Meteorological data (1993 to 2004) from 2 public weather stations in Phoenix, Arizona, and Athens, Georgia, were analyzed with test day milk yield data from herds near weather stations to identify the most appropriate temperature-humidity index (THI) to measure losses in milk production due to heat stress in the semiarid climate of Arizona and the humid climate of Georgia. Seven THI with different weightings of dry bulb temperature and humidity were compared. Test-day data were analyzed using 2 models to determine threshold of heat stress and rate of decline of milk production associated with a specific THI. Differences in thresholds of heat stress were found among indices and between regions. Indices with higher weights on humidity were best in the humid climate, whereas indices with larger weights on temperature were the best indicators of heat stress in the semiarid climate. Humidity was the limiting factor of heat stress in humid climates, whereas dry bulb temperature was the limiting factor of heat stress in dry climates.

Abstract Background Major advances in selection progress for cattle have been made following the introduction of genomic tools over the past 10–12 years. These tools depend upon the Bos taurus reference genome (UMD3.1.1), which was created using now-outdated technologies and is hindered by a variety of deficiencies and inaccuracies. Results We present the new reference genome for cattle, ARS-UCD1.2, based on the same animal as the original to facilitate transfer and interpretation of results obtained from the earlier version, but applying a combination of modern technologies in a de novo assembly to increase continuity, accuracy, and completeness. The assembly includes 2.7 Gb and is >250× more continuous than the original assembly, with contig N50 >25 Mb and L50 of 32. We also greatly expanded supporting RNA-based data for annotation that identifies 30,396 total genes (21,039 protein coding). The new reference assembly is accessible in annotated form for public use. Conclusions We demonstrate that improved continuity of assembled sequence warrants the adoption of ARS-UCD1.2 as the new cattle reference genome and that increased assembly accuracy will benefit future research on this species.

Genome-wide association analysis is a powerful tool for annotating phenotypic effects on the genome and knowledge of genes and chromosomal regions associated with dairy phenotypes is useful for genome and gene-based selection. Here, we report results of a genome-wide analysis of predicted transmitting ability (PTA) of 31 production, health, reproduction and body conformation traits in contemporary Holstein cows.Genome-wide association analysis identified a number of candidate genes and chromosome regions associated with 31 dairy traits in contemporary U.S. Holstein cows. Highly significant genes and chromosome regions include: BTA13's GNAS region for milk, fat and protein yields; BTA7's INSR region and BTAX's LOC520057 and GRIA3 for daughter pregnancy rate, somatic cell score and productive life; BTA2's LRP1B for somatic cell score; BTA14's DGAT1-NIBP region for fat percentage; BTA1's FKBP2 for protein yields and percentage, BTA26's MGMT and BTA6's PDGFRA for protein percentage; BTA18's 53.9-58.7 Mb region for service-sire and daughter calving ease and service-sire stillbirth; BTA18's PGLYRP1-IGFL1 region for a large number of traits; BTA18's LOC787057 for service-sire stillbirth and daughter calving ease; BTA15's CD82, BTA23's DST and the MOCS1-LRFN2 region for daughter stillbirth; and BTAX's LOC520057 and GRIA3 for daughter pregnancy rate. For body conformation traits, BTA11, BTAX, BTA10, BTA5, and BTA26 had the largest concentrations of SNP effects, and PHKA2 of BTAX and REN of BTA16 had the most significant effects for body size traits. For body shape traits, BTAX, BTA19 and BTA3 were most significant. Udder traits were affected by BTA16, BTA22, BTAX, BTA2, BTA10, BTA11, BTA20, BTA22 and BTA25, teat traits were affected by BTA6, BTA7, BTA9, BTA16, BTA11, BTA26 and BTA17, and feet/legs traits were affected by BTA11, BTA13, BTA18, BTA20, and BTA26.Genome-wide association analysis identified a number of genes and chromosome regions associated with 31 production, health, reproduction and body conformation traits in contemporary Holstein cows. The results provide useful information for annotating phenotypic effects on the dairy genome and for building consensus of dairy QTL effects.

Meiotic recombination is an essential biological process that generates genetic diversity and ensures proper segregation of chromosomes during meiosis. From a large USDA dairy cattle pedigree with over half a million genotyped animals, we extracted 186,927 three-generation families, identified over 8.5 million maternal and paternal recombination events, and constructed sex-specific recombination maps for 59,309 autosomal SNPs. The recombination map spans for 25.5 Morgans in males and 23.2 Morgans in females, for a total studied region of 2,516 Mb (986 kb/cM in males and 1,085 kb/cM in females). The male map is 10% longer than the female map and the sex difference is most pronounced in the subtelomeric regions. We identified 1,792 male and 1,885 female putative recombination hotspots, with 720 hotspots shared between sexes. These hotspots encompass 3% of the genome but account for 25% of the genome-wide recombination events in both sexes. During the past forty years, males showed a decreasing trend in recombination rate that coincided with the artificial selection for milk production. Sex-specific GWAS analyses identified PRDM9 and CPLX1 to have significant effects on genome-wide recombination rate in both sexes. Two novel loci, NEK9 and REC114, were associated with recombination rate in both sexes, whereas three loci, MSH4, SMC3 and CEP55, affected recombination rate in females only. Among the multiple PRDM9 paralogues on the bovine genome, our GWAS of recombination hotspot usage together with linkage analysis identified the PRDM9 paralogue on chromosome 1 to be associated in the U.S. Holstein data. Given the largest sample size ever reported for such studies, our results reveal new insights into the understanding of cattle and mammalian recombination.

Genome-wide association study (GWAS) is a powerful approach to identify genomic regions and genetic variants associated with phenotypes. However, only limited mutual confirmation from different studies is available. We conducted a large-scale GWAS using 294,079 first-lactation Holstein cows and identified new additive and dominance effects on five production traits, three fertility traits, and somatic cell score. Four chromosomes had the most significant SNP effects on the five production traits, a Chr14 region containing DGAT1 mostly had positive effects on fat yield and negative effects on milk and protein yields, the 88.07-89.60 Mb region of Chr06 with SLC4A4, GC, NPFFR2, and ADAMTS3 for milk and protein yields, the 30.03-36.67 Mb region of Chr20 with C6 and GHR for milk yield, and the 88.19-88.88 Mb region with ABCC9 as well as the 91.13-94.62 Mb region of Chr05 with PLEKHA5, MGST1, SLC15A5, and EPS8 for fat yield. For fertility traits, the SNP in GC of Chr06, and the SNPs in the 65.02-69.43 Mb region of Chr01 with COX17, ILDR1, and KALRN had the most significant effects for daughter pregnancy rate and cow conception rate, whereas SNPs in AFF1 of Chr06, the 47.54-52.79 Mb region of Chr07, TSPAN4 of Chr29, and NPAS1 of Chr18 had the most significant effects for heifer conception rate. For somatic cell score, GC of Chr06 and PRLR of Chr20 had the most significant effects. A small number of dominance effects were detected for the production traits with far lower statistical significance than the additive effects and for fertility traits with similar statistical significance as the additive effects. Analysis of allelic effects revealed the presence of uni-allelic, asymmetric, and symmetric SNP effects and found the previously reported DGAT1 antagonism was an extreme antagonistic pleiotropy between fat yield and milk and protein yields among all SNPs in this study.

Abstract Characterization of genetic regulatory variants acting on the transcriptome of livestock is essential for interpreting the molecular mechanisms underlying traits of economic value and for increasing the rate of genetic gain through artificial selection. Here, we build a cattle Genotype-Tissue Expression atlas (cattle GTEx, http://cgtex.roslin.ed.ac.uk/ ) as part of the pilot phase of Farm animal GTEx (FarmGTEx) project for the research community based on publicly available 11,642 RNA-Seq datasets. We describe the landscape of the transcriptome across over 100 tissues and report hundreds of thousands of genetic associations with gene expression and alternative splicing for 24 major tissues. We evaluate the tissue-sharing patterns of these genetic regulatory effects, and functionally annotate them using multi-omics data. Finally, we link gene expression in different tissues to 43 economically important traits using both transcriptome-wide association study (TWAS) and colocalization analyses to decipher the molecular regulatory mechanisms underpinning such agronomic traits in cattle.

Abstract Background Genotypes based on high-density single nucleotide polymorphisms have recently been used to identify a number of novel recessive mutations that adversely affect fertility in dairy cattle as well as to track conditions such as polledness. The use of sequential mate allocation strategies that account for increases in genomic inbreeding and the economic impact of affected matings may result in faster allele frequency changes than strategies that do not consider inbreeding and monetary losses. However, the effect of gene editing on selection programs also should be considered because gene editing has the potential to dramatically change allele frequencies in livestock populations. Methods A simulation program developed to evaluate dairy cattle breeding schemes was extended to include the use of clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR), transcription activator-like effector nuclease (TALEN), and zinc finger nuclease (ZFN) technologies for gene editing. A hypothetical technology with a perfect success rate was used to establish an upper limit on attainable progress, and a scenario with no editing served as a baseline for comparison. Results The technologies differed in the rate of success of gene editing as well as the success rate of embryo transfer based on literature estimates. The number of edited alleles was assumed to have no effect on success rate. The two scenarios evaluated considered only the horned locus or 12 recessive alleles that currently are segregating in the U.S. Holstein population. The top 1, 5, or 10% of bulls were edited each generation, and either no cows or the top 1% of cows were edited. Inefficient editing technologies produced less cumulative genetic gain and lower inbreeding than efficient ones. Gene editing was very effective at reducing the frequency of the horned haplotype (increasing the frequency of polled animals in the population), and allele frequencies of the 12 recessives segregating in the U.S. Holstein population decreased faster with editing than without. Conclusions Gene editing can be an effective tool for reducing the rate of harmful alleles in a dairy cattle population even if only a small proportion of elite animals are modified.

Abstract Recessive alleles represent a risk in populations that have undergone bottleneck events. We present a comprehensive framework for identification and validation of these genetic defects, including haplotype-based detection, variant selection from sequence data, and validation using knockout embryos. Holstein haplotype 2 (HH2), which causes embryonic death, was used to demonstrate the approach. HH2 was identified using a deficiency-of-homozygotes approach and confirmed to negatively affect conception rate and stillbirths. Five carriers were present in a group of 183 sequenced Holstein bulls selected to maximize the coverage of unique haplotypes. Three variants concordant with haplotype calls were found in HH2: a high-priority frameshift mutation resulting in a deletion, and two low-priority variants (1 synonymous variant, 1 premature stop codon). The frameshift in intraflagellar protein 80 ( IFT80 ) was confirmed in a separate group of Holsteins from the 1000 Bull Genomes Project that shared no animals with the discovery set. IFT80 -null embryos were generated by truncating the IFT80 transcript at exon 2 or 11 using a CRISPR-Cas9 system. Abattoir-derived oocytes were fertilized in vitro and embryos were injected at the one-cell stage either with CRISPR-Cas9 complex (n=100) or Cas9 mRNA (control, n=100) before return to culture, and replicated 3 times. IFT80 is activated at the 8-cell stage, and IFT80-null embryos arrested at this stage of development, which is consistent with data from mouse hypomorphs and HH2 carrier-to-carrier matings. This frameshift in IFT80 on chromosome 1 at 107,172,615 bp (p.Leu381fs) disrupts WNT and hedgehog signaling, and is responsible for the death of homozygous embryos. Significance Statement Holstein haplotype 2 is an embryonic lethal present in 1.21% of the US Holstein cattle population, and unrecognized carrier-to-carrier matings are responsible for >$2 million/year in additional breeding expenses. A high-impact frameshift mutation in exon 11 of intraflagellar protein 80 (IFT80) was identified as the putative causal variant. Biallelic IFT80 knockout embryos were produced in vitro and compared to wild-type embryos. IFT80-null embryos consistently arrested at the 8-cell stage of development. The IFT80 protein expressed in knockout embryos had substantially altered protein structure, resulting in a loss of functional domains. These results validate the putative causal mutation observed in Holsteins. This system is a good model for investigating possible causal variants that affect livestock fertility early in development.

Recessive alleles represent genetic risk in populations that have undergone bottleneck events. We present a comprehensive framework for identification and validation of these genetic defects, including haplotype-based detection, variant selection from sequence data, and validation using knockout embryos. Holstein haplotype 2 (HH2), which causes embryonic death, was used to demonstrate the approach. Holstein haplotype 2 was identified using a deficiency-of-homozygotes approach and confirmed to negatively affect conception rate and stillbirths. Five carriers were present in a group of 183 sequenced Holstein bulls selected to maximize the coverage of unique haplotypes. Three variants concordant with haplotype calls were found in HH2: a high-priority frameshift mutation resulting, and 2 low-priority variants (1 synonymous variant, 1 premature stop codon). The frameshift in intraflagellar 80 (IFT80) was confirmed in a separate group of Holsteins from the 1000 Bull Genomes Project that shared no animals with the discovery set. IFT80-null embryos were generated by truncating the IFT80 transcript at exon 2 or 11 using a CRISPR-Cas9 system. Abattoir-derived oocytes were fertilized in vitro, and zygotes were injected at the one-cell stage either with a guide RNA and CAS9 mRNA complex (n = 100) or Cas9 mRNA (control, n = 100) before return to culture, and replicated 3 times. IFT80 is activated at the 8-cell stage, and IFT80-null embryos arrested at this stage of development, which is consistent with data from mouse hypomorphs and HH2 carrier-to-carrier matings. This frameshift in IFT80 on chromosome 1 at 107,172,615 bp (p.Leu381fs) disrupts WNT and hedgehog signaling, and is responsible for the death of homozygous embryos.