Etude de l'adaptation des bovins à leur milieu: approche ... - Inra

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29 Σεπ 2013 (πριν από 3 χρόνια και 10 μήνες)

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A G R I C U L T U R E



E N V I R O N N E M E N T

Journée AGENAE Evolution


Sélection
-

Domestication

Etude de l’adaptation des bovins

à leur milieu: approche combinant
génétique des populations et biologie
des systèmes



L.Flori


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E N V I R O N N E M E N T

Grande diversité des races bovines


Plus de 800 races bovines
dans

le monde


2 “
groupes



Sans bosse :
taurins

(
Bos

taurus
)


Avec bosse :
zébus

(
Bos

indicus
)


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E N V I R O N N E M E N T



Domestication
et migration

ILRI 2006



Origine complexe des bovins














Grande diversité des milieux de vie


Sélection naturelle et artificielle



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E N V I R O N N E M E N T

Représentation

de la
diversité

génétique

bovine

47 races

Gautier et al, 2010

Puce SNP 54K

Zébus

Taurins

Europe

Afrique

EUT

AFT

ZEB

AFTxZEB

EUTxZEB

EUTxAFT

ACP sur 1121 individus et 44706 SNP

Package SMARTPCA

Package R ade4


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E N V I R O N N E M E N T



Régions chromosomiques et gènes candidats sous sélection

1. Caractérisation génétique des races bovines

2. Recherche de signatures de sélection
dans le génome

Etude de l’adaptation des bovins à leur milieu

Démarche proposée

Flori

et al, 2009,
PLoS

One

Dayo

et al, 2009, Mol.
Ecol
.

Gautier et al, 2009, BMC
Genomics

Gautier et al, 2010, Mol.
Ecol
.

Flori

et al, 2012,
PLoS

One

Gautier &
Vitalis
, 2012,
Bioinformatics

Gautier et al, 2009, BMC
Genomics

Gautier et al, 2010,
Plos

One

Gautier et al, 2010, Mol.
Ecol
.

Flori

et al, 2012,
PLoS

One

Origine,

Histoire des populations


Puce
SNPs

54K

NJ
tree

PCA

Classification
hiérarchique non
supervisée


Différentiation (
Fst
)

Méthodes
haplotypiques

(EHH,
iHS
,
Rsb
)

Fonctions, voies physiologiques

et réseaux de gènes sous sélection

Outils de la biologie des systèmes

Ingenuity

Pathway

Analysis




Principales
pressions de
sélection

Gènes et
variants

sous
-
sélection

Flori

et al, 2009,
PLoS

One

Gautier et al, 2009, BMC
Genomics

Séquençage à haut débit

Annotation fonctionnelle des
SNPs




Puce
SNPs

54K

Puce
SNPs

770K


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Adaptation des races bovines aux
conditions tropicales

Arial ou Arial narrow

taille 18


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Race
créée

au début du
XXe

sur

l’île

de St. Croix




AFT
N’Dama

du Senegal


x




EUT

Red Poll
(Trinidad)











capacités

d’adaptation

aux conditions
tropicales

performances




Race
trypanotolérante
?



Depuis

1977:
USA,
Amérique

latine
,
Australie
,
Afrique

du
Sud


=>au Venezuela
:
1e importation en 1989



Caractérisation

génétique

et
recherche

de signatures de
sélection
:

153
animaux

(
Vénezuela
,
St.Croix

et USA)
génotypés

sur

la puce SNP 54K





Adaptation au milieu tropical:

L’exemple

de la race SENEPOL


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Caractérisation génétique de la race
Sénépol

ZEB

EUT

AFT

Ascendance EUT et ZEB



90% EUT et 10% ZEB




=>Pas
d’ascendance

taurine

africaine

ACP 18 populations

SEN

EUT

AFT

ZEB

SEN

K=2

K=3

K=4

Classification hiérarchique non
supervisé
(629
anx

et 47365
SNPs
)

Admixture 1.04
software


SmartPCA

et ade4


Flori

et al
.,
PLoS

One, 2012


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E N V I R O N N E M E N T

Identification des régions sous sélection




Méthodes

haplotypiques
:

-
calcul

des scores
iHS

(
Voight

et al
, 2006)
et
Rsb

EUT/SEN & ZEB/SEN
(Tang
et al
., 2007)

-

package
rehh

(Gautier &
Vitalis
, 2012)

-
Cf

approche

Gautier & Naves, 2010




Seulement

4
régions

sous

sélection







BTA1

près du
locus sans corne


BTA20

au niveau du
locus
slick








responsable du poil court et brillant






impliqué dans la
thermotolérance







(gène RAI14)








La race
senepol

: un
très

bon
exemple

de race
taurine

européenne

adaptée

aux conditions
tropicales

Importance du locus
slick

dans l’adaptation aux conditions tropicales (localisation précisée).



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Etude globale de la différentiation chez
9 populations ouest
-
africaines
(342 animaux)


5 Taurines

(
trypanotolerantes
)


2
Zebus

(
trypanosensibles
)


2 ”Hybrides”




36,320
SNPs


MAF>0.01 chez au moins 1
zebu

et au moins 1 taurin


Densité moyenne: ~1 SNP
tous les 70 kb

Adaptation

aux conditions
tropicales
:

Les races bovines

d’Afrique

de
l’Ouest

Gautier
et al
, 2009, BMC Genomics


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53
régions

et de 42
gènes

candidats

sous

sélection

(
différentiation
)

Sel
positive BF>15 : => 1517
SNPs

(
Fst
>0.28)

Sel balancée BF>15 => 537
SNPs

(
Fst
<0.011
)

Adaptations

aux conditions
tropicales
:

Les races bovines

d’Afrique

de
l’Ouest
.


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A.
Réseau N
(fusion N1, N2 et N4
)

22 gènes
ss

sel

B.
Réseau
N3

9 gènes
ss

sel

Réseaux

contenant

les
gènes

sous

sélection

(IPA)

Gènes sous sélection

Nœuds du réseau

=>
Réponse
immunitaire innée et adaptative

=>
Maladies
neurologiques

Ingenuity

Pathway

Analysis


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Interprétation biologique

FONCTIONS


Réponse

immunitaire




Gènes

candidats

du

réseau

N
:



TRIM
21
:

Fc

récepteur


TICAM
1
:

adaptateur

aux

récepteurs

TOLL

like


CXCR
4
:

récepteur

aux

chémokines

e

RFX
3
:

facteur

régulateur

de

l’expression

des

gèness

du

CMH


CD
79
A
:

molécule

costimulatrice
/BCR


SEMA
4
A
:

semaphorine

impliquée

dans

la

différentiation

Th
0
/Th
1


(ANTXR
2
)
:

récepteur

à

la

toxine

de

Bacillus

anthracis


Région

candidate

(
sel

balancée
)
:

MHC


Participation

à

la

reconnaissance

et

présentation

antigénique

et

à

la

présentation

antigénique


Système

nerveux




Gènes

candidats

du

réseau

N
:

NEUROD
6
,

OLFM
2


MAGI
1
,

EDNRB



HTR
4
:

récepteur

à

la

sérotonine




rôle

dans

l’axe

hypothalamo
-
pituitaire
-
adrenal



Gènes

impliqués

dans

la

régulation

de

la

température

corporelle
,

des

rythmes

circadiens

et

de

la

reproduction


Propriétés

de

la

peau

et

des

poils




Gènes

candidats

:

EDNRB,

TRPS
1

et

KRTAP
8
-
1


EDNRB


TRPS
1


KRTAP
8
-
1

cornage
?


Gènes

de

coloration,

épaisseur

de

la

peau
,

densité

de

pelage
...
(
cornage
)




P
°

DE SELECTION


Maladies
infectieuses



Parasitaires
:
trypanosomoses

et/
ou

autres

maladies
parasitaires

vectorielles

(
anaplasmoses
,
babesiose
,
cowdriose
)




Bactériennes
: anthrax



Virales
?





Adaptation aux nouveaux
environnements


Trypanosomoses







Climat


Piqûres
/
vecteurs


Choix des éleveurs




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Adaptation des races bovines
hautes productrices


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16

HOLSTEIN

MONTBELIARDE

NORMANDE

Race

Création

du Herd
-
Book

Taille de la

Population
(2002)

Ne

(généalogie)

Production

de lait
(kg)

Quantité

de Matières
(
°
/oo
Gras/Proteïne)

MON

1872

1,799,200

34

7,441

38.8 / 32.5

NOR

1883

2,106,000

61

6,595

44.2 / 36.0

HOL

1922

11,535,378

42

8,628

40.9 / 31.6

70%

15%

15%



Augmentation de la production laitière mais déclin des performances
reproductrices

Les races bovines

laitières

françaises

Modèles

de
choix

pour
étudier

l’effet

de la
sélection

artificielle

Flori

et al
, 2009,
PLoS

One


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Ancrage des SNPS sur le génome bovin (puce 54K)

MON

HOL

NOR

BTA18

42846
SNPs

=> 41777
SNPs

ancrés


1
SNP tous les 60.8 kb


Les SNP
outliers

tendent à se retrouver dans les mêmes régions

Adaptation des r
aces bovines

laitières

françaises

Quantiles
Fst

globale


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Approche empirique: combiner l'information
entre
SNPs

proches


Utilisation d'un algorithme de lissage adaptatif (Hermann, 2005)
sur les données observées et simulées pour estimer la
distribution du score et calcul des q
-
values locales







Traces de
sélection

dans

le
génome

des

races
bovines

laitières

françaises



Identification de 13 régions sous sélection
(
qvalue
<0.05)










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Montbeliarde

Normande

Holstein

Réseaux de gènes pour chaque race (IPA)

7 gènes éligibles/8

13 gènes éligibles/16

14 gènes éligibles/19

=> Les
gènes sélectionnés dans les 3 races sont impliqués dans les mêmes voies
physiologiques

Ingenuity

Pathway

Analysis


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Réseau global de gènes

HOL

MON

NOR

MON et NOR


GH1
et gènes de
transduction du signal


TSHR


TGFB1

Analyse des 40 gènes sous sélection positive dans au moins une race (31 gènes
éligibles) => 2 réseaux interconnectés significatifs comprenant 28 gènes sous
sélection =>1 réseau global


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HOL

MON

NOR

MON et NOR

Réseau global de gènes


Rôle central des axes somatotrope et gonadotrope en réponse à la sélection


Antagonisme entre production laitière et reproduction


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Arial ou Arial narrow

taille 18

Conclusion


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Hard
sweeps
/adaptation polygénique

Intérêt des outils de biologie des systèmes


Pritchard et al, 2010

Modèle classique


Modèle polygénique




Allele

favorisé
après un changement
environnemental

Région IBD

Haplotype

2012


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E N V I R O N N E M E N T

Collaborations

UMR GABI, INRA

AgroParisTech
,

Jouy
-
en
-
Josas


Katayoun

MOAZAMI
-
GOUDARZI
-

Denis
LALOE

Jean
-
Louis FOULLEY

UMR 17 IRD
-
CIRAD,
Montpellier

Sophie THEVENON

David
BERTHIER

Departamento

de
Biología

Celular
,
Université

Simon
Bolivar, Caracas

Pedro
Maria
Aso

Mari Isabel
Gonzatti

URZ, INRA, Guadeloupe

Michel NAVES

CIRDES,
Bobodioulasso

Charles DAYO

Issa

SIDIBE

Souleymane

SYLLA

Département

de production
animale
,
Université

d’Abomey
-
Calavi
,
Cotonou

Marcel SENOU

Faustin

FAGBOHOUN

Zacharie

TOURE

UMR
CBGP,
INRA
-
IRD, Montpellier

Mathieu GAUTIER