Genetic variation in recombination rates and genetic shuffling in pigs, cattle and Atlantic salmon

Abstract

Meiotic recombination ensures proper segregation of homologues chromosomes in meiosis while also breaking down linkage disequilibrium and creating novel haplotypes by shuffling alleles of genes located on the same chromosome. Understanding how rates and distribution of meiotic recombination vary between populations, sex and individuals is of particular interest in breeding as it can break up unfavorable linkage and produce genetic variance to exploit in selection. In this study we use dense SNP marker data on full-sib families from Norwegian Red cattle, an Atlantic salmon breeding population and five different pig breeding populations to investigate the genetic variation in individual measures of recombination within and between domestic species. All three species exhibit marked sex differences, but with different direction and magnitude. Genome-wide rates are higher in females in pigs and Atlantic salmon, but higher in males in cattle. Heritability of genome-wide rates of recombination was low but significant in both sexes in all three species (ranging from h2 = 0.04 in female cattle to 0.12 in male Atlantic salmon) which is comparable to estimates in other mammalian species. We detected five regions associated with variation in individual recombination rates in pig with candidate genes associated with meiosis, namely PRDM7, MEI1, RNF212, SYCP2 and MSH4. In cattle, three loci were significantly associated with the trait with four candidate genes that have all been associated with individual recombination rates previously: CEP55, NEK9, MLH3 and RNF212b. The sex specific patterns of recombination in pigs and Atlantic salmon lead to marked differences in the amount of intrachromosomal shuffling of alleles in maternal and paternal gametes, however it is not clear how this affects the overall genetic shuffling in a breeding population across generations. The genetic variation, and oligogenic architecture suggests a potential for genetic change in overall rates and distribution of recombination in these populations. In summary, the findings in this study contribute to the understanding of the genetic mechanisms underlying recombination rate variation and how this relates to variation in genetic shuffling in a breeding population as well as in natural populations.

Rekombinasjon sikrar korrekt fordeling av dei homologe kromosoma i meiosen og samstundes brytar opp koplingsulikevekt og produserer nye haplotypar ved å stokka om på allel frå gen på same kromosom. Forståing av korleis rekombinasjonsratar og fordelinga av overkryssingar langs genomet varierer mellom populasjonar, kjønn og individ og er av spesiell interesse for avl fordi det kan bryta opp uønskt kopling av gen i same kromosom og slik produsera genetisk variasjon som kan nyttast i seleksjon. I denne studien bruker vi SNP- genotype-data på fullsøskenfamiliar frå Norsk Rødt Fe, ein avlspopulasjon av atlanterhavslaks, og fem forskjellige rasar av gris, for å studera genetisk variasjon i individuelle rekombinasjonsratar innan og mellom domestiserte artar. Det er tydelege forskjellar mellom kjønn i alle dei tre artane, men i ulik grad og i forskjellig retning. Hos gris og laks er total rekombinasjonsrate høgare for hokjønn, men hos storfe er rekombinasjonsraten høgare for hannar. Arvegraden for tal overkryssingar er låg, men signifikant, hos alle dei tre artane og for begge kjønn (varierer frå h2 = 0.04 for storfe hokjønn til 0.12 for hannlaks). Dette er liknande nivå som for estimat hos andre pattedyr. Vi observerte fem loci med assosiasjon til variasjon i individuelle rekombinasjonsratar hos gris, med følgande kandidatgen: PRDM7, MEI1, RNF212, SYCP2 og MSH4 er. Hos storfe er tre loci signifikant assosierte med variasjon i rekombinasjonsrater og det er fire kandidatgen som alle har vore assosierte med individuelle rekombinasjonsratar i tidlegare studiar: CEP55, NEK9, MLH3 og RNF212b. Dei kjønns-spesifikke fordelingane av rekombinasjonen hos gris og laks fører til tydelege forskjellar i stokking av allel i maternale og paternale gametar, men det er ikkje klart korleis dette verkar på den generelle genetiske stokkinga av allel på tvers av generasjonar i ein avlspopulasjon. Den genetiske variasjonen og antydninga av oligogen determinisme tyder på at det finst eit potensiale for genetisk endring i rekombinasjonsrate og fordeling av overkryssingar i desse populasjonane. Oppsummert bidrar resultata i denne studien til forståing av dei genetiske mekanismane som verkar på variasjonen i rekombinasjonsratar og korleis dette relaterer til variasjon i genetisk omstokking i ein avlspopulasjon eller i ein naturleg populasjon.