Россия
Россия
УДК 599.735.3 Cervidae. Оленевые. Олени
Исследовали полиморфизм микросателлитов у 85 быков– доноров семени следующих пород и типов: холмогорской (38 гол.), голштинской (10), печорского типа холмогорской породы (17), и кроссированных печороского типа с классической холмогорской породой (20 гол.). Генотипировали особей по 15 локусам микросателлитов. Наибольшее число специфических аллелей выявили в группе быков холмогорской породы. Максимальную генетическую дистанцию установили между печоро-холмогорскими быками и быками голштинской породы (DN 0,237, FST 0,045). Подразделение всего массива на два кластера в программе Strukture подтвердило высокую генетическую дифференциацию кроссированных и чистолинейных быков печорского типа холмогорской породы с голштинской. Генетическое различие голштинской породы с классической холмогорской было ниже. Средняя вероятность членства в первом кластере быков голштинской породы составила 0,107±0,039, во втором – 0,893±0,039, быков печорского типа холмогорской породы соответственно 0,828±0,052 и 0,172±0,052, печоро-холмогорских быков – 0,860±0,019 и 0,140±0,019, быков классической холмогорской породы соответственно 0,633±0,046 и 0,367±0,046. Сведения о числе эффективных аллелей на локус, гетерозиготности и индексах фиксации в группах животных разной генеалогии и породности не дали значимой информации об их внутрипопуляционной генетической структуре и дифференциации, которую можно было бы использовать в практической работе по поддержанию генетического разнообразия и воспроизводству сохраненного генофонда породы. Кластерный анализ при k=3 и k=4 позволил выявить и детализировать структуру и степень генетического различия между группами и, таким образом, получить дополнительную информацию для планирования и реализации генофондосохранных мероприятий.
холмогорская порода, печорский тип, кластер, вероятность, генетическая дифференциация, микросателлиты
Введение Выживание человека в неблагоприятных природно-климатических и социально-экономических условиях всегда было связано с использованием традиционных способов природопользования и разведением аборигенных пород сельскохозяйственных животных. Сохранение исторически приобретенных коренными народами навыков получения животноводческого сырья для производства продуктов питания особенно актуально для территорий рискованного земледелия, к которым, в первую очередь, относятся заселенные человеком пространства высоких широт, в частности Республики Коми. На территории современной Республики Коми с момента ее заселения в оседлом животноводстве разводили аборигенный северный комолый крупный рогатый скот, северную грубошерстную короткотощехвостую овцу и северную упряжную лошадь. Вплоть до 1960-х гг. эти породы можно было встретить в коллективных и индивидуальных хозяйствах населения. Однако со второй половины ХХ в. породное преобразование, механизация и специализация аграрной отрасли привели к практически полной утрате аборигенных генофондов. В молочном скотоводстве северный комолый скот был поглощен и вытеснен холмогорским, а с 1980-х гг. в ходе технологической революции в молочном скотоводстве холмогорский скот вытесняется и поглощается голштинским. По данным инвентаризации 2020 г. по Российской Федерации, общая численность чистопородного холмогорского скота составила всего 1170 гол. [1]. Более половины этого поголовья сохранялось в хозяйствах Республики Коми, расположенных в районах Крайнего Севера и Приполярья с неблагоприятными условиями кормления и содержания животных. Для воспроизводства холмогорского скота на Головном племпредприятии РГУСП «Коми» по племенной работе сохранили банк глубокозамороженного семени чистопородных и помесных быков-производителей холмогорской породы, уничтоженный в большинстве регионов России. Холмогорский скот в хозяйствах республики по генеалогической структуре, некоторым экстерьерным и хозяйственным признакам отличался от заводской популяции, поскольку был получен на основе местного северного комолого скота. В начале процесса породного преобразования в хозяйствах Крайнего Севера, Приполярья и Заполярья Коми АССР для скрещивания использовали быков-производителей холмогорской породы, выводных из хозяйств соловецкой (Беломоро-Балтийской) популяции, которая была уничтожена во время Великой Отечественной войны. В дальнейшем на базе массива холмогорского скота северных районов Республики Коми был создан и официально признан зональный печорский тип холмогорской породы. В условиях Приполярья и Заполярья животные печорского типа по продуктивности не уступали классической холмогорской породе, характеризовались более продолжительным сроком хозяйственного использования и устойчивостью к ряду заболеваний, в том числе лейкозу крупного рогатого скота. Холмогорская порода в целом при уровне удоев около 5 тыс. кг молока за лактацию до 2000-х гг. по продолжительности хозяйственного использования, воспроизводительным способностям, пожизненной молочной продуктивности коров и в расчете на месяц жизни оставалась конкурентоспособной относительно голштинской [2]. В настоящее время в связи с малочисленностью сохранившегося поголовья воспроизводство холмогорского скота требует проведения ряда мероприятий, важнейшими из которых являются генетический мониторинг и поддержание генетического разно- образия [3]. Основными инструментами, с помощью которых оценивают генетическое разнообразие и идентифицируют породную принадлежность животных являются биохимические и молекулярные маркеры [4, 5]. Для решения этих задач наиболее доступными и эффективными маркерами служат микросателлиты [6, 7]. Цель настоящего исследования – изучение микросателлитного профиля быков-доноров сохраненного криоконсервированного семени и оценка внутрипопуляционного индивидуального и группового генетического разнообразия сохраненной популяции холмогорского скота. Материалы и методы Исследовали полиморфизм микросателлитов у быков-доноров криоконсервированного семени, хранящегося в банке племпредприятия РГУСП «Коми» по племенной работе. Данные о генотипах быков по локусам микросателлитов предоставлены для генетического анализа руководством РИСЦ. Генотипирование быков по локусам микросателлитов на коммерческой основе проведено лабораторией ДНК-технологий Всероссийского научно-исследовательского института племенного дела. ДНК для исследования выделяли из криоконсервированного семени быков. Общая численность выборки генотипированных чистопородных холмогорских быков составила 75 гол., в том числе печорского типа холмогорской породы (П) – 17, холмогорских быков классических линий (Х) – 38 гол., кроссированных печоро-холмогорских (ПХ) – 20. Для межпородного сравнения использовали результаты генотипирования 10 гол. чистопородных голштинских быков (Гл). Результаты генотипирования быков по STR-локусам обработали с помощью программы GenAlEx 6.5 [8]. По разным генеалогическим группам и породам рассчитали следующие параметры: N – число животных в группе; Na – среднее число аллелей на локус; Ne – среднее эффективное число аллелей на локус; Ho – оценка средней наблюдаемой (фактической) гетерозиготности; He – оценка средней ожидаемой гетерозиготности на локус; uHe – несмещенная оценка средней ожидаемой гетерозиготности на локус; FIS – индекс фиксации (инбридинга). Парные генетические дистанции между группами быков рассчитали следующими методами: DN – генетическая дистанция по Nei М.; FST – генетическая дистанция по Wright S. и оценки Fst’, G’ST (Nei), G’st(Hed), G’’ST(Hed) Dest, полученные с использованием метода генерации случайных выборок в программе GenAlEx 6.5. В программе Structurе [9] рассчитали апостериорную вероятность (Q) членства отдельных STR-генотипов в различных кластерах без введения предварительной информации об их классификации по генеалогии. Членство отдельных генотипов (особей) в кластерах вычислили при разном их числе (k=2–4). По каждой группе рассчитали средние вероятности членства особей в k-м кластере начиная с k=2 до k=4. Распределение средних вероятностей по кластерам свели в таблицы и визуализировали графически (рис. 1–3). Для детализации генетических различий особей, отнесенных к различным кластерам при k=3 и k=4, в пределах каждого кластера рассортировали особей по вероятности членства и с порогом вероятности 0,75 сформировали в группы. Затем в программе GenAlEx 6.5 по сформированным группам рассчитали их генетико-популяционные характеристики и генетические дистанции между ними. Статистическую обработку данных и графики выполнили в программе Excel. Результаты и их обсуждение Исследование показало, что разные внутрипородные группы быков достоверно не различались и были близки по параметрам генетического разнообразия (табл. 1). Хотя недостоверная дифференциация по некоторым показателям прослеживалась. Так, кроссбредные печоро-холмогорские быки при численности выборки в два раза большей, по сравнению с чистопородными голштинскими быками, уступили им по эффективному числу аллелей. В то же время по наблюдаемой гетерозиготности при высоких показателях абсолютного и эффективного числа аллелей на локус голштинские быки уступали остальным группам по уровню наблюдаемой гетерозиготности. Кроме того, в группе голштинских быков наблюдалась редукция гетерозигот, в то время как по группам быков печорского типа, печоро-холмогорским и холмогорским прослеживался небольшой избыток гетерозигот. Генетические дистанции между кроссированными печоро-холмогорскими быками и голштинской породой были максимальными. Несколько ниже по величине была дифференциация с голштинской породой быков печорского типа и чистопородных холмогорских быков классических линий (табл. 2). В целом значения межпородных генетических дистанций были ниже минимальных значений, опубликованных в обзорной работе Холла [10]. При попарном сравнении групп быков разной породности коэффициенты корреляции оценок генетических дистанций, определенных разными методами, были выше 0,9. Сравнение аллелофондов отдельных групп быков выявило 12 приват-аллелей, в том числе в группе быков печорского типа – два, печоро-холмогорского – один, шесть – в группе холмогорских быков и три – у голштинских. В малочисленной выборке голштинских быков частоты приват-аллелей достигали значений 0,100–0,200 (рис. 4). Анализ вероятности членства быков печорского типа в определенных кластерах при k=2 показал, что у 88,2 % животных вероятность членства в первом кластере была равна или превысила порог 0,75. У двух быков (11,8 %) вероятность членства в первом или втором кластере была ниже 0,75. По группе печоро-холмогорских быков три особи (15 %) не достигли порогового значения для отнесения их к первому кластеру. Вероятность их членства в кластере сохранялась на уровне 0,688–0,723. У остальных быков вероятность членства в кластерах была равна или превысила установленное пороговое значение. У животных классической холмогорской породы 36,8 % особей с вероятностью 0,75 и выше относились к первому кластеру, 13,2 % – ко второму. Остальные особи не достигли пороговых значений вероятности для отнесения их к одному из кластеров (см. рис. 1). В выборке голштинской породы у девяти быков (90 %) вероятность членства во втором кластере превысила пороговое значение, у одного быка (№ 233) вероятность отнесения к первому или второму кластеру распределилась примерно поровну. При подразделении экспериментальной выборки на три кластера в группе печорских быков 10 (58,9 %) особей достигли и превысили пороговое значение вероятности членства в третьем кластере, одна особь отнесена ко второму кластеру (0,6 %). В группе печоро-холмогорских быков семь (35 %) особей отнесены к третьему кластеру, одна – ко второму (0,5 %). Максимальная вероятность отнесения особей к первому кластеру в этих группах не превышала соответственно 0,321 и 0,342. По голштинской породе 40 % особей отнесены ко второму кластеру со значением Q≥0,75 и одна особь (10 %) – к первому. В группе быков классической холмогорской породы величина Q в третьем кластере варьировала по отдельным животным от 0,027 до 0,847, при этом только у четырех особей (10,5 %) значение Q составило 0,75 и выше. У 18,4 % особей вероятность их членства во втором кластере достигла 0,75 и выше, в первом – у трех (7,9 %) (рис. 2, табл. 3). Из этих данных видно, что классическая холмогорская порода занимала промежуточное положение между печорским типом и голштинской породой. Подразделение массива данных на четыре кластера по существу не изменило интерпретации полученных данных (рис. 3, табл. 4). Десять печорских чистолинейных быков с вероятностью 0,75 и выше отнесли ко второму кластеру и трех – к четвертому. Суммарно кластерная принадлежность определена для 76,5 % особей. В группе голштинских быков 50 % особей отнесено к третьему кластеру и одна особь – к первому. У остальных 40 % особей вероятность членства в каком-либо кластере не достигала порогового значения. В группе печоро-холмогорских быков из 20 особей пять (25 %) отнесли ко второму кластеру и три (15 %) – к четвертому. Остальные 60 % не достигли порога вероятности членства в одном из кластеров. В выборке холмогорской породы семь особей с вероятностью членства 0,75 и выше отнесли к четвертому кластеру, два – к первому и два – ко второму. Суммарно у 11 (28,9 %) быков вероятность членства в одном из кластеров достигла или превысила пороговое значение. Из представленных в табл. 5 данных видно, что по кластерной структуре аллелофонда микросателлитов при k=3 и k=4 сходство с голштинской породой возрастает от минимума у быков печорского типа до максимума у быков классической холмогорской породы. Таким образом, по общим параметрам генетической изменчивости достоверных различий между группами не установили (см. табл. 1). Дифференциация холмогорской породы c голштинской по некоторым оценкам была на одном уровне или несколько выше, чем у быков печорского типа холмогорской породы. Между парой П*ПХ генетические дистанции, оцененные разными способами, в большинстве случаев были близки к нулю (см. табл. 2). Редукция гетерозигот в группе чистопородных голштинских быков, вероятно, объясняется инбредностью использованных голштинских производителей. Полученные нами результаты лишь частично согласуются с опубликованными данными Волковой с соавт [11], которые установили, что холмогорская порода, по сравнению с голштинской, обладала более высоким уровнем аллельного разнообразия по STR-локусам: по среднему числу аллелей на локус, количеству информативных аллелей и эффективному числу аллелей. Оценки уровня аллельного разнообразия, гетерозиготности, индексов фиксации, генетической дистанции между печорским типом холмогорской породы, холмогорской с голштинской оказались близкими. Эти сведения не дали практически значимой информации о внутрипопуляционной генетической структуре сравниваемых групп, которую можно было бы использовать в практической работе по поддержанию генетического разнообразия и воспроизводству сохраненного генофонда породы. Планируя эксперимент, мы полагали, что использование для генетического анализа микросателлитов, вследствие их высокого полиморфизма [12] в сочетании с кластерным анализом, позволит детализировать информацию об индивидуальной и групповой структуре, генетической изменчивости и дифференциации внутрипопуляционных субъединиц. Результаты исследования подтвердили это предположение. Последовательный кластерный анализ генетической структуры популяции показал, что при k=2 уровень дифференциации и консолидированности быков голштинской породы, кроссированных печоро-холмогорских производителей и чистолинейных быков печорского типа холмогорской породы был высоким. Консолидированность быков холмогорской породы оказалась гораздо ниже. Высокая консолидированность быков печорского типа холмогорской и голштинской пород была подтверждена и при подразделении массива на три и четыре кластера. При k=3 в генетической структуре печорского типа превалировал компонент третьего и отчасти второго кластеров, последний был основным у голштинской породы. Суммарная доля генетического компонента второго и первого кластеров у голштинской породы была почти в три раза выше, чем у печорского типа – 0,91 к 0,31, у печоро-холмогорских быков – 0,43, у классической холмогорской породы – 0,64 (см. табл. 3). Таким образом, классическая холмогорская порода заняла промежуточное положение между печорским типом и голштинской породой. С увеличением числа кластеров величины и соотношения вероятностей членства особей в соответствующих кластерах менялись, детализировалась генетическая структура отдельных особей и их групп. Однако выводы о консолидированности и дифференциации отдельных внутрипопуляционных групп животных кардинально не менялись. Кластерный анализ массива, генотипированных по маркерам, животных без учета их породы и особенностей генеалогии, позволил выявить и детализировать генетическую оригинальность отдельных особей и/или их групп, структуру и степень генетического различия между ними и, таким образом, получить недостающую информацию для планирования и реализации генофондосохранных мероприятий. В частности, по сравнению с классической холмогорской породой была показана более высокая дифференциация печорского типа с голштинской породой. Визуализация соотношения у отдельных особей вероятности их членства в отдельных кластерах дает возможность без опоры на генеалогию планировать предварительную систему закрытого воспроизводства генофондного поголовья при условии одновременной аттестации самцов и самок по микросателлитам. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1. Мещеров, Р. К. Породная инвентаризация племенных ресурсов холмогорской породы крупного рогатого скота в Российской Федерации / Р. К. Мещеров, В. П. Ходыков, Ш. Р. Мещеров [и др.] // АгроЗооТехника. – 2022. – Т. 5, № 1. – DOIhttps://doi.org/10.15838/alt.2022.5.1.6.
2. Матюков, В. С. Генетическая история и ценность генофонда исчезающей холмогорской породы / В. С. Матюков, Я. А. Жариков, Н. А. Зиновьева // Молочное и мясное скотоводство. – 2018. – № 2. – С. 2–8.
3. Столповский, Ю. А. Проблема сохранения генофондов доместицированных животных / Ю. А. Столповский, И. А. Захаров-Гезехус // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2017. – Т. 21, № 4. – С. 477–486. – DOI:https://doi.org/10.18699/VJ17.266.
4. Demir, E. Genetic diversity and population structure of four cattle breeds raised in Turkey using microsatellite markers / E. Demir, M. S. Balcioğlu // Czech Journal of Animal Science. – 2019. – Vol. 64. – № 10. – P. 411–419. – DOI:https://doi.org/10.17221/62/2019-CJAS.
5. Saravanan, K. A. Genome-wide assessment of genetic diversity, linkage disequilibrium and haplotype block structure in Tharparkar cattle breed of India / K. A. Saravanan, M. Panigrahi, H. Kumar [et al.] // Animal Biotechnology. – 2020. – Vol. 33. – № 1. – P. 1–15. – DOIhttps://doi.org/10.1080/10495398.2020.1796696.
6. Галинская, Т. В. Предубеждения о микросателлитных исследованиях и как им противостоять / Т. В. Галинская, Д. М. Щепетов, С. Н. Лысенков // Генетика. – 2019. – Т. 55, № 6. – С. 617–632. – DOIhttps://doi.org/10.1134/S0016675819060043.
7. Матюков, В. С. Анализ аллелофонда полутонкорунных овец печорской популяции с помощью STR-маркеров / В. С. Матюков, Я. А. Жариков, Л. А. Канева // Генетика. – 2023. – Т. 59, № 7. – С. 843–849. – DOIhttps://doi.org/10.31857/S0016675823060103.
8. Peakall, R. GenAlEx 6.5 : genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. An update / R. Peakall, P. E. Smouse // Bioinformatics. – 2012. – Vol. 28. – № 19. – P. 2537–2539.
9. Pritchard, J. K. Documentation for structure software: Version 2.3 / J. K. Pritchard, X. Wen, D. Falush. – Chicago : University of Chicago, February 2, 2010. – 39 р. – URL: https://web.stanford.edu/group/pritchardlab/structure_software/release_versions/v2.3.4/structure_doc.pdf.
10. Hall, S. J. G. Genetic differentiation among livestock breeds-values for Fst // Animals. – 2022. – Vol. 12. – № 9. – Article number 1115. – DOI:https://doi.org/10.3390/ani12091115.
11. Волкова, В. В. Характеристика аллелофонда холмогорской породы крупного рогатого скота с использованием STR-маркеров / В. В. Волкова, О. С. Романенкова, Т. Е. Денискова [и др.] // Молочное и мясное скотоводство. – 2019. – № 7. – С. 3–7.
12. Kalinowski, S. T. Evolutionary and statistical properties of three genetic distances / S. T. Kalinowski // Molecular Ecology. – 2002. – Vol. 11. – № 8. – P. 1263-1273. - DOI: https://doi.org/10.1046/j.1365-294X.2002.01520.x.
