Молекулярно-генетические маркеры в исследовании автохтонных пород крупного рогатого скота (обзор)
Молекулярно-генетические маркеры в исследовании автохтонных пород крупного рогатого скота (обзор)
Аннотация
В настоящее время наблюдается снижение численности, а в некоторых случаях и полное исчезновение, автохтонных пород. Это связано с активным распространением ограниченного числа высокоудойных коммерческих коров. Таковой является голштинская порода, чья доля составляет 72% от общего поголовья страны. Местные отечественные породы создавались путём долгой и планомерной селекции, хорошо приспособлены к разным климатическим условиям, имеют неплохие показатели продуктивности и устойчивы к заболеваниям. Проблема сохранения, поддержания и распространения автохтонных пород по-прежнему остаётся актуальной. Она может быть решена посредством современных методов геномной селекции. В данной статье рассмотрены основные типы маркеров. ПДРФ-маркеры широко применялись для анализа взаимосвязи с хозяйственно-полезными признаками и технологическими качествами молока, полиморфизма генов в зависимости от кровности и линейной принадлежности. Широкое распространение получили и микросателлиты, с их помощью также выявлено широкое генетическое разнообразие отечественных пород. Большой научный интерес в настоящее время представляют SNP за счёт генетического постоянства, распространения в геноме, дифференциации альтернативных вариантов и др. С их помощью исследованы гены разных пород сельскохозяйственных животных, их историческое происхождение и генетическая структура. Однако в исследовании местных отечественных пород остаётся много «пробелов». Изучение генетической структуры пород с помощью SNP базируется на применении ДНК-чипов. Существуют чипы средней и высокой плотности, также ведётся разработка специализированных чипов с низкой плотностью. Их создание представляется более эффективным, поскольку эти чипы не несут избыточной информации для интерпретации результатов. ДНК-чипы являются предпочтительным инструментом для изучения экспрессии генов, секвенирования фрагментов ДНК и выявления в них мутаций.
1. Введение
В соответствии с доктриной продовольственной безопасности страны ключевую роль в обеспечение потребностей в продуктах питания играет продукция сельского хозяйства, в частности сельскохозяйственные животные . На протяжении многих лет в России создавались породы животных, приспособленных к разным условиям обитания, устойчивостью к заболеваниям и высокой продуктивностью , , , .
В конце прошлого века обозначилась тенденция на использование ограниченного числа пород с высокими удоями. Самой распространённой породой в России является голштинская (72% от общего поголовья). С 2010 года поголовье голштинской породы увеличилось почти на 67% . Как итог, ряд локальных пород (бестужевская, красная горбатовская, сычёвская, холмогорская, ярославская) сокращается из-за неспособности с ней конкурировать. В Смоленской области в результате планомерной и целенаправленной селекции был создан тип «Смоленский» бурого швицкого скота, а в 1950 году утверждена сычёвская порода , . Доля последней в общей структуре пород области составляет всего 11,5%, а поголовье бурой швицкой породы за последние 7 лет сократилась на 10% .
Поддержание и распространение автохтонных пород возможно при сохранении их генетического разнообразия, которое устанавливается с помощью различных генетических маркеров. Впервые маркеры стали использовать в селекции в начале ХХ века .
2. Основные результаты
Создание и совершенствование локальных пород в Смоленской области осуществлялось с помощью маркеров групп крови. По результатам этих исследований опубликовано множество работ , , .
Последние десятилетия происходят масштабные преобразования, сопряженные с применением молекулярно-генетических технологий. Очевидно, что развитие сельского хозяйства на современном этапе невозможно без внедрения геномной селекции , , .
В конце 90-х гг. с появлением генетических тест-систем стало возможным использование результатов ДНК-исследований для генетического анализа сельскохозяйственных животных. Селекция на основе ДНК-маркеров стала именоваться маркер-ассоциированной селекцией. ДНК-маркеры — участки ДНК с определённой локализацией на хромосоме, но с малоизученными функциями. Их характерная особенность — полиморфизм .
В числе первых исследованных маркеров были ПДРФ-маркеры. На сегодняшний день значительная их часть исследована у крупного рогатого скота (CSN, LGB, ALA, PRL, LEP, GH и др.). С их помощью изучен полиморфизм и определена частота встречаемости аллельных вариантов и генотипов , , , . Определено влияние голштинизации на изменение генетической структуры , . Проведена комплексная оценка хозяйственно-полезных признаков с учётом наследуемых маркеров и исследована их взаимосвязь , , , .
Микросателлиты нашли также широкое применение в качестве генетического маркера, благодаря большой вариации тандемных копий. В 2008–2010 гг. был изучен аллелофонд бурой швицкой и сычёвской пород крупного рогатого скота по 13 локусам микросателлитов. Результаты анализа генетической характеристики показали, что животные сычёвской и бурой швицкой пород являются консолидированными и формировались автономно от исходных пород , , , .
В настоящее время аллелофонд крупного рогатого скота активно исследуется с помощью однонуклеотидных полиморфизмов (SNP-маркеров). SNP представляют собой отличия в последовательности ДНК на один нуклеотид в геноме или между гомологичными участками хромосом и являются следствием точечных мутаций , .
С помощью SNP было исследовано огромное число генов у различных пород крупного рогатого скота, углублены знания об историческом происхождении и генетической структуре популяций. Ранее с помощью SNP был исследован скот Европейских коммерческих пород. Позже учёные устремили внимание на автохтонные породы с целью поиска геномных изменений, ассоциированных с желательными признаками.
W.P.B. Putra с соавт. провели генетическую характеристику 4 индонезийских пород крупного рогатого скота. Результаты исследования показали, что местные породы имеют гибридное происхождение и содержат геномные последовательности как B. indicus, так и B. Javanicus .
В исследовании Ш. Чжан и др. изучена генетическая характеристика локальной китайской породы Пинан крупного рогатого скота. Анализ родословной показал, что в её составе преобладала Пьемонтская порода и в меньшей степени Наньяская. Несмотря на то, что Пинан ближе к Пьемонтской линии, количество генетических вариаций, унаследованных от Наньян намного выше. Разнообразие нуклеотидов у животных породы Пинан ниже, чем у локальных китайских пород, но больше, чем у европейского скота. Вероятно, это обусловлено влиянием материнской породы — Наньян — гибридом Bos taurus и Bos indicus, обладающий высоким геномным разнообразием .
Группой учёных в 2021 году проведён масштабный анализ генетического разнообразия крупного рогатого скота Юго-Восточной Азии. Результаты этих исследований дают представление об истории индийского крупного рогатого скота и его адаптации к условиям окружающей среды. Исследуемые родословные указывают на сложные процессы одомашнивания и эволюции в формировании глобального разнообразия В. indicus .
M. Weldenegodguad с коллегами провели оценку генетической структуры трёх локальных пород крупного рогатого скота (восточно-финская, западно-финская и якутская), происходящих из самых северных районов скотоводства. Установлены области генома, способствовавшие адаптации к северным и субарктическим условиям. Исследования показали генетическое отличие аборигенных северных европейских пород (финские аборигенные и якутская) от современных коммерческих молочных пород (финская айрширская и голштинская) .
Отечественные породы крупного рогатого скота исследованы менее масштабно . В 2016 г. проведено исследование генетического разнообразия и популяционной структуры пяти российских пород (бестужевской, холмогорской, костромской, красной горбатовской и ярославской) на основании полногеномного анализа SNPs. В качестве сравнительной группы использовалась голштинская порода. Вследствие сложного генетического происхождения отечественных пород, в их генотипах обнаружились геномные компоненты других российских пород, а в ряде случаев — компоненты голштинов .
А.А. Сермягин с соавт. провели исследование популяционной структуры девяти отечественных пород (бестужевской, черно-пестрой, калмыцкой, холмогорской, костромской, красной горбатовской, суксунской, якутской и ярославской) с 36 евразийскими породами Bos taurus. Турано-монгольское происхождение калмыцкой и якутской пород способствовало объединению их в отдельный кластер. У животных костромской, суксунской и черно-пестрой пород обнаружены предковые компоненты трансграничных европейских пород. В наименьшей степени интрогрессии подверглись бестужевская, красная горбатовская, холмогорская и ярославская породы, что делает их ценным генетическим ресурсом .
Доминированию SNP-маркеров способствовала разработка коммерческих ДНК-чипов, позволяющих проводить одновременный анализ до нескольких сотен тысяч однонуклеотидных полиморфизмов. Исследования геномов с помощью SNP основаны, главным образом, на применении ДНК-чипов средней плотности (50К). В настоящее время ведётся разработка ДНК-микрочипов с низкой плотностью SNP. Создание специализированных тест-систем (микрочипов низкой плотности) является более эффективным, поскольку они не несут избыточной информации для интерпретации результатов. К настоящему времени идентифицировано несколько миллионов SNP, на основе которых компания Illumina анонсировала чипы малой (Bovine 3K и 6K, 2900 и 6909 SNP) и высокой плотности Bovine HD (777962 SNP). Позже были разработаны кастомные версии чипов: GGP (GeneSeek Inc.) и IDB (ICBF), которые включают в себя мажорные гены, мутации и рецессивные аллели. ДНК-микрочипы стали предпочтительным инструментом для изучения экспрессии генов, секвенирования фрагментов ДНК и выявления в них мутаций .
Наиболее распространенным методом определения SNP является ПЦР-ПДРФ, который предполагает идентификацию участка гена, несущего сайт узнавания рестриктазы. Однако наиболее точным и современным способом определения последовательности нуклеотидов в геноме и поиска сведений о строении генов является секвенирование. Широко применяется также и частичное сканирование генома, которое подразумевает анализ определённых небольших участков ДНК, содержащих множество SNP.
В последнее десятилетие активно используется полногеномный анализ ассоциаций (GWAS), базирующийся на использовании генетических маркеров, которые локализованы по всей длине генома и сцеплены как минимум с одним из количественных признаков , , , .
3. Заключение
Интеграция геномной селекции в практику животноводства произошла вследствие развития инновационных методов геномной оценки сельскохозяйственных животных и совершенствования технологий обработки результатов больших объёмов информации. Геномный отбор — результат маркер-ассоциированной селекции, основанный на использовании полной информации о последовательности ДНК животных, их родословной и данных по продуктивности для выявления ассоциаций с хозяйственно-полезными признаками сельскохозяйственных животных. С появлением современных молекулярно-генетических технологий и геномной оценки появилась возможность определить генетический потенциал животных, а значит, и создавать новые породы. В связи с этим развитие технологий геномной оценки представляет большой научный интерес для учёных. Внедрение казуальных SNP-чипов вместо существующих, обусловит оптимизацию методов геномной оценки сельскохозяйственных животных.
Благодаря ДНК-маркерам, методам молекулярной генетики и полногеномному ассоциативному анализу расширяются возможности генетической диагностики локусов, ассоциированных с генетическими аномалиями, признаками продуктивности и идентификацией как отдельных животных, так и пород в целом.
За последние десятилетия накопилось много информации о генетической структуре европейских, азиатских пород крупного рогатого скота, а также стран Африки, Северной и Южной Америки. По результатам этих исследований опубликован обширный материал. Полногеномное сканирование геномов крупного рогатого скота продолжается и до настоящего времени. На сегодняшний день проблема сохранения биологического разнообразия автохтонных пород по-прежнему остаётся актуальной и недостаточно изученной. Дальнейшие исследования аллелофонда отечественных пород может быть достигнуто с использованием ДНК-чипов высокой и низкой плотности.