Türkiye yerli sığır ırklarında genetik çeşitlilik ve seleksiyon izlerinin yüksek yoğunlukta SNP verilerle değerlendirilmesi
Evaluation of genetic diversity and selection signatures in native Turkish cattle breeds via high-density SNP data
Yazar: EYMEN DEMİR
Danışman: PROF. DR. MURAT SONER BALCIOĞLU
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Zootekni Ana Bilim Dalı / Zootekni Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Ziraat = Agriculture

Özet:
Genetik çeşitlilik, çiftlik hayvanı populasyonlarının hayatta kalmaları ve farklı çevresel koşullara adaptasyon sağlamaları için gerekliyken, uzun süreli doğal ve yapay seleksiyon ise genom boyunca homozigotluğu arttırarak seleksiyon izi olarak ifade edilen genomik izler bırakabilmektedir. Bu çalışmada, Türkiye yerli sığır ırkları olarak bilinen Yerli Kara (YK), Doğu Anadolu Kırmızısı (DAK), Güney Anadolu Kırmızısı (GAK), Yerli Güney Sarısı (YGS), Boz Irk (BI) ve Zavot (ZAV) ırkında genetik çeşitlilik, populasyon yapısı ve seleksiyon izleri ilk defa yüksek yoğunlukta SNP verisiyle değerlendirilmiştir. Türkiye yerli sığır ırklarının genetik kökeni ve seleksiyon baskısı hakkında daha detaylı bilgi elde etmek için bu çalışmaya Siyah Alaca (SA) ve İsviçre Esmeri (İE) olarak bilinen iki kültür ırkı dahil edilmiştir. Her ırktan 20 örnek olacak şekilde toplam 160 bireyin örneklendiği çalışmada, sadece YGS ırkına ait hayvanlar ulusal koruma programına dahil sürülerden seçilmiştir. ddRADseq yöntemi kullanılarak hazırlanan iki adet genomik DNA kütüphaneleri daha sonra Illumina HiSeq X Ten platformunda 150x2 olacak şekilde çift yönlü olarak sekanslanmıştır. Sekiz farklı sığır ırkında toplam 1.786.253 SNP belirlenmesine rağmen bunlardan 211.119 tanesi belirlenen kalite parametrelerini sağlayabilmiştir. 
Ortalama gözlenen heterozigotluk (HO) değerinin 0.380 olduğu çalışmada kültür ırklarıyla kıyaslandığında Türkiye yerli sığır ırklarında daha yüksek genetik varyasyon gözlemlenmiştir. Türkiye yerli sığır ırkları arasında genetik mesafe görece düşük olup en yüksek genetik mesafe değeri (0.064) YGS ve İE ırkları arasında tespit edilmiştir. Minör Allel Frekansı (MAF) (0.381), (HO) (0.400) ve Beklenen Heterozigotluk (HE) (0.456) gibi genetik çeşitlilik parametreleri en yüksek değerleri YGS ırkında almıştır. Populasyon yapısı analizleri filogenetik kökenlerine göre Türkiye yerli ve kültür sığır ırklarının birbirinden belirgin bir şekilde farklı olduğunu göstermiştir. Ayrıca YK, BI, GAK ve YGS ırkları arasında yüksek seviyede genetik karışım tespit edilirken, DAK ve ZAV ırklarının diğer yerli ve kültür sığır ırklarından farklı olduğu belirlenmiştir. 
Homozigot aşırılığı (ROH) ve fiksasyon indeksi (FST) olarak bilinen iki farklı yaklaşımdan yararlanılarak çalışılan sığır ırklarında sırasıyla populasyonlar içi ve populasyonlar arası seleksiyon izleri tespit edilmiştir. FST yaklaşımında 23 otozomal kromozoma dağılmış 114 SNP'in seleksiyon baskısına maruz kaldığı belirlenmiştir. Bu SNP'lerden 78 tanesinin 190 protein kodlayan geni içerdiği belirlenmiştir. ROH yaklaşımında 309 protein kodlayan gene dağılmış olan 108 genomik bölgenin seleksiyon baskısına maruz kaldığı saptanmıştır. Yerli ırklarla kıyaslandığında kültür sığır ırklarında daha fazla sayıda genin seleksiyon baskısı altında olduğu gözlemlenmiştir. Gerçekten de İE ve SA ırklarında sırasıyla 104 ve 125 protein kodlayan gen tespit edilirken yerli ırklarda seleksiyona maruz kalan gen sayısının 6 (YK ve YGS) ile 55 (DAK) aralığında değiştiği belirlenmiştir. Türkiye yerli sığır ırklarında seleksiyona maruz kalan bazı genlerin üreme (CAMK4), büyüme (GDF11 ve GHR), çok sayıda hücrede karbondioksit transformasyonu gibi biyolojik süreçlerin (CA10) yanı sıra ısı (XCL1, PEX14 ve CORT), kan kanseri (AP4B1, BCL2L15 ve PHTF1), parazitik hastalıklar (DDX59 ve CAMSAP2), mikobakteriyel enfeksiyonlar (HEBP1 ve ST32B), dermatitis digitalis (RORA) ve kanama hastalıklarına direnç (P2RY12) gibi çevresel adaptasyonla ilişkili olduğu belirlenmiştir. 
Çalışmada en yüksek genetik çeşitlilik ve en düşük seleksiyon baskısı ulusal koruma programlarına dahil olan sürülerden örneklenen YGS ırkında gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, uygun koruma programlarıyla genom üzerindeki seleksiyon baskısının hafifletilebileceğini ve böylece heterozigotluk ve genetik çeşitliliğin arttırılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Genetic diversity is essential for livestock populations to survive and develop adaptation against diverse environmental conditions, whereas long-term natural and artificial selection may extend homozygosity across the genome leaving genomic patterns called selection signatures. This study is the first attempt to assess genetic diversity, population structure, and selection signatures in native Turkish cattle breeds known as Anatolian Black (YK), East Anatolian Red (DAK), South Anatolian Red (GAK), South Anatolian Yellow (YGS), Turkish Grey Steppe (BI), and Zavot (ZAV) by high-density genomic data. In order to obtain deeper information about the genetic origin and selection pressure on native Turkish cattle breeds, two cosmopolitan cattle breeds namely Holstein Friesian (SA) and Brown Swiss (İE) were also involved in this study.  Being 20 sample from each breeds, a total of 160 individuals were sampled from different regions of the country in which only YGS breed was sampled from the herds under national conservation program. ddRADseq method was utilised to prepare two genomic DNA libraries which were further sequenced via the Illumina HiSeq X Ten platform containing paired-end sequencing with 150x2 option . While a total of 1.786.253 SNPs were observed across eight cattle breeds, 211.119 SNPs were passed quality control processes. 
Compared to cosmopolitan cattle breeds, a higher genetic variation was observed in native Turkish cattle with an average of 0.380 Observed Heterozygosity (HO). Genetic distances were comparatively low between native cattle breeds, whereas the highest genetic distance (0.064) was detected between YGS and İE. The highest genetic diversity parameters such as Minor Allele Frequency (MAF) (0.381), (HO) (0.400), and Expected Heterozygosity (HE) (0.456) were observed in YGS breed. Population structure analyses showed that the native Turkish and cosmopolitan cattle breeds were clearly different from each other according to their phylogenetic origin. Besides, a high level of genetic admixture was detected among YK, BI, GAK, and YGS, whereas DAK and ZAV were distinct from the other native and cosmopolitan cattle breeds. 
Two different approaches known as Runs of Homozygosity (ROH) and fixation index (FST) were utilised to detect selection signatures within and between studies cattle breeds, respectively. FST approach yielded 114 SNPs under selection pressure distributed on 23 autosomes. Of these SNPs, 78 overlapped with 190 protein-coding genes. ROH approach revealed 108 genomic regions overlapped with a total of 309 protein-coding genes under selection pressure. A higher number of genes under selection pressure was observed in cosmopolitan cattle breeds compared to the native ones. Indeed, selection signatures on 104 and 125 protein-coding genes were detected in İE and SA, respectively, while the number of the genes under selection pressure ranged from 6 in YK and YGS to 55 in DAK among native breeds. Several genes under selection pressure in native Turkish cattle breeds were related to fertility (CAMK4), growth (GDF11 and GHR), environmental adaptation such as heat tolerance (XCL1, PEX14, and CORT), resistance to bovine leukaemia (AP4B1, BCL2L15, and PHTF1), parasitic diseases (DDX59 and CAMSAP2), mycobacterial infections (HEBP1 and ST32B), dermatitis digitalis (RORA), bleeding disorders (P2RY12) as well as biological processes such as carbon dioxide transformation in several cells (CA10). 
In this study, the highest genetic diversity and lowest selection pressure were observed in YGS breed which is sampled from the herds under national conservation program. Results of this study confirm that selection pressure over the genome could be facilitated via suitable conservation programs by which heterozygosity and genetic diversity could be increased in native cattle breeds.