Genome-based improvement of bovine milk fat composition

En dedikert database for lagring av millioner av TINE sine FTIR-spektra har blitt videreutviklet i dette prosjektet og inneholder i dag FTIR-spektra fra perioden februar 2007 til juni 2014. Videre har vi etablert metodikk som gjør det mulig å predikere med stor nøyaktighet mengden av de viktigste fettsyrene i melk for alle prøver med bekreftet ku-ID i databasen. Basert på disse dataene har vi beregnet DYDer for totalt 1762 okser (avslverdier basert på målinger fra minst 25 døtre) for 34 egenskaper; 24 enkeltfettsyrer, 4 samleegenskaper for fett (tot, sat, mufa, pufa) og 6 andre relaterte egenskaper (total melk, totalt fett, totalt protein, laktose, urea og nefa). Sammenkobling av fettsyresammensetningen basert på TINE sine FTIR spektra med slektskapsinformasjon i den norske storfepopulasjonen avdekker en betydelig arvbarhet for de fleste fettsyrene i melk, vanligvis på mellom 13 og 35%. Avlsverdier for detaljert fettsyresammensetning er videre koblet mot et tett markørkart (>600 000 SNPer) fordelt utover hele storfegenomet ved hjelp av assosiasjonsanalyser (GWAS). Disse analysene avdekker en rekke områder i genomet med signifikante sammenhenger til enkelt-fettsyrer, grupper av fettsyrer eller samleegenskaper for melkefett. De mest signifikante resultatene ble funnet på kromosom 11, 13, 17 og 19. I de mest signifikante områdene på disse kromosomene har vi også har funnet flere åpenbare kandidatgener som alle kan tilskrives en funksjon i fettsyremetabolismen, og dermed også kan forklare variasjonen i egenskapene. For å avdekke mulig underliggende kausal DNA-variasjon har vi gjort en helgenomsekvensering av 169 kyr eller okser. Disse analysene, som avdekker brorparten av den genetiske variasjonen in Norsk Rødt Fe (NRF), identifiserer også mulige kausale varianter i og rundt kandidatgener for fettsyresammensetning i melk. Etter sekvenseringen har vi kombinert disse sekvensdataene med det tette markørkartet og analysert de viktigste fettsyrene (C4:0 til C16:0 og C18:1c9) for mulige kausale varianter på kromosom 11, 13, 17 og 19. På kromosom 11 fant vi de mest signifikante sammenhengene mellom variasjon i PAEP (progestagen-associated endometrial protein) og fettsyrene C18:1c9 og C16:0. Analysene viser at de to fettsyrene påvirkers i motsatt retning noe som kan utnyttes i avl til å påvirke fettsyresammensetningen i en helsemessig gunstig retning. PEAP koder for et av seks hovedproteiner i melk, nemlig beta-laktoglobulin, og våre data viser at variantene som påvirker fettsyresammensetning også påvirker mengden av dette viktige proteinet. Annen forskning viser at mengden beta-laktoglobulin korrelerer med mengden kasein, som igjen har betydning for ostekvalitet, noe som ytterligere aktualiserer en seleksjon i NRF for ulike varianter av PAEP. På kromosom 13, 17 og 19 fant vi en hel rekke mulige kandidatgener som er assosiert med enten transport av C4:0 fra blodet eller de novo syntese av de mettede fettsyrene C4:0 til C14:0 i juret. Størst utslag på C4:0 ble funnet på kromosom 17 i området rundt genet AACS (acetoacetyl-CoA synthetase). For syntese av fettsyrene C6:0 og C8:0 finner vi størst utslag på kromosom 13 i området rundt ACSS2 (acyl-CoA synthetase short-chain family member 2) og/eller NCOA6 (nuclear receptor coactivator 6). Begge disse genene er utmerkede kandidatgener for å forklare variasjon i disse fettsyrene. For syntese av fettsyrene C10:0 til C14:0 finner vi størst utslag på kromosom 19, med de mest signifikante funnene nær genet FASN (fatty acid synthase). For å undersøke i mer detalj hvordan DNA-variasjon i genene påvirker fettsyresammensetningen, ble det tatt melkeprøver av 36 kyr tilhørende seleksjonslinjene på NMBU. RNA ble isolert fra epitelceller i melka og sekvensert for å avdekke hvilke gener som er aktive i juret, og i hvor stor grad disse genene er uttrykt. Ved å koble informasjon om DNA-variasjon i de 36 kyrne med mengde av RNA får vi verdifull informasjon om hvordan variasjonen påvirker genutrykk og videre mengden av ulike fettsyrer. Dette viser seg helt klart å være tilfellet for genet PAEP der variasjon i regulatoriske områder av genet kobles til ulike nivåer av mRNA og mengde beta-laktoglobulin protein i melka. I prosjektet har vi også undersøkt mulige sammenhenger mellom fettsyrene og andre viktige egenskaper i avlsmålet, slik som sykdom, reproduksjon, kjøttkvalitet osv. Vi fant ingen spesielle sammenhenger og det bør derfor være uproblematisk å avle for endret fettsyresammensetning uten at dette i vesentlig grad går ut over avlsmessig fremgang for andre egenskaper.

Western consumers are becoming increasingly discerning and demanding about the food they eat. Current consumer preferences include a focus on the health promoting effects of food and the increasing popularity of 'low-carb diets'. Together, these trends ar e changing the consumption of milk products and creating a demand for raw material with higher milkfat content and a healthy fattyacid composition. Both fat content and milk fat composition are highly heritable traits that can be changed over time using s elective breeding. Unfortunately traditional breeding is a relatively slow strategy with changes only emerging in the long term. The emergence of genomic selection, however, provides new opportunities for faster and more precise genetic selection. This ap plication proposes the use of new technologies that collectively represent a genomic approach to improve both fat content and milk fatty-acid composition. Whole genome sequencing, genomic imputation, high-throughput genotyping, construction of low-density highly-informative genotyping arrays, genomic selection, and functional genomic tools are techniques that can be used to produce rapid genetic improvement, while preserving genetic diversity, maintaining oversight over correlated traits, and help to deve lop a functional understanding of the underlying biology. The project is expected to introduce large improvements in raw material of cow?s milk that are demanded by producers and processors. Further benefits will arise from the discovery of functional (an d patentable) mutations, exploitation of unique properties of Norwegian genetic material, and improved understanding of the biological systems underpinning particular traits.