Nuevas metodologías genéticas para la evaluación del nivel de endogamia y su repercusión sobre caracteres de interés económico en la población equina "Pura Raza Española"

Abstract

El caballo de Pura Raza Española (PRE) es la raza equina autóctona española más importante con respecto a su censo, con 275.018 individuos activos. Su actual Programa de Cría, en la que se incluye el Programa de Mejora, fue aprobado en 2020 y tiene como objetivos la mejora de la morfología, la conformación y la funcionalidad, minimizando el nivel de endogamia y garantizando la conservación de la Raza. Durante las 4 últimas generaciones (aproximadamente 40 años) se hace de forma sistemática controles de paternidad mediante el uso de diferentes herramientas moleculares (grupos sanguíneos, polimorfismos bioquímicos y marcadores microsatélites), lo que hace que la población del caballo de PRE sea ideal para la evaluación de diferentes metodologías para la estimación de la consanguinidad y el estudio de diferentes modelos que estiman las desviaciones en el ratio de transmisión de genes de padres a hijos en caracteres de especial interés económico en esta Raza. La presente Tesis se ha estructurado en tres capítulos. Capítulo I. “Estructura genética de la población equina “Pura Raza Española” y evaluación de la endogamia.” Desde 1912, con la creación del primer Libro de Registro, el caballo de PRE se estableció como una población cerrada, en la que solo pueden inscribirse como reproductores animales procedentes de padres inscritos en el Libro Genealógico. Desde ese momento, el apareamiento de animales emparentados se volvió inevitable y la consanguinidad, relacionada con el incremento de la homocigocidad en el genoma, fue progresivamente incrementándose. Hoy en día, la estimación de la consanguinidad, omnipresente e ineludible en los sistemas productivos de razas puras, es el principal objetivo en la gestión ganadera, sobre todo para aquellos criadores que están interesados en mitigar sus consecuencias negativas. El primer objetivo de este capítulo fue analizar, a partir de información genealógica, el coeficiente de consanguinidad clásica (F), el coeficiente de parentesco (AR) y el coeficiente de consanguinidad parcial (Fij) de la población total de PRE y determinar los ancestros que proporcionan el 50% de la variabilidad genética total de la población actual. Este estudio nos permitió comprobar que la F media del conjunto de la población (328.706 caballos) ha disminuido en casi un 1% en los últimos 20 años. Además, se determinó que un total de 10.244 ancestros comunes (aquellos que generan consanguinidad) contribuyeron aportando consanguinidad parcial a una media de 5.370 descendientes, donde cada descendiente tiene un promedio de 170 ancestros comunes en su pedigrí. También se determinó que, a lo largo de las generaciones, el número de ancestros comunes ha aumentado, mientras que la proporción de Fij transmitida por cada uno de ellos ha disminuido. En la segunda parte de este capítulo se utilizaron diferentes metodologías para la estimación de la consanguinidad, evaluando sus correspondientes ventajas y desventajas. A partir de la población total de PRE (344.718 caballos) se estimaron los coeficientes de consanguinidad clásica (F), ancestral de Ballou, ancestral de Kalinowski, nuevo de Kalinowski e histórico ancestral. Además, se utilizaron datos genotípicos de una población seleccionada de 805 individuos PRE para determinar el coeficiente de consanguinidad individual mediante técnicas basadas en SNP-by-SNP (métodos de los momentos -FHOM-, los elementos diagonales del genoma -FG- y las matrices híbridas -FH-) y medidas de ROH (FRZ). Los valores medios de los coeficientes de consanguinidad basados en el pedigrí oscilaron entre 0,01 (F para las 3 últimas generaciones -F3-) y 0,44 (coeficiente historico ancestral) y los valores medios de los coeficientes de consanguinidad basados en el genoma oscilaron entre 0,05 (FRZ para 3 generaciones, FH y FHOM) y 0,11 (FRZ para 9 generaciones). También se encontraron correlaciones significativas entre los valores de consanguinidad por pedigrí y genómica, que oscilaron entre 0,58 (F3 con FHOM) y 0,79 (F con FRZ). Capítulo II. “Análisis de las alteraciones a la herencia mendeliana y su repercusión en caracteres de interés económico en el caballo de Pura Raza Española.” La Ley de la segregación de Mendel establece que cada descendiente recibe, con la misma probabilidad, un alelo de cada carácter de cada uno de sus progenitores. Sin embargo, en la práctica, esto no siempre ocurre y se producen distorsiones en el ratio de transmisión (TRD), lo que genera que determinados genotipos se encuentren sobrerrepresentados o infrarrepresentados en la descendencia de un apareamiento en concreto. El TRD se puede deber a mecanismos que afectan a las células germinales (como la deriva meiótica, la selección de la línea germinal, la competencia gamética, la letalidad embrionaria o la supervivencia postnatal) o a mecanismos que afectan a la proporción de las frecuencias genotípicas esperadas en la población (como lo son la depresión consanguínea, el imprinting o la dominancia, entre otros). En la primera parte de este capítulo se estimaron los parámetros genéticos de 9 rasgos reproductivos en yeguas de PRE, la proporción de cada uno de los rasgos que se ve afectada por el incremento de la consanguinidad (depresión consanguínea) y, por primera vez en una raza equina, el potencial de depresión por consanguinidad (PDC) asociado a los ancestros comunes de la Raza. La idea detrás del diseño de estos modelos se basa en que la depresión consanguínea no siempre tiene un impacto negativo en los individuos consanguíneos, sino que la consanguinidad tiene efectos heterogéneos en la población y resulta, algunas veces, en efectos neutros o incluso positivos. Para ello, se analizaron los datos fenotípicos de un total de 22.799 yeguas y se desarrollaron modelos que incluyeron el PDC generado por el ancestro del individuo, como un efecto genético aleatorio, para explicar su fenotipo. Las estimaciones de heredabilidad oscilaron entre 0,05 (intervalo entre el primer y el segundo parto) y 0,16 (edad al primer parto), mientras que los ratios de PDC oscilaron entre 0,06 (eficiencia reproductiva al sexto parto) y 0,17 (edad al primer parto), para un coeficiente de consanguinidad parcial del 10%. En la segunda parte de este capítulo se desarrollaron, por primera vez en una raza caballar, modelos para la cuantificación del efecto del padre de origen, también denominado imprinting, en caracteres reproductivos y morfológicos en la población actual del caballo de PRE. El efecto del padre de origen se ocasiona cuando la expresión de un gen en la descendencia puede variar en función del padre de origen de ese gen o por la gestión preferencial asociada al mérito genético de uno de los progenitores. La primera consecuencia de ello, desde el punto de vista genético, es que los fenotipos medios de los heterocigotos recíprocos ya no tienen por qué ser iguales, como cabría esperar según la herencia mendeliana. Se analizaron, para un total de 3 caracteres reproductivos y 3 caracteres morfológicos, entre 44.030 y 144.191 caballos de PRE. Posteriormente se diseñaron y se compararon 4 modelos genéticos, con y sin efecto del padre de origen, determinando que tanto el efecto gamético materno como el paterno influyen en todos los rasgos analizados. El efecto gamético materno tuvo una mayor influencia en la mayoría de los rasgos, representando entre el 3% y el 11% de la varianza fenotípica total, mientras que el efecto gamético paterno representó una mayor proporción de varianza en la edad al primer parto (4%). Como era de esperar, las correlaciones de Pearson entre los valores genéticos aditivos de los modelos que tienen en cuenta el efecto del padre de origen y los que no lo tienen fueron muy elevadas; sin embargo, el porcentaje de animales coincidentes disminuyó cuando se compararon animales con los valores genéticos estimados más elevados. En la tercera parte de este capítulo se profundizó en los mecanismos que afectan a el TRD que es debido a la afección de las células germinales, en concreto a aquellos factores que ocurren durante el proceso reproductivo y el desarrollo neonatal temprano. Para este estudio se analizó la información genómica de 126.394 tríos formados por el semental, la yegua y una cría, utilizando un panel de 17 marcadores de microsatélite. El número de alelos disponibles para cada marcador osciló entre 13 y 18, siendo 268 el número total de alelos analizados. Tras completar el análisis con el TRDscan v.2.0, se identificaron un total de 12 alelos (de 11 microsatélites) con pruebas decisivas de TRD genotípica; 3 con patrones aditivos y 9 con patrones de heterosis. Además, se identificaron 19 alelos (de 10 microsatélites) con TRD con patrón alélico. De ellos, 14 eran TRD inespecíficos para el semental y 5 para la yegua. De las regiones TRD, se identificaron y anotaron 24 genes, predominantemente asociados con el metabolismo y la homeostasis del colesterol, pero, sobre todo, relacionados con problemas de fertilidad, retraso del crecimiento y deterioro de la salud general. Capitulo III. “Índice de selección precoz de parámetros reproductivos en yeguas de Pura Raza Española, mediante caracteres morfológicos”. En este capítulo se desarrollaron una serie de índices para la preselección y selección precoz de la eficiencia reproductiva y otros parámetros de fertilidad en las yeguas de PRE, a través de variables morfológicas. Para este estudio se realizó un análisis de mínimos cuadrados parciales para determinar las variables morfológicas que presentan mayor repercusión sobre los parámetros de eficiencia reproductiva. Estas variables fueron la alzada a la cruz, ángulo lateral del corvejón, diámetro dorso-esternal, perímetro del hueso de la caña anterior, ángulo de la espalda, perímetro torácico, distancia cadera-tibia y el ángulo de la grupa. Posteriormente se utilizaron los registros morfológicos y de fertilidad de entre 16.620 y 19.758 yeguas, según la variable analizada, para la estimación de los parámetros genéticos con un modelo animal multivariado que incluyó la edad, la zona geográfica, el color de la capa y el tamaño promedio de la ganadería en la década del primer parto de la yegua como efectos fijos. Las heredabilidades oscilaron entre 0,1 (intervalo entre primer y segundo parto) y 0,9 (alzada a la cruz) y las correlaciones genéticas entre variables morfológicas y reproductivas oscilaron entre -0,47 (distancia cadera-tibia con la edad al último parto) y 0,16 (ángulo de la espalda y el intervalo entre el primer y segundo parto). Se determinó que, para todas las variables de fertilidad estudiadas, la respuesta a la selección se vio incrementada cuando se compararon los índices con información morfológica con los que no la incluía. La variable de fertilidad que mayor respuesta obtuvo fue el intervalo entre el primer y segundo parto con un incremento de la respuesta del 46%, seguido de la edad al último parto con un incremento del 28%.

The Pura Raza Española (PRE) horse is a native Spanish equine breed and the most important in terms of its census, with 275,018 active individuals. Its current Breeding Program, which includes the Improvement Program, was approved in 2020 and aims to improve morphology, conformation, and functionality while minimizing the level of inbreeding and ensuring the conservation of the breed. Over the past four generations (40 years approximately), paternity controls have been systematically carried out using different molecular tools such as blood groups, biochemical polymorphisms, and microsatellite markers. This makes the population of PRE horses ideal for determining the evaluation of different methodologies for estimating inbreeding and studying different models that estimate deviations in the gene transmission ratio from parents to offspring in economically important traits within this breed. The present Thesis is structured into three chapters. Chapter I: "Genetic Structure of the Pure Spanish Horse Population and Evaluation of Inbreeding." Since 1912, with the creation of the first Stud Book for PRE horses, it was established as a closed population, where only animals from registered parents in the Genealogical Book can be registered as breeding animals. From that moment, mating between related animals became inevitable, and inbreeding, related to the increase in homozygosity in the genome, progressively increased. Nowadays, estimating inbreeding, which is omnipresent and unavoidable in purebred production systems, is the main objective in livestock management, especially for breeders interested in mitigating its negative consequences. The first objective of this chapter was to analyze, based on genealogical information, the classical coefficient of inbreeding (F), the coefficient of relationship (AR), and the partial coefficient of inbreeding (Fij) in the total PRE population, and determine the ancestors that contribute to 50% of the total genetic variability of the current population. This study has allowed us to verify that the average F of the entire population (328,706 horses) has decreased by almost 1% in the last 20 years. Additionally, it was determined that a total of 10,244 common ancestors (those generating consanguinity) contributed partial inbreeding to an average of 5,370 descendants, where each descendant has an average of 170 common ancestors in their pedigree. It was also determined that over generations, the number of common ancestors has increased, while the proportion of Fij transmitted by each of them has decreased. In the second part of this chapter, different methodologies were used to estimate inbreeding, evaluating their respective advantages and disadvantages. From the total PRE population (344,718 horses), coefficients of classical inbreeding (F), Ballou's ancestral, Kalinowski's ancestral, new Kalinowski's, and historical ancestral were estimated. Additionally, genotypic data from a selected population of 805 PRE individuals were used to determine individual coefficients of inbreeding through SNP-by-SNP techniques (moment-based methods -FHOM-, diagonal elements of the genome -FG-, and hybrid matrices -FH-) and measures of ROH (FRZ). The average values of the pedigree-based coefficients of inbreeding ranged from 0.01 (F for the last 3 generations -F3-) to 0.44 (historical ancestral coefficient), and the average values of the genome-based coefficients of inbreeding ranged from 0.05 (FRZ for 3 generations, FH, and FHOM) to 0.11 (FRZ for 9 generations). Significant correlations were also found between pedigree and genomic inbreeding values, ranging from 0.58 (F3 with FHOM) to 0.79 (F with FRZ). Chapter II: "Analysis of Alterations to Mendelian Inheritance and Their Impact on Economically Important Traits in the PRE Horse. Mendel's Law of Segregation states that each offspring receives, with equal probability, one allele from each character from each of its parents. However, in practice, this does not always occur, and distortions in the transmission ratio (TRD) occur, resulting in certain genotypes being overrepresented or underrepresented in the offspring of a specific mating. TRD can be due to mechanisms that affect germ cells (such as meiotic drive, germ line selection, gametic competition, embryonic lethality, or postnatal survival) or mechanisms that affect the proportion of expected genotypic frequencies in the population (such as inbreeding depression, imprinting, or dominance, among others). In the first part of this chapter, genetic parameters for 9 reproductive traits in PRE mares were estimated, the proportion of each trait affected by increased inbreeding (inbreeding depression), and, for the first time in an equine breed, the inbreeding depression load (PDC) associated with common ancestors of the breed. The idea behind the design of these models is based on the notion that inbreeding depression does not always have a negative impact on inbred individuals, but rather inbreeding has heterogeneous effects in the population and sometimes results in neutral or even positive effects. To achieve this, phenotypic data from a total of 22,799 mares were analyzed, and models were developed that included the PDC generated by the individual's ancestor as a random genetic effect to explain their phenotype. Heritability estimates ranged from 0.05 (interval between the first and second foaling) to 0.16 (age at first foaling), while PDC ratios ranged from 0.06 (reproductive efficiency at the sixth foaling) to 0.17 (age at first foaling), for a partial coefficient of inbreeding of 10%. In the second part of this chapter, models were developed for the first time in a horse breed to quantify the "parent of origin" effect, also known as imprinting, on reproductive and morphological traits in the current population of PRE horses. The parent of origin effect occurs when the expression of a gene in offspring can vary depending on the parent of that gene or due to preferential management associated with the genetic merit of one of the parents. The first consequence of this, from a genetic point of view, is that the average phenotypes of reciprocal heterozygotes may no longer be equal, as would be expected based on Mendelian inheritance. Between 44,030 and 144,191 PRE horses were analyzed for a total of 3 reproductive traits and 3 morphological traits. Subsequently, four genetic models were designed and compared, with and without the parent of origin effect. It was determined that both maternal and paternal gametic effects influence all analyzed traits. The maternal gametic effect had a greater influence on most traits, accounting for 3% to 11% of the total phenotypic variance, while the paternal gametic effect accounted for a higher proportion of variance in age at first foaling (4%). As expected, the Pearson correlations between the additive genetic values of the models that consider the parent of origin effect and those that do not were very high. However, the percentage of coincident animals decreases when comparing animals with the highest estimated genetic values. In the third part of this chapter, the mechanisms affecting TRD due to germline cell influences were further explored, specifically focusing on factors occurring during the reproductive process and early neonatal development. Genomic information from 126,394 trios composed of the stallion, mare, and offspring was used for this study, utilizing a panel of 17 microsatellite markers. The number of available alleles for each marker ranged from 13 to 18, with a total of 268 alleles analyzed. After completing the analysis using TRDscan v.2.0, a total of 12 alleles (from 11 microsatellites) with decisive evidence of genotypic TRD were identified, with 3 showing additive patterns and 9 showing heterosis patterns. Additionally, 19 alleles (from 10 microsatellites) with allelic TRD patterns were identified. Among them, 14 exhibited non-specific TRD for the stallion, and 5 for the mare. From the TRD regions, 24 genes were identified and annotated, predominantly associated with cholesterol metabolism and homeostasis but primarily linked to fertility problems, growth delay, and general health deterioration. Chapter III. "Early Selection Index for Reproductive Parameters in Purebred Spanish Horse Mares Using Morphological Traits". In this chapter, a series of indices were developed for the preselection and early selection of reproductive efficiency and fertility parameters in PRE mares, based on morphological variables. A partial least squares analysis was conducted to determine the morphological variables that have the greatest impact on reproductive efficiency parameters. These variables included height at withers, lateral hock angle, dorsal-sternal diameter, perimeter of anterior cannon bone, angle of shoulder, thoracic perimeter, hip-stifle distance, and croup angle. Subsequently, morphological and fertility records from 16,620 to 19,758 mares, depending on the analyzed variable, were used to estimate genetic parameters using a multivariate animal model. The model included age, geographic region, coat color, and average stud size at the mare's first foaling decade as fixed effects. Heritabilities ranged from 0.1 (interval between first and second foaling) to 0.9 (height at withers), and genetic correlations between morphological and reproductive variables ranged from -0.47 (hip-stifle distance with age at last foaling) to 0.16 (angle of shoulder with interval between first and second foaling). It was determined that, for all studied fertility variables, the response to selection increased when comparing indices that included morphological information to those that did not. The fertility variable that showed the highest response was the interval between first and second foaling, with a response increase of 46%, followed by age at last foaling with a 28% increase.