avAbanico veterinarioAbanico vet2007-428X2448-6132Sergio Martínez González10.21929/abavet2020.1000106Artículos originalesDiversidad genética y estructura poblacional del cerdo negro lampiño de Yucatán usando chip SNP50Lemus-FloresClemente*1Alonso-MoralesRogelio2Toledo-AlvaradoHugo2Sansor-NahRaúl3Burgos-PazWilliam4Dzib-CauichDany5Posgrado en Ciencias Biológico Agropecuarias, Universidad Autónoma de Nayarit. México. Universidad Autónoma de NayaritUniversidad Autónoma de NayaritMexicoDepartamento de Genética y Bioestadística, Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia, Universidad Nacional Autónoma de México. México. Universidad Nacional Autónoma de MéxicoFacultad de Medicina Veterinaria y ZootecniaUniversidad Nacional Autónoma de MéxicoMexicoAsociación Mexicana de Criadores de Cerdos de Origen Ibérico Yucatán, A. C. México.Asociación Mexicana de Criadores de Cerdos de Origen Ibérico Yucatán, A. CMéxicoCorporación Colombiana de Investigación Agropecuaria-AGROSAVIA, Centro de Investigación Tibaittá, Colombia. Centro de Investigación TibaittáColombiaInstituto Tecnológico de Conkal, Yucatán. México. Instituto Tecnológico de ConkalInstituto Tecnológico de ConkalYucatánMexico
Autor de correspondencia: Clemente Lemus Flores. Universidad Autónoma de Nayarit. Posgrado en Ciencias Biológico Agropecuarias. Carretera Xalisco-Compostela km 3.5, Xalisco, Nayarit-México. E-mail: clemus@uan.edu.mx, ralonsom@unam.mx, h.toledo.a@gmail.com, raulsannah@hotmail.com, williamobur@agrosavia.com, dany_dzib@outlook.com31122020Jan-Dec20201000000502202003062020Este es un artículo publicado en acceso abierto bajo una licencia Creative CommonsRESUMEN:
La estructura poblacional y diversidad genética de 104 cerdos negros lampiños de Yucatán (NLY) y ocho de raza Duroc fueron caracterizados usando un chip SNP50K. Se obtuvo la estructura poblacional, se calculó un análisis de componentes principales (ACP), menor alelo frecuencia (MAF), Heterocigosidad observada (Ho), Consanguinidad (F), Índice de Fijación de individuos en subpoblaciones (Fis), índice de alogamia (t) y análisis de asociación para identificar SNP diferentes entre poblaciones. Según el análisis Admixture la población NLY se estructura en tres subpoblaciones. El componente genético de Duroc en subpoblaciones NLY es bajo de 0.0036 a 0.0353, apreciándose una subpoblación con mayor diversidad genética, con valores más bajos de F, Fis y mayor Ho y t. Se identificaron SNP (p<1.21E-50 a p< 6.4E-20), asociados con genes y procesos biológicos. Genes EHF, DST, PDE8A, FOXA1 y VCL relacionados con la diferenciación de células epiteliales, la morfogénesis y desarrollo del epitelio. Otros 30 SNPs relacionados con el metabolismo de nutrientes, 23 SNPs en transporte de nutrientes, 11 SNPs a inmunidad, 10 SNPs a músculo, esqueleto y embrionario, y siete SNPs a sinapsis y receptores. NLY está distante de Duroc con diferente estructura poblacional y diversidad genética, con diferentes genes que implican procesos biológicos importantes.
Palabras claves<italic>:</italic>recursos genéticosSNPdiversidad genéticaestructura poblacional y cerdo criolloINTRODUCCIÓN
Desde la llegada de los cerdos a América en el siglo XVI y su distribución a lo largo del nuevo mundo, ya sea la selección natural o artificial, ha modelado la diversidad de las poblaciones actuales. Burgos-Paz et al. (2013) describieron como el medio ambiente ha influido en las diferencias de fenotipos entre los cerdos de las tierras altas del Perú, con respecto a aquellos que habitan tierras bajas o tropicales. Teniendo en cuenta la amplia gama de climas en América, y particularmente en las costas, algunas poblaciones porcinas tienen un crecimiento en tamaño y relevancia para las comunidades humanas. Es el caso de los cerdos negros lampiños de Yucatán (NLY); esta raza de cerdo tiene particularidades fenotípicas: piel negra, sin pelo, sin manchas, pezuña negra y hocico recto; con una importante participación en la seguridad alimentaria en las poblaciones rurales humanas (Lemus y Alonso, 2005).
El Sistema de Información sobre la Diversidad Animal de la FAO (DAD-IS, 2020), consideró que esta raza estaba en peligro de extinción, sin un programa de conservación, y es un valioso recurso genético animal que puede contribuir a la seguridad alimentaria en las comunidades rurales; así como un reservorio de diversidad genética (Lemus-Flores et al., 2001; Scarpa et al., 2003). Además se desconoce el estado del 38% de las razas de cerdos en todo el mundo (FAO, 2019).
Este biotipo lampiño procede de cerdos ibéricos (Sus mediterraneus), de origen africano; introducidos en todas las regiones del sur de Europa (Benítez y Sánchez, 2001). Posteriormente se introdujeron en América en el segundo viaje de Cristóbal Colón, en 1493 (Ogata, 2019). Los cerdos NLY son una variación genética de los cerdos criollos (Su et al., 2014) y dividen en dos líneas genéticas; uno ubicado en poblaciones en el Golfo de México y la otra población está presente en la costa del Pacífico mexicano (Lemus-Flores et al., 2001); se le llama pelón mexicano, lampiño o lampiño tropical. Se consideró que estaban en peligro de extinción, debido a cruces no planificadas con líneas comerciales de genotipos magros. A pesar de que NLY están ampliamente distribuidos en la península de Yucatán de México, con un manejo técnico bajo-medio; hoy en día, algunos criadores de cerdos han encontrado una manera valorada de criarlo, pero la información disponible es limitada sobre la estructura de la población o pedigrí.
Con el objetivo de obtener un programa de reproducción ordenado, se evaluó una amplia población de NLY, utilizando chip SNP50K comercial para estimar la diversidad y estructura poblacional real; así como sus relaciones genéticas para la futura selección de pie de cría distante de raza comercial.
MATERIAL Y MÉTODOSAnimales y análisis de genotipos
De una población total de 560 cerdos negros lampiños de Yucatán (NLY) de 49 granjas, ubicadas desde Mérida hasta Tizimín del estado de Yucatán-México; se eligieron 104 adultos reproductores de 2 a 3 años de edad (17 sementales y 87 cerdas), considerando fenotípicamente rasgos de ausencia de pelo (lampiños), piel negra, sin manchas, pezuña negra y hocico recto. Adicionalmente, se utilizó información sobre el origen de las cerdas o sementales, para reducir cualquier parentesco entre las muestras. Además, ocho cerdas Duroc fueron muestreadas como población de referencia y utilizadas para evaluar la introgresión en los cerdos de Yucatán.
Este estudio tiene registro SIP18-076 de la Universidad Autónoma de Nayarit y convenio con el Parque Científico y tecnológico de Yucatán. Para la toma de muestras de sangre, se siguieron las recomendaciones de las Normas Oficiales NOM-051-ZOO-1995 sobre el tratamiento humanitario de animales, y NOM-062-ZOO-1999 de las especificaciones técnicas para la producción, el cuidado y el uso de animales de laboratorio. La extracción y genotipado de ADN genómico de las muestras de sangre, se realizó en la empresa NEOGEN (www.neogen.com). Para el genotipado de SNP, se utilizó el porcine-GGP-50K que identifica un total de 50.967 SNP (GeneSeek Genomic Profiler Porcine).
Control de calidad de los genotipos SNP (Polimorfismo de nucleótido simple)
El control de calidad de datos de los SNP se realizó utilizando PLINK v1.9 (Purcell et al., 2007). Los SNP con polimorfismos < 0.10 y MAF (Frecuencia de alelo menor) <0.01, se excluyeron. Fueron retenidos 42840 SNP para su posterior análisis de la estructura de la población y la diversidad genética.
Análisis estadísticoAnálisis de estructura poblacional
En primer lugar, se realizó un análisis de la estructura de la población para identificar las subpoblaciones en cerdos NLY con el software Admixture 1.3 (Alexander et al., 2009). El Análisis de Componentes Principales (ACP) se obtuvo con PLINK v2.1 (Chang et al., 2015) y se construyó un gráfico utilizando el software Minitab v15 para visualizar las distancias genéticas entre las subpoblaciones de NLY y la raza Duroc.
Diversidad Genética
Para cada subpoblación del cerdo NLY y Duroc se calculó la frecuencia de alelo menor (MAF), la Heterocigosidad observada (Ho), la consanguinidad (F) y el índice de fijación de individuos dentro de las subpoblaciones (Fis) con el programa PLINK v1.9 (Pursell et al., 2007). La t (tasa de cruce o índice de alogamia) se calculó según Weir (1990). Para comparar las subpoblaciones de cerdos NLY y Duroc se usaron Análisis de Varianza de un solo criterio de clasificación (SPSS v20, 2011).
Regiones SNP candidatas
Con PLINK v1.9 (Pursell et al., 2007) para toda la población del cerdo NLY vs Duroc se calculó la asociación para identificar SNP con diferencias. Las anotaciones genéticas dentro de las regiones candidatas se obtuvieron utilizando la anotación preliminar del ensamblaje 10.2, proporcionada por e-ensembl (Groenen et al., 2012). La sobre representación de las categorías de Gene Ontology (GO) se determinó con la base de datos Gene Ontology (Ashburner et al., 2000).
RESULTADOSEstructura poblacional
La primera estructura de la población se realizó a una validación cruzada de 10 veces, para elegir el mejor valor de K; el valor de K=4 mostró el error de validación cruzada más bajo (0.584). Según el análisis Admixture, la población de NLY se estructura en tres subpoblaciones (tabla 1).
Composición de clúster predicha mediante ADMIXTURE (K4).
DUR
YUC1
YUC2
YUC3
DUR
0.99997
0.03532
0.00363
0.02726
YUC1
0.00001
0.69764
0.18677
0.18429
YUC2
0.00001
0.08993
0.64234
0.07703
YUC3
0.00001
0.17711
0.16726
0.71142
YUC1, YUC2 y YUC3 subpoblaciones de cerdo negro lampiño de Yucatán. DUR población de raza Duroc. Los valores por columna de cada raza indican la proporción de otras razas.
Con el ACP se observa que la subpoblación YUC2 es la más alejada de la raza Duroc, siendo más cercanas YUC1 y YUC3 al compartir más componente genético de Duroc (gráfica 1).
Análisis de componentes principales entre subpoblaciones de cerdo lampiño y de raza Duroc
Diversidad genética
Valores positivos de Fis indican consanguinidad, es mayor si se aproxima a 1; corresponde a la reducción global de heterocigosidad observada respecto a lo esperado en su población; en la subpoblación YUC3 es menor el valor Fis, F y mayor la Ho, indicando mayor diversidad genética (tabla 2).
Diversidad genética del cerdo negro lampiño de Yucatán y de raza Duroc
YUC1
YUC2
YUC3
Duroc
eem
Muestras
70
14
20
8
Media MAF
0.260a
0.216c
0.247b
0.202d
0.025
Consanguinidad (F)
0.039ª
0.067ª
-0.006b
0.079ª
0.011
Ho
0.328b
0.305b
0.359ª
0.301b
0.011
Fis
0.079ª
0.142ª
-0.007b
0.158ª
0.021
Índice de alogamia (t)
0.870b
0.782b
1.0278a
0.729b
0.027
MAF, frecuencia de alelo menor. Ho, Heterocigosidad observada. Fis, índice de fijación subpoblacional. eem, error estándar medio. Diferentes letras en las filas indican diferencias estadísticas entre las poblaciones (ANOVA, p<0.05).
Una población se aproxima a apareamiento aleatorio si el valor de t se acerca a 1, cuando es mayor a 1 hay exceso de heterocigotos y cuando el valor es cero todos los individuos son homocigotos; en la subpoblación YUC3 se aproxima a 1, siendo menor en las demás subpoblaciones YUC1, YUC2 y Duroc.
Regiones SNP candidatas
En el análisis de asociación entre toda la población de NLY vs Duroc para identificar diferencias, se identificaron 226 SNP con valores de p<1.21E-50 a p< 6.4E-20, de los cuales solo 93 SNP se identificaron asociados a genes y procesos biológicos (tabla 3).
Procesos biológicos, genes e información de los SNPs que presentaron mayor diferenciación entre NLY vs Duroc
Proceso biologico
Cromosoma
Variantes
Genes identificados
Diferenciación de células epiteliales, la morfogénesis y el desarrollo del epitelio
Considerando el número de SNP diferentes entre NLY vs Duroc, en los cromosomas 6, 7, X y 14 es en donde mayor número se identificaron (tabla 4).
Número de SNP identificados en cada cromosoma asociado a procesos biológicos
Cromosoma
1
2
3
4
6
7
8
9
12
13
14
15
18
X
nSNP
1
2
3
1
27
20
1
1
1
1
11
5
2
17
DISCUSIÓN
La muestra de 104 NLY elegida para el estudio, fueron sin pelo, de piel negra, sin manchas, pezuña negra y hocicos rectos para evitar variación fenotípica. El análisis ADMIXTURE los subdivide en tres subpoblaciones. La introgresión de la raza Duroc es muy baja en las tres subpoblación de NLY identificadas (YUC1, YUC2 y YUC3) de 0.00363 a 0.03532, similar a la del cerdo Pampa Rocha de Uruguay (Montenegro et al., 2015), menor que la de otros cerdos criollos de América, en los que el componente Duroc tiene un promedio de 0.15, y va de 0.00 (US Yucatán) a 0.45 (Moura Brasil) (Burgos-Paz et al., 2013). El cerdo lampiño del pacífico mexicano tiene 0.20 de componente Duroc (Lemus et al., 2001).
La separación de tres subpoblaciones en NYL y la baja introgresión de Duroc, coincide con lo observado por Burgos-Paz et al. (2013), donde los cerdos modernos de las Américas son el resultado de muchos eventos independientes de colonización, pero también a desafíos del medio ambiente; ya que estos cerdos NLY están aislados geográficamente, distantes de cerdos comerciales y de cerdos lampiños, ubicados en costas del Pacífico y del Golfo de México. No existe evidencia de un programa de selección artificial o cruzamiento con razas comerciales en la península de Yucatán.
Existe diferencia en la diversidad genética entre las subpoblaciones de NLY; en YUC3 es mayor, acercándose a apareamiento aleatorio. Es probable que individuos de YUC1, YUC2 y Duroc presenten apareamientos de individuos con mayor cercanía genética en cada subpoblación, lo que ocasionó el aumento de F y Fis. Con la información generada, es posible realizar una programación de los apareamientos en las subpoblaciones, para generar más diversidad genética y evitar la pedida de variabilidad como sucede en poblaciones Ibéricas (Esteve et al., 2013). Es importante considerar la afirmación de Yang et al. (2017), indicando que poblaciones con alto Fis, normalmente tienen una baja diversidad de haplotipos.
Al identificar 93 SNP que son diferentes entre poblaciones de NLY vs Duroc, de acuerdo a sus frecuencias alélicas extremas, mayor frecuencia en Duroc y menor en NLY, podemos emplearlos como marcadores. Según Yan et al. (2017), la domesticación y la selección artificial, han dado lugar a una amplia gama de fenotipos entre razas de cerdos domésticos, que difieren de sus parientes silvestres; y que estos están relacionados con el comportamiento, tamaño del cuerpo, fertilidad, capacidad de locomoción y adaptación a la alimentación proporcionada por los seres humanos. Por lo tanto, es importante detectar loci genéticos, que podrían estar involucrados en la transición de salvaje a doméstico.
Considerando que los cerdos americanos son en parte de origen ibérico (Burgos-Paz et al., 2013), entonces el NLY es fenotipicamente similar al lampiño Ibérico, por lo que su pelaje es predominantemente negro y no hay cerdos blancos; sin embargo, al igual que Ramírez et al. (2015), no había SNP relacionados con el gen MC1R, lo que habría permitido considerar el color rojo o negro de la capa. Se identificaron ocho SNP asociados a diferenciación de células epiteliales, morfogénesis y desarrollo del epitelio; con cinco genes que podrían ser estudiados como candidatos para el fenotipo lampiño.
En este estudio no se coincide con Su et al. (2014), que proponen al gen BAMB1 como fuerte candidato de lampiño; este gen no fue diferente entre poblaciones de NLY y Duroc (p<0.35), con frecuencias alélicas muy similares. Con Burgos-Paz et al. (2013) se coincide con genes de la familia PDE, ellos reportan que en cerdos criollos de América se identifican los genes PDE10A y PDE11A; aquí se reporta el gen PDE8A. Esteve et al. (2013) en cerdos lampiños ibéricos reporta al gen FOXP1 como gen candidato implicado en la diferenciación de células epiteliales, queratinización y formación de folículos pilosos. En este estudio se identificó al gen FOXA1, que es de la misma familia, identificado también por Yang et al. (2017), que lo asocia a cerdos Europeos y lo relaciona con metabolismo de proteínas, glucosa o ácidos grasos. Para metabolismo de lípidos Esteve et al. (2013) reportan ocho genes candidatos, no se encuentran en su reporte PDHX, MFSD2A y ACSL1 que en este estudio se identificaron; pero para respuesta inmune se coincide con estos investigadores en el gen IL1RAPL2, ubicado en el cromosoma X y IL6 del cromosoma 7. En el cromosoma 6 se identificaron la mayor cantidad de SNP (27), que se involucran en la mayoría de las funciones biológicas. En este cromosoma, para transporte de nutrientes se identificaron diez SNP, para el gen MACF1 (microtubule-actin crosslinking factor 1), identificado en humanos y ratones como esencial para el desarrollo embrionario, para mantener el sistema neuronal y la integridad de la piel (Kang, et al., 2020).
Para el desarrollo muscular y esquelético, el SNP BMP8B se han reportado como gen importante para características de crecimiento y desarrollo embrionario (Xiu-Kai et al., 2013; Ying et al., 2000). Para sinapsis y receptores, se identificaron cuatro genes que se relacionan con trastornos cerebrales y nerviosas en humanos; lo que es una oportunidad de este cerdo para usarlo como modelo biomédico. El gen GRM8 también fue reportado por Kwonm et al. (2019) en cerdo miniatura Yucatán, asociado a enfermedades nerviosas en humanos; de igual forma el gen GABRA3 se le asocia a enfermedades epilépticas (Niturad et al., 2017), al gen SCL5A7 se asocia con el síndrome congenital miasténico tipo 20 (Pardal-Fernández et al., 2018) y al GRIK3 en procesos neurofisiológicos.
El alto número de SNP identificados como diferentes entre NLY y Duroc, puede atribuirse a la ausencia de selección y de cruzamiento con raza Duroc. Si bien se necesitan más estudios para validar el papel de los genes que se identificaron, estos hallazgos confirman que la domesticación y la evolución es diferente entre cerdos Duroc y NLY.
CONCLUSIÓN
En este primer estudio con SNP50K en cerdos NLY se identifica la diferencia genética de este cerdo, en comparación con el cerdo Duroc, proporcionando información genética útil para la conservación de este recurso genético local. NLY está distante de Duroc, con diferente estructura poblacional, diversidad genética y diferentes genes que implican procesos biológicos importantes, que pueden ser útiles en la selección racial y programa de diferenciación.
Información suplementaria
Tabla A. Lista de los 93 SNPs de genes asociados con procesos biológicos.
AGRADECIMIENTOS
La presente investigación ha sido financiada por la Secretaría de Investigación, Innovación y Educación Superior. Mérida, Yucatán, México.
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In the present study, the Population structure and genetic diversity of 104 Yucatan black hairless pigs (YBH) and 8 Duroc breeds were by using an SNP50K chip characterized. The population structure was obtained, as well as the calculation of Principal Component Analysis (PCA), Minor Allele Frequency (MAF), observed heterozygosity (oH), consanguinity (F), Fixation index of individuals within subpopulations (Fis), the t (outcrossing rate or alogamia index) was made, also the association analysis to identify SNP with population differences. The genetic component of Duroc in YBH subpopulations is low, from 0.00363 to 0.03532, THUS, IT WAS OBSERVED (appreciating) a subpopulation with greater genetic diversity and lower values of F and Fis, as well as higher oH and t. SNPs were identified (p<1.213E-50 to p< 6.4E-20), associated with genes and biological processes. Genes EHF, DST, PDE8A, FOXA1 and VCL are related to epithelial cell differentiation, morphogenesis, and development of epithelium. Other 30 SNPs are to nutrient metabolism related, 23 SNPs to nutrient transport, 11 SNPs to immunity, 10 SNPs to muscle, skeletal and embryonic, and 7 SNPs to synapses and receptors. YBH is distant from Duroc with different population structure and genetic diversity with different genes that involve important biological processes.
Since the arrival of pigs in America in the 16th century and their distribution throughout the new world, whether in natural or artificial selection, it has shaped the diversity of today’s populations. Burgos-Paz et al. (2013) described how the environment influenced the phenotypic differences between pigs in the highlands of Peru, in relation to those that inhabit lowland or tropical. Taking into account the wide range of climates in America, and particularly in the coasts, some pig populations are growing in size and relevance to human communities. This is the case of Yucatan hairless black pigs (YBH); this breed of pig has phenotypic peculiarities: black, hairless, flawless skin, black hoof and straight snout with an important participation in the food security of rural human populations (Lemus y Alonso, 2005).
The FAO Animal Diversity Information System (DAD-IS, 2020), considered that this breed was in danger of extinction, without a conservation program, and it is a valuable animal genetic resource that can contribute to food security in rural communities; as well as a reservoir of genetic diversity (Lemus-Flores et al., 2001; Scarpa et al., 2003). In addition, the status of 38% of pig breeds worldwide is unknown (FAO, 2019).
This hairless biotype comes from Iberian pigs (Sus mediterraneus), of African origin, introduced in all southern European regions (Benítez y Sánchez, 2001). They were later introduced to America on Christopher Columbus’ second voyage in 1493 (Ogata, 2019). YBH pigs are a genetic variation of Creole pigs (Su et al., 2014) and are divided into two genetic lines; one located in populations in the Gulf of Mexico and the other population is present on the Mexican Pacific coast (Lemus-Flores et al., 2001); it is called hairless Mexican, hairless or tropical hairless. They were at risk of extinction due to unplanned crossings with commercial lines of lean genotypes. Despite the fact that YBH is widely distributed on the Yucatan peninsula in Mexico, with low to medium-sized technical management. Currently, some pig farmers have found a valuable way to raise it, but the available information is limited in the population structure or lineage.
To obtain a breeding program in order, a large population of YBH was using a commercial SNP50K chip evaluated, to estimate the diversity and the actual population structure, as well as their genetic relationships for the future selection of feet of distant commercial breeds.
MATERIAL AND METHODSAnimals and genotype análisis
From a total population of 560 hairless black pigs from Yucatan (YBH) from 49 farms, located from Mérida to Tizimín in Yucatan state, Mexico; 104 breeding adults from 2 to 3 years old (17 boars and 87 sows) were selected, considering phenotypically characteristics of hairlessness (hairless), black skin, without spots, black hoof and straight snout. In addition, information about the origin of the sows or boars was used to reduce any relationship between the samples. In addition, eight Duroc sows were sampled as a reference population and they were used to assess introgression in Yucatan pigs.
This study has registration SIP18-076 from the Autonomous University of Nayarit and an agreement with the Yucatan Science and Technology Park. For the collection of blood samples, the recommendations of Official Standards NOM-051-ZOO-1995, on human treatment of animals, and NOM-062-ZOO-1999, of the technical specifications for production, care and testing were followed use of laboratory animals. The extraction and genotyping of genomic DNA from blood samples was carried out at NEOGEN (www.neogen.com). For SNP genotyping, porcine GGP-50K was used, which identifies 50,967 SNPs (GeneSeek Genomic Profiler Porcine).
Quality control of SNP genotypes (Simple nucleotide polymorphism)
SNP data quality control was performed using PLINK v1.9 (Purcell et al., 2007). The SNP with polymorphisms <0.10 and MAF (Frequency of minor allele) <0.01, if excluded. The 42840 SNP were retained for further analysis of the structure of the population and genetic diversity.
Statistical análisisAnalysis of the population structure
First, an analysis of the population structure was to identify the subpopulations in YBH pigs performed with the Admixture 1.3 software (Alexander et al., 2009). Principal Component Analysis (PCA) was obtained with PLINK v2.1 (Chang et al., 2015) and a graph was constructed using Minitab v15 software to visualize the genetic distances between the YBH subpopulations and the Duroc breed.
Genetical diversity
For each subpopulation of pig YBH and Duroc, the minor allelic frequency (MAF), the observed heterozygosity (oH), consanguinity (F) and the index of fixation of individuals in the subpopulations (Fis) were calculated using the PLINK v1.9 program (Pursell et al., 2007). The t (crossing rate or allogamy index) was according to Weir (1990)calculated. To compare the YBH and Duroc pig sub-populations, the analysis of variance of a single classification criterion was used (SPSS v20, 2011).
Candidate SNP regions
With PLINK v1.9 (Pursell et al., 2007) for the entire population of pig YBH vs Duroc, the association was calculated to identify SNPs with differences. The genetic annotations in the candidate regions were using the preliminary annotation of assembly 10.2 obtained, provided by e-ensembl (Groenen et al., 2012). The over representation of Gene Ontology (GO) categories was determined using the Gene Ontology database (Ashburner et al., 2000).
RESULTSPopulation structure
The first population structure was performed with a 10-fold cross-validation, to choose the best K value; the K=4 value presented the smallest cross-validation error (0.584). According to the mixture analysis, the YBH population is in three subpopulations structured (Table 1).
Composition of the cluster predicted by ADMIXTURE (K4)
DUR
YUC1
YUC2
YUC3
DUR
0.99997
0.03532
0.00363
0.02726
YUC1
0.00001
0.69764
0.18677
0.18429
YUC2
0.00001
0.08993
0.64234
0.07703
YUC3
0.00001
0.17711
0.16726
0.71142
YUC1, YUC2 and YUC3 sub-populations of the hairless black pig of Yucatan. DUR Duroc breed population. The values per column of each breed indicate the proportions of other breeds.
With the ACP, YUC2 subpopulation is the most distant from the Duroc breed, with YUC1 and YUC3 closer because they share more Duroc genetic component (graph 1).
Analysis of the main components between subpopulations of hairless pigs and Duroc breed
Genetical diversity
Positive values of Fis indicate consanguinity; is greater if it approaches 1; corresponds to the general reduction in heterozygosity observed in relation to that expected in its population; in the YUC3 subpopulation, the Fis value is lower, F and oH are higher, indicating greater genetic diversity (Table 2).
Genetic diversity of black hairless pigs of Yucatan and Duroc breed
YUC1
YUC2
YUC3
Duroc
eem
Samples
70
14
20
8
MAF Mean
0.260ª
0.216c
0.247b
0.202d
0.025
Consanguinity (F)
0.039ª
0.067a
-0.006 b
0.079a
0.011
oH
0.328b
0.305b
0.359 a
0.301b
0.011
Fis
0.079ª
0.142 a
-0.007 b
0.158a
0.021
Allogamy index (t)
0.870b
0.782 b
1.0278 a
0.729b
0.027
MAF, minor allele’s frequency. oH, observed heterozygosity. Fis, sub-population fixation index. eem, mean standard error. Different letters in the rows indicate statistical different between populations (ANOVA, p<0.05).
A population approaches random mating if the value of t approaches 1, when it is greater than 1, there is an excess of heterozygotes and when the value is zero, all individuals are homozygous; in the YUC3 subpopulation, it approaches 1, being lower in the other YUC1, YUC2 and Duroc subpopulations.
Candidate SNP regions
In the analysis of association between the entire population of YBN vs Duroc to identify differences, 226 SNPs were identified with values of p <1.21E-50 ap <6.4E-20, of which only 93 SNPs were associated with genes and biological processes (Table 3).
Biological processes, genes and information from SNPs that showed the greatest differentiation between YBH vs Duroc
Biological process
Chromosome
Variants
Identified genes
Epithelial cell differentiation, morphogenesis and epithelial development
Considering the number of different SNPs between YBH and Duroc, on chromosomes 6, 7, X and 14, this is where the highest number was identified (Table 4).
Number of SNPs identified on each chromosome associated with biological processes
Chromosome
1
2
3
4
6
7
89
12
13
14
15
18
X
SNPn
1
2
3
1
27
20
11
1
1
11
5
2
17
DISCUSSION
The 104 YBH samples chosen for the study were hairless muzzles, flawless black skin, black hull and straight foci to avoid phenotypic variations. The ADMIXTURE analysis subdivides them into three subpopulations. The introgression of the Duroc breed is very low in the three identified YBH subpopulations (YUC1, YUC2 and YUC3) from 0.00363 to 0.03532. It is similar to that of the Pampa Rocha pig from Uruguay (Montenegro et al., 2015), inferior to the others Creole pigs in America, in which the Duroc component has an average of 0.15 and ranges from 0.00 (US Yucatan) to 0.45 (Moura Brasil) (Burgos-Paz et al., 2013). The hairless pig in the Mexican Pacific has 0.20 of the Duroc component (Lemus et al., 2001).
The separation of three subpopulations in the YBH and the low introgression of Duroc coincide with that observed by Burgos-Paz et al. (2013). Modern pigs in the Americas are the result of many independent colonization events, but also to environmental challenges; as these YBH pigs are geographically isolated, far from commercial and hairless pigs, located on the Pacific and Gulf coasts. There is no evidence of an artificial breeding or breeding program with commercial breeds on the Yucatan peninsula.
There is a difference in genetic diversity between YBH subpopulations; in YUC3 it is taller, approaching random mating. It is likely that individuals from YUC1, YUC2 and Duroc show matings from individuals with greater genetic proximity in each subpopulation, which caused an increase in F and Fis. With the information generated, it is possible to program the mating in the subpopulations, generate more genetic diversity and avoid the request for variability, as occurs in Iberian populations (Esteve et al., 2013). It is important to consider the statement by Yang et al. (2017)), indicating that populations with high Fis, normally present low diversity of haplotypes.
By identifying 93 SNPs that are different between populations of YBH vs Duroc, according to their extreme allele frequencies, higher frequency in Duroc and lower in YBN, we can use them as markers. According to Yan et al. (2017), domestication and artificial selection, gave rise to a wide range of phenotypes among domestic pig breeds, which differ from their wild relatives; and that these are to behavior, body size, fertility, ability to move and adapt to food provided by humans related. Therefore, it is important to detect genetic loci, which may be involved in the transition from wild to domestic.
Considering that the American pigs are part of Iberian origin (Burgos-Paz et al., 2013), YBH is phenotypically similar to the Iberian hairless, so that their coat is predominantly black and there are no white pigs. However, as Ramírez et al. (2015), there were no SNPs related to the MC1R gene, which would allow considering the red or black color of the layer. Eight SNPs associated with epithelial cell differentiation, morphogenesis and epithelial development were identified; with five genes that could be studied as candidates for the hairless phenotype.
This study does not coincide with Su et al. (2014), which proposes the BAMB1 gene as a strong hairless candidate; this gene was not different between the YBH and Duroc populations (p <0.35), with very similar allele frequencies. With Burgos-Paz et al. (2013) coincides with the PDE family genes, they report that in American Creole pigs the PDE10A and PDE11A genes are identified; the PDE8A gene is reported here. Esteve et al. (2013) in hairless Iberian pigs reports the FOXP1 gene as a candidate gene involved in the differentiation of epithelial cells, keratinization and the formation of hair follicles. In this study, the FOXA1 gene was identified, which is from the same family, also identified by Yang et al. (2017), which associates it with European pigs and relates it to the metabolism of proteins, glucose or fatty acids. For lipid metabolism Esteve et al. (2013)report eight candidate genes, not found in the PDHX, MFSD2A and ACSL1 report that were in this study identified; but for an immune response, these researchers coincide on the IL1RAPL2 gene, located on the X chromosome and IL6 on chromosome 7. On chromosome 6, the largest number of SNPs (27), involved in most biological functions, was identified. In this chromosome, for the transport of nutrients, ten SNPs were identified, for the MACF1 gene (cross-linking factor 1 of the microtubule-actin), identified in humans and mice as essential for embryonic development, to maintain the neuronal system and the integrity of the skin (Kang, et al., 2020).
For muscle and skeletal development, the SNP BMP8B has been reported as an important gene for embryonic growth and development characteristics (Xiu-Kai et al., 2013; Ying et al., 2000). For synapses and receptors, four genes related to brain and nervous disorders in humans have been identified what an opportunity for this pig to use it as a biomedical model. The GRM8 gene has also been reported by Kwonm et al. (2019) in Yucatan miniature pig, associated with nervous diseases in humans; similarly, the GABRA3 gene is associated with epileptic diseases (Niturad et al., 2017), the SCL5A7 gene is associated with myasthenic congenital syndrome type 20 (Pardal-Fernández et al., 2018) and GRIK3 in neurophysiological processes.
The high number of SNPs identified as different between YBH and Duroc can be attributed to the lack of selection and crossing with the Duroc breed. Although further studies are needed to validate the role of the identified genes, these findings confirm that domestication and evolution are different between Duroc and YBH pigs.
CONCLUSION
In this first study with SNP50K in YBH pigs, the genetic difference of this pig is in comparison to the Duroc pig identified, providing useful genetic information for the conservation of this local genetic resource. YBH is far from Duroc, with a different population structure, genetic diversity and different genes involving important biological processes, which can be useful in the racial selection and differentiation program.
Suplementary information
Tabla A. List of 93 SNPs and genes associated with biological processes.
ACKNOWLEDGMENTS
This research was funded by the Secretariat for Research, Innovation and Higher Education, Mérida, Yucatán, Mexico.