Estimation of genotype-environment interaction using genomic reaction norm and analysis of gene network for reproductive traits in Nellore cattle

Abstract

Genotype-environment (GxE) interactions could be an important source of variation in reproductive traits with a striking effect on the onset of animal puberty. Thus, the objectives of the present study were: i) to assess the GxE interaction in Nellore sexual precocity indicator traits under different environmental conditions (EC) and ii) to identify, genomic regions and biological pathways associated to Nellore sexual precocity indicator traits and to investigate whether their effects changes according to EC levels. Phenotypic records for age at first calving (AFC), heifer early pregnancy (HP), heifer rebreeding (HR) and scrotal circumference (SC) were collected on 128,994; 85,339; 90,831 and 151,053 animals, respectively. From those, 1800 heifers, 3050 young bulls, and 800 sires were genotyped with BovineHD BeadChip. A reaction norm model was used to estimate the animal’s response to environmental conditions changes. To assess the predictive ability the younger scheme and environment-specific scheme were used. For genome-wide scan, the SNP effects for reproductive traits were estimated in three EC levels: Low (EC = -3.0), Medium (EC = 0.0) and High (EC = 3.0) using a linear transformation of the genomic breeding values. The pleiotropic regions associated to reproductive traits (AFC, SC, HP and HR) in three EC levels, were identified using the statistical combination of the single-trait GWAS results and considered significant when –log10(p-valor)>6.0. The inclusion of genomic information combined with pedigree, lead to variance components and genetic parameter estimates more accurate than that considering pedigree information. The GxE interaction had an important effect on heifer early pregnancy and scrotal circumference leading to genomic breeding value sensitivity in different environmental condition. In addition, a strong SNP marker-environment interaction was observed for Nellore sexual precocity indicator traits with changes in their effect and explained variance in different EC levels. The younger scheme leads to a higher predictive ability for SC and EP compared to environment-specific scheme. Using the statistical combination of single-trait GWAS were identified, a total of 56 SNP markers with pleiotropic effect for reproductive traits in different EC levels. Those SNP markers were distributed on Bos Taurus autosome (BTA) 5, 7, 10, 14, 16, and 29 and showed changes in their effect according to environmental condition changes. A total of 45 genes were mapped within 200 kb and show a striking effect in biological process associated to fat deposition, embryonic growth, decreasing in hormonal levels and decreasing female and male fertility (mainly on decreased oocyte number and spermatogenesis). In summary, this study pointed to the effect of GxE interaction on breeding value of reproductive traits in Nellore cattle. In addition, genomic regions identified show a key role in biological mechanisms that encode the major reproductive pathways, and that the environmental conditions changes have important effects on its expression. These results contribute to a better understanding of differences in reproductive performance of Nellore cattle raised under different environmental conditions, might aid the genetic improvement of reproductive traits in Nellore cattle.

A interação genótipo-ambiente (GxE) pode ser uma importante fonte de variação em características reprodutivas com um efeito notável no início da puberdade animal. Desta forma, os objetivos do presente estudo foram: i) Avaliar a interação GxE em características indicadores de precocidade sexual em animais da raça Nelore em diferentes condições ambientais (EC) e ii) identificar regiões genômicas e vias biológicas associadas a características indicadores de precocidade sexual e verificar se seus efeitos mudam de acordo com os níveis de EC. Informações fenotípicas para idade ao primeiro parto (AFC), ocorrência de prenhez precoce (HP), reconcepção de novilhas (HR) e perímetro escrotal (SC), foram coletados em 128.994, 85.339, 90.831 e 151.053 animais, respectivamente. Destes, 1800 novilhas, 3050 touros jovens e 800 touros foram genotipados com BovineHD BeadChip. Um modelo de norma de reação foi usado para estimar a resposta do animal às mudanças nas condições ambientais. Para avaliar a capacidade preditiva, foram utilizados os esquemas de validação em animais jovens e em ambiente específico. Para varredura genômica ampla os efeitos dos marcadores SNP para as características reprodutivas foram estimados em três níveis de EC Baixo (EC = -3.0), Médio (EC = 0.0) e Alto (EC = 3.0) usando uma transformação linear dos valores genômicos genéticos. As regiões pleiotrópicas associadas com características reprodutivas (AFC, SC, HP e HR) em três EC foram identificadas utilizando a combinação estatística dos resultados de GWAS uni-característica e consideradas significativas quando –log10(p-valor)>6.0. A inclusão de informação genômica combinada com pedigree para avaliar a interação GxE, proporcionou estimativas dos componentes de variância e parâmetros genéticos mais acurados quando comparado com apenas a informação de pedigree. A interação GxE apresentou um efeito importante na prenhez precoce e perímetro escrotal levando a sensibilidade do valor genético genômico. Além disso, uma forte interação marcador SNP-ambiente foi observada com mudanças no efeito e variância explicada nos diferentes níveis ambientais. O esquema de validação em animais mais jovens apresentou maior capacidade preditiva para SC e HP em comparação com a validação específica do ambiente. A utilização da combinação estatística dos resultados de GWAS uni-característica identificou um total de 56 marcadores SNP com efeito pleiotrópico para características reprodutivas em diferentes níveis de EC. Tais marcadores foram distribuídos nos Bos taurus autosome (BTA) 5, 7, 10, 14, 16 e 29, e apresentaram mudanças em seu efeito de acordo com as mudanças nas condições ambientais. Um total de 45 genes foram identificados dentro de 200kb dos marcadores significativos e apresentam um efeito importante em processos biológicos associado a deposição de gordura, crescimento embrionário, diminuição dos níveis hormonais e diminuição da fertilidade em machos e fêmeas (principalmente na diminuição do número de oócitos e espermatogênese). Em resumo, este estudo indicou o efeito da interação GxE no valor genético de características reprodutivas em bovinos da raça Nelore. Além disso, as regiões genômicas identificadas apresenteram um papel fundamental nos mecanismos biológicos que codificam as principais vias reprodutivas e as mudanças nas condições ambientais apresentam efeitos importantes em sua expressão. Estes resultados contribuem para uma melhor compreensão de diferenças no desempenho reprodutivo de animais Nelore criados em diferentes condições ambientais, podendo auxiliar o melhoramento genético de características reprodutivas em bovinos Nelore.