Оценка генетического разнообразия и генетической структуры популяций эвенкийской породы северного оленя: анализ микросателлитов
Оценка генетического разнообразия и генетической структуры популяций эвенкийской породы северного оленя: анализ микросателлитов
Аннотация
В Российской Федерации, из четырех утвержденных пород домашних северных оленей, эвенкийская порода считается не только самой древней и малоизученной, но и самой малочисленной, что обуславливает повышение риска генетического замыкания в породе и, как следствие, изменение уровня генетического разнообразия, снижение которого может привести к сужению возможностей популяции использования внутренних ресурсов для дальнейшего развития без привлечения постороннего генетического материала. Одним из современных подходов оценки состояния генетического разнообразия и структуры популяции является анализ полиморфизма микросателлитов. В настоящем исследовании мы поставили цель не только дать характеристику состояния генетического разнообразия эвенкийской породы северного оленя, разводимой на территории Красноярского края и Республики Саха (Якутия), но и также оценить генетическую структуру породы в сравнительном аспекте с другими породами северного оленя, а также популяциями дикого северного оленя. Анализ основных параметров аллельного и генетического разнообразия показал, что эвенкийские олени Якутии характеризуются более высоким уровнем генетического разнообразия, а также значения коэффициента инбридинга указывали на недостоверные отклонения количества гетерозигот от теоретически ожидаемого. В то время как выборка северных оленей эвенкийской породы красноярской популяции проиллюстрировала средний уровень генетической изменчивости. Однако именно в этой группе были детектированы максимальные положительные значения коэффициента инбридинга, дальнейшее накопление которого, может оказать влияние на локальные адаптации и коадаптированные генные комплексы, что в конечном итоге повлияет на устойчивость популяции к неблагоприятным условиям среды. Кластерный анализ выявил интересные закономерности в генетической структуре данной породы. Якутская популяция породы характеризовалась наиболее генетически однородной структурой, в то время как красноярская популяция продемонстрировала отсутствие четкой генетической консолидированности и наличие в своем кластере генетических компонентов, как кластера эвенкийской породы Якутии, так и ненецкой породы. Полученные результаты рекомендуется использовать для реализации программ сохранения, стабилизации и увеличения племенного поголовья эвенкийской породы домашнего северного оленя.
1. Введение
Северный олень (Rangifer tarandus L., 1758) – единственный представитель рода Rangifer и важный элемент экосистемы Севера . Устойчивость экосистем связана с сохранением, увеличением и использованием биоразнообразия. Сведения о генетической изменчивости и процессах, лежащих в основе происхождения и сохранения видов, играют ключевую роль в понимании структуры и динамики популяций. Поддержание в популяциях оптимальной степени генетической и гетерозиготности необходимо для сохранения способности животных адаптироваться к условиям окружающей среды (изменениям климата, отрицательному действию вредных веществ) Высокое генетическое разнообразие обеспечивает эволюционную приспособленность популяции .
Степень генетической изменчивости между и внутри популяций коррелирует с их демографической историей, а также с факторами окружающей среды . Сведения о генетической структуре популяций способствуют лучшему пониманию, как базовых механизмов эволюции (отбор, мутации, перемещение особей, случайные изменения в геноме) в условиях стресса, так и принятию необходимых мер по восстановлению и рациональному использованию видов . Для корректной оценки состояния генетического разнообразия и структуры популяция актуальным является применение молекулярных методов и подходов молекулярно-генетического анализа . Одним из таких подходов является анализ микросателлитных последовательностей ДНК. Микросателлиты – это широко используемая система маркеров для оценки генетического разнообразия в популяционно-генетических исследованиях, и часто предполагается, что они отражают разнообразие таксона на уровне всего генома . С момента их обнаружения в 1980-х годах, использование микросателлитов линейно росло, и в настоящее время они широко применяются, например, в генетике сохранения видов, судебно-медицинском анализе ДНК, установлении отцовства и исследованиях нейтральной генетической структуры популяций .
В России домашняя популяция северного оленя представлена четырьмя породами, из которых эвенкийская порода считается самой древней и малоизученной из всех известных пород. Ареал обитания этой породы охватывает территорию Красноярского края, Тувы, Бурятии, Якутии (левобережье Лены и южные районы), Хабаровском крае Иркутской, Читинской, Амурской, Сахалинской областей. При этом основное поголовье сосредоточено в Красноярском крае и районах Якутии.
На основании генетической изменчивости микросателлитов исследована генетическая структура региональных популяций ненецкой , чукотской и эвенской пород. Однако исследования генетических особенностей региональных популяций эвенкийской породы ранее не проводились.
Целью настоящей работы являлась оценка уровня генетического разнообразия и генетической структуры эвенкийской породы северного оленя, разводимой на территории Красноярского края и Республики Саха (Якутия) в сравнительном аспекте с другими породами северного оленя, а также популяциями дикого северного оленя, на основании анализа микросателлитов.
2. Материал и методы
В качестве биологического материала были использованы образцы ткани (фрагменты ушной раковины) эвенкийской породы северного оленя, разводимой на территории Красноярского края (EVK_KRA, n = 16) и Республики Саха (Якутия) (EVK_YAK, n = 18). Также в исследования были включены STR-профили пород: ненецкой (NEN, n = 40), эвенской (EVN, n = 33) и чукотской (CHU, n=40). Кроме этого, принимая во внимание факт важной особенности вида – совместное существования домашней и дикой форм , в исследования были включены микросателлитные генотипы диких северных оленей полуострова Таймыра (WLD_T, n=37), районов Якутии (WLD_Y, n=42) и Красноярского края (WLD_KRS, n=18). Таким образом, настоящие исследования включали анализ 256 образцов северных оленей.
Биологический материал и STR-профили были взяты в генетическом банке УНУ «Банк генетического материала домашних и диких видов животных и птицы» в составе сетевой биоресурсной коллекции сБРК СХЖ (соглашение с Минобрнауки России № 075-15-2021-1037 от 28 сентября 2021 г.), созданной и поддерживаемой в ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л.К. Эрнста. Выделение ДНК проводили с помощью наборов ДНК-Экстран-2 (ЗАО «Синтол», Россия), в соответствии с инструкцией производителя.
Мультиплексный анализ девяти локусов микросателлитов (NVHRT21, NVHRT24, NVHRT76, RT1, RT6, RT7, RT9), проводили на генетическом анализаторе «НАНОФОР 05» (НПК «Синтол», Россия) с последующим определением длин аллелей микросателлитов в программном обеспечении GeneMarker v. 3.0.1. Для обработки полученных результатов формировали матрицу генотипов в программе Microsoft Excel. Анализ внутрипопуляционных параметров включал расчеты показателей аллельного (среднее число аллелей на локус (NА), эффективное число аллелей (NE)) и генетического разнообразия (наблюдаемая (HО) и ожидаемая (HЕ) гетерозиготность и коэффициент инбридинга (FIS)). Генетическую структуру эвенкийской породы северного оленя оценивали с использованием модели Admixture , с использованием смешанной модели (число предполагаемых кластеров, К – от 1 до 10; длина burn-in периода – 100 000; модель Марковских цепей Монте-Карло — 100 000). Определение оптимального количества кластеров (ΔК) для исследованной выборки рыб, было выполнено с использованием приложения STRUCTURE HARVESTER , согласно методу . Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета MS Excel 2007 с плагином GenAIEx v. 6.5.1 и программного обеспечения Structure 2.3.4 .
3. Основные результаты и обсуждение
По всей исследуемой выборке северных оленей на основании анализа полиморфизм 9 микросателлитов, было детектировано 111 аллелей. При этом генотипирование животных по 16-ти микросателлитам выявило 106 аллелей на локус . В нашем исследовании, размах вариабельности количества аллелей на локус составил от 9 аллелей в локусе NVHRT24 до 18 аллелей в локусе RT30. Анализ показателей в таблице 1 выявил, что наибольшим уровнем полиморфности характеризовался локус RT1, в котором были выявлены максимальные значения всех показателей, а также отрицательные значения коэффициента инбридинга, свидетельствуя об избытке гетерозиготных вариантов аллелей.
Таблица 1 - Характеристика микросателлитных локусов выявленных в популяциях северных оленей
Локус | Показатель | ||||
NA | NE | HO | HE | FIS | |
NVHRT76 | 6,375±0,596 | 3,383±0,421 | 0,583±0,097 | 0,661±0,052 | 0,126±0,147 |
RT9 | 8,000±0,463 | 4,923±0,492 | 0,610±0,053 | 0,779±0,027 | 0,196±0,102 |
NVHRT24 | 4,625±0,460 | 2,383±0,196 | 0,580±0,066 | 0,551±0,053 | -0,063±0,085 |
RT30 | 9,000±1,018 | 4,510±0,718 | 0,718±0,047 | 0,734±0,042 | 0,024±0,022 |
RT1 | 9,125±1,008 | 5,528±0,782 | 0,770±0,087 | 0,752±0,077 | -0,013±0,045 |
RT6 | 7,750±0,366 | 4,881±0,487 | 0,665±0,036 | 0,775±0,029 | 0,143±0,028 |
RT27 | 7,25±0,559 | 3,996±0,433 | 0,457±0,036 | 0,732±0,024 | 0,380±0,040 |
NV21 | 6,750±0,590 | 4,197±0,308 | 0,456±0,060 | 0,753±0,018 | 0,396±0,079 |
RT7 | 8,375±0,730 | 5,460±0,459 | 0,628±0,067 | 0,807±0,016 | 0,226±0,080 |
Примечание: NA — среднее число аллелей на локус; NE — число эффективных аллелей на локус; HO — наблюдаемая гетерозиготность; HE — ожидаемая гетерозиготность; FIS — коэффициент инбридинга
Наибольшим уровнем полиморфности характеризовался локус RT1, в котором были выявлены максимальные значения всех показателей, а также отрицательные значения коэффициента инбридинга (FIS=0,013), свидетельствуя об избытке гетерозиготных вариантов аллелей. Наименьшие значения показателей среднего и эффективного числа аллелей на локус, а также ожидаемой гетерозиготности были выявлены в локусе NVHRT24. В семи локусах было детектировано уменьшение наблюдаемой гетерозиготности по сравнению с ожидаемой, и как, следствие положительные значения коэффициента инбридинга.
Анализ показателей аллельного разнообразия и степени гетерозиготности (табл. 2), показал, что эвенкийская порода, разводимая на территории Якутии, превосходила все остальные группы по значениям среднего числа аллелей на локус: NA = 8,111 и наблюдаемой гетерозиготности: HO=0,677±0,037.
Таблица 2 - Анализ показателей аллельного разнообразия и степени гетерозиготности популяций эвенкийской породы северного оленя в сравнительном аспекте с породами домашних оленей и популяциями диких северных оленей
Популяция | NA | NE | HO | HЕ | FIS |
CHU | 6,000± 0,527 | 2,929±0,434 | 0,481±0,091 | 0,593±0,062 | 0,146±0,150 |
EVN | 7,222±0,795 | 4,231±0,549 | 0,660±0,058 | 0,735±0,029 | 0,111±0,052 |
EVK_YAK | 8,111±0,633 | 4,079±0,352 | 0,677±0,037 | 0,741±0,021 | 0,084±0,046 |
EVK_KRA | 6,222±0,596 | 4,450±0,482 | 0,563±0,093 | 0,743±0,039 | 0,259±0,122 |
NEN | 8,000±0,645 | 4,564±0,556 | 0,628±0,041 | 0,749±0,041 | 0,161±0,038 |
WLD_T | 8,222±0,619 | 5,062±0,505 | 0,631±0,063 | 0,780±0,029 | 0,196±0,069 |
WLD_Y | 9,778±0,894 | 5,874±0,641 | 0,659±0,044 | 0,807±0,027 | 0,183±0,050 |
WLD_KRS | 6,222±0,521 | 3,710±0,466 | 0,562±0,075 | 0,670±0,066 | 0,116±0,066 |
Примечание: NA — среднее число аллелей на локус; NE — число эффективных аллелей на локус; HO — наблюдаемая гетерозиготность; HE — ожидаемая гетерозиготность; FIS — коэффициент инбридинга. Расшифровку аббревиатур для популяций северного оленя см. в методике
Животные этой породы Красноярского края характеризовались умеренным уровнем, как аллельного, так и генетического разнообразия. Однако, именно в этой группе коэффициент инбридинга имел максимальные положительные значения (FIS=0,259), что указывает на преобладание гомозиготных аллелей.
Значения показателя числа эффективных аллелей на локус, вносящих основной вклад в результат расчета гомо- и гетерозиготности в эвенкиской породе распределились практически равномерно. При этом минимальные значения показателя отмечены в чукотской породе и дикой популяции Красноярского края: NE=2,929±0,434, NE=3,710±0,466 соответственно. Максимальные значения показателя выявлены в двух других популяциях дикого северного оленя: WLD_T =5,062±0,505 и WLD_Y =5,874±0,641. По ожидаемой степени гетерозиготности, исследуемые группы северного оленя имели практически схожие значения. Исключения составила выборка чукотской породы, в которой данный показатель был минимальным: HЕ=0,593±0,062. Коэффициент инбридинга (FIS) во всех выборках, как домашних, так и диких северных оленей, имел положительные значения, отражая преобладание гомозиготных вариантов аллелей. При этом в группе эвенкийских оленей Якутии были выявлены минимальные положительные значения показателя близкие к нулю (FIS=0,084±0,046).
Результаты кластерного анализа представлены на рисунке 1.
Согласно алгоритму, основанному на значениях величины ΔК, было выявлено при К=4 (ΔK = 18,521), значение при К=6 оказались значимыми и более детально отражали генетическую структуру популяций эвенкийской породы северного оленя.
Рисунок 1 - Результаты кластерного анализа эвенкийской породы северного оленя в сравнительном аспекте с породами домашних оленей и популяциями диких северных оленей для числа кластеров К = 4 и K = 6
Примечание: расшифровку аббревиатур для популяций северного оленя см. в методике
4. Заключение
Таким образом, в настоящем исследовании, на основании анализа полиморфизма микросателлитов, нами изучено состояние генетического разнообразия и генетической структуры двух популяций эвенкийской породы северного оленя, разводимой на территории двух регионов: Республики Саха (Якутия) и Красноярского края, в сравнительном аспекте с породами домашнего северного оленя, а также популяциями дикого северного оленя. Полученные результаты выявили, что эвенкийские олени Якутии характеризуются более высоким уровнем генетического разнообразия, а также значения коэффициента инбридинга указывали на недостоверные отклонения количества гетерозигот от теоретически ожидаемого. В то время как выборка северных оленей эвенкийской породы красноярской популяции проиллюстрировала средний уровень генетической изменчивости. Однако именно в этой группе были детектированы максимальные положительные значения коэффициента инбридинга, дальнейшее накопление которого, может оказать влияние на локальные адаптации и коадаптированные генные комплексы, что в конечном итоге, повлияет на устойчивость популяции к неблагоприятным условиям среды. Кластерный анализ выявил интересные закономерности в генетической структуре данной породы. Якутская популяция породы характеризовалась наиболее генетически однородной структурой, в то время как красноярская популяция продемонстрировала отсутствие четкой генетической консолидированности и наличие в своем кластере генетических компонентов, как кластера эвенкийской породы Якутии, так и ненецкой породы. Наблюдаемая интеграция может быть вызвана появлением ненецких и эвенкийских северных оленей Якутии в Красноярском крае для обновления генофонда эвенкийской породы.