Whole-genome comparative analysis reveals genetic mechanisms of disease resistance and heat tolerance of tropical Bos indicus cattle breeds

Abstract

Bos indicus cattle breeds have been naturally selected for thousands of years for disease resistance and thermo-tolerance. However, the genetic mechanisms underlying these specific inherited characteristics must be elucidated. Hence, in this study, a whole-genome comparative analysis of the Bos indicus cattle breeds Kangayam, Tharparkar, Sahiwal, Red Sindhi, and Hariana of the Indian subcontinent was conducted. Genetic variant identification analysis revealed 155 851 012 SNPs and 10 062 805 InDels in the mapped reads across all Bos indicus cattle breeds. The functional annotation of 17 252 genes that comprised both SNPs and InDels, with high functional impact on proteins, was carried out. The functional annotation results revealed the pathways involved in the innate immune response, including toll-like receptors, retinoic acid-inducible gene I-like receptors, NOD-like receptors, Jak-STAT signaling pathways, and non-synonymous variants in the candidate immune genes. We also identified several pathways involved in the heat shock response, hair and skin properties, oxidative stress response, osmotic stress response, thermal sweating, feed intake, metabolism, and non-synonymous variants in the candidate thermo-tolerant genes. These pathways and genes directly or indirectly contribute to the disease resistance and thermo-tolerance adaptations of Bos indicus cattle breeds.

Résumé

Les races de bovins appartenant à l’espèce Bos indicus ont été sélectionnées naturellement au cours de milliers d’années pour leur résistance aux maladies et leur tolérance à la chaleur. Cependant, le mécanisme génétique expliquant ces caractères héréditaires n’a pas encore été décrit. Dans ce travail, les auteurs ont réalisé une analyse comparée pan-génomique de cinq races du Bos indicus qui sont présentes sur le sous-continent indien (Kangayam, Tharparkar, Sahiwal, Red Sindhi et Hariana). Au total, 155 851 012 SNP et 10 062 805 InDels ont été identifiés à partir des lectures alignées parmi les cinq races. Les auteurs ont réalisé l’annotation fonctionnelle des 17 252 gènes qui comprenaient des SNP ou des InDels dont on a prédit qu’ils auraient un impact fonctionnel important sur les protéines. Les résultats de l’annotation fonctionnelle ont révélé des sentiers impliqués dans les réponses immunitaires innées, comme les récepteurs de type Toll, les récepteurs du type de l’acide rétinoïque, des récepteurs de type NOD, les sentiers de signalisation Jak-STAT et des variants non-synonymes dans des gènes candidats du système immunitaire. De plus, les auteurs ont également identifié plusieurs sentiers impliqués dans la réponse au choc thermique, liés aux caractéristiques des poils et de la peau, à la réponse aux stress oxydatifs, à la réponse au stress osmotique, la sudation, la prise alimentaire, le métabolisme et des variants non-synonymes dans des gènes candidats pour le thermo-tolérance. Ces sentiers et gènes pourraient contribuer directement ou indirectement à la résistance aux maladies et aux adaptations liées à la thermo-tolérance chez les races bovines de Bos indicus. [Traduit par la Rédaction]

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