Williams J.L. Assessment of MDA efficiency for genotyping using cloned embryo biopsies. Genomics. 2013;101(1):24-29. DOI:10.1016/j.ygeno.2012.09.002

Le Bourhis D., Mullaart E., Humblot P., Coppieters W., Ponsart C. Bovine embryo genotyping using a 50k SNP chip. Reprod. Fertil. Dev. 2010;23:197. DOI:10.1071/RDV23N1AB193

Le Bourhis D., Mullaart E., Schrooten C., Fritz S., Coppieters W., Ponsart C. Breeding values concordance between embryos and corresponding calves. Reprod. Fertil. Dev. 2011;24:180. DOI: 10.1071/RDV24N1AB135

Lund M.S., Roos A.P., Vries A.G., Druet T., Ducrocq V., Fritz S., Guillaume F., Guldbrandtsen B., Liu Z., Reents R., Schrooten C., See

Lund M.S., Roos A.P., Vries A.G., Druet T., Ducrocq V., Fritz S., Guillaume F., Guldbrandtsen B., Liu Z., Reents R., Schrooten C., Seefried F., Su G. A common reference population from four European Holstein populations increases reliability of genomic predictions. Genet. Sel. Evol. 2011;43:43. DOI: 10.1186/1297-9686-43-43

Lund M.S., Roos A.P., Vries A.G., Druet T., Ducrocq V., Fritz S., Guillaume F., Guldbrandtsen B., Liu Z., Reents R., Schrooten C., See

Ma P., Brondum R.F., Zhang Q., Lund M.S., Su G. Comparison of different methods for imputing genome-wide marker genotypes in Swedish and Finnish Red Cattle. J. Dairy Sci. 2013;96(7):4666-4677. DOI: 10.3168/jds.2012-6316

Macaulay I.C., Voet T. Single cell genomics: advances and future perspectives. PLoS Genet. 2014;10(1):e1004126. DOI: 10.1371/journal.pgen.1004126

Makgahlela M.L., Mantysaari E.A., Stranden I., Koivula M., Nielsen U.S., Sillanpaa M.J., Juga J. Across breed multi-trait random regression genomic predictions in the Nordic Red dairy cattle. J. Anim. Breed Genet. 2013a;130(1):10-19. DOI: 10.1111/j.1439- 0388.2012.01017.x

Makgahlela M.L., Stranden I., Nielsen U.S., Sillanpaa M.J., Mantysaari E.A. The estimation of genomic relationships using breedwise allele frequencies among animals in multibreed populations. Dairy Sci. 2013b;96(8):5364-5375. DOI: 10.3168/jds.2012-6523

Makgahlela M.L., Stranden I., Nielsen U.S., Sillanpaa M.J., Mantysaari E.A. Using the unified relationship matrix adjusted by breed-wise allele frequencies in genomic evaluation of a multibreed population. J. Dairy Sci. 2014;97(2):1117-1127. DOI: 10.3168/jds.2013-7167

Mc Hugh N., Meuwissen T.H., Cromie A.R., Sonesson A.K. Use of female information in dairy cattle genomic breeding programs. J. Dairy Sci. 2011;94(8):4109–4118. DOI:10.3168/JDS.2010-4016

Meuwissen T., Hayes B., Goddard M. Accelerating improvement of livestock with genomic selection. Annu. Rev. Anim. Biosci. 2013;1:221–237. DOI: 10.1146/annurev-animal-031412-103705

Nicholas F.W., Hobbs M. Mutation discovery for Mendelian traits in non-laboratory animals: a review of achievements up to 2012. Anim. Genet. 2014;45(2):157-170. DOI: 10.1111/age.12103

Nordic Cattle Genetic Evaluation (NCGE). 2015. available at http://www.nordicebv.info/News/NewsNAVroutineEvaluation-May2nd2014.htm

Pedersen L.D., Kargo M., Berg P., Voergaard J., Buch L.H., Sorensen A.C. Genomic selection stratefies in dairy cattle breeding programmes: sexed semen cannot replace multiple oculation and embryo transfer as superior reproductive technology. J. Anim. Breed. Genet. 2012;129:152-163. DOI:10.1111/J.1439-0388.2011.00958.X

Peters B.A., Kermani B.G., Alferov O., Agarwal M.R., McElwain M.A., Gulbahce N., Hayden D.M., Tang Y.T., Zhang R.Y., Tearle R., Crain B., Prates R., Berkeley A., Munne S., Drmanac R. Detection and phasing of single base de novo mutations in biopsies from human in vitro fertilized embryos by advanced whole-genome sequencing. Genome Res. 2015;25(3):426-434. DOI: 10.1101/gr.181255.114

Ponsart C., Le Bourhis D., Knijn H., Fritz S., Guyader-Joly C., Otter T., Lacaze S., Charreaux F., Schibler L., Dupassieux D., Mullaart E. Reproductive technologies and genomic selection in dairy cattle. Reprod. Fertil. Dev. 2014;26(1):12-21. DOI: 10.1071/RD13328

Pryce J.E., Daetwyler H.D. Designing dairy cattle breeding schemes under genomic selection: a review of international research. Anim. Prod. Sci. 2012;52:107–114. DOI: 10.1071/AN11098

Pryce J.E., Wales W.J., de Haas Y., Veerkamp R.F., Hayes B.J. Genomic selection for feed efficiency in dairy cattle. Animal. 2014;8(1):1-10.DOI: 10.1017/S1751731113001687

Ramos-Ibeas P., Calle A., Pericuesta E., Laguna-Barraza R., Moros-Mora R., Lopera-Vasquez R., Maillo V., Yanez-Mo M., Gutierrez-Adan A., Rizos D., Ramirez M.A. An efficient system to establish biopsy-derived trophoblastic cell lines from bovine embryos. Biol. Reprod. 2014;91(1):15. DOI: 10.1095/biolreprod.114.118430

Sargolzaei M., Vigneault C., Blondin P., Schenkel F., Chesnais J. Results from the Boviteq embryo genotyping research project. Dairy Cattle Breeding and Genetics Committee Meeting, 18 September 2012. Available at: http://lirpa.aps.uoguelph.ca/elares/sites/default/files/msargol_Embryo_Genotyping_Project.pdf.

Schopen G.C., Schrooten C. Reliability of genomic evaluations in Holstein-Friesians using haplotypes based on the BovineHD BeadChip. J. Dairy Sci. 2013;Dec;96(12):7945-7951.

Schrooten C., Dassonneville R., Ducrocq V., Brondum R.F., Lund M.S., Chen J., Liu Z., Gonzalez-Recio O., Pena J., Druet T. Error rate for imputation from the Illumina BovineSNP50 chip to the Illumina BovineHD chip. Genet. Sel. Evol. 2014;46:10. DOI: 10.1186/1297-9686-46-10

Shojaei Saadi H.A., Vigneault C., Sargolzaei M., Gagne D., Fournier E., de Montera B., Chesnais J., Blondin P., Robert C. Impact of wholegenome amplification on the reliability of pre-transfer cattle embryo breeding value estimates. BMC Genomics. 2014;15:889. DOI: 10.1186/1471-2164-15-889

Sorensen M.K., Voergaard J., Pedersen L.D., Berg P., Sorensen A.C. Genetic gain in dairy cattle populations is increased using sexed semen in commercial herds. J. Anim. Breed. Genet. 2011;128:267-275. DOI:10.1111/J.1439-0388.2011.00924.X

Treff N.R., Su J., Tao X., Northrop L.E., Scott R.T. Jr. Single-cell whole-genome amplification technique impacts the accuracy of SNP microarray-based genotyping and copy number analyses. Mol. Hum. Reprod. 2011;17(6):335-343. DOI: 10.1093/molehr/gaq103

Van der Aa N., Zamani Esteki M., Vermeesch J.R., Voet T. Preimplantation genetic diagnosis guided by single-cell genomics. Genome Med. 2013;5(8):71. DOI: 10.1186/gm475

VanRaden P.M., Null D.J., Sargolzaei M., Wiggans G.R., Tooker M.E., Cole J.B., Sonstegard T.S., Connor E.E., Winters M., van Kaam J.B., Valentini A., Van Doormaal B.J., Faust M.A., Doak G.A. Genomic imputation and evaluation using high-density Holstein genotypes. J. Dairy Sci. 2013;96(1):668-678. DOI: 10.3168/jds.2012-5702

Voet T., Kumar P., Van Loo P., Cooke S.L., Marshall J., Lin M.L., Zamani Esteki M., Van der Aa N., Mateiu L., McBride D.J., Bignell G.R., McLaren S., Teague J., Butler A., Raine K., Stebbings L.A., Quail M.A., D’Hooghe T., Moreau Y., Futreal P.A., Stratton M.R., Vermeesch J.R., Campbell P.J. Single-cell paired-end genome sequencing reveals structural variation per cell cycle. Nucleic Acids Res. 2013;41(12):6119-6138. DOI: 10.1093/nar/gkt345

Zhou L., Heringstad B., Su G., Guldbrandtsen B., Meuwissen T.H., Svendsen M., Grove H., Nielsen U.S., Lund M.S. Genomic predictions based on a joint reference population for the Nordic Red cattle breeds. J. Dairy Sci. 2014;97(7):4485-4496. DOI: 10.3168/jds. 2013-7580

The authors declare that there are no conflicts of interest present.