Understanding the role of ruminal microbiota in phenotype expression in Lacaune dairy sheep | Comprendre le rôle du microbiote ruminal dans l’expression du phénotype chez la brebis laitière de race Lacaune

English. Animal breeding has shown in recent years an increasing interest in the use of digestive microbiota information, given the association with the physiological traits of the host. In this context, the hypotheses of this thesis are: 1) the rumen microbiota influence milk composition and udder health traits, and 2) a genetic determinism exist on rumen microbiota that affects milk composition and udder health traits. To address these hypotheses, we explored the relationship between the host genome and ruminal metagenome in the modeling of dairy ewe’s phenotypes. The “MicroGenOL” project was based on 795 Lacaune ewes from two genetic lines reared under the same housing and feeding conditions at the INRAE Experimental Unit of La Fage. For all animals the fine milk composition was predicted by mid-infrared spectra, and for 118 ewes, fatty acids (FAs) were measured by gas chromatography. In addition, all animals were genotyping with 54k SNP chip, and one rumen sampling for all animals, or two one week apart for 118 ewes, were collected. Rumen samples were sequencing of 16S RNA gene. To work with microbial abundances due to their compositional nature, a workflow was defined: after bioinformatics process of the raw sequences, operational taxonomic unit (OTU) counts in the abundance table were transformed in logratios (after zeros imputation) and corrected by environmental factors using linear models. The variability of microbial abundances between two weeks and the impact of data processing on genetic estimations allowed for us to defined the best way to work with, and the limits of results interpretation. The first analysis focused on the influence of the rumen microbiota on the phenotype. We found low (<|0.20|) phenotypic associations with milk FAs and proteins, and moderate (|0.20–0.50|) associations with rumen FAs. In addition, the microbial matrix explains a very low percentage of the fine milk composition variability (microbiability null for FAs and lower than 0.06 for proteins). Using the microbiota data as a whole didn’t allow for evidence relationships with none of the dairy traits, but at the OTU level, associations have been demonstrated with direct products such as rumen FAs and in a lesser extent with milk FAs and proteins. Regarding the existence of host genetic control over the rumen microbiota composition, we found a low impact on the microbiota since only 15% of rumen bacterial abundances showed significant heritabilities (0.10-0.29). The genetic associations for those heritable OTUs with the fine milk composition was high (|0.35-0.99|) but for less than 5% of OTUs. Six quantitative trait loci regions were detected for bacterial abundances in autosomal chromosomes 3, 5, 10 and 11, but none were in common with those of dairy traits. Finally, given that most OTUs were not controlled by host genetics and the weak associations between microbiota and fine milk composition, genetic selection of sheep for microbial abundance does not seem promising. However, considering the transmissibility of non-genetic effect possibly carried by the microbiota could be an interesting opportunity to increase the genetic progress. This project produced new perspectives to incorporate of the host and its microbiota in animal breeding through a better understanding of the biology behind the models.

French. La sélection animale a montré ces dernières années un intérêt croissant pour l'utilisation des informations du microbiote digestif étant donné l'association avec les caractères physiologiques de l'hôte. Dans ce contexte, les hypothèses de cette thèse sont : 1) le microbiote du rumen influence les caractéristiques de composition fine du lait et de la santé de la mamelle, et 2) le microbiote ruminal est contrôlé par les gènes de l’hôte ce qui affecte les cararactères de composition du lait et de santé de la mamelle. Pour répondre à ces hypothèses, nous avons exploré la relation entre le génome de l'hôte et le métagénome ruminal dans la modélisation de la variabilité des phénotypes chez la brebis laitière. Le projet "MicroGenOL" était basé sur 795 brebis Lacaune provenant de deux lignées génétiques élevées dans les mêmes conditions de logement et d'alimentation à l'Unité Expérimentale INRAE de La Fage. Pour tous les animaux, la composition fine du lait a été prédite par les spectres dans le moyen infrarouge, et pour 118 brebis, les acides gras (AG) ont été mesurés par chromatographie en phase gazeuse. En outre, tous les animaux ont été génotypés à l'aide d'une puce SNP 54k, et un prélèvement de rumen a été effectué pour tous les animaux, ou deux à une semaine d'intervalle pour 118 brebis. Le gène de l’ARN 16S a été séquencé pour tous les échantillons de jus de rumen. Pour travailler avec les abondances microbiennes en raison de leur nature compositionnelle, un process de traitement a été défini : après l’analyse bioinformatique des séquences brutes, les dénombrements des Unités Taxonomiques Opérationnelles (OTU) ont été transformés en logratios (après imputation des zéros) et corrigés par l’environnement en utilisant des modèles linéaires. La variabilité des abondances microbiennes d’une semaine à l’autre et l'impact du traitement des données sur les estimations génétiques nous ont permis de définir la meilleure façon de travailler et les limites de l'interprétation des résultats. Les premières analyses ont porté sur l’influence du microbiote du rumen sur le phénotype. Nous avons trouvé des associations phénotypiques faibles (<|0.20|) avec les AG et les protéines du lait, et modérées (|0.20-0.50|) avec les AG du rumen. De plus, la matrice microbienne explique un très faible pourcentage de la variabilité fine de la composition du lait (microbiabilité nulle pour les AG et inférieure à 0,06 pour les protéines). L'utilisation des données du microbiote dans son ensemble n'a pas permis de mettre en évidence des relations avec aucun des caractères laitiers, alors que certains OTU sont apparus associés aux AG du rumen et dans une moindre mesure aux AG et protéines du lait. En ce qui concerne l'existence de liens entre le microbiote ruminal et la génétique de l’hôte, nous avons trouvé un faible impact des gènes de la brebis sur son microbiote avec seulement 15% des abondances bactériennes du rumen présentant des héritabilités significatives (0.10-0.29). Les associations génétiques pour ces OTU héritables avec la composition fine du lait étaient élevées (|0.35-0.99|) mais pour moins de 5% des OTU. Six régions du génome de l’hôte localisées sur les chromosomes 3, 5, 10 et 11 ont été détectées comme impactant des abondances bactériennes, mais aucune de ces régions n'était commune avec celles des caractères laitiers. Enfin, comme la plupart des OTU n'était pas contrôlée par la génétique de l'hôte et que les liens entre le microbiote et la composition fine du lait étaient faibles, la sélection génétique des brebis pour l'abondance microbienne ne semble pas prometteuse. Cependant, la prise en compte de la transmissibilité d'effets non génétiques portés par le microbiote pourrait être une opportunité intéressante pour augmenter le progrès génétique. Ce projet a ouvert de nouvelles perspectives pour l'intégration de l'hôte et de son microbiote dans la sélection animale, grâce à une meilleure compréhension de la biologie sous-jacente aux modèles.