Understanding the causal architecture underlying complex systems biology has a great value in agriculture production for the development of optimal management strategies and selective breeding. So far, most studies in this area use only prior knowledge to propose causal networks and/or do not consider the possible genetic confounding factors on the structure search, which may hide important relationships among phenotypes and also bias the resulting inferred causal network. In this dissertation, we explore many structural learning algorithms and present a new one, called PolyMaGNet (Polygenic traits with Major Genes Network analysis), to search for recursive causal structures involving complex phenotypic traits with polygenic inheritance and also allowing the possibility of major genes affecting the traits. Briefly, a multiple-trait animal mixed model is fitted using a Bayesian approach considering major genes as covariates. Next, posterior samples of the residual covariance matrix are used as input for the Inductive Causation algorithm to search for putative causal structures, which are compared to each other using the Akaike information criterion. The performance of PolyMaGNet was evaluated and compared with another widely used approach in a simulated study considering a QTL mapping population. Results showed that, in the presence of major genes, our method recovered the true skeleton structure as well as the causal directions with a higher rate of true positives. The PolyMaGNet approach was also applied to a real dataset of an F2 Duroc × Pietrain pig resource population to recover the causal structure underlying on carcass, meat quality and chemical composition traits. Results corroborated with the literature regarding the cause-effect relationships between these traits and also provided new insights about phenotypic causal networks and its genetic architectures in complex systems biology.

Compreender a arquitetura causal subjacente à sistemas biológicos complexos é de grande valia na produção agrícola para o desenvolvimento de estratégias de manejo e seleção genética. Até o momento, a maior parte dos estudos neste contexto utiliza apenas conhecimento prévio para propor redes causais e/ou não considera fatores de confundimento genético na busca de estruturas, fato que pode ocultar relações importantes entre os fenótipos e viesar inferências sobre a rede causal. Nesta tese, exploramos alguns algoritmos de aprendizagem de estruturas e apresentamos um novo, chamado PolyMaGNet (do inglês, Polygenic traits with Major Genes Network analysis), para buscar estruturas causais recursivas entre características fenotípicas poligênicas complexas e permitindo, também, a possibilidade de efeitos de genes maiores que as afetam. Resumidamente, um modelo misto de múltiplas características é ajustado usando abordagem Bayesiana considerando os genes maiores como covariáveis no modelo. Em seguida, amostras posteriores da matriz de covariância residual são usadas como entrada para o algoritmo de causação indutiva para pesquisar estruturas causais putativas, as quais são comparadas usando o critério de informação de Akaike. O desempenho do PolyMaGNet foi avaliado e comparado com outra abordagem bastante utilizada por meio de um estudo simulado considerando uma população de mapeamento de QTL. Os resultados mostraram que, na presença de genes maiores, o método PolyMaGNet recuperou a verdadeira estrutura do esqueleto, bem como as direções causais, com uma taxa de efetividade maior. O método é ilustrado também utilizando-se um conjunto de dados reais de uma população de suínos F2 Duroc × Pietrain para recuperar a estrutura causal subjacente à características fenotípicas relacionadas a qualidade da carcaça, carne e composição química. Os resultados corroboraram com a literatura sobre as relações de causa-efeito entre os fenótipos e também forneceram novos conhecimentos sobre a rede fenotípica e sua arquitetura genética.