Methods and software to enhance statistical analysis in large scale problems in breeding and quantitative genetics

Das Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden und Software fur die Zucht und die quantitative Genetik um statistische Probleme zu bewaltigen, die im Zusammenhang mit immer groser werden Datensatzen und komplexerer Fragestellungen auftreten. In Kapitel 1 wird eine kurze Einfuhrung in das Thema Big Data gegeben und die fur die folgenden Kapitel relevanten Themen werden vorgestellt. In Kapitel 2 wird eine neue Methode (HaploBlocker) zur Identifizierung von Haplotypenblocken und -bibliotheken aufzeigt, die im zugehorigen R-Paket HaploBlocker implementiert ist. Im Gegensatz zu gangigen Methoden zur Identifizierung von Haplotypenblocken nutzt HaploBlocker nicht nur populationsweite Mase des Kopplungsungleichgewichts (linkage disequilibrium, LD), wie die Korrelation zwischen Markern, sondern analysiert zudem Gruppen von Haplotypen auf Segmente mit gleichem genetischen Ursprung (identity-by-descent, IBD). Ein Haplotypenblock ist definiert als eine Sequenz von genetischen Markern, die mit einer vordefinierten Mindestfrequenz in der Population auftritt und nur Haplotypen mit ahnlicher Sequenz von Markern tragen entsprechenden Block. Da die identifizierten Blocke in HaploBlocker subpopulationsspezifisch sind, konnen wesentlich langere Haplotypenblocke als in herkommlichen Methoden identifiziert werden. Dies wiederum fuhrt nicht nur zu einer deutlichen Reduzierung der Anzahl der Variablen fur die nachfolgende Analysen, sondern auch zu potenziell aussagekraftigeren Variablen als einzelne Marker (single nucleotide polymorphism, SNP). Der Nutzen von HaploBlocker wird durch die Anwendung auf einen Datensatz von 501 doppelhaploider Linien einer Europaischen Maislandrasse mit 501'124 SNPs verdeutlicht. Der entsprechende Datensatz konnte durch Nutzung von HaploBlocker auf 2'991 Haplotypenblocke mit einer durchschnittlichen Lange von 2'685 SNPs reduziert werden. Trotz der geringeren Variablenzahl konnen durch den Blockdatensatz noch 94% der genetischen Diversitat des Ursprungsdatensatzes erklart werden. Bevor genetische Daten mit Methoden wie HaploBlocker analysiert werden konnen, ist die Durchfuhrung der Qualitatskontrolle erforderlich. In Kapitel 3 wird mit der Imputation ein zentraler Bestandteil der Qualitatskontrolle genauer beleuchtet. Die Phasinggenauigkeit ist fur HaploBlocker von zentraler Bedeutung und ist somit ein besonderer Schwerpunkt in der Analyse. Daruber hinaus wurde zunachst grundsatzlich die Anwendbarkeit von Imputationstechniken fur Datensatze aus der Tier- und Pflanzenzucht uberpruft, da gangige Methoden fur den Einsatz in der Humangenetik entwickelt wurden. Insbesondere die Software BEAGLE wird hier naher betrachtet, da sie es dem Benutzer ermoglicht durch das Anpassen von Inputparametern den Algorithmus auf die genetische Struktur des Datensatzes anzupassen. Die Fehlerraten der Imputation konnen durch Parameteranpassungen, wie der effektiven Populationsgrose, um bis zu 98.5% reduziert werden. Daruber hinaus werden weitere Einflussfaktoren fur die Imputation, wie die Auswahl eines geeigneten Referenzdatensatzes und Referenzgenoms, betrachtet. In Kapitel 4 wird die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Software MoBPS (Modular Breeding Program Simulator) vorgestellt. MoBPS ist ein R-Paket, dass es Wissenschaftlern und Zuchtern ermoglicht sowohl Zuchtprogramme als auch historische Populationen zu simulieren. Daraus resultierende Zuchtprogramme konnen anhand ihrer okonomischen Auswirkungen, aber auch basierend auf ihrem resultierenden Zuchtfortschritt und dem Inzuchtsniveau verglichen werden. MoBPS nutzt ein modulares und flexibles Design, das die Simulation verschiedenster Zuchtprogramme ermoglicht, aber dennoch sehr effizient in Bezug auf Rechenzeit und Speicherauslastung ist. Im ersten Teil der Diskussion (Kapitel 5) wird der Einfluss der Imputation auf die Struktur verschiedener Haplotypisierungsmethoden diskutiert und anschliesend der Einsatz von HaploBlocker fur die Zuchtwertschatzung analysiert. In zweiten Teil der Diskussion werden verschiedene Zuchtprogramme, die durch MoBPS simuliert werden konnen, vorgestellt und potentielle nachfolgende Analysen werden kurz diskutiert. Besonderer Augenmerk wird hier auf die Nutzung von Methoden der Genom-Editierung zur Erhohung des Zuchtfortschritt fur quantitative Merkmale gelegt. Im dritten und letzten Abschnitt dieses Kapitels wird ein Ausblick auf mogliche Anwendungsgebiete und Erweiterungen fur HaploBlocker und MoBPS gegeben. Im Anhang dieser Arbeit werden die User-Manuals fur die beiden in dieser Arbeit entwickelten R-Pakete gegeben (Anhang A und B).