How to implement genomic selection: Đánh giá hội nghị chuyên đề: cách thực hiện lựa chọn bộ gen_Chăn nuôi thú nhai lại

Symposium review:

How to implement genomic selection

P. M. VanRaden† Animal Genomics and Improvement Laboratory, USDA, Agricultural Research Service,
Beltsville, MD 20705-2350

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

1


Danh sách thành viên nhóm 13:
1. Ngơ Thị Hồng Hạnh

17111038

2. Võ Phạm Danh

17111020

3. Trần Đình Đức

17111028

4. Mai Thế Xuân

17111176

GVHD: ThS. Nguyễn Văn Chánh

Tác giả bài báo: Paul
VanRaden

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

2


Đặt vấn đề


•

Lý do
Trong 10 năm sau lần triển khai đầu tiên, chọn lọc bộ gen đã được ứng dụng phổ biến, và các nhà lai tạo tiếp tục tìm ra những cơng cụ mới để
thử nghiệm bộ gen.

•

Thực tế các giá trị lai tạo với độ tin cậy cao hơn trước được ước tính bằng cách kết hợp các kiểu gen DNA cho hàng nghìn locus cùng với phả
hệ và kiểu hình.

•

Các dự đốn từ cơ sở dữ liệu gen quốc tế thường chính xác hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với các dự đốn từ cơ sở dữ liệu trong nước trước
đây được thiết kế để kiểm tra thế hệ con cháu. Các chỉ số lựa chọn bao gồm nhiều đặc điểm mới, thường có hệ số di truyền thấp hơn hoặc đòi
hỏi đầu tư ban đầu lớn để thu được kiểu hình, tạo thêm động lực để hợp tác quốc tế.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

3


Đặt vấn đề



Mục tiêu

•

Đánh giá cách thức lựa chọn bộ gen được các nhà chăn ni bị sữa thực hiện và so sánh với phương thức đã được đề cập.

•

Gợi ý phương thức các nhà lai tạo của các quần thể khác có thể thực hiện thành cơng việc chọn lọc gen bằng cách sử dụng kiến thức thu
được trong lần thử nghiệm cuối cùng.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

4


Giới thiệu
•
•

Chọn lọc kiểu gen khác với chọn lọc phả hệ hoặc chọn lọc kiểu hình bằng cách kiểm tra trực tiếp DNA.

•

Trước đây, nhiệm vụ xác nhận các phương pháp gen cũng hoạt động với dữ liệu thực (Mäntysaari và cộng sự, 2010) và thuyết phục các nhà lai tạo
rằng các dự đốn gen là chính xác (VanRaden và cộng sự, 2009).

•

Một loạt các bài báo trên Animal Frontiers (Ibanez-Escriche và Simianer, 2016) đánh giá tình trạng chọn lọc gen trong một số quần thể, và Boichard
et al. (2015) đã đánh giá nhiều công nghệ được sử dụng và phát triển các mơ hình chăn ni bền vững.

Trước khi các kiểu gen có sẵn hoặc đánh dấu, các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm ra các phương pháp thống kê và mơ phỏng các q trình dự đốn và
chọn lọc (Nejati- Javaremi et al., 1997; Meuwissen et al., 2001).

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

5


Sự phát triển chọn lọc di truyền



Lịch sử bộ gen

•

Sau khi các quy luật di truyền Gen được phát hiện (Mendel, 1866) và được phát hiện lại (Bateson, 1900), các chương trình cải tiến di truyền
cho các tính trạng số lượng chỉ sử dụng kiểu hình và phả hệ trong một thế kỷ và sử dụng ít hoặc khơng có kiểu gen liên kết với các kiểu
hình.

•

•
•

Giá trị gây giống = dữ liệu của riêng một cá thể + các mối quan hệ họ hàng gần nhất của nó + tất cả họ hàng.
Các mối quan hệ gen đã được tổng hợp bên cạnh các mối quan hệ phả hệ.
Lựa chọn gen ban đầu áp dụng cho con đực dự đoán hiệu suất thế hệ con cháu, bây giờ áp dụng rộng rãi cho con cái hoặc thậm chí cho cả
phơi để dự đốn hiệu suất của chính chúng trong thực tế.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

6


Sự phát triển chọn lọc di truyền



Cơ sở dữ liệu chính của bị sữa vào năm 2019 chứa số lượng lớn kiểu gen hơn hàng trăm lần so với năm 2009 khi bắt đầu chọn lọc gen.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

7


Sự phát triển chọn lọc di truyền



DNA và kiểu gen

•
•

Thành phần cần thiết đầu tiên chọn lọc bộ gen là DNA.

•

Độ chính xác kiểu gen rất cao với hầu hết các dấu hiệu; tỷ lệ lỗi <0,1%. Việc kiểm soát độ chính xác dữ liệu mới và dữ liệu cũ được cải thiện
đáng kể = kiểu gen mỗi con vật + kiểu gen bố mẹ + con cháu của chúng.

•

Xác định kiểu gen chính xác -> chi phí chọn lọc gen rẻ hơn. Chi phí năm 2008 là khoảng 250 đô la / mẫu với 50.000 (50K) dấu hiệu, giảm xuống
dưới 80 đô la cho 50K hoặc dưới 40 đô la -> tạo kiểu gen mật độ thấp (khoảng 20.000 dấu).

Các kiểu gen nguyên thủy cho phép khám phá các mối quan hệ phả hệ với nhiều tổ tiên khác (chẳng hạn như cháu ngoại và cháu chắt) mà con
vật chưa chưa thơng tin gì (Nani et al., 2020).

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

8


Sự phát triển chọn lọc di truyền



Nguồn DNA để xác định kiểu gen của gia súc đã thay đổi rất nhiều kể từ năm 2008 (Bảng 2). Đối với sự phát triển ban đầu, tinh dịch chỉ được sử dụng tham khảo cho những con bò
đực giống và máu được sử dụng để chọn lọc bò đực con. Chỉ 2 năm sau vào năm 2010, các mẫu DNA bao gồm 82% từ tóc, 12% sợi từ mũi , 5% từ máu, <1% từ tinh dịch và <1% từ
bấm dấu tai (Wiggans và cộng sự, 2011). Năm 2018, các mẫu bao gồm 14% từ tóc, <1% sợi từ mũi2% từ máu, 1% từ phôi, <1% từ tinh dịch, và 80% từ bấm dấu tai.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

9


Sự phát triển chọn lọc di truyền


•

Kiểu hình và quần thể tham chiếu
Một quần thể tham chiếu lớn cải thiện độ tin cậy việc đánh giá bộ gen = so khớp nhiều kiểu gen + kiểu hình để ước tính từng tác động nhỏ
của di truyền.

•

Ngay sau khi bắt đầu chọn lọc bộ gen, một số quốc gia ở Châu Âu đã trao đổi kiểu gen bò đực tham chiếu Holstein của họ (Lund và cộng
sự, 2011) và Interbull (Uppsala, Thụy Điển) đã trao đổi kiểu gen của bò Brown Thụy Sĩ (Jorjani và cộng sự, 2012) để cải thiện độ chính xác.

•

Độ chính xác của dự đốn bộ gen có thể được cải thiện bằng cách bao gồm các DNA từ các con cái trong quần thể tham chiếu, đặt biệt là
khi có sẵn một số con đực được sử dụng để kiểm tra kiểu gen của các thế hệ con cháu có trong quân thể tham chiếu (Thomasen và cộng
sự, 2014; Edel và cộng sự, 2016 ; Su và cộng sự, 2016; Jenko và cộng sự, 2017).

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

10

Sự phát triển chọn lọc di truyền



Số biến thể

•

Các nghiên cứu tương tự với các AND từ các quần thể và các lồi khác cũng có rất ít thành cơng ngoại trừ việc chứng tỏ rằng di truyền rất đa
dạng và cần có thêm nhiều điểm đánh dấu hơn để có thể theo dõi chặt chẽ nhiều tác động di truyền (Dekkers and Hospital, 2002).

•

Các quần thể vật ni có nhiều tổ tiên chung và do đó có các đoạn AND dài hơn với mức độ mất cân bằng kiên kết cao có thể được theo dõi
chính xác với việc sử dụng ít điểm đánh dấu hơn.

•
•

Các đột biến ưu thế có thể ảnh hưởng lớn đến thế hệ tiếp theo.
Trong tương lai, mỗi con bò đực mới được sử dụng trong AI có thể được giải trình tự tồn bộ gen để phát hiện bất kỳ đột biến mới nào chưa
được phát hiện trong các thế hệ trước.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

11


Sự phát triển chọn lọc di truyền



Dự án 1000 bộ gen bò đực (Daetwyler et al., 2014; hiện bao gồm dữ liệu trình tự của hơn 3.800 con gia súc trên toàn
thế giới và đã xác định được hơn 150 triệu biến thể đã chọn lọc ở những con gia súc đó.

Trường Đại học Nơng Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

12


Sự phát triển chọn lọc di truyền



Trong những năm trở lại đây, kiểu gen và giải mã trình tự ở người đã phát triển một cách nhanh chóng, thậm chí nó cịn nhanh hơn so với ở động vật cả
về số lượng kiểu gen cá thể và các biến thể được phát hiện (bảng 4)

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

13


Sự phát triển chọn lọc di truyền

Sự bắt buộc
•

Cần áp dụng các kiểu gen bị thiếu trước khi ước tính hiệu ứng đánh dấu hoặc giá trị nhân giống. Việc áp đặt này nhằm tránh là giảm bộ đánh dấu kiểu gen của trình
tự khác nhau, ngay cả với một trình tự thì mỗi nguồn ADN sẽ có một số dấu hiệu bị thiếu ngẫu nhiên. Các kiểu gen từ nhiều thí nghiệm khác nhau được đánh dấu

khác nhau sẽ kết hợp với nhau (hình 1).

Trường Đại học Nơng Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

14


Sự phát triển chọn lọc di truyền

Phương pháp thống kê và độ tin cậy
•

Các phương pháp thống kê đã dần tiến bộ từ giả định bình thường hoặc Bayes-ian phân phối trong giống và đặc điểm (Meuwissen và cộng sự, 2001) đến
các mơ hình bước đơn, đa dịng, đa giống hoặc các mơ hình phức tạp hơn (Mäntysaari và cộng sự, 2019).

•

Các mơ hình đa giống mang lại ít lợi ích cho các giống thuần trừ khi có quan hệ họ hàng gần nhưng có thể cần thiết lựa chọn con lai. Một số hệ thống dự
đốn chính thức sử dụng haplotypes (Jónás và cộng sự, 2017) nhưng hầu hết sử dụng hồi quy bội số trên SNP riêng lẻ, hệ thống này hoạt động tốt nếu
số lượng SNP hoặc sự mất cân bằng liên kết cao (Calus và cộng sự, 2008).

•

Các phương pháp phân tích tổng hợp quốc tế được gọi là đánh giá đa hệ gen trên toàn quốc (MACE) đã được phát triển để kết hợp và chuyển đổi các dự
đoán bộ gen từ mỗi quốc gia sang quy mô của tất cả các quốc gia khác (Sullivan, 2019).

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

15

Sự phát triển chọn lọc di truyền

Phương pháp thống kê và độ tin cậy
•

Độ tin cậy được tính tốn và thực tế nên được so sánh bằng cách sử dụng sự đốn phương sai lỗi thay vì tương quan bình phương khi thẩm địch các bò
đực đã được chọn trước; độ tin cậy dự đốn thực tế trung bình là 71% đối với Holstein và 65% đối với Jerseys (VanRaden và O’Connell, 2018).

•

Nhiều nhà sản xuất hiện nay sử dụng xét nghiệm ADN để quyết định những con bê nào nên được bán ngay lập tức hoặc giữ lại để sản xuất hoặc nhân
giống.).

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

16


Ứng dụng của việc lựa chọn Gen

 Đặc điểm mới
•

Nhiều đặc điểm mới được đánh giá hiện nay thường có hệ số di truyền thấp hoặc đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn để có được kiểu
hình, điều này tạo động lực để hợp tác quốc tế (de Haas và cộng sự, 2015).

•
•

Đối với các đặc điểm có hệ số di truyền thấp, các dự đoán bộ gen của thú con có độ tin cậy cao hơn so với thú cha.
Các chỉ số lựa chọn bao gồm những đặc điểm mới này có thể tăng lợi nhuận nếu các giá trị kinh tế được tính tốn một cách
chính xác.
Mục tiêu giống: H = A1v1 + A2v2 + A3v3 + …

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

17


Ứng dụng của việc lựa chọn Gen

 Đặc điểm mới
•

10 đặc điểm mới được bổ sung trong năm 2010-2019, hầu hết có h2 thấp

- Tỷ lệ đậu thai của bị cái hậu bị và bò cái, khả năng sống của bò, thời gian mang thai, viêm vú, viêm tử cung, sót nhau thai,
acidosis, ketosis, sốt sữa và lứa đầu đẻ sớm.

•

Dự kiến sẽ sớm có thêm một số đặc điểm trong tương lai:
- Lượng thức ăn, khả năng sống của bê, khả năng chịu nhiệt.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

18

Ứng dụng của việc lựa chọn Gen

 Đặc điểm mới
•

Tương tác giữa gen và môi trường đã được MACE dự đốn ở các quốc gia (Sullivan, 2019) và có thể được dự đoán trong
tương lai đối với các đặc điểm như:

khả năng chịu nhiệt (Ravagnolo và Misztal, 2000; Nguyen et al.,
2017), khả năng phục hồi (Mulder, 2016) hoặc các tác động của môi
trường cụ thể khác (Schultz và Weigel, 2019).

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

19


Ứng dụng của lựa chọn Gen
Kinh tế Gen

•

Người chăn ni nên lập kế hoạch về cách họ sẽ sử dụng thơng tin, so sánh chi phí và lợi ích trước khi quyết định các lựa chọn
xét nghiệm di truyền (Kaniyamattam và cộng sự, 2016).

•

Dự đốn bộ gen thành cơng làm tăng lợi ích từ các cơng nghệ sinh sản khác: chọn lọc giới tính, truyền tinh hoặc chuyển cấy
phơi làm tăng cường độ chọn lọc.

•

Chọn lọc bộ gen có hiệu quả về chi phí vì một mẫu DNA đơn lẻ có thể cung cấp các dự đốn chính xác cho nhiều đặc điểm, xác
nhận hoặc khám phá tổ tiên và thông tin cho việc quản lý sinh sản của đàn.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

20


Ứng dụng của lựa chọn Gen
Kinh tế Gen

•

Dự đốn bộ gen từ cơ sở dữ liệu quốc tế là thường tiết kiệm chi phí hơn so với việc tính tốn các dự đoán chỉ từ dữ liệu cục bộ. Do đó,
CDCB đã cung cấp các dự đốn về bộ gen cho các nhà lai tạo ở hơn 50 quốc gia cho hàng chục nghìn con bê ở Nam Mỹ, Châu Á và Châu
Đại Dương (Hình 2).

•

Việc thực hiện dự đốn bộ gen được tiến hành nhanh chóng mà khơng gặp nhiều vấn đề pháp lý vì hầu hết các nhà nghiên cứu không cấp
bằng sáng chế cho các khái niệm thống kê và di truyền được sử dụng.

•

Kỹ thuật đảo ngược có thể làm giảm giá trị của tập dữ liệu tham chiếu bằng cách giải quyết ngược cho các hiệu ứng SNP chỉ sử dụng các dự
đoán bộ gen và kiểu gen mà khơng có kiểu hình.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

21


Ứng dụng của lựa chọn Gen

Hình 2. Số lượng kiểu gen bò sữa trong cơ sở dữ liệu theo khu vực (2019)

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

22


Ứng dụng của lựa chọn Gen

Thành kiến và sai lầm
•

Nghiên cứu thống kê ban đầu chủ yếu tập trung vào việc cải thiện độ tin cậy của các dự đoán nhưng sau đó cũng tập trung vào
việc loại bỏ các thành kiến để các nhà lai tạo có thể so sánh đúng đắn những con bò đực trẻ và già (Mäntysaari et al., 2010).

•

Mức trung bình của bố mẹ cao nhất và những con bò ưu tú nhất đã bị thổi phồng trong nhiều thập kỷ.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

23

Ứng dụng của lựa chọn Gen

Thành kiến và sai lầm
•

Các PTA bộ gen ban đầu có những sai lệch tương tự, sau đó được sửa chữa bằng cách:

- Bao gồm hiệu ứng đa gen trong mơ hình (2010)
- Điều chỉnh lấy mẫu Mendel của những con bò hàng đầu trở xuống (2010)
- Sử dụng chỉ số phả hệ thay vì trung bình bố mẹ (chủ yếu ở Châu Âu)
- Giảm trọng số về giá trị di truyền trực tiếp (2011)
- Sử dụng ước tính hệ số di truyền thấp hơn cho các tính trạng năng suất (2014)

Trường Đại học Nơng Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

24


Ứng dụng của lựa chọn Gen

Hình 3. Lúc đầu và sau cùng (tháng 4 năm 2019) PTA trung bình của 100 NM $ USA AI Holstein hàng đầu. Trẻ: bò đực khơng có con
cái vắt sữa. Chứng minh với: bị đực có ≥ 100 con gái. NM $ được điều chỉnh về cơ sở hiện tại.

Trường Đại học Nông Lâm TP. HCM – Khoa Chăn nuôi Thú Y

25