Using genomewide polymorphisms to explore demography and feralization in the pig species

Abstract

Las nuevas tecnologías de ultrasecuenciación (NGS) han alterado espectacularmente la investigación en la genómica de las especies domesticas, entre ellas la del cerdo. Usando datos de genómica es posible, por ejemplo, comprender mejor la demografía de los jabalíes y su impacto en el proceso de domesticación. Además, el estudio de los cerdos ferales mejoran el conocimiento de las dinámicas de feralización, y sirven de comparación con las razas domesticas actuales. Este trabajo es un estudio sobre la demografía y los procesos de feralización en la especie porcina, a través del uso de polimorfismos genómicos. En la primera parte, se ha generado el primer catálogo de variantes SNPs a nivel genómico y mundial, analizando el genoma de 128 cerdos y 5 "outgroups". Entre las ~48 millones de variantes que encontramos, pudimos inferir el alelo ancestral de ~39 millones. El numero de variantes derivadas exclusiva de razas europeas (~6 millones) es menor que de las asiáticas (>13 millones), tal como se espera por el origen asiático de S. scrofa. También encontramos una fuerte correlación en la frecuencia alelica entre cerdos domestico y jabalíes dentro de Asia y dentro de Europa. Esta correlación no se encontró entre continentes, debido a la gran distancia evolutiva entre cerdos de ambos continentes (~1 millón de años). En la segunda parte de la tesis, intentamos aclarar la historia demográfica de los jabalíes. Analizamos el espectro de frecuencia conjunto de unos 2 millones de SNPs, encontrados en el trabajo anterior, de 9 jabalíes europeos y 8 jabalíes asiáticos usando coalescencia y la inferencia analítica de ∂a∂i. Con coalescencia evaluamos si la separación de las dos poblaciones es suficiente para explicar el espectro observado, pero incluyendo migración en los modelos, el espectro conjunto es coherente con el observado. Con ∂a∂i, comparamos 6 modelos que difieren en el número de cuellos de botellas y eventos migratorios. En las diferentes iteraciones, los parámetros demográficos convergieron en los mismos valores solo con el modelo más sencillo. A pesar de este problema de convergencia con los modelos más complejos, ambos métodos muestran que la migración es necesaria por explicar la historia demográfica de los jabalíes. En la tercera parte de este trabajo estudiamos las dinámicas de la feralización. Analizamos el genoma de los cerdos ferales de la Isla del Coco (Costa Rica), que ha estado aislada desde su fundación en 1793 y es un excelente modelo para estudiar de las dinámicas de la feralización. En este estudio confirmamos que los cerdos domésticos ingleses ya eran híbridos entre razas europeas y asiáticas al final del siglo XVII. Sorprendentemente, a pesar del cuello de botella, la variabilidad promedio de la población de la Isla del Coco es similar a la variabilidad de las actuales razas comerciales, tales como Large White o Duroc. Además, encontramos una región de unas 10-Mb con un marcado descenso de la variabilidad en todas las muestras analizadas, previamente identificada como altamente diferenciada entre jabalíes y razas domesticas. La domesticación y la feralización son eventos simétricos de la historia del cerdo. El análisis de la demografía de los jabalíes sirve como hipótesis nula para el estudio de las dinámicas selectivas previas a la domesticación. Por otro lado, el análisis de los cerdos ferales de la Isla del Coco permite reconstruir los genomas de los cerdos previos a la selección moderna pero posterior a la hibridación con Asia. Además ayudan al estudio de los efectos de la feralización en un animal híbrido. Este trabajo ha sido posible solo gracias a la evolución de las técnicas de secuenciación que permitieron la publicación de un número creciente de secuencias de genomas completos.

The advent of next generation sequencing technologies has revolutionized the study of livestock genomics, such as in pigs. For instance, using genomic data it is possible to better understand wild boars demography and its impact on domestication. Moreover, the analysis of feral pigs improves the knowledge on the dynamics of feralization, and serves as yardstick against which to compare modern breeds. In this thesis we provide insights about the demography and the feralization process in the pig species using genomewide polymorphisms. In the first part of this work, we analyzed 128 complete pig and 5 outgroup genomes, in order to obtain the first genomewide and worldwide catalog of SNPs of the pig. We were able to assess the ancestral allele of ~39M out of the ~48M variants found. The number of unique derived variants in European breeds (>6M) is smaller than in Asian breeds (>13M), in agreement with the Asiatic origin of Sus scrofa. Moreover, we found a marked correlation in allele frequencies between domestics and wild boar within Asia and within Europe. This correlation was absent across continents, due to the large evolutive distance between pigs in both continents (~1 MYA). In the second part of this work, we tried to disentangle the demographic history of wild boars using the polymorphisms found in the previous study. We analyzed the joint site frequency spectrum of ~2M SNPs of 9 European and 8 Asian wild boars using coalescence and the analytical approach of ∂a∂i. Using coalescence we evaluated whether a split between the two populations was enough to explain the observed spectrum, but only when migration was included in the model, we found a joint spectrum coherent with the observed data. Using ∂a∂i, we analyzed 6 models that differed in the number of bottlenecks and migration events. Only the simplest model seemed to converge, whereas this was not clear for more complex scenarios. Despite this convergence issue, both methods pointed to migration events after the split as a demographic factor shaping wild boars variability. Further analyses are needed to improve wild boars' demographic history inference. Finally, in the third part of this thesis, we focused on the analysis of the dynamics of feralization. We analyzed the genome of the feral population of Isla del Coco (Costa Rica), which have been isolated since its foundation in 1793, and is therefore an excellent model to study feralization dynamics. We confirm that English domestic pigs were already hybrids between Asian and European breeds in late 17th century. Interestingly, despite the bottleneck suffered, Cocos pigs average variability is comparable to those of current commercial pig breeds such Large White or Duroc. Yet, we also found a 10-Mb region with a marked decrease in variability across all sampled tested, which was previously identified as highly differentiated between wild boars and domestic breeds. Domestication and feralization are symmetric events of pig history. The analysis of wild boars demography will serve as null model to study the dynamics before domestication. On the other side, the analysis of the feral pigs of Isla del Coco improved the knowledge on the last 200 years of breeding managements on domestic breeds. Moreover it will help to understand the dynamics after domestication when a hybrid animal becomes feral. All these studies are now possible only thanks to the evolution of sequencing techniques, which resulted in an increasing number of public worldwide whole genome sequence data.