Revealing the Spectrum of Genomic Diversity of Native Cattle Breeds Using Structural and Functional Genomics | Alkuperäisten nautarotujen genomisen monimuotoisuuden kirjon paljastaminen rakenteellisen ja toiminnallisen genomiikan avulla

Cattle adaptation to a diverse range of environmental conditions is influenced by natural and artificial selection. Understanding the genomic and functional mechanisms underlying these adaptations is crucial for improving livestock resilience and productivity. Such information can be used for setting priorities when conserving bovine genetic resources to improve adaptability to changing environmental conditions. This doctoral thesis study is based on whole-genome resequencing (Study I and III), and transcriptomic approaches (Study II) to investigate selection signatures, gene expression patterns, and pathogen presence across a multiplicity of cattle breeds from around the globe. Study I focused primarily on the whole-genome resequencing of 22 Yaroslavl cattle individuals, a Russian dairy breed known for its adaptability and productivity. Moreover, the Kholmogory, Yakutian, and Holstein breeds were included in the analysis. Selection signatures were identified using HapFLK and FST analyses. The analysis identified a number of selection signatures with a notable haplotype on chromosome 28 linked to stress response, milk production, and skeletal development. Comparative genomic analyses revealed genetic differentiation between Yaroslavl cattle and other breeds in this study, including a deleterious missense mutation on the KAT6B gene which is nearly Yaroslavl cattle specific and associated with negative carcass and morphology traits, thus providing an insight into breed-specific evolutionary adaptations to local environments. Study II investigated gene expression profiles of adipose tissues in native and commercial cattle breeds, including 81 tissue samples of the Yakutian, Northern Finncattle, Mirandesa, and Holstein breeds. Differential gene expression was analyzed with DESeq2, identifying upregulated and downregulated genes in comparisons. Transcriptomic data revealed breed specific differences in metabolic and thermoregulatory pathways. Cold adapted breeds, such as Yakutian cattle exhibited upregulated genes (such as NR4A3, TEKT3, and FGGY) involved in energy metabolism and lipid regulation suggesting a genetic basis for their improved resilience against extreme cold climates. Conversely, immunity related pathways were active in the Portuguese Mirandesa cattle indicating adaptations to local environmental stressors. Study III delved into an analysis of unmapped sequencing reads to investigate pathogen diversity in cattle populations from different geographical regions ranging from South Africa in the Southern hemisphere to Finland in the North involving 26 breeds. Alignments to the NCBI BLAST database as well as filtering according to a custom literature informed database allowed to reveal a pathogen presence pattern resembling real world reports of the disease burden in the respective geographic areas. The results revealed a pathogen diversity gradient with southern cattle breeds (e.g., Egyptian cattle and Ugandan cattle) exhibiting higher pathogen “loads”, particularly vector-borne pathogens such as Theileria parva and Anaplasma platys. Holstein cattle had significantly lower pathogen aligned sequences likely due to the nature of the production environment whereas native breeds showed a broader range of microbial diversity and as such a potentially higher range of asymptomatic disease resistance. These findings highlight the great potential impact of climate change on pathogen and vector distribution and emerging disease risks in livestock. The identification of breed specific selection signatures, differential gene expression in adipose tissues, and potential pathogen sequence associated unmapped reads provides valuable insights for livestock conservation, breeding programs, and future disease management and surveillance strategies. This dissertation work has contributed to the growing field of livestock genomics by identifying genetic markers associated with adaptation in native cattle breeds, potentially informing and facilitating targeted breeding for resilience and productivity.

Luonnonvalinta ja ihmisen suorittama jalostusvalinta vaikuttavat nautojen sopeutumiseen erilaisiin ympäristöolosuhteisiin. Genomin rakenteen ja genomin toiminnan ymmärtäminen, jotka ohjaavat näitä sopeutumia, on olennaista kotieläinten kestävyyden ja tuottavuuden parantamiseksi. Tieto näistä mekanismeista on tärkeää myös asetettaessa prioriteetteja nautojen geenivarojen säilyttämisessä ja sopeuttamisessa muuttuviin ympäristöolosuhteisiin. Tämä väitöskirja perustuu kokogenomin uudelleensekvensointiin (Tutkimukset I ja III) sekä transkriptomiikan menetelmiin (Tutkimus II), joiden avulla tutkittiin valinnan vaikutuksia genomiin , geenien ilmentymistä ja patogeenien esiintymistä useilla nautaroduilla ympäri maailmaa. Tutkimus I keskittyi ensisijaisesti 22 jaroslavlrodun naudan kokogenomin sekvensointiin. Kyseessä on venäläinen lypsyrotu, joka tunnetaan sopeutumiskyvystään ja tuottavuudestaan. Lisäksi analyysiin sisällytettiin kholmogory-, jakutiankarja- ja holstein-rodut. Valinnan vaikutukset genomiin tunnistettiin HapFLK- ja FST-analyyseillä. Analyysissä löydettiin useita valinnan vaikutuksia, joista vaikutuksiltaan merkittävä haplotyyppi kromosomissa 28 liittyi stressivasteeseen, maidontuotantoon ja luuston kehitykseen. Vertailugenomiikan avulla havaittiin geneettisiä eroja jaroslavlrodun ja muiden tutkimuksessa mukana olleiden rotujen välillä, mukaan lukien haitallinen missense-mutaatio KAT6B-geenissä, joka on lähes spesifinen jaroslavlinnaudoille ominainen ja liittyy negatiivisiin ruhon ja rakenteen ominaisuuksiin. Tämä tutkimus tarjosi näkökulmaa rotukohtaisiin evolutiivisiin sopeutumiin paikallisiin ympäristöihin. Tutkimus II tarkasteli rasvakudosten geenien ilmentymisprofiileja alkuperäis- ja kaupallisissa nautaroduissa. Aineisto sisälsi 81 kudosnäytettä jakutiankarjastai, pohjoissuomenkarjasta, protugalilaisesta mirandesa-rodusta ja kaupallisesta holstein-roduista. Geenien erilaista ilmentymistä analysoitiin DESeq2-menetelmällä, ja vertailujen perusteella tunnistettiin geenejä, joiden ilmentyminen oli joko lisääntynyt tai vähentynyt. Transkriptomianalyysi paljasti rotukohtaisia eroja aineenvaihdunta- ja lämmönsäätelyverkostoissa . Kylmään sopeutuneilla roduilla, kuten jakutiankarjalla, todettiin lisääntynyttä geenien ilmentymistä (kuten NR4A3, TEKT3 ja FGGY), jotka osallistuvat energiantuotantoon ja lipidien säätelyyn. Tämä viittaa näiden rotujen geneettiseen sopeutumiseen äärimmäisen kylmään ilmastoon. Sitä vastoin portugalilaisella Mirandesa-rodulla aktiiviset immuniteettiin liittyvät geenien verkostot viittasivat sopeutumiin paikallisiin ympäristöstressitekijöihin. Tutkimuksessa III analysoitiin sellaisia kokogenomin sekvensoinnissa saatuja sekvenssejä, jotka ei pystytty kohdistamaan referenssigenomiin. Tällä aineistolla tutkittiin mahdollisten tautien levinneisyyttä nautapopulaatioissa eri maantieteellisiltä alueilta, Etelä-Afrikasta eteläiseltä pallonpuoliskolta aina Suomeen Pohjois-Eurooppaan, kattaen yhteensä 26 rotua. Kohdistukset NCBI BLAST -tietokantaan sekä sekvenssien seulonta kirjallisuuteen perustuvan, tätä tutkimusta varten kehitetyn tietokannan avulla mahdollistivat taudinaiheuttajien esiintymismallien paljastamisen, joka muistuttaa todellisia raportteja tautitaakasta kyseisillä maantieteellisillä alueilla. Tulokset osoittivat taudinaiheuttajien esiintymisen monimuotoisuusgradientin, jossa eteläiset rodut (esim. egyptiläiset ja ugandalaiset naudat) kantoivat enemmän erityisesti vektorivälitteisiä taudinaiheuttajia, kuten Theileria parva ja Anaplasma platys. Holsteinrodulla havaittiin huomattavasti vähemmän patogeeneistä peräisin olevia sekvenssejä, todennäköisesti rodun tavanomaisen tuotantoympäristön vuoksi, kun taas alkuperäisroduilla oli laajempi mikrobikirjo ja mahdollisesti suurempi oireettoman taudinkestävyyden potentiaali. Nämä havainnot korostavat ilmastonmuutoksen mahdollista merkittävää vaikutusta taudinaiheuttajien ja vektorien levinneisyyteen sekä uusien tautiriskien esiintymiseen kotieläimissä. Rotukohtaisten valinnan vaikutusten tunnistaminen, rasvakudoksen erilaistuneiden eri geenien ilmentymisen analyysi rasvakudoksissa ja mahdollisten patogeeneihin liittyvien sekvenssien löytyminen tarjoavat arvokasta tietoa nautarotujen geenivarojen säilyttämiseen, jalostusohjelmiin sekä tuleviin tautien hallinnan ja seurannan strategioihin. Tämä väitöskirjatyö on osaltaan edistänyt kotieläinten genomiikan tutkimusta tunnistamalla geneettisiä markkereita, jotka liittyvät alkuperäisrotujen sopeutumiseen, ja voi siten tukea kohdennettua jalostusta kestävyyden ja tuottavuuden parantamiseksi.

ei saavutettava