Selective breeding designs utilizing molecular and quantitative genetics for the improvement of aquacultured gilthead seabream (Sparus aurata L.)

Abstract

In the present PhD thesis, the available seabream molecular genetic resources were utilized to conduct a partial genome scan for locating possible QTL linked to sex, body weight and eighteen other morphometric characters. For that reason, microsatellite markers were chosen from the existing genetic linkage maps of S. aurata, in order to cover nine linkage groups (LG1, 2, 3, 6, 9, 10, 21, 23 and 25). In total, 74 informative microsatellites were genotyped on 58 brooders and 409 offspring (360 males and 49 females), comprising ten paternal half-sib families. Given the pedigree structure, the QTL detection method was based on half-sib interval mapping analysis through a linear regression approach. The QTL scan was also linked to results retrieved through comparative analysis to other fish species, where candidate regions for sex determination and growth were proposed.Chromosome-wide and genome-wide significant evidence for QTL segregation within the ten chosen paternal half-sib families was found on seven (1, 6, 9, 10, 21, 23 and 25) out of nine examined linkage groups. In total, four QTL affecting body weight and six QTL affecting morphology (using body weight as a covariate) were detected under the assumption of the one-QTL model, while six sex-related QTL were identified under the two-QTL model of analysis (three pairs in three different LGs). Comparison of two-QTL vs. one-QTL model showed that the one-QTL model was of better fit for body weight and morphology QTL while the two-QTL model was of better fit for sex-linked QTL. The proportion of phenotypic variation explained by all the identified QTL herein was medium to high, ranging from 9.3 to 28.7%.Body weight was significantly associated at a genome-wide scale with two QTL positioned on linkage groups 1 and 21 (qBW1 and qBW21, respectively), exhibiting large fractions of phenotypic variance explained (14.8% and 17.2%, correspondingly). Moreover, when fitting body weight as a covariate in the analysis, six QTL affecting morphometric characters were detected. The results herein combined with those from other studies reveal highly significant QTL affecting both morphology and bodyweight in gilthead seabream; this highlights the great potential for the implementation of selective breeding programs (through the combination of Marker Assisted Selection-MAS and classical selection) that focus on improvement of S. aurata overall growth, including size and shape. Finally, the mechanism of S. aurata sex change is thought to be controlled up to date by time (reversal occurs after the second year of life) as well as social and group dynamics. The present thesis, however, provides strong evidence for the existence of genetic control in sex reversal for this teleost fish.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκαν κάποια από τα διαθέσιμα μοριακά και γονιδιωματικά «εργαλεία» που υπάρχουν στην τσιπούρα, προκειμένου να διεξαχθεί μία μελέτη ανίχνευσης των QTL που επηρεάζουν το σωματικό βάρος, το φύλο και 18 ακόμη μορφομετρικούς χαρακτήρες, καλύπτοντας ένα μεγάλο μέρος του γονιδιώματος του είδους. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν μικροδορυφορικοί δείκτες από τους υπάρχοντες γενετικούς χάρτες σύνδεσης της τσιπούρας ώστε να καλύψουν εννέα ομάδες σύνδεσης (1, 2, 3, 6, 9, 10, 21, 23 και 25). Συνολικά έγινε γονοτύπηση με 74 μικροδορυφόρους σε 58 γονείς και 409 απογόνους (360 αρσενικά και 49 θηλυκά άτομα), οι οποίοι σχημάτιζαν δέκα ετεροθαλείς οικογένειες έχοντας για κοινό γονέα αρσενικό άτομο. Δεδομένης της δομής των οικογενειών, η μέθοδος ανίχνευσης QTL βασίστηκε στην ανάλυση διαστήματος μέσω της γραμμικής παλινδρόμησης. Η μελέτη για τον εντοπισμό QTL βασίστηκε επίσης σε αποτελέσματα συγκριτικής χαρτογράφησης του γονιδιώματος της τσιπούρας με γονιδιώματα άλλων ειδών, για τα οποία έχουν βρεθεί γονιδιακοί τόποι που επηρεάζουν το φύλο και την ανάπτυξη.Στατιστικά σημαντική απόδειξη για την ύπαρξη QTL, στις δέκα υπό μελέτη ετεροθαλείς οικογένειες, βρέθηκε σε εφτά (1, 6, 9, 10, 21, 23 και 25) από τις εννέα ομάδες σύνδεσης που αναλύθηκαν. Συνολικά βρέθηκαν τέσσερα QTL που επηρεάζουν το βάρος, έξι QTL που σχετίζονται με μορφομετρικούς χαρακτήρες (χρησιμοποιώντας το βάρος ως συμμεταβλητή) και τρία ζεύγη QTL που επηρεάζουν το φύλο (σε τρεις διαφορετικές ομάδες σύνδεσης). Το ποσοστό της φαινοτυπικής παραλλακτικότητας που εξηγείται από τα ανιχνευθέντα QTL ήταν μέτριο ως υψηλό, κυμαινόμενο από 9.3 έως 28.7%.Το σωματικό βάρος βρέθηκε να είναι στατιστικώς σημαντικά συνδεδεμένο σε επίπεδο γονιδιώματος με δύο QTL ευρισκόμενα στις ομάδες σύνδεσης 1 και 21 (qBW1 και qBW21, αντίστοιχα). Επιπλέον, όταν χρησιμοποιήθηκε το βάρος ως συμμεταβλητή στην ανάλυση, εντοπίστηκαν έξι QTL που επηρεάζουν μορφομετρικές ιδιότητες. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής σε συνδυασμό με αυτά διαφόρων άλλων παρεμφερών επιστημονικών μελετών αποκαλύπτουν την ύπαρξη QTL με στατιστικά σημαντικές τιμές που επηρεάζουν το βάρος και τη μορφολογία στη τσιπούρα. To γεγονός αυτό καταδεικνύει τη μεγάλη δυναμική που υπάρχει για την εφαρμογή προγραμμάτων επιλογής (μέσω του συνδυασμού Marker Assisted Selection–MAS και κλασσικής επιλογής) που θα στοχεύουν στη γενετική βελτίωση του μεγέθους και του σχήματος στην τσιπούρα. Τέλος, ο μηχανισμός αλλαγής του φύλου στην τσιπούρα πιστεύεται μέχρι σήμερα ότι ελέγχεται από παράγοντες κοινωνικής δομής καθώς και παράγοντες δυναμικής πληθυσμών. Παρόλα αυτά, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής αναδεικνύουν την ύπαρξη γενετικού ελέγχου στην αναστροφή φύλου του συγκεκριμένου είδους.