Bayesian analysis of random regression models using B-splines to model test-day milk yield of Holstein cattle in Brazil

The objective of this paper is to model variations in test-day milk yields of first lactations of Holstein cows by RR using B-spline functions and Bayesian inference in order to fit adequate and parsimonious models for the estimation of genetic parameters. They used 152,145 test day milk yield records from 7317 first lactations of Holstein cows. The model established in this study was additive, permanent environmental and residual random effects. In addition, contemporary group and linear and quadratic effects of the age of cow at calving were included as fixed effects. Authors modeled the average lactation curve of the population with a fourth-order orthogonal Legendre polynomial. They concluded that a cubic B-spline with seven random regression coefficients for both the additive genetic and permanent environment effects was to be the best according to residual mean square and residual variance estimates. Moreover they urged a lower order model (quadratic B-spline with seven random regression coefficients for both random effects) could be adopted because it yielded practically the same genetic parameter estimates with parsimony. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Random regression analyses using B-spline functions to model growth of Nellore cattle

The objective of this study was to estimate (co)variance components using random regression on B-spline functions to weight records obtained from birth to adulthood. A total of 82 064 weight records of 8145 females obtained from the data bank of the Nellore Breeding Program (PMGRN/Nellore Brazil) which started in 1987, were used. The models included direct additive and maternal genetic effects and animal and maternal permanent environmental effects as random. Contemporary group and dam age at calving (linear and quadratic effect) were included as fixed effects, and orthogonal Legendre polynomials of age (cubic regression) were considered as random covariate. The random effects were modeled using B-spline functions considering linear, quadratic and cubic polynomials for each individual segment. Residual variances were grouped in five age classes. Direct additive genetic and animal permanent environmental effects were modeled using up to seven knots (six segments). A single segment with two knots at the end points of the curve was used for the estimation of maternal genetic and maternal permanent environmental effects. A total of 15 models were studied, with the number of parameters ranging from 17 to 81. The models that used B-splines were compared with multi-trait analyses with nine weight traits and to a random regression model that used orthogonal Legendre polynomials. A model fitting quadratic B-splines, with four knots or three segments for direct additive genetic effect and animal permanent environmental effect and two knots for maternal additive genetic effect and maternal permanent environmental effect, was the most appropriate and parsimonious model to describe the covariance structure of the data. Selection for higher weight, such as at young ages, should be performed taking into account an increase in mature cow weight. Particularly, this is important in most of Nellore beef cattle production systems, where the cow herd is maintained on range conditions. There is limited modification of the growth curve of Nellore cattle with respect to the aim of selecting them for rapid growth at young ages while maintaining constant adult weight.

Inférence doublement robuste en présence de données imputées dans les enquêtes

L'imputation est souvent utilisée dans les enquêtes pour traiter la non-réponse partielle. Il est bien connu que traiter les valeurs imputées comme des valeurs observées entraîne une sous-estimation importante de la variance des estimateurs ponctuels. Pour remédier à ce problème, plusieurs méthodes d'estimation de la variance ont été proposées dans la littérature, dont des méthodes adaptées de rééchantillonnage telles que le Bootstrap et le Jackknife. Nous définissons le concept de double-robustesse pour l'estimation ponctuelle et de variance sous l'approche par modèle de non-réponse et l'approche par modèle d'imputation. Nous mettons l'emphase sur l'estimation de la variance à l'aide du Jackknife qui est souvent utilisé dans la pratique. Nous étudions les propriétés de différents estimateurs de la variance à l'aide du Jackknife pour l'imputation par la régression déterministe ainsi qu'aléatoire. Nous nous penchons d'abord sur le cas de l'échantillon aléatoire simple. Les cas de l'échantillonnage stratifié et à probabilités inégales seront aussi étudiés. Une étude de simulation compare plusieurs méthodes d'estimation de variance à l'aide du Jackknife en terme de biais et de stabilité relative quand la fraction de sondage n'est pas négligeable. Finalement, nous établissons la normalité asymptotique des estimateurs imputés pour l'imputation par régression déterministe et aléatoire.

Heat stress response for physiological traits in dairy and dual purpose cattle populations on phenotypic and genetic scales

The main objective of this thesis was to determine the potential impact of heat stress (HS) on physiological traits of lactating cows and semen quality of bulls kept in a temperate climate. The thesis is comprised of three studies. An innovative statistical modeling aspect common to all three studies was the application of random regression methodology (RRM) to study the phenotypic and genetic trajectory of traits in dependency of a continuous temperature humidity index (THI). In the first study, semen quality and quantity traits of 562 Holstein sires kept on an AI station in northwestern Germany were analyzed in the course of THI calculated from data obtained from the nearest weather station. Heat stress was identified based on a decline in semen quality and quantity parameters. The identified general HS threshold (THI = 60) and the thermoneutal zone (THI in the range from 50 to 60) for semen production were lower than detected in studies conducted in tropical and subtropical climates. Even though adult bulls were characterized by higher semen productivity compared to younger bulls, they responded with a stronger semen production loss during harsh environments. Heritabilities (low to moderate range) and additive genetic variances of semen characteristics varied with different levels of THI. Also, based on genetic correlations genotype, by environment interactions were detected. Taken together, these findings suggest the application of specific selection strategies for specific climate conditions. In the second study, the effect of the continuous environmental descriptor THI as measured inside the barns on rectal temperatures (RT), skin temperatures (ST), vaginal temperatures (VT), respiration rates (RR), and pulse rate (PR) of lactating Holstein Friesian (HF) and dual-purpose German black pied cattle (DSN) was analyzed. Increasing HS from THI 65 (threshold) to THI 86 (maximal THI) resulted in an increase of RT by 0.6 °C (DSN) and 1 °C (HF), ST by 3.5 °C (HF) and 8 °C (DSN), VT by 0.3 °C (DSN), and RR by 47 breaths / minute (DSN), and decreased PR by 7 beats / minute (DSN). The undesired effects of rising THI on physiological traits were most pronounced for cows with high levels of milk yield and milk constituents, cows in early days in milk and later parities, and during summer seasons in the year 2014. In the third study of this dissertation, the genetic components of the cow’s physiological responses to HS were investigated. Heat stress was deduced from indoor THI measurements, and physiological traits were recorded on native DSN cows and their genetically upgraded crosses with Holstein Friesian sires in two experimental herds from pasture-based production systems reflecting a harsh environment of the northern part of Germany. Although heritabilities were in a low range (from 0.018 to 0.072), alterations of heritabilities, repeatabilities, and genetic components in the course of THI justify the implementation of genetic evaluations including heat stress components. However, low repeatabilities indicate the necessity of using repeated records for measuring physiological traits in German cattle. Moderate EBV correlations between different trait combinations indicate the potential of selection for one trait to simultaneously improve the other physiological attributes. In conclusion, bulls of AI centers and lactating cows suffer from HS during more extreme weather conditions also in the temperate climate of Northern Germany. Monitoring physiological traits during warm and humid conditions could provide precious information for detection of appropriate times for implementation of cooling systems and changes in feeding and management strategies. Subsequently, the inclusion of these physiological traits with THI specific breeding values into overall breeding goals could contribute to improving cattle adaptability by selecting the optimal animal for extreme hot and humid conditions. Furthermore, the recording of meteorological data in close distance to the cow and visualizing the surface body temperature by infrared thermography techniques might be helpful for recognizing heat tolerance and adaptability in cattle.

Assessment of inbreeding depression in a Guzerat dairy herd: Effects of individual increase in inbreeding coefficients on production and reproduction

Influences of inbreeding on daily milk yield (DMY), age at first calving (AFC), and calving intervals (CI) were determined on a highly inbred zebu dairy subpopulation of the Guzerat breed. Variance components were estimated using animal models in single-trait analyses. Two approaches were employed to estimate inbreeding depression: using individual increase in inbreeding coefficients or using inbreeding coefficients as possible covariates included in the statistical models. The pedigree file included 9,915 animals, of which 9,055 were inbred, with an average inbreeding coefficient of 15.2%. The maximum inbreeding coefficient observed was 49.45%, and the average inbreeding for the females still in the herd during the analysis was 26.42%. Heritability estimates were 0.27 for DMY and 0.38 for AFC. The genetic variance ratio estimated with the random regression model for CI ranged around 0.10. Increased inbreeding caused poorer performance in DMY, AFC, and CI. However, some of the cows with the highest milk yield were among the highly inbred animals in this subpopulation. Individual increase in inbreeding used as a covariate in the statistical models accounted for inbreeding depression while avoiding overestimation that may result when fitting inbreeding coefficients.

Persistência na lactação para vacas da raça Holandesa criadas no Estado do Rio Grande do Sul via modelos de regressão aleatória

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Short communication: Principal components and factor analytic models for test-day milk yield in Brazilian Holstein cattle

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Effects of sex and age on genotype x environment interaction for beef cattle body weight studied using reaction norm models

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Covariance functions for body weight from birth to maturity in Nellore cows

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Utilização de modelos de regressão aleatória para produção de leite no dia do controle, com diferentes estruturas de variâncias residuais

Foram utilizados quatorze modelos de regressão aleatória, para ajustar 86.598 dados de produção de leite no dia do controle de 2.155 primeiras lactações de vacas Caracu, truncadas aos 305 dias. Os modelos incluíram os efeitos fixos de grupo contemporâneo e a covariável idade da vaca ao parto. Uma regressão ortogonal de ordem cúbica foi usada para modelar a trajetória média da população. Os efeitos genéticos aditivos e de ambiente permanente foram modelados por meio de regressões aleatórias, usando polinômios ortogonais de Legendre, de ordens cúbicas. Diferentes estruturas de variâncias residuais foram testadas e consideradas por meio de classes contendo 1, 10, 15 e 43 variâncias residuais e de funções de variâncias (FV) usando polinômios ordinários e ortogonais, cujas ordens variaram de quadrática até sêxtupla. Os modelos foram comparados usando o teste da razão de verossimilhança, o Critério de Informação de Akaike e o Critério de Informação Bayesiano de Schwar. Os testes indicaram que, quanto maior a ordem da função de variâncias, melhor o ajuste. Dos polinômios ordinários, a função de sexta ordem foi superior. Os modelos com classes de variâncias residuais foram aparentemente superiores àqueles com funções de variância. O modelo com homogeneidade de variâncias foi inadequado. O modelo com 15 classes heterogêneas foi o que melhor ajustou às variâncias residuais, entretanto, os parâmetros genéticos estimados foram muito próximos para os modelos com 10, 15 ou 43 classes de variâncias ou com FV de sexta ordem.

Predição de valores genéticos para a produção de leite no dia do controle e para a produção acumulada até 305 dias

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estimação de parâmetros genéticos para produção de leite de cabras da raça Alpina

Foram utilizados 9.374 registros semanais de produção de leite de 302 primeiras lactações de cabras da raça Alpina. A produção de leite no dia do controle foi analisada por meio de um modelo animal, unicarater, de regressão aleatória, em que as funções de covariâncias para os componentes genéticos aditivos e de ambiente permanente foram modeladas por meio das funções de Wilmink, Ali e Schaeffer e por polinômios ortogonais, em uma escala de Legendre de ordens cúbica e quíntica. Assumiu-se, ainda, variância residual homogênea durante toda a lactação e heterogênea com três e quatro classes de variância residual. Os modelos foram comparados pelo critério de informação de Akaike (AIC), pelo critério de informação Bayesiano de Schwar (BIC), pela função de verossimilhança (Ln L), pela visualização das estimativas de variâncias genéticas, de ambiente permanente, fenotípicas e residuais e pelas herdabilidades. O polinômio de Legendre de ordem quíntica, com quatro e três classes de variâncias residuais, e a função de Ali e Schaeffer, com quatro classes de variâncias residuais, foram indicados como os mais adequados pelo AIC, BIC e Ln L. Estes modelos diferiram na partição da variância fenotípica para as variâncias de ambiente permanente, genética e residual apenas no início e no final da lactação. Contudo, a função de Ali e Schaeffer resultou em estimativas negativas de correlação genética entre os controles mais distantes. O polinômio de Legendre de ordem quíntica, assumindo variância residual heterogênea, mostrou-se mais adequado para ajustar a produção de leite no dia do controle de cabras da raça Alpina.

Estimativas de parâmetros genéticos para produção de leite e persistência da lactação em vacas Gir, aplicando modelos de regressão aleatória

Com o objetivo de estimar parâmetros genéticos para a produção de leite no dia do controle (PLDC), foram usadas as 2.440 primeiras lactações de vacas da raça Gir leiteira, com partos registrados entre 1990 e 2005. As PLDC foram consideradas em dez classes mensais e analisadas por meio de modelo de regressão aleatória (MRA) utilizando-se como efeitos aleatórios o genético-aditivo, o de ambiente permanente e o residual e, como efeitos fixos, o grupo de contemporâneos (GC), a co-variável idade da vaca ao parto (efeito linear e quadrático) e a curva média de lactação da população. Os efeitos genético-aditivos e de ambiente permanente foram modelados utilizando-se as funções de Wilmink (WIL) e Ali e Schaeffer (AS). As variâncias residuais foram modeladas utilizando-se 1, 4, 6 ou 10 classes. Os grupos de contemporâneos foram definidos como rebanho-ano-estação do controle contendo no mínimo três animais. Os testes indicaram que o modelo com quatro classes de variâncias usando a função paramétrica AS foi o que melhor se ajustou aos dados. As estimativas de herdabilidade variaram de 0,21 a 0,33 para a função AS e de 0,17 a 0,30 para WIL e foram maiores na primeira metade da lactação. As correlações genéticas entre as PLDC foram positivas e elevadas entre os controles adjacentes e diminuiram quando a distância entre os controles aumentou. Para o melhor modelo, foram estimados os valores genéticos para a produção de leite acumulada até os 305 dias e, para períodos parciais da lactação, foram obtidas como médias dos valores genéticos preditos naquele período. Os valores genéticos foram comparados, por meio da correlação de posto, ao valor genético predito para a produção acumulada até os 305 dias, pelo método tradicional. As correlações entre os valores genéticos indicaram que podem ocorrer divergências na classificação dos animais pelos critérios estudados.

Estimação de parâmetros genéticos para peso do nascimento aos 550 dias de idade para animais da raça Tabapuã utilizando-se modelos de regressão aleatória

Foram utilizados 21.762 registros de peso do nascimento aos 550 dias de idade de 4.221 animais para estimativa das funções de covariância empregando modelos de regressão aleatória. Os modelos incluíram, como aleatórios, os efeitos genéticos aditivo direto e materno, de ambiente permanente de animal e de ambiente permanente materno e, como fixos, os efeitos de grupo contemporâneo, a idade da vaca ao parto (linear e quadrático) e o polinômio ortogonal de Legendre da idade do animal (regressão cúbica), como covariáveis. As variâncias residuais foram modeladas por uma função de variâncias com ordens de 2 a 6. Análises com polinômios ortogonais de diversas ordens foram realizadas para os efeitos genético aditivo direto, genético aditivo materno, de ambiente permanente de animal e de ambiente permanente materno. Os modelos foram comparados pelos critérios de informação Bayesiano de Schwarz (BIC) e Akaike (AIC). O melhor modelo indicado por todos os critérios foi o que considerou o efeito genético aditivo direto ajustado por um polinômio cúbico, o efeito genético materno ajustado por um polinômio quadrático, o efeito de ambiente permanente de animal ajustado por polinômio quártico e o efeito de ambiente permanente materno ajustado por polinômio linear. As estimativas de herdabilidade para o efeito direto foram maiores no início e no final do período estudado, com valores de 0,28 ao nascimento, 0,21 aos 240 dias e 0,24 aos 550 dias de idade. As estimativas de herdabilidade materna foram maiores aos 160 dias de idade (0,10) que nas demais fases do crescimento. As correlações genéticas variaram de moderadas a altas, diminuindo conforme o aumento da distância entre as idades. Maior eficiência na seleção para peso pode ser obtida considerando os pesos pós-desmama, período em que as estimativas de variância genética e herdabilidade foram superiores.

Estimação de funções de covariância para características de crescimento da raça Tabapuã utilizando modelos de regressão aleatória

Foram utilizados 35.732 registros de peso do nascimento aos 660 dias de idade de 8.458 animais da raça Tabapuã para estimar funções de covariância utilizando modelos de regressão aleatória sobre polinômios de Legendre. Os modelos incluíram: como aleatórios, os efeitos genético aditivo direto, materno, de ambiente permanente de animal e materno; como fixos, os efeitos de grupo de contemporâneo; como covariáveis, a idade do animal à pesagem e a idade da vaca ao parto (linear e quadrática); e sobre a idade à pesagem, polinômio ortogonal de Legendre (regressão cúbica) foi considerado para modelar a curva média da população. O resíduo foi modelado considerando sete classes de variância e os modelos foram comparados pelos critérios de informação Bayesiano de Schwarz e Akaike. O melhor modelo apresentou ordens 4, 3, 6, 3 para os efeitos genético aditivo direto e materno, de ambiente permanente de animal e materno, respectivamente. As estimativas de covariância e herdabilidades, obtidas utilizando modelo bicaracter, e de regressão aleatória foram semelhantes. As estimativas de herdabilidade para o efeito genético aditivo direto, obtidas com o modelo de regressão aleatória, aumentaram do nascimento (0,15) aos 660 dias de idade (0,45). Maiores estimativas de herdabilidade materna foram obtidas para pesos medidos logo após o nascimento. As correlações genéticas variaram de moderadas a altas e diminuíram com o aumento da distância entre as pesagens. A seleção para maiores pesos em qualquer idade promove maior ganho de peso do nascimento aos 660 dias de idade.