Effect of markers density and type of genomic relationship matrix in the accuracy of genomic selection in tropical maize

A seleção genômica (Genomic Selection - GS) permite identificar indivíduos superiores com base no seu método genômico e apresenta a possibilidade de incorporação do melhoramento quantitativo à genética molecular. O melhor preditor linear não viesado (Best Linear Unbiased Prediction - BLUP) é um método de predição dos efeitos aleatórios do modelo com base nos componentes de variância obtidos por meio do método máxima verossimilhança restrita (Restricted maximum likelihood - REML). A eficiência do REML\\BLUP pode ser incrementada por meio da incorporação de matrizes de parentesco genômico nos modelos de seleção genômica, uma vez que os efeitos genéticos genômicos aditivos dos indivíduos avaliados constituem os componentes aleatórios dos modelos mistos abordados. Dentre os algoritmos disponíveis para estimá-las, a partir de dados de polimorfismo de nucleotídeo único (Single-nucleotide polymorphism - SNP\'s) há as matrizes de Vanraden (2008) Astle e Balding (2009) e as de Yang et al. (2010) (matriz de parentesco unificado e matriz de parentesco unificado ajustado). Adicionalmente ao método de estimação da matriz de parentesco, a acurácia da GS depende da densidade de marcadores e da extensão e padrão de desequilíbrio de ligação (Linkage desequilibrium - LD) que existe no painel. Com isto, os objetivos foram: i) investigar o efeito da redução nas densidades de marcadores SNP\'s, por meio do LD, na estimativa do parentesco genético dos indivíduos e, consequentemente, na acurácia preditiva da GS; ii) estudar o efeito do uso de diferentes tipos de matrizes de parentesco genômico na acurácia da seleção genômica para linhagens e híbridos de milho tropical. Para isso, foram considerados dois painéis distintos de milho tropical: uma composta por 64 linhagens endogâmicas e a outra, por 452 híbridos. Estas foram avaliadas para o caráter produtividade de grãos, em oito e cinco ambientes, respectivamente. As linhagens e os híbridos foram genotipados com a plataforma Affymetrix® Axiom® Maize Genotyping Array, com cerca de 600 mil marcadores. Foram construídos diferentes cenários de GS quanto ao tipo de painel (linhagens e híbridos), densidade de marcadores (400k, 60k, 9586 e 1304 para linhagens e 50k, 4458 e 495, para híbridos) e tipos de matrizes de parentesco (citadas acima). Em cada um destes cenários foi estimada a herdabilidade, acurácia, capacidade preditiva e a coincidência de seleção. A partir dos resultados conclui-se que: tanto para híbridos como para linhagens, a densidade de marcas pode ser reduzida significativamente por meio do LD existente entre os SNP\'s, sem gerar prejuízos quanto à acurácia da GS, mas reduzindo os custos com genotipagem e a demanda computacional. Para predição genômica das linhagens, a matriz de Vanraden (2008) apresenta o melhor custo benefício, pois tem menor demanda computacional e proporciona resultados satisfatórios quanto à acurácia e coincidência de seleção. Para a predição genômica de híbridos, as matrizes de Yang et al. (2010) são superiores em relação às demais testadas, quanto à acurácia preditiva e coincidência de seleção.The efficiency of the Best Linear Unbiased Prediction (BLUP), along with the Restricted maximum likelihood (REML) methods, can be increased by incorporating genomic kinship matrices to Genomic Selection models (GS). Among the available algorithms to estimate these matrices from single-nucleotide polymorphism (SNP) data there are Vanraden (2008), Astle e Balding (2009) and Yang et al. (2010) (unified relationship matrix and adjusted unified relationship matrix). In addition to the estimation method of the relationship matrix, the accuracy of GS depends on the density of markers and the extent and pattern of linkage disequilibrium (LD) that there is in the panel. Thus, the aims were: i) assess the effect of marker density reduction, based on LD, on the estimative of the genetic relationship of individuals and, consequently, on the predictive accuracy of GS; ii) study the effects of types of genomic relationship matrices on the accuracy of genomic selection for tropical maize lines and hybrids. In order to achieve there, two distinct panel of tropical maize were used: the first consisting of 64 inbred lines and latter of 452 hybrids. These panels were evaluated in field trials for grain yield in eight and five environments, respectively. The lines and hybrids were genotyped by the Affymetrix® Axiom® Maize Genotyping Array platform with 612 thousand markers. Distinct scenarios of GS were comprised considering panel type (lines and hybrids), marker density (400k, 60k, 9586 and 1304 for lines and, 50k, 4458 and 495 for hybrids) and, types of kinship matrices cited aboved. In each of these scenarios heritability, accuracy, predictive capacity and the selection coincidence were estimated. From the results it was concluded that: for both, hybrids and lines, marker density can be significantly reduced based on LD between SNP\'s without affecting the accuracy. Furthermore, this reduction also decreases genotyping costs and computational requirements. For genomic prediction of lines, Vanraden (2008) matrix shows the best cost-benefit, because it demands less computer resources and provides satisfactory results in terms of accuracy and selection coincidence. On the other hand, for genomic prediction of hybrids, the matrices of Yang et al. (2010) yielded higher predictive accuracies and selection coincidences