Molecular genetic markers in the study of indigenous cattle breeds (a review)
Molecular genetic markers in the study of indigenous cattle breeds (a review)
Abstract
At present, there has been a decline in the numbers of indigenous cattle breeds, and in some cases they have disappeared entirely. This is due to the widespread adoption of a limited number of high-yielding commercial breeds. One such breed is the Holstein, which accounts for 72% of the country’s total cattle population. Local indigenous breeds were developed through long and systematic selection; they are well adapted to various climatic conditions, have good productivity indicators and are resistant to disease. The issue of preserving, maintaining and propagating indigenous breeds remains as relevant. It can be addressed through modern methods of genomic selection. This article reviews the main types of markers. RELF markers have been widely used to analyse correlations with economically important traits and milk processing qualities, as well as gene polymorphisms depending on kinship and lineage. Microsatellites have also become widely used, and they have helped to identify the wide genetic diversity of domestic breeds. SNPs are currently of great scientific interest due to their genetic stability, distribution within the genome, differentiation of alternative variants, and other factors. They have been used to study the genes of various breeds of farm animals, their historical origins and genetic structure. However, there remain many "gaps" in the study of local domestic breeds. The study of the genetic structure of breeds using SNPs is based on the use of DNA chips. There are medium- and high-density chips, and specialised low-density chips are also being developed. Their development appears to be more efficient, as these chips do not contain redundant information that is unnecessary for interpreting the results. DNA chips are the preferred tool for studying gene expression, sequencing DNA fragments and identifying mutations within them.
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.