Genetic variation within the Icelandic cattle breed: assessment using microsatellites and analysis of single nucleotide polymorphisms in the Leptin and DGAT1 genes

Abstract

Sufficient genetic variation within domestic breeds is a crucial factor in all breeding work. It is a prerequisite for future breeding progress and is used in research and development ofbreeding methods at the molecular level. The present study estimates genetic variation within the Icelandic cattle breed using two approaches. The data consisted of genomicDNA samples from 100 heifers in first pregnancy collected at 45 dairy farms located in the four major dairy regions in Iceland. First, the samples were genotyped with a set of elevenmicrosatellite markers and various diversity indices calculated. Second, parts of the Leptin and DGAT1 genes were sequenced in order to search for single nucleotide polymorphisms (SNPs), (several in the Leptin gene and a well known dinucleotide substitution (K232A) in the DGAT1 gene). Polymorphisms in these regions have been identified and associated with commercial traits in different dairy breeds and the purpose was to explore their frequency in Icelandic cattle, as well as to search for breed specific polymorphisms. The Icelandic cattle breed is the only cattle breed in Iceland and has been, more or less, isolatedfor over 1000 years; therefore it is considered a closed population. Results from the microsatellite analysis revealed a mean number of observed alleles per locus of 6.182, ranging from 4 (ETH3) to 9 (TGLA53) for individual markers. Mean observed and expected heterozygosity were calculated as 0.626 and 0.685, respectively. Polymorphism information content was high ( 0.5) for all the markers indicating that they can be considered suitable for further research of the Icelandic cattle breed and could be adopted for breeding purposes and parentage testing. Average within population inbreeding coefficient of Icelandic cattle ranged between 8.8 and 9.7% for the three approaches applied and the effective number of individuals was estimated to be 111 individuals (lower and upper 95% confidence limits set as 99.76 and 127.39, respectively). No subdivision of the sample was observed and the breed is not likely to have experienced recent bottlenecks. Three out of the five previously known SNPs were identified in the Leptin gene of Icelandic cattle and a new polymorphism, not previously described in other cattle breeds, was found in intron 2. All heifers analysed were homozygous (carrying the GC/GC dinucleotide) for the K232A polymorphisms in the DGAT1 gene. Together, these results indicate a substantial amount of genetic variation within the Icelandic cattle breeddespite its long isolation and the progressive breeding strategies used for the population in later decades.

Allt kynbótastarf í búfjárstofnum byggist á erfðafjölbreytileika. Hann er grunnforsenda ræktunarframfara og nýtist ennfremur við rannsóknir og þróun kynbótaaðferða sem byggja á sameindaerfðafræði. Í rannsókn þessari var erfðafjölbreytileiki innan íslenska kúastofnsins metinn með tveimur aðferðum sem beitt var á safn erfðaefnis úr 100 íslenskum fyrsta kálfs kvígum. Sýnum var safnað á 45 kúabúum af fjórum megin nautgriparæktarsvæðum Íslands. Í fyrsta lagi voru sýnin greind með 11 örtunglum oggreiningin síðan notuð til að reikna algenga breytileikastuðla fyrir stofninn. Í öðru lagi voru hlutar Leptin og DGAT1 genanna raðgreindir í leit að einbasabreytileikum (SNP) (nokkrum slíkum í Leptin geninu og einum vel þekktum tvíbasabreytileika (K232A) í DGAT1 geninu). Þessir breytileikar hafa verið tengdir hagnýtum eiginleikum í ýmsum öðrum mjólkurkúakynjum og tilgangur greininganna var að skoða tíðni þeirra í íslenska kúastofninum, ef til staðar, ásamt því að leita að öðrum breytileikastöðum sem einkennt gætu íslensku kúna. Íslenski kúastofninn er eina kúakynið á Íslandi og hefur verið einangrað kyn í meira en 1000 ár. Stofninn er þess vegna lokaður erfðahópur. Niðurstöður örtunglagreiningar sýndu að meðalfjöldi samsæta í hverju sæti (MNA) var 6,182 og lágu gildi fyrir einstök örtungl á bilinu 4 (ETH3) til 9 (TGLA53). Meðal fundin (HO) og væntanleg (HE) arfblendni var 0,626 og 0,685. Breytileikagildi örtunglanna, PICgildi, var hátt ( 0.5) fyrir öll örtunglin sem bendir til þess að þau henti til frekari rannsókna á íslenska kúakyninu og gætu nýst við ræktun og ætternisgreiningar. Meðal skyldleikaræktarstuðull innan stofnsins var reiknaður með þremur aðferðum á bilinu 8,8 – 9,7%. Virk stofnstærð var metin sem 111 einstaklingar (95% öryggismörk voru 99,76 – 127,39). Hvorki fundust merki um skiptingu sýnanna í sérstaka undirhópa né þess aðstofninn hafi gengið í gegnum nýlega erfðafræðilega flöskuhálsa.Í Leptin geninu fundust þrír af fimm áður þekktum einbasabreytileikastöðum. Einn nýr erfðabreytileiki, sem ekki hefur verið lýst í öðrum kúakynjum, fannst í innröð 2. Öll raðgreind sýni voru arfhrein (GC/GC) fyrir K232A breytileikann í DGAT1 geninu. Samantekið benda þessar niðurstöður til þess að umtalsverður erfðabreytileiki sé til staðar í íslenska kúakyninu þrátt fyrir langa einangrun og þær framsæknu aðferðir sem beitt hefur verið í kynbótastarfinu í seinni tíð.