1Professor Associado DZO/UFV, Viçosa, MG. Bolsista CNPq

Genômica Aplicada à Conservação de Recursos Genéticos
Genomics Applied to Genetic Resources Conservation
Fabyano Fonseca e Silva1, José Lindenberg Rocha Sarmento2, Daniel Biagiotti3, Bruna Lima
Barbosa4, Fabio Barros Britto5
RESUMO: A utilização de marcadores SNPs em estudos de conservação de recursos genéticos pode
esclarecer a existência de gargalos populacionais, deriva genética e assinaturas de seleção, informar
sobre eventos de domesticação tal como endogamia e introgressão, e sub-estruturação populacional,
além de auxiliar na tomada de decisões acerca da manutenção e manejo de populações. Tal abordagem
é denominada de Genômica de Populações, e pode ser caracterizada pelo uso de uma ampla varredura
do genoma para identificar e separar locos sob efeitos específicos (seleção, mutação, acasalamentos
preferenciais e recombinação) de locos sob efeitos amplos (deriva genética, fluxo gênico e endogamia)
com o objetivo de aumentar o entendimento sobre eventos evolutivos que possam estar de alguma
forma relacionados com a conservação das espécies. Além disso, a Genômica de Populações
possibilita acessar estimativas da variação entre populações e testes de hipóteses para
heterozigosidade.
Palavras-chave: Diversidade genética, SNP, Genômica de Populações
ABSTRACT: The use of SNP markers in genetic resources conservation studies can clarify the
existence of population bottlenecks, genetic drift and signature selection, to point out for
domestication events such as inbreeding and gene introgression, and population sub-structuring, as
well as to assist in making decisions about population genetic management. This approach is
denominated Population Genomics, and can be characterized by using whole scanning of the genome
aiming to identify and separate loci under specific effects (selection, mutation, preferential mating and
recombination) from loci under wide effects (genetic drift, gene flow and inbreeding). It allows
increasing the understanding of evolutionary events that may be somehow related to the species
conservation. Furthermore, the Population Genomics provide estimates for variation among
populations and heterozygosity hypothesis tests.
Key words: Genetic diversity, SNP, Population Genomics.
____________________
1
Professor Associado DZO/UFV, Viçosa, MG. Bolsista CNPq. [email protected]
Professor Adjunto DZO/CCA/UFPI, Teresina, PI. Bolsista CNPq. [email protected]
3
Doutorando em Ciência Animal, CCA/UFPI, Teresina, PI.
4
Mestranda Genética e Melhoramento CCA/UFPI, Teresina, PI.
5
Professor Adjunto CCN/UFPI, Teresina, PI.
2
Anais do X Congresso Nordestino de Produção Animal, Teresina, PI: SNPA, nov. 2015: Palestras.
1. Introdução
A partir do início do século XXI os avanços biotecnológicos na área de automação do processo
genotipagem permitiram o desenvolvimento de novas classes de marcadores, dentre os quais se
destacam os SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms). Considerando que polimorfismos do DNA ao
nível de uma única base nitrogenada constituem a mais abundante e representativa fonte de variação
genética, marcadores SNPs em desequilíbrio de ligação com QTL (Quantitative Trait Loci) podem ser
utilizados como critério extra para identificação de indivíduos candidatos à seleção, o que aumentaria
a acurácia na avaliação genética. Tal aplicação direcionada para identificação de indivíduos
geneticamente superiores recebeu o nome de seleção genômica ampla (Meuwissen et al., 2001).
Embora os marcadores SNPs tenham sido primeiramente propostos para a predição do mérito
genômico de animais sob seleção, sua utilização foi ampliada para a identificação de material genético
ainda pouco explorado, de forma que a conservação desses recursos vem ganhando destaque no
cenário atual da área de Genética Animal. Neste contexto, na busca por informações mais apuradas do
genótipo dos animais, pesquisadores estão utilizando tais marcadores em conjunto com o
desenvolvimento de técnicas capazes de detectar polimorfismos de genes que possibilitam ampliar a
capacidade de caracterizar a variação genética dentro e entre raças (Toro et al., 2008).
De forma geral, esta abordagem via marcadores pode esclarecer a existência de gargalos
populacionais, deriva genética e assinaturas de seleção, informar sobre eventos de domesticação,
endogamia, introgressão e subestruturação populacional, além de auxiliar na tomada de decisões
acerca da manutenção e manejo de populações (Meadows et al., 2005; Tapio et al., 2006). Tal
abordagem é denominada de Genômica de Populações, e pode ser caracterizada pelo uso de uma
ampla varredura do genoma para identificar e separar locos sob efeitos específicos (seleção, mutação,
acasalamentos preferenciais e recombinação) de locos sob efeitos amplos (deriva genética, fluxo
gênico e endogamia) com o objetivo de aumentar o entendimento sobre eventos evolutivos que
possam estar de alguma forma relacionados com a conservação das espécies (Black et al., 2001). Além
disso, a Genômica de Populações possibilita acessar estimativas da variação entre populações (FST) e
testes de heterozigosidade (Hohenlohe et al., 2010).
2. Marcadores moleculares utilizados em estudos de diversidade genética e conservação
Os marcadores de polimorfismos de comprimento de fragmentos de restrição ou RFLP foram os
primeiros (início dos anos 80) a serem utilizados em estudos de interesse zootécnico (Caetano, 2009).
São codominantes e baseiam-se na utilização de uma ou mais enzimas de restrição para o corte em
pontos específicos da sequência de DNA gerando fragmentos de tamanhos diferentes, representando a
115
Anais do X Congresso Nordestino de Produção Animal, Teresina, PI: SNPA, nov. 2015: Palestras.
presença e ausência de sítios de reconhecimento de enzimas de restrição em indivíduos distintos
(Caixeta et al., 2013).
Outro marcador codominante utilizado em pesquisas genéticas são os microssatélites, também
chamados de SSR (Simple Sequence Repeats) ou STR (Short Tandem Repeats) que são definidos
como regiões dispersas do genoma compostas de números variáveis de repetições. Caracterizam-se
por serem altamente polimórficos, com sequências flanqueadoras da mesma espécie sendo geralmente
conservadas, com alta taxa de mutação e geralmente multialélicos, sendo bastante abundantes e
distribuídos nos genomas de eucariotos, com alta reprodutividade e simplicidade via uso de PCR
(Caixeta et al. 2013). Os primeiros mapas genéticos de interesse zootécnico foram construídos com
microssatélites (Coutinho et al., 2010). Contudo, esses marcadores requerem a construção de uma
biblioteca genômica, sequenciamento e desenho de primers, o que torna o trabalho oneroso e algumas
vezes inviável sob o ponto de vista econômico. Tais marcadores possuem aplicação em estudos de
identidade genética, variabilidade dentro de espécie e em testes de paternidade, bem como na
identificação de QTLs, análises de bancos de germoplasma e na Seleção Assistida por (Faleiro, 2007;
Caixeta et al., 2013).
Os avanços tecnológicos e o desenvolvimento do sequenciamento automatizado possibilitaram
o advento de uma classe de marcador molecular de alto desempenho e eficiência, os SNPs. Juntamente
com as pequenas mutações (inserções e deleções), os SNPs representam a forma mais frequente de
variação genética natural (Caixeta et al., 2013). Os SNPs estão distribuídos de forma abundante por
todo o genoma, ou seja, com alta variabilidade genética. Possuem a vantagem de serem mais estáveis
que os outros marcadores, porém pouco informativos por serem geralmente bialélicos (dois alelos por
locus), o que requer a utilização de uma grande quantidade desse marcador para o seu estudo em
análises genéticas. Outra vantagem é a possibilidade de automação, que permite análise de uma grande
quantidade de indivíduos e de marcadores (Regitano e Veneroni, 2009; Caixeta et al., 2013).
3. Marcadores SNPs
Os SNPs aplicam-se a estudos de filogenia e mapeamento genético de características de
interesse, de haplótipos e associação com base no desequilíbrio de ligação de alta resolução (Lee et al.,
2006), além da análise de estrutura populacional, e seleção assistida por marcadores. Tais marcadores
possuem grande aplicação na análise genética de características complexas, sendo também utilizados
para definir parentesco em animais domésticos, além de estudos de associação e seleção genômica
ampla (Heaton et al., 2014; Oliveira, 2014).
Com o surgimento de novas técnicas de sequenciamento, promoveu-se a utilização de
plataformas de genotipagem de SNPs capazes de gerar informações, em um único ensaio, de milhões
de pares de bases, além de apresentarem maior vantagem quanto a custo por base e economia de
tempo em relação às outras classes de marcadores (Caixeta et al., 2013). As plataformas mais
116
Anais do X Congresso Nordestino de Produção Animal, Teresina, PI: SNPA, nov. 2015: Palestras.
utilizadas atualmente para a genotipagem de SNPs são: SNPstream (Beckman Coulter), GeneChip
(Affymetrix), Perlegen Wafers, Molecular Inversion Probe – MIP (Affymetrix) e GoDLenGate e
Infinium da Illumina. A SNPstream utiliza extensão de primers com minisequenciamento e arranjo
disposto em lâmina, processando grande quantidade de genótipos (4.600 a 3.000.0000) por dia, porém
com número de SNPs menor comparado a outras plataformas de genotipagem. Perlegen Wafers e
GeneChip são baseadas em processos de hibridização de oligonocleotídeos. A Molecular Inversion
Probe analisa 10.000 SNPs por ensaio em arranjo de lâmina e extensão de primer por meio de
minisequenciamento. As plataformas GoldenGate e Infinium baseiam-se no emprego de microarranjos
e extensão de primers alelo-específicos, no entanto, a primeira utiliza PCR no passo de amplificação e
pode genotipar apenas 1536 loci simultaneamente, enquanto a segunda dispensa amplificação via
Reação da Cadeia de Polimerase e genotipa de centenas a milhares de polimorfismos de base única de
forma simultânea (Caixeta et al., 2013; Illumina, 2006).
Os painéis de SNPs possibilitam o desenvolvimento de estudos de diversidade genética entre e
dentro de populações, estrutura populacional e estimação de endogamia. Além disso, detectam
assinaturas de seleção, o que possibilita a identificação de regiões genômicas de interesse relacionadas
a características quantitativas. Isto aumenta as perspectivas para estudos de genética animal, bem com
de conservação dessa diversidade (FAO, 2013).
4. Genômica na diversidade genética
Em programas voltados para a conservação genética de espécies é fundamental o conhecimento
da variabilidade genética, de forma que a caracterização genética pode ser utilizada no estudo de
relações entre espécies buscando informações através de suas características fenotípicas, morfológicas
e fisiológicas, origem, hábitat, distribuição geográfica, produção e parâmetros genéticos (Hernandez et
al., 1997). O conhecimento de tais aspectos é de fundamental importância para a conservação de
recursos genéticos animais, pois irá direcionar os acasalamentos que possam favorecer a manutenção
da máxima variabilidade genética e evita esforços na manutenção de amostras geneticamente similares
(Egito et al., 2001).
Com a utilização dos marcadores SNPs foi possível realizar estudos relacionados à estrutura de
população até então não realizados devido a ausência de informações genéticas a nível de locus.
Predições entre-raças a partir de painéis de alta densidade através do desequilíbrio de ligação (DL)
pode refletir a habilidade dos alelos de um locus predizer os alelos de outro locus.
Trabalhos envolvendo estudo de diversidade utilizando marcadores moleculares estão sendo
realizados. Oliveira (2014) observou que com exceção dos SNPs que estavam fixados na população,
foi possível observar, por meio das frequências alélicas e genotípicas dos demais SNPs avaliados, que
existe variabilidade genética considerável capaz de responder de maneira eficiente à seleção quando
associados à expressão das características de prolificidade e resistência a parasitose em ovinos.
117
Anais do X Congresso Nordestino de Produção Animal, Teresina, PI: SNPA, nov. 2015: Palestras.
Estudos envolvendo ovinos no Estado do Piauí na área de diversidade genética entre populações de
diferentes municípios foram realizadas com microssatélites (Marques et al., 2015) e com SNPs
(Barbosa, 2015), e foram evidenciadas vantagens em cada método, como menor custo utilizando
microssatélites e maior cobertura do genoma utilizando SNPs. Os microssatélites são polimórficos e
com alta capacidade para identificar a variabilidade e a diversidade genética em caprinos, podem ser
utilizados para caracterização genética de raças caprinas brasileiras, auxiliando em programas de
conservação e melhoramento dos recursos genéticos do país (Menezes et al., 2006).
Comparações entre raças bovinas utilizando diferentes marcadores vêm sendo empregadas na
investigação da domesticação, migração, história evolutiva e estrutura populacional (Loftus et al.,
1994; Egito et al., 2007; Mckay et al., 2008).
O uso da genômica através de marcadores moleculares na avicultura encontra-se em fase
experimental, o que a qualquer momento poderá ser incorporado nos respectivos programas das
empresas de genética de aves (Ledur et al., 2003).
Na suinocultura. Sollero (2006) avaliaram a diversidade genética existente em três raças
naturalizadas de suínos (Piau, Monteiro e Moura) uma raça comercial (Landrace) e o composto MS60,
além de testar a existência de estruturação genética dentro das populações analisadas, a partir de
marcadores microssatélite, que obteve como resultado a conclusão que o painel de 24 marcadores
microssatélites foi capaz de estimar elevadas probabilidades de exclusão de paternidade para cada
grupo genético analisado.
5. Referências
BARBOSA, B. L. Diversidade Genética de Populações de Ovinos Santa Inês no Meio-Norte do
Brasil com Marcadores de Base Única (SNPs). Teresina: UFPI, 2015. 54f. Dissertação (Mestrado
em Genética e Melhoramento).
BLACK, W. C.; BAER, C. F.; ANTOLIN, M. F. et al. Population genomics: genome-wide sampling
of insect populations. Annual Review of Entomology, v.46, p.441-469, 2001.
CAETANO, A. R. Marcadores SNP: conceitos básicos, aplicações no manejo e no melhoramento
animal e perspectivas para o futuro. Revista Brasileira de Zootecnia, v.38, p.64-74, 2009.
CAIXETA, E. T.; FERRÃO, L. F. V.; MACIEL-ZAMBOLIM, E. Marcadores moleculares. In:
BORÉM, A.; FRITSCHE-NETO, R. Biotecnologia Aplicada ao Melhoramento de Plantas. Viçosa,
MG: UFV, 2013. p.25-42.
COUTINHO, L. L.; ROSÁRIO, M. F.; JORGE, E. C. Biotecnologia animal. Estudos Avançados,
v.24, n.70, p.123-147, 2010.
EGITO, A. A.; ALBUQUERQUE, M. S. M.; MARIANTE, A. S. Caracterização genética de raças
naturalizadas. In: SIMPÓSIO DE RECURSOS GENÉTICOS PARA AMÉRICA LATINA E
CARIBE, 3., Londrina, 2001. Anais... Londrina: Instituto Agronômico do Paraná, 2001. p.121-126.
EGITO, A. A.; PAIVA, S. R.; ALBUQUERQUE, M. S. M. Microsatellite based genetic diversity and
relationships among ten Creole and commercial cattle breeds raised in Brazil. BMC Genetics, v.8,
p.83, 2007.
FALEIRO, F.G. Marcadores Genético-moleculares Aplicados a Programas de Conservação e Uso
de Recursos Genéticos. Planaltina, DF: EMBRAPA CERRADOS, 2007. 102 p.
118
Anais do X Congresso Nordestino de Produção Animal, Teresina, PI: SNPA, nov. 2015: Palestras.
FAO. In vivo conservation of animal genetic resources. Roma: FAO, 2013. (FAO Animal
Production and Health Guidelines, 14).
HEATON, M. P.; LEYMASTER, K. A.; KALBFLEISCH, T. S. SNPs for parentage testing and
traceability in globally diverse breeds of sheep. PLoS ONE, v.9, n.4, 2014: e94851.
HERNANDEZ, J.; BENEDITO, J. L.; CASTILLO, C. et al. Use of blood parameters as ethnic
characteristics in cattle breeds. Archiv für Tierzucht, v.40, p.521-533, 1997.
HOHENLOHE, P. A.; BASSHAM, S.; ETTER, P. D. et al. Population genomics of parallel adaptation
in threespine stickleback using sequenced RAD tags. Plos Genetics, v.6, n.2, 2010: e1000862.
ILLUMINA. 2006. Infinium® II Assay Workflow. Disponível em: <http://
http://www.illumina.com/content/dam/illuminamarketing/documents/products/workflows/workflow_i
nfinium_ii.pdf.> Acesso em: 27 out. 2015.
LEDUR, M. C.; BERTANI, G. R.; NONES, K. Genômica nos programas de melhoramento genético
avícola. In: CONFERÊNCIA APINCO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA AVÍCOLAS, 2003,
Campinas. Anais... Campinas: FACTA, 2003. p.87-105.
LEE, M. A.; KEANE, O. M.; GLASS, B. C. Establishment of a pipeline to analyse non-synonymous
SNPs in Bos Taurus. BMC Genomics, v.7, p.1-12, 2006.
LOFTUS, R. T.; MACHUGH, D. E.; BRADLEY, D. G. Evidence for two independent domestications
of cattle. Proceedings of the National Academy of Sciences, v.91, p.2757-2761, 1994.
MARQUES, I. T. O.; SARMENTO, J. L. R.; BIAGIOTTI, D. et al. Caracterização da diversidade
genética de ovinos Santa Inês em fazendas do Estado do Piauí. Revista Brasileira de Saúde e
Produção Animal, v.16, n.3, p.523-534, 2015.
McKAY, S. D.; SCHNABEL, R. D.; MURDOCH, B. M. An assessment of population structure in
eight breeds of cattle using a whole genome SNP panel. BMC Genetics, v.9, n.37, 2008.
MEADOWS, J. R. S.; LI, K.; KANTANEN, J. et al. Mitochondrial sequence reveals high levels of
gene flow between sheep breeds from Asia and Europe. Journal of Heredity, v.96, p.494-501, 2005.
MENEZES, M. P. C.; MARTINEZ, A. M.; RIBEIRO, M. N. et al. Caracterização genética de raças
caprinas nativas brasileiras utilizando-se 27 marcadores microssatélites. Revista Brasileira de
Zootecnia, v.35, n.4, p.1336-1341, 2006.
MEUWISSEN, T. H. E.; HAYES, B. J.; GODDARD, M. E. Prediction of Total Genetic Value Using
Genome-Wide Dense Marker Maps. Genetics, v.157, p.1819-1829, 2001.
REGITANO, L. C. A.; VENERONI, G. B. Marcadores moleculares e suas aplicações no
melhoramento animal. In: SIMPÓSIO DE BIOLOGIA MOLECULAR APLICADA À PRODUÇÃO
ANIMAL, 2., São Carlos, 2009. Anais... São Carlos: Embrapa Pecuária Sudeste, 2009. p.16-34.
SOLLERO, B. P. Diversidade Genética das Raças Naturalizadas de Suínos no Brasil por Meio de
Marcadores Microssatélites. Brasília: UNB, 2006. 83f. Dissertação (Mestrado em Ciências
Agrárias).
TAPIO, M.; MARZANOV, N.; OZEROV, M. et al. Sheep mitochondrial DNA variation in European,
Caucasian, and Central Asian areas. Molecular Biology and Evolution, v.23, p.1776-1783, 2006.
TORO, M. A.; FERNÁNDEZ, J.; CABALLERO, A. Molecular characterization of breeds and its use
in conservation. Livestock Science, v.120, p.174-195, 2009.
119