Application of molecular markers on genetic improvement and reproduction in the post-genomic Era: Emerging biotechnologies and perspectives in livestock

Background: New challenges are rising in the animal protein market, and one of the main world challenges is to produce more in shorter time, with better quality and in a sustainable way. Brazil is the largest beef exporter in volume hence the factors affecting the beef meat chain are of major concern in countrýs economy. An emerging class of biotechnological approaches, the molecular markers, is bringing new perspectives to face these challenges, particularly after the publication of the first complete livestock genome (bovine), which has triggered a massive initiative to put in practice the benefits of the so called the Post-Genomic Era. Review: This article aimed at showing the directions and insights in the application of molecular markers on livestock genetic improvement and reproduction as well at organizing the progress so far, pointing some perspectives of these emerging technologies in Brazilian ruminant production context. An overview on the nature of the main molecular markers explored in ruminant production is provided, which describes the molecular bases and detection approaches available for microsatellites (STR) and single nucleotide polymorphisms (SNP). A topic is dedicated to review the history of association studies between markers and important trait variation in livestock, showing the timeline starting on quantitative trait loci (QTL) identification using STR markers and ending in high resolution SNP panels to proceed whole genome scans for phenotype/genotype association. Also the article organizes this information to reveal how QTL prospection using STR could open ground to the feasibility of marker-assisted selection and why this approach is quickly being replaced by studies involving the application of genome-wide association using SNP research in a new concept called genomic selection. Conclusion: The world's scientific community is dedicating effort and resources to apply SNP information in livestock selection through the development of high density panels for genomic association studies, connecting molecular genetic data with phenotypes of economic interest. Once generated, this information can be used to take decisions in genetic improvement programs by selecting animals with the assistance of molecular markers.

Avaliação de tangerinas, tangores e tangelos em relação à clorose variegada dos citros

A Clorose Variegada dos Citros (CVC), causada pela bactéria Xylella fastidiosa, é uma séria ameaça à citricultura brasileira, constituindo-se, atualmente, numa das principais doenças dos citros no Brasil. O objetivo desse trabalho foi avaliar cultivares de citros introduzidas quanto à suscetibilidade ou resistência à CVC, em condições de campo. O trabalho foi conduzido em Bebedouro-SP. Os materiais genéticos estudados foram cultivares de tangerinas e híbridos (tangores e tangelos) introduzidas de bancos de germoplasma da Itália, Portugal, Espanha e Córsega. O trabalho foi constituído por 56 parcelas, com três plantas das quais uma foi inoculada, empregando-se o método de encostia, utilizando-se de mudas previamente infectadas como fontes da bactéria. Foram avaliados os sintomas da doença mediante observação visual através de notas e teste de PCR, específico para Xylella fastidiosa. Os materiais genéticos que se apresentaram positivos ao PCR, mas não apresentaram sintomas, e os que foram negativos ao PCR, possuem um potencial de utilização em programas de melhoramento genético visando à resistência e/ou à tolerância à doença.

Genetic characterization of fig tree mutants with molecular markers

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Análise genética de escores de avaliação visual de bovinos com modelos bayesianos de limiar e linear

O objetivo deste trabalho foi comparar as estimativas de parâmetros genéticos obtidas em análises bayesianas uni-característica e bi-característica, em modelo animal linear e de limiar, considerando-se as características categóricas morfológicas de bovinos da raça Nelore. Os dados de musculosidade, estrutura física e conformação foram obtidos entre 2000 e 2005, em 3.864 animais de 13 fazendas participantes do Programa Nelore Brasil. Foram realizadas análises bayesianas uni e bi-características, em modelos de limiar e linear. de modo geral, os modelos de limiar e linear foram eficientes na estimação dos parâmetros genéticos para escores visuais em análises bayesianas uni-características. Nas análises bi-características, observou-se que: com utilização de dados contínuos e categóricos, o modelo de limiar proporcionou estimativas de correlação genética de maior magnitude do que aquelas do modelo linear; e com o uso de dados categóricos, as estimativas de herdabilidade foram semelhantes. A vantagem do modelo linear foi o menor tempo gasto no processamento das análises. Na avaliação genética de animais para escores visuais, o uso do modelo de limiar ou linear não influenciou a classificação dos animais, quanto aos valores genéticos preditos, o que indica que ambos os modelos podem ser utilizados em programas de melhoramento genético.

Efeitos ambientais que afetam o ganho de peso pré-desmama em animais Angus, Hereford, Nelore e mestiços Angus-Nelore e Hereford-Nelore

Foram utilizados dados de 66.035 animais das raças Nelore, Hereford, Angus e mestiços Nelore x Angus e Nelore x Hereford, para avaliar a influência da idade da vaca, idade do bezerro e data juliana de nascimento sobre o ganho médio diário dos bezerros no período pré-desmama (GMD). A análise estatística revelou que estas três covariáveis tiveram efeito significativo sobre o GMD. Observou-se também que o ajuste linear para idade à desmama não foi suficiente para retirar o seu efeito sobre o GMD. Estes resultados mostram que tais fatores ambientais podem ser importantes fontes de variação para esta característica nos programas de melhoramento genético.

Diversidade genética em populações-núcleo de Eucalyptus grandis

No melhoramento genético de espécies florestais, uma população base ou indivíduos superiores pré-selecionados tem importância fundamental para a manutenção do programa. Indivíduos de melhores procedências e de ampla base genética propiciam a obtenção de ganhos de forma contínua. O objetivo deste trabalho foi avaliar a diversidade genética em duas populações-núcleo de Eucalyptus grandis. Foram avaliados 39 indivíduos, sendo 19 pertencentes à população 1 e 20, à população 2, utilizando-se 14 primers microssatélite. Os fragmentos foram identificados e analisados a partir dos programas GeneScan e Genotyper, utilizando-se um sequenciador automático ABI Prism 3100. O número de alelos encontrados para cada primer variou de cinco a 15 para a população 1 e, de 8 a 18 para a população 2. A heterozigosidade estimada foi maior na população 2, 0,869, contra 0,843 na população 1. A média da distância genética entre os indivíduos da população 1 foi 0,6220 e na população 2 foi 0,6112. Com a caracterização molecular dos indivíduos destas populações foi construído um banco de dados que permitirá, a partir dos parâmetros de genética de populações, monitorar esses programas de melhoramento em diferentes ciclos de seleção.

Evaluation of water beef buffalo from birth to two years using different growth curves

The buffalo is a domestic animal species of growing world-wide importance. Research to improve genetic improvement programs is important to maintain the productivity of buffalo. The objective this research was to evaluate the growth of Brazilian buffalo to two years of age with different growth curves. Growth curves consolidate the information contained in the weight-age data into three or four biologically meaningful parameters. The data included 31,452 weights at birth and 120, 205, 365, 550 and 730 days of buffalo (n = 5,178) raised on pasture without supplementation. Logistic, Gompertz, quadratic logarithmic, and linear hyperbolic curves (designated L, G, QL, and LH, respectively) were fitted to the data by using proc NUN of SAS (SAS Institute, Inc., Cary, NC, USA). The parameters estimates for L [WT= A * (((1 + exp (-k * AGE)))**-m)] were A = 865.1 +/- 5.42; k= 0.0028 +/- 0.00002; M= 3.808 +/- 0.007; R(2) = 0.95. For G [WT= A * exp (-b * exp (-k * age)] the parameters estimates were A= 967.6 +/- 7.23; k = 0.00217 +/- 0.000015; b = -2.8152 +/- 0.00532. For QL [WT= A + b*age + k*(age*age) + m*log (age)] parameters estimates were A= 37.41 +/- 0.48; k= 0.00019 +/- 6.4E(-6); b= 0.539 +/- 0.006; m= 2.32 +/- 0.23; R(2)=0.96. For LH [WT= A + b*AGE + k*(1/AGE)] the parameters estimates were A= 23.15 +/- 0.44; k=15.16 +/- 0.66; b= 0.707 +/- 0.001; R(2)= 0.96. Each of these curves fit these data equally well and could be used for characterizing growth to two years in beef buffalo.

Modelos de minimização de biomassa residual

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Florescimento e frutificação do maracujazeiro silvestre Passiflora setacea D. C. cultivado em Jaboticabal, SP

Muitas espécies de Passiflora apresentam comportamento florífero diferente durante o ano e, consequentemente, com variações nas produções e períodos de colheitas, como observado para o maracujazeiro-amarelo (Passiflora edulis sims). Estudo com espécies silvestre constitui-se numa importante alternativa para usos de novos genótipos no melhoramento das espécies cultivadas comercialmente, em especial, a Passiflora setacea, devido ao grande potencial de mercado; contudo, essa espécie é pouco estudada, principalmente em relação à propagação, germinação, floração e condições de armazenamento. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o florescimento e a frutificação do maracujazeiro silvestre Passiflora setacea cultivado em Jaboticabal-SP. A floração e a frutificação foram avaliadas pelo percentual de frutificação através da polinização natural e artificial das flores, realizado no período de agosto a outubro. As características físicas dos frutos foram avaliadas através dos seguintes parâmetros: a) massa do fruto (g); b) diâmetro longitudinal do fruto (cm); c) diâmetro transversal do fruto (cm); d) espessura da casca (cm); e) rendimento de polpa (%). A característica química foi determinada por meio do teor de sólidos solúveis (SS). Verificou-se que a Passiflora setacea apresentou precocidade de floração em relação ao maracujazeiro-amarelo, com florescimento durante o ano todo, nas condições de Jaboticabal-SP. Observou-se que essa espécie possui bom nível de tolerância às doenças foliares, resistência à morte precoce e apresenta diferentes níveis de compatibilidade entre as plantas, possibilitando a essas características serem utilizadas em programas de melhoramento genético. Constatou-se ainda que as características físicas encontradas nos frutos atendem às exigências da indústria.

Caracterização citogenética em Anadenanthera colubrina (Vell.) Brenan (Mimosoideae) e Guazuma ulmifolia Lam. (Sterculiaceae)

Análises cariotípicas são importantes ferramentas de auxílio aos estudos de relações taxonômicas dentro dos grupos vegetais. Espécies arbóreas nativas encontradas no cerrado brasileiro têm sido pouco analisadas do ponto de vista citogenético e citotaxonômico. Com o objetivo de determinar o número cromossômico diplóide, a biometria e a morfologia cromossômica de Anadenanthera colubrina (angico-branco) e Guazuma ulmifolia (mutambo), sementes dessas espécies foram coletadas no município de Três Lagoas, Mato Grosso do Sul, Brasil. A utilização de 8-hidroxiquinoleína 0,003M a 36ºC, durante três horas possibilitou a separação cromossômica. Coloração Giemsa 2% por três minutos permitiu o estudo cariológico. A classificação cromossômica foi baseada no índice centromérico. Anadenanthera colubrina possui 2n = 26 cromossomos com comprimento cromossômico médio de 1,349 µm ± 0,017 e formulação cariotípica 8SM + 14M + 2T + 2AC. Guazuma ulmifolia apresenta 2n = 16 cromossomos com comprimento médio de 1,225 µm ± 0,023 e formulação cariotípica 4SM + 10M + 2T. Esses resultados podem subsidiar estudos de taxonomia, de manipulação cromossômica, bem como auxiliar na produção de progênies híbridas em programas de melhoramento.

Variabilidade genética do peso adulto de matrizes em um rebanho Nelore do Estado de São Paulo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Genetic and phenotypic trends for growth traits of buffaloes in Brazil

The objectives this paper were to estimate genetic parameters and genetic and phenotypic trends of birth weight (BWT) and weights adjusted to 205 (WT205), 365 (WT365) and 550 (P550) days of age of beef buffaloes born from 1985 to 2003 in Brazil. For BWT and WT205 the model included direct and maternal genetic and maternal environment as random effects and contemporary and genetic groups as fixed effects. For WT365 and WT550 the same model was used except without direct maternal and maternal environmental effects. The genetic and phenotypic trends were estimated by regression of means of dependent variables on birth year of animals Regressions were obtained by using two methodologies: 1) linear regression; and 2) non-parametric splined regression. The direct heritability estimates were 0.09, 0.45, 0.46 and 0.58 for BWT, WT205, WT365 and WT550, respectively. The direct genetic trends from linear regression were 0.01, 0.23, 0.58 and 1.40 kg per year for PN, WT205, VVT365 and WT550, respectively (P<0.001 for all). Phenotypic trends were strongly positive while genetic trends were consistently positive but small. Genetic parameters indicate potential for increased rate of genetic change with full implementation of genetic improvement programs.

Caracterização silvicultural, botânica e avaliação da variabilidade genética por meio do marcador molecular RAPD em um teste de progênies de Eucalyptus urophylla S. T. Blake

Molecular markers have recently been incorporated into genetic improvement programs. They are already considered as powerful tools with several different uses, for instance the monitoring of genetic variability in tree populations. The main objectives of this study were to evaluate genetic variability in Eucalyptus urophylla progenies and together with silvicultural and botanical information, provide assistance to the improvement program. The Eucalypts population is located at the Experimental Forestry Sciences Station, Anhembi, SP, which belongs to the College of Agriculture Luiz de Queiroz. Sixty-nine progenies were analysed representing one individual by family in open pollinated Eucalyptus urophylla trees. The RAPD technique allowed the identification of 72 loci that were analysed using Jaccard's Coefficient generating a genetic similarity matrix to permit estimation of genetic distances. The results obtained showed genetic distance between individuals of 0.40 with 12 groups of genetic variability using a standardised distance of 40%. The progenies showed different bark patterns, allowing the establishment of bark groups. The groups formed based on genetic distances obtained using DNA analysis did not correspond to those based on bark pattern. Genetic selection was simulated in which silvicultural and genetic variability data were linked, thus avoiding excessive variability losses. The simulation of controlled crossings allowed the maximum genetic difference to be obtained linked with height and individual bark roughness.

QTL identification for tolerance to fruit set in tomato by FAFLP markers

This study aimed to detect quantitative trait loci (QTL) by fALP (Fluorescent Amplified Fragment Length Polymorphism) markers associated to the trait tomato fruit set at high temperatures. A biparental cross between line Jab-95 (heat-tolerant) and cultivar Caribe (heat-susceptible) was made. A total of 192 plants of the F2 generation were evaluated, generating 172 polymorphic markers through six primer combinations previously identified by the Bulked Segregant Analysis technique. To construct the genetic map, 106 of the 172 markers that segregated in the expected Mendelian segregation proportion (3:1) were used. The map covered 1191.46 cM of the genome. Six trait-linked QTL were identified in the analysis of simple markers and three others by the interval-mapping methodology. These results could be highly useful in improvement programs, since heat-tolerant plants can be selected rapidly, which improves tomato fruit set.

Implementation of DNA markers to produce genomically - Enhanced EPDs in nellore cattle

Background: The sequencing and publication of the cattle genome and the identification of single nucleotide polymorphism (SNP) molecular markers have provided new tools for animal genetic evaluation and genomic-enhanced selection. These new tools aim to increase the accuracy and scope of selection while decreasing generation interval. The objective of this study was to evaluate the enhancement of accuracy caused by the use of genomic information (Clarifide® - Pfizer) on genetic evaluation of Brazilian Nellore cattle. Review: The application of genome-wide association studies (GWAS) is recognized as one of the most practical approaches to modern genetic improvement. Genomic selection is perhaps most suited to the improvement of traits with low heritability in zebu cattle. The primary interest in livestock genomics has been to estimate the effects of all the markers on the chip, conduct cross-validation to determine accuracy, and apply the resulting information in GWAS either alone [9] or in combination with bull test and pedigree-based genetic evaluation data. The cost of SNP50K genotyping however limits the commercial application of GWAS based on all the SNPs on the chip. However, reasonable predictability and accuracy can be achieved in GWAS by using an assay that contains an optimally selected predictive subset of markers, as opposed to all the SNPs on the chip. The best way to integrate genomic information into genetic improvement programs is to have it included in traditional genetic evaluations. This approach combines traditional expected progeny differences based on phenotype and pedigree with the genomic breeding values based on the markers. Including the different sources of information into a multiple trait genetic evaluation model, for within breed dairy cattle selection, is working with excellent results. However, given the wide genetic diversity of zebu breeds, the high-density panel used for genomic selection in dairy cattle (Ilumina Bovine SNP50 array) appears insufficient for across-breed genomic predictions and selection in beef cattle. Today there is only one breed-specific targeted SNP panel and genomic predictions developed using animals across the entire population of the Nellore breed (www.pfizersaudeanimal.com), which enables genomically - enhanced selection. Genomic profiles are a way to enhance our current selection tools to achieve more accurate predictions for younger animals. Material and Methods: We analyzed the age at first calving (AFC), accumulated productivity (ACP), stayability (STAY) and heifer pregnancy at 30 months (HP30) in Nellore cattle fitting two different animal models; 1) a traditional single trait model, and 2) a two-trait model where the genomic breeding value or molecular value prediction (MVP) was included as a correlated trait. All mixed model analyses were performed using the statistical software ASREML 3.0. Results: Genetic correlation estimates between AFC, ACP, STAY, HP30 and respective MVPs ranged from 0.29 to 0.46. Results also showed an increase of 56%, 36%, 62% and 19% in estimated accuracy of AFC, ACP, STAY and HP30 when MVP information was included in the animal model. Conclusion: Depending upon the trait, integration of MVP information into genetic evaluation resulted in increased accuracy of 19% to 62% as compared to accuracy from traditional genetic evaluation. GE-EPD will be an effective tool to enable faster genetic improvement through more dependable selection of young animals.