Молекулярно-генетический профиль казахстанских популяций пород крупного рогатого скота

Целью исследований явилось изучение генетической структуры и анализ степени генетической дифференциации пород крупного рогатого скота, разводимых в Казахстане, на основе молекулярно-генетической информации

Современные методы разведения крупного рогатого скота предусматривают активное использование новых селекционных программ. Внедрение молекулярно-генетических исследований предопределяет перспективы использования микросателлитов ДНК (STR-локусов). Данные микросателлиты получили широкое применение для изучения аллелофонда сельскохозяйственных животных. Исходя из вышесказанного, целью исследований явилось изучение генетической структуры и анализ степени генетической дифференциации пород крупного рогатого скота, разводимых в Республике Казахстан, на основе молекулярно-генетической информации. В качестве биологического материала для исследований использовалось семя быков-производителей. В работе приведены материалы исследований ДНК-профилей по 11 микросателлитным локусам молочных (голштинская, черно-пестрая, аулиеатинская), комбинированных (алатауская) и мясных (аулиекольская, казахская белоголовая) пород.

Выбор направления исследований. При разведении сельскохозяйственных животных важно не только получение скота с высокой продуктивностью, но и постоянное совершенствование, улучшение генетического потенциала их продуктивных качеств и ускорение генетического прогресса в породах. Известно, что методы разведения крупного рогатого скота предусматривают активное использование современных селекционных программ.

В настоящее время методы идентификации животных базируются на анализе двух основных типов генетических маркеров – однонуклеотидного полиморфизма (Single nucleotide polymorphism, SNP) и микросателлитов (Short tandem repeat, STR).

Несомненно, анализ большого количества генетических маркеров (SNP и STR), позволяет решать ряд очень важных вопросов относительно популяционной принадлежности животных, а также «чистоты» генотипа анализируемой особи, что важно с точки зрения сохранения генетического разнообразия животных.

Известно, что в животноводстве в качестве генетических маркеров широко используются микросателлитные локусы ДНК, которые состоят из коротких повторяющихся последовательностей (STR – Short Tanetem Repeats). Использование таких высокополиморфных локусов дает информацию о геноме животных, определяет их индивидуальность и генетическую уникальность, которую необходимо учитывать в селекционных программах при улучшении скота [Калашникова Л.А., Хабибрахманова А.Я., Ганчеикова Т.Б., Павлова Ю.И., Ялуга В.Л. (2008). Генетическая характеристика с использованием микросателлитов. Зоотехния. №8. С.9-11.].

Әлжан Смайылұлы Шәмшідін (кандидат сельскохозяйственных наук, проректор по науке НАО «Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана», 090009, Республика Казахстан, Западно-Казахстанская область, г. Уральск, ул. Жангир хана, 51) считает, что микросателлитные маркеры являются наиболее распространенным инструментом для характеристики и дифференциации структуры популяции. За последние 15 лет, актуальность использования микросателлитных маркеров при оценке генетического разнообразия пород крупного рогатого скота было зафиксировано в многочисленных исследованиях.

По мнению Сермягина Александра Александровича (кандидат сельскохозяйственных наук, руководитель отдела популяционной генетики и генетических основ разведения животных ФГБНУ «Федеральный научный центр животноводства ВИЖ имени, 142132, Российская Федерация, Московская область, ГО Подольск, мкрн. Дубровицы, дом 60) одиночные нуклеотидные полиморфизмы (SNP) играют важную роль в программах генетической оценки скота, поскольку они могут помочь повысить точность геномных предсказаний животных и геномного отбора экономически важных признаков. Дополнительно, отметки SNP могут помочь определить гены, влияющие на хозяйственно-полезные признаки.

Справка. Геномная селекция широко применяется в молочном скотоводстве. По многочисленным исследованиям, в теории, включение информации о маркерах повышает эффективность селекционных программ по сравнению с традиционной селекцией. Тем не менее, ранее сообщалось лишь о нескольких генах, которые связаны с изменением признаков молочной продуктивности, и они объясняют только незначительную часть наследственной изменчивости крупного рогатого скота.

Геномная селекция основывается на геномную оценку племенной ценности (GEBV) животных. GEBV рассчитывается как сумма эффектов генетических маркеров или гаплотипов этих маркеров по всему геному, таким образом, потенциально захватив все QTL, которые способствуют изменчивости признака. Достоверность GEBV уже не раз доказана в мире.

На территории Республики Казахстан разводится свыше 20 пород крупного рогатого скота разного направления продуктивности. На сегодняшний день генофонд данных животных на молекулярно-генетическом уровне изучен не в полной мере. В этой связи использование ДНК-информации генотипа животных позволит внести в селекционную практику ряд преимуществ перед традиционными методами селекции. ДНК-диагностику генотипов животных можно выполнять в самом раннем возрасте. Нужно отметить, что предварительный отбор животных является потенциальным источником предвзятости в международных оценках животных, если не учитвается должным образом в национальных оценках. Однако, предварительный отбор не создает смещения при традиционной оценке племенной ценности, если в нее включены данные всех животных.

В республике накоплено множество данных, которые позволяют вести эффективную селекционно-племенную работу с животными молочных пород скота. На современных условиях для выведения высокопродуктивных стад необходима новая методическая основа, которая будет учитывать генетические факторы. Использование генетических маркеров особенно актуально для оценки признаков, фенотипическое проявление которых происходит относительно поздно или ограничено полом, также для признаков, на проявление которых большое влияние оказывают негенетические факторы (например, факторы окружающей среды). На сегодняшний день единственным эффективным способом контроля достоверности происхождения и идентификации скота является генетическое тестирование, основанное на использовании явления генетического полиморфизма.

К сожалению, в Республике Казахстан для оценки племенной ценности животных на породных уровнях управления геномная оценка практически не применяется. Однако, его используют исключительно для оценки племенных качеств быков-производителей.

Справка. В настоящее время около 60% стран, участвующих в международных оценках быков-производителей, уже приняли геномную селекцию в своих схемах разведения животных. Таким образом, данные, направляемые для многократной международной оценки, могут быть весьма разнородными, и для обеспечения справедливого сравнения оценки животных, включенных в международные генетические оценки, необходим надлежащий метод проверки для всех стран-участниц.

Молекулярно-генетические методы позволяют вести селекцию среди животных самых ранних возрастов, что существенно повышает эффективность отбора. Из этого следует, что внедрение молекулярно-генетических методов в селекцию животных весьма актуально.

Методы исследования. Биологическим материалом для проведения исследований являлось семя быков-производителей. Образцы биологического материала (спермы) быков-производителей были использованы для создания базы данных референтных образцов. Исследования проводили в Лаборатории молекулярных основ селекции Отдела биотехнологии и молекулярной диагностики животных ФГБНУ ФНЦ животноводства ВИЖ им. Л.К. Эрнста.

Выделение ДНК из проб спермы проводили с использованием набора реагентов ДНК-ЭКСТРАН-2 (СИНТОЛ EX-511-100, Россия). Выделение ДНК производили с использованием протокола в соответствии с рекомендациями производителей.

В ходе исследований в анализ были включены ДНК-профили по 11 микросателлитным локусам быков производителей молочных (голштинская порода – 34 гол., черно-пестрая – 18 гол., аулиеатинская – 5 гол.), комбинированных (алатауская – 18 гол.) и мясных пород (аулиекольская – 5 гол., казахская белоголовая – 14 гол.), принадлежащих АО «РЦПЖ «Асыл түлік». Микросателлитный профиль животных определили ДНК-анализатором с лазерным детектором ABI3130xl по следующим локусам: BM1824, ETH225, INRA23, BM2113, SPS115, ETH10, TGLA122, TGLA126, TGLA227, ETH3, TGLA53, входящими в рекомендованную панель ICAR и ISAG. Для анализа результатов исследований применялись программы GenAlEx 6.501 и structure 2.3, для визуализации данных использовался MicrosoftExcel 2013.

Результаты исследования и обсуждение. В целях определения общности происхождения популяций были рассчитаны коэфициенты Fst (индекс фиксации). В ходе работы был сделан попарный анализ генетической структуры изучаемых популяций. Полученные данные Fst позволили установить степень дивергенции между популяциями соответственно направлению их продуктивности. Результаты исследований приведены в таблице 1.

По данным, приведенным в таблице 1 выше диагонали, наименьшие генетические дистанции наблюдались между черно-пестрой и голштинской (0,016) породами, что свидетельствует о большой степени дивергенции. Однако, не стоит забывать, что данный коэффициент свидетельствует и об общем происхождении вышеназванных пород. Генетические дистанции между молочными породами европейской и казахской селекции составляли: с одной стороны, по черно-пестрой, аулиеатинской и алатауской, соответственно, 0,064 и 0,107, с другой по голштинской – 0,078 и 0,119 соответственно. Коэффициенты между черно-пестрой и аулиеатинской, черно-пестрой и алатауской, голштинской и аулиеатинской породами означают среднюю степень дивергенции, т.е. подтверждают общее происхождение и направление продуктивности. Между голштинской и алатаукой породами наблюдалась большая степень дивергенции. Для пород мясного направления продуктивности показатель Fst между аулиекольской и казахской белоголовой породами составил меньшую величину 0,058, что свидетельствует о слабой степени дивергенции. Данный факт подтверждает историю создания аулиекольской породы, как известно, аулиекольская порода создавалась с использованием коров казахской белоголовой и быков пород шароле и абердин-ангус.

По результатам анализа генетических дистанций были вычислены показатели генетической идентичности (n=94) по Нею. Расчеты анализа генетической идентичности приведены в таблице 1 ниже диагонали.

Расчет генетических расстояний между исследуемыми породами, проведенный по Нею, показал, что наибольшей близостью по генетической структуре, обусловленной общностью происхождения, характеризовались черно-пестрая и голштинская породы – 91%. Для черно-пестрого и аулиеатинского скота было показано соответствие в 56%. Для казахской белоголовой и аулиекольской пород коэффицент идентичности составил 63%. Наибольшие различия, как и следовало ожидать, оказались между популяциями молочных, комбинированных и мясных пород от 20,3% до 32,3%. Т.е популяции характеризуются высокой степенью дифференциации. Данный факт объясняет селекционное давление по признакам продуктивности пород.

Полиморфизм локусов, оцениваемый по числу аллелей на локус, разнообразию аллелей, среднему значению общего числа аллелей, гетерозиготности, а также информационному содержанию полиморфизма описаны в таблице 2. Для 11 локусов трех популяций в нашем исследовании было обнаружено 253 аллеля. Количество аллелей на локус для молочных пород колебалось от 4 (TGLA126A) до 8 (TGLA122A, TGLA53A) со средним значением 6, для комбинированных – от 3 (TGLA126A) до 14 (BM2113A, TGLA227A) со средним значением 9, и для мясных пород – от 4 (BM1824A, TGLA126A) до 11 (BM2113A,  TGLA227A) со средним значением 8.

Наблюдаемая гетерозиготность (Hо) в популяции молочного скота варьировала от 0,563 (SPS115A) до 0,867 (BM2113A), в популяции комбинированного скота от 0,667 (BM1824A) до 1,000 (TGLA227A), мясного скота – от 0,684 (BM1824A) до 0,902 (TGLA227A).

Ожидаемая гетерозиготность (Hе) в популяции молочного скота варьировала от 0,627 (SPS115A) до 0,810 (TGLA122A), в популяции комбинированного скота от 0,554 (TGLA126A) до 0,898 (TGLA127A), мясного скота – от 0,601 (TGLA126A) до 0,859 (BM2113A).

Несмещенная ожидаемая гетерозиготность (uHe) для молочного скота колебалась в пределах 0,663 (SPS115A) и 0,852 (BM2113A), для скота комбинированного направления – 0,570 (TGLA126A) и 0,924 (TGLA227A), мясного направления – 0,626 (TGLA126A) и 0,894 (BM2113A).

N = количество аллелей; Na = количество аллелей на локус; Ne = количество эффективных аллелей = 1 / (Sum pi^2); Ho = наблюдаемая гетерозиготность = No. of Hets / N; He = Ожидаемая гетерозиготность = 1 - Sum pi^2; uHe = несмещенная ожидаемая гетерозиготность = (2N / (2N-1)) * He; Fis = коэффициент инбридинга= (Mean He - Mean Ho) / Mean He

Из 11 локусов 7 локусов популяции молочного направления имели отрицательные коэффициенты инбридинга (Fis). Отрицательный Fis в популяции комбинированного направления имели 6 локусов, а в популяции мясного скота 7 локусов.

Расчет анализа генетического разнообразия изучаемых пород (Fit) на молекулярном уровне показал, что различия между популяциями составляют 13%, между породами 2%, и между индивидуумами (или внутрипородные различия) 85%. Реультаты анализа приведены в диаграмме 1.

Пространственное распределение пород по координатам генетической изменчивости приведено в диаграмме 2. Черно-пестрая, голштинская и аулиеатинская породы сгруппированы отчетливо отделенно от других трех пород. В свою очередь казахская белоголовая, аулиекольская и алатауская породы сформировали свой отдельный кластер.

Анализ, основанный на микросателлитных маркерах, по-видимому, указывает на то, что породы внутри кластеров имеют схожий генофонд. Это подчеркивает необходимость в дополнительных микросателлитных маркерах для более точного определения вышеупомянутых кластеров.

Доля вариации по микросателлитным локусам объясняющая расхождение пород по направлению продуктивности для первой компоненты (PC1) достигала 17,4%, для второй (PC2) – 4,9%.

Таким образом, исследования, основанные на микросателлитных маркерах, а также одиночных нуклеотидных полиморфизмах (SNP), показали генетическую вариацию между родственными породами, в следствие чего и идет достаточно четкое разделение на кластеры.

Выводы. Внедрение молекулярно-генетических методов в селекцию существенно повысит имеющийся на территории Республики Казахстан потенциал развития племенных ресурсов за счет собственного воспроизводства скота пород различного направления продуктивности [29]. Данные методы создадут базис для внедрения таких подходов, как геномная селекция, которая в свою очередь обеспечит повышение интенсивности селекционного процесса.

Таким образом, прогресс в области прикладных исследований и активное внедрение их результатов в практику будет способствовать дальнейшему углублению исследований и расширению возможностей генетических исследований в Казахстане.

Заключая вышеприведенные данные, важно отметить, что настоящее исследование дает ценную информацию о генетическом разнообразии крупного рогатого скота Казахстана и закладывает основу для будущих, более углубленных исследований.