Dissection génétique des caractères par analyse de liaison et d'association : aspects méthodologiques et application à la sensibilité à l'ostéochondrose chez les Trotteurs Français

Diverses lésions ostéochondrales peuvent affecter les articulations des jeunes chevaux et réduire leurs futures performances en course. L’objectif de cette thèse est d’identifier les régions du génome, appelées locus à caractère quantitatif (QTL), associées avec des caractères mesurant l’ostéochondrose (OC) enregistrés dans le programme GENEQUIN sur une population de Trotteurs Français. Le génotypage a été réalisé à l’aide de la puce SNP Illumina BeadChip EquineSNP50, qui est dense et permet d’exploiter le déséquilibre de liaison par des analyses d’association. Ces analyses sont sujettes à certains problèmes en présence d’une structure familiale des données. Dans la première partie de la thèse, une comparaison de la puissance et de la robustesse d’un choix restreint de méthodes d’analyses est effectuée. L’originalité de ce travail réside dans la dérivation algébrique des moments des distributions des statistiques de test comparées, donnant ainsi plus de généralité à nos résultats et permettant une meilleure compréhension des différences. Les résultats peuvent notamment servir à l’optimisation du dispositif expérimental. La deuxième partie est consacrée à la cartographie des régions QTL des caractères mesurant l’OC en différents sites articulaires dans une population de 583 Trotteurs Français. Cette étude a permis de mettre en évidence plusieurs régions QTL d’effets moyens et faibles à un niveau significatif mais pas hautement significatif. Nous montrons que l’OC est un caractère polygénique et qu’aucun QTL, ayant un effet à la fois sur l’OC du jarret et l’OC du boulet, n’est détectable dans ce protocole QTL, ce qui infirme l’hypothèse simple d’une cause génétique commune de la sensibilité à cette maladie sur les différents sites anatomiques. Suite à ces travaux, l’identification des gènes candidats et des mutations causales devrait clarifier la physiopathologie moléculaire de l’OC et ainsi permettre de développer des stratégies efficaces pour l’évaluation des risques. Pendant ce temps, les marqueurs peuvent être utilisés dans un contexte de sélection assistée par marqueurs afin d’améliorer la santé et le bien-être du cheval. ABSTRACT : Osteochondral lesions are commonly observed in young horses and may be responsible for reduced performances in racing. The purpose of the PhD thesis was to identify genome regions, called quantitative trait loci (QTL), associated with various traits measuring osteochondrosis (OC) and recorded in the GENEQUIN program in a population of French Trotters horses. Genotyping was performed using the EquineSNP50 Illumina high density chip, which allows to exploit the linkage disequilibrium with genome-wide association studies. These analyses are subject to several problems in presence of family structure. We hence first proposed a comparison of power and robustness of a limited choice of models for this type of analysis. The originality of this work lies in the algebraic derivation of the distribution moments of the test statistics compared, making the outcome of this comparison more general and allowing a better understanding of differences. The results can be used to establish an experimental design. The second part was devoted to the QTL fine mapping of traits that measure OC in different joint sites. This study highlighted several significant QTL with low and medium effects but none of them were highly significant. We showed that OC is a polygenic trait and we were not able to identify QTL affecting both OC on the hock and the fetlock, rejecting the hypothesis of a single genetic determinism of susceptibility to this desease accross anatomical sites. Further studies will now focus on the identification of candidate genes and screening for mutation in an attempt to clarify the molecular physiopathology of OC and develop efficient strategies for risk assessment. Meanwhile, markers could be used in a marker-assisted selection context to improve horse health and welfare

Genetic dissection of traits by linkage analysis and association : methodological aspects and application to osteochondrosis suceptibility in French Trotters

Diverses lésions ostéochondrales peuvent affecter les articulations des jeunes chevaux et réduire leurs futures performances en course. L’objectif de cette thèse est d’identifier les régions du génome, appelées locus à caractère quantitatif (QTL), associées avec des caractères mesurant l’ostéochondrose (OC) enregistrés dans le programme GENEQUIN sur une population de Trotteurs Français. Le génotypage a été réalisé à l’aide de la puce SNP Illumina BeadChip EquineSNP50, qui est dense et permet d’exploiter le déséquilibre de liaison par des analyses d’association. Ces analyses sont sujettes à certains problèmes en présence d’une structure familiale des données. Dans la première partie de la thèse, une comparaison de la puissance et de la robustesse d’un choix restreint de méthodes d’analyses est effectuée. L’originalité de ce travail réside dans la dérivation algébrique des moments des distributions des statistiques de test comparées, donnant ainsi plus de généralité à nos résultats et permettant une meilleure compréhension des différences. Les résultats peuvent notamment servir à l’optimisation du dispositif expérimental. La deuxième partie est consacrée à la cartographie des régions QTL des caractères mesurant l’OC en différents sites articulaires dans une population de 583 Trotteurs Français. Cette étude a permis de mettre en évidence plusieurs régions QTL d’effets moyens et faibles à un niveau significatif mais pas hautement significatif. Nous montrons que l’OC est un caractère polygénique et qu’aucun QTL, ayant un effet à la fois sur l’OC du jarret et l’OC du boulet, n’est détectable dans ce protocole QTL, ce qui infirme l’hypothèse simple d’une cause génétique commune de la sensibilité à cette maladie sur les différents sites anatomiques. Suite à ces travaux, l’identification des gènes candidats et des mutations causales devrait clarifier la physiopathologie moléculaire de l’OC et ainsi permettre de développer des stratégies efficaces pour l’évaluation des risques. Pendant ce temps, les marqueurs peuvent être utilisés dans un contexte de sélection assistée par marqueurs afin d’améliorer la santé et le bien-être du cheval.Osteochondral lesions are commonly observed in young horses and may be responsible for reduced performances in racing. The purpose of the PhD thesis was to identify genome regions, called quantitative trait loci (QTL), associated with various traits measuring osteochondrosis (OC) and recorded in the GENEQUIN program in a population of French Trotters horses. Genotyping was performed using the EquineSNP50 Illumina high density chip, which allows to exploit the linkage disequilibrium with genome-wide association studies. These analyses are subject to several problems in presence of family structure. We hence first proposed a comparison of power and robustness of a limited choice of models for this type of analysis. The originality of this work lies in the algebraic derivation of the distribution moments of the test statistics compared, making the outcome of this comparison more general and allowing a better understanding of differences. The results can be used to establish an experimental design. The second part was devoted to the QTL fine mapping of traits that measure OC in different joint sites. This study highlighted several significant QTL with low and medium effects but none of them were highly significant. We showed that OC is a polygenic trait and we were not able to identify QTL affecting both OC on the hock and the fetlock, rejecting the hypothesis of a single genetic determinism of susceptibility to this desease accross anatomical sites. Further studies will now focus on the identification of candidate genes and screening for mutation in an attempt to clarify the molecular physiopathology of OC and develop efficient strategies for risk assessment. Meanwhile, markers could be used in a marker-assisted selection context to improve horse health and welfare

Usefulness Criterion and Post-selection Parental Contributions in Multi-parental Crosses: Application to Polygenic Trait Introgression

Predicting the usefulness of crosses in terms of expected genetic gain and genetic diversity is of interest to secure performance in the progeny and to maintain long-term genetic gain in plant breeding. A wide range of crossing schemes are possible including large biparental crosses, backcrosses, four-way crosses, and synthetic populations. In silico progeny simulations together with genome-based prediction of quantitative traits can be used to guide mating decisions. However, the large number of multi-parental combinations can hinder the use of simulations in practice. Analytical solutions have been proposed recently to predict the distribution of a quantitative trait in the progeny of biparental crosses using information of recombination frequency and linkage disequilibrium between loci. Here, we extend this approach to obtain the progeny distribution of more complex crosses including two to four parents. Considering agronomic traits and parental genome contribution as jointly multivariate normally distributed traits, the usefulness criterion parental contribution (UCPC) enables to (i) evaluate the expected genetic gain for agronomic traits, and at the same time (ii) evaluate parental genome contributions to the selected fraction of progeny. We validate and illustrate UCPC in the context of multiple allele introgression from a donor into one or several elite recipients in maize (Zea mays L.). Recommendations regarding the interest of two-way, three-way, and backcrosses were derived depending on the donor performance. We believe that the computationally efficient UCPC approach can be useful for mate selection and allocation in many plant and animal breeding contexts

Genomic Prediction of Hybrid Crops Allows Disentangling Dominance and Epistasis

International audienc

A comparison of methods for whole-genome QTL mapping using dense markers in four livestock species

With dense genotyping, many choices exist for methods to detect quantitative trait loci (QTL) in livestock populations. However, no across-species study has been conducted on the performance of different methods using real data. We compared three methods that correct for relatedness either implicitly or explicitly: linkage and linkage disequilibrium haplotype-based analysis (LDLA), efficient mixed-model association (EMMA) analysis, and Bayesian whole-genome regression (BayesC). We analyzed one chromosome in each of five datasets (dairy cattle, beef cattle, sheep, horses, and pigs) using real genotypes based on dense single nucleotide polymorphisms and phenotypes. The P values corrected for multiple testing or Bayes factors greater than 150 were considered to be significant. To complete the real data study, we also simulated quantitative trait loci (QTL) for the same datasets based on the real genotypes. Several scenarios were chosen, with different QTL effects and linkage disequilibrium patterns. A pseudo-null statistical distribution was chosen to make the significance thresholds comparable across methods. For the real data, the three methods generally agreed within 1 or 2 cM for the locations of QTL regions and disagreed when no signals were significant (e.g. in pigs). For certain datasets, LDLA had more significant signals than EMMA or BayesC, but they were concentrated around the same peaks. Therefore, the three methods detected approximately the same number of QTL regions. For the simulated data, LDLA was slightly less powerful and accurate than either EMMA or BayesC but this depended strongly on how thresholds were set in the simulations. All three methods performed similarly for real and simulated data. No method was clearly superior across all datasets or for any particular dataset. For computational efficiency and ease of interpretation, EMMA is recommended, but using more than one method is suggested