【原】基因組選擇中的參考群更新策略

育種數(shù)據(jù)分析 2022-11-03 發(fā)布于河南

展開(kāi)全文

大家好，我是鄧飛。

基因組選擇中，不同世代不斷的進(jìn)展，一般后代選擇表現(xiàn)好的個(gè)體，測(cè)量表型數(shù)據(jù)后，將其添加到參考群中，這樣有可能會(huì)失去遺傳多樣性，今天分享一篇文獻(xiàn)，介紹一下這方面的研究。

1. 文獻(xiàn)來(lái)源

?
Sonia E Eynard, Pascal Croiseau, Denis Lalo?, Sebastien Fritz, Mario P L Calus, Gwendal Restoux, Which Individuals To Choose To Update the Reference Population? Minimizing the Loss of Genetic Diversity in Animal Genomic Selection Programs, G3 Genes|Genomes|Genetics, Volume 8, Issue 1, 1 January 2018, Pages 113–121, https:///10.1534/g3.117.1117
?

2. 摘要

?
基因組選擇（GS）通常用于家畜，越來(lái)越多地用于植物育種。根據(jù)參考群體的表型和基因型，GS允許對(duì)只有基因型的年輕個(gè)體進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。這有望實(shí)現(xiàn)快速的高遺傳增益，但可能會(huì)失去遺傳多樣性?，F(xiàn)有的保護(hù)遺傳多樣性的方法主要取決于育種個(gè)體的選擇。在本研究中，我們建議修改參考種群組成，以減輕多樣性損失。由于表型的高成本是GS的限制因素，我們的發(fā)現(xiàn)具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。這項(xiàng)研究旨在回答以下問(wèn)題：關(guān)于參考種群的決定將如何影響繁殖種群，以及如何最佳選擇個(gè)體以更新參考種群，并平衡最大化遺傳增益和最小化遺傳多樣性損失？我們研究了參考群體的三種更新策略：隨機(jī)、截?cái)嗪妥顑?yōu)貢獻(xiàn)（OC）策略。OC最大化了遺傳多樣性的固定損失的遺傳價(jià)值。使用具有50K SNP芯片基因型的法國(guó)Montbéliarde奶牛種群和10代以上的模擬，以產(chǎn)奶量作為感興趣的特征，比較這些不同的策略。選擇候選人更新參考人群。測(cè)量了預(yù)測(cè)偏差以及遺傳價(jià)值和多樣性。參考種群組成的變化對(duì)繁殖種群略有影響。最佳貢獻(xiàn)策略似乎是一種可接受的折衷方案，以維持參考種群和繁殖種群的遺傳增益和多樣性。
?

「問(wèn)題：」GS中，只對(duì)后代的基因型GEBV高的個(gè)體，進(jìn)行性能測(cè)定，然后補(bǔ)充到參考群中，這樣能快速實(shí)現(xiàn)遺傳進(jìn)展，但是喪失遺傳多樣性。最大化遺傳進(jìn)展和最大化遺傳多樣性是矛盾的，如何權(quán)衡？

「三種策略：」

1，隨機(jī)選擇個(gè)體進(jìn)入?yún)⒖既?/section>
2，截?cái)?，基于最高GEBV進(jìn)行截?cái)噙x擇
3，最優(yōu)貢獻(xiàn)（OC）策略

「評(píng)價(jià)指標(biāo)：」

預(yù)測(cè)偏差
群體多樣性

3. GS的特點(diǎn)

?
如Meuwissen等人（2001）所述，基因組選擇（GS）的發(fā)展是動(dòng)物育種中最重要的最新創(chuàng)新。在家畜育種中，GS包括對(duì)基因組估計(jì)育種值（GEBV）的估計(jì)，以及基于這些GEBV對(duì)僅有可用基因型的個(gè)體（例如，作為選擇候選的年輕個(gè)體）的實(shí)際選擇（補(bǔ)充材料，圖S1）。參考群體由具有已知表型和基因型的個(gè)體組成，基于基因組中的許多標(biāo)記，用于建立預(yù)測(cè)方程和推斷選擇候選的GEBV。與基于表型和譜系的傳統(tǒng)方法相比，GS的主要優(yōu)勢(shì)在于，由于不再需要成熟后代的表型來(lái)進(jìn)行遺傳評(píng)估，因此世代間隔縮短。其次，選擇仍然可以以與經(jīng)典選擇相同的精度進(jìn)行。最后，它允許選擇難以記錄且成本高昂的新性狀（Meuwissen等人，2001；Calus和Veerkamp 2011）。盡管證實(shí)了這些優(yōu)勢(shì)，但關(guān)于GS長(zhǎng)期影響的大部分知識(shí)都是基于模擬研究[例如，Colleau等人（2009）、Jannink（2010）、Bastiaansen等人（2012）和Clark等人（2013）]，關(guān)于其使用仍存在許多問(wèn)題。特別是關(guān)于參考群體的設(shè)計(jì)：需要多少個(gè)體（Pszczola等人，2011年；Khatkar等人，2012年；Pryce和Daetwyler 2012年），應(yīng)多久重新評(píng)估一次標(biāo)記效應(yīng)（Calus 2010年；Heslot等人，2013年），參考群體中的個(gè)體應(yīng)與選擇候選人有多密切的關(guān)系，以及應(yīng)該使用哪些個(gè)體來(lái)更新參考人群（Rincent等人，2012；Isidro等人，2015）？
?

「一些問(wèn)題：」

GS需要多大的參考群
GS的評(píng)估多長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行評(píng)估一次（方差組分、SNP效應(yīng)值）
參考群和候選群的關(guān)系
哪些個(gè)體用于更新參考群？

4. 常見(jiàn)的更新參考群策略

?
由于密集選擇，許多家畜品種的近親繁殖率高，遺傳多樣性低（Leroy等人，2011）。有限的遺傳多樣性限制了種群的潛在長(zhǎng)期遺傳增益（Li et al.2008；Goddard 2009；Jannink 2010；Engelsma et al.2012；Liu 2013；Henryon et al.2014），并降低了它們應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)的能力（Toro et al.2009；Allendorf et al.2010；Stock and Reents 2013；Bruford et al.2015）。為了長(zhǎng)期保持，需要使用代表總體種群多樣性的個(gè)體進(jìn)行繁殖（Rincent等人，2012；Heslot等人，2013；Isidro等人，2015）。先前已經(jīng)提出了不同的策略：（1）限制每只雄性的后代數(shù)量，以避免公豬的“星系”（Danchin-Burge等人，2012；Boichard等人，2015），或（3）選擇代表最高總體種群多樣性的個(gè)體（Meuwissen 1997；Rincent等人2012；Heslot等人2013）。為此目標(biāo)開(kāi)發(fā)的可用方法之一是最佳貢獻(xiàn)（OC）策略，如Meuwissen（1997）所定義。OC策略可用于通過(guò)最小化個(gè)體之間的關(guān)系來(lái)同時(shí)保護(hù)遺傳多樣性和實(shí)現(xiàn)遺傳增益（Engelsma等人，2011；Sonesson等人，2012；Clark等人，2013；de Cara等人，2013年；Eynard等人，2016年）。這些方法的有效性取決于繁殖個(gè)體的最終選擇。就奶牛而言，在促進(jìn)使用精英繁殖者的競(jìng)爭(zhēng)性經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中，這種保護(hù)總體種群遺傳多樣性的策略可能使用不足。隱式驅(qū)動(dòng)選擇同時(shí)獲得遺傳增益和保持遺傳多樣性的方法可能是另一種選擇。通過(guò)參考群體的設(shè)計(jì)，有可能通過(guò)改變遺傳評(píng)估來(lái)修改育種群體。
?

「為何要考慮更新參考群測(cè)策略？」

因?yàn)?，GS中品系是優(yōu)中選優(yōu)，近親交配近交系數(shù)高，遺傳多樣性降低。遺傳多樣性降低就會(huì)限制種群的潛在的長(zhǎng)期遺傳增益。

「常見(jiàn)的策略：」

1，限制每個(gè)雄性個(gè)體的后代數(shù)量，比如公豬，公牛的后代數(shù)，避免扎堆，多樣性急劇下降
2，根據(jù)個(gè)體和標(biāo)記的信息，對(duì)于低頻率的位點(diǎn)賦予大的權(quán)重
3，選擇的個(gè)體有很好的多樣性

5. 測(cè)試數(shù)據(jù)

使用了牛的真實(shí)數(shù)據(jù)和模擬的數(shù)據(jù)，用三種策略更新參考群，考察GS預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、預(yù)測(cè)的偏差、近交系數(shù)和觀察到的雜合率（多樣性）。

6. 測(cè)試指標(biāo)

選擇響應(yīng)（也可以看做是準(zhǔn)確性）
無(wú)偏性
遺傳多樣性
群體有效種群規(guī)模

「無(wú)偏性：」

「有效種群大?。骸?/strong>

fi為群體某個(gè)世代的平均近交系數(shù)

7. 結(jié)論

「真實(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果：」

1，遺傳增益不顯著，這三種方法沒(méi)有達(dá)到顯著性差異。整體而言，參考群增大，遺傳增益進(jìn)展加快。

2，群體多樣性，沒(méi)有顯著性差異。

3，GEBV預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，沒(méi)有顯著性差異

「模擬數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果：」

可以模擬多個(gè)世代的影響（比如大于10個(gè)世代）

無(wú)論使用哪個(gè)策略，近交系數(shù)總是不斷增加。但是策略3（OC）近交系數(shù)增長(zhǎng)相對(duì)于另外兩種方法較慢

1，隨機(jī)，截?cái)鄡煞N方法，沒(méi)有OC控制近交效果好
2，隨機(jī)，截?cái)鄡煞N方法，平均雜合度比OC下降快
3，對(duì)于預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，相差不大

真實(shí)數(shù)據(jù)，顯示三種方法沒(méi)有差異，但是模擬數(shù)據(jù)顯示，OC策略對(duì)于遺傳多樣性更好。另外，芯片50k，對(duì)于重測(cè)序，對(duì)于低頻位點(diǎn)的挖掘不利，對(duì)于遺傳多樣性的評(píng)估也是一個(gè)制約。