Полиморфизм гена бета-казеина у крупного рогатого скота джерсейской породы в Ставропольском крае
Молочное скотоводство играет ключевую роль в обеспечении населения планеты высококачественными продуктами питания. Среди различных пород крупного рогатого скота джерсейская порода занимает особое место благодаря уникальным характеристикам своего молока. Оно отличается высоким содержанием жира и белка, а также превосходными технологическими свойствами, делающими его особенно ценным для производства сыра и других молочных продуктов.
Качество молока и его состав определяются множеством факторов, включая генетические особенности животных. Несколько генов, кодирующих молочные белки, привлекают особое внимание селекционеров. Одним из таких генов является ген бета-казеина, совместно с которым активно изучается полиморфизм гена каппа-казеина, особенно в контексте сыроделия и технологических свойств молока.
Исследования обоих генов необходимы для комплексного понимания генетического потенциала пород.
Бета-казеин — один из основных белков казеиновой фракции молока, составляющий около 30–40% от общего количества казеинов. Ген CASB локализован на 6-й хромосоме крупного рогатого скота (BTA6 q24). Он входит в состав кластера генов казеинов, который включает гены альфа-S1-казеина (CSN1S1), альфа-S2-казеина (CSN1S2) и каппа-казеина (CSN3). Эти гены тесно сцеплены и расположены в следующем порядке: CSN1S1 — CSN1S2 — CASB — CSN3. Такое тесное расположение генов казеинов, вероятно, является результатом тандемных дупликаций в процессе эволюции. Размер гена CASB составляет около 8500–9000 пар оснований. Ген CASB характеризуется значительным полиморфизмом, то есть наличием нескольких аллельных вариантов. Наиболее изученными и распространенными являются аллели A1 и A2, различающиеся одной аминокислотной заменой в положении 67 белковой цепи: гистидин у A1 и пролин у A2.
В последние годы полиморфизм гена CASB привлекает повышенное внимание исследователей и производителей молока в связи с предполагаемым влиянием различных аллелей на здоровье человека. Существует гипотеза, что при переваривании β-казеина A1 в желудочно-кишечном тракте образуется пептид бета-казоморфин-7 (BCM-7), который может оказывать негативное воздействие на организм, в то время как β-казеин A2 считается более безопасным и легче усваиваемым. Хотя эти данные до сих пор являются предметом дискуссий и требуют дальнейшего изучения, многие потребители отдают предпочтение молоку, содержащему преимущественно β-казеин A2.
Кроме потенциального влияния на здоровье человека, полиморфизм гена CASB может быть связан с продуктивными качествами животных и технологическими свойствами молока. Ряд исследований указывают на возможную связь определенных генотипов CASB с удоем, содержанием жира и белка в молоке, а также с сыропригодностью и другими характеристиками.
Несмотря на широкую известность джерсейской породы, данных о полиморфизме гена CASB у этого скота в России недостаточно. Исследования, проведенные в других странах и на других породах крупного рогатого скота, демонстрируют значительную вариабельность частот аллелей и генотипов CASB в зависимости от породы, региона и селекционных программ.
Цель исследования — изучение полиморфизма гена бета-казеина (CASB) у крупного рогатого скота джерсейской породы.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования были коровы-первотелки джерсейской породы (n = 361) по результатам их первой законченной лактации (305 дней), принадлежащие племенному репродуктору Ставропольского края. Использование данных только по первой лактации позволило обеспечить однородность выборки и исключить влияние возраста на продуктивные показатели. Исследования проводили в течение 2024 г.
Эксперименты проведены с соблюдением требований, изложенных в Директиве Европейского парламента и Совета ЕС от 22 сентября 2010 года № 2010/63/ЕС о защите животных, использующихся для научных целей, и принципов обращения с животными, согласно статье 4 ФЗ РФ № 498-ФЗ.
Отбор проб молока-сырья проводили индивидуально от каждой коровы во время контрольных доений специалистами племенного репродуктора совместно с Ассистентской службой ФГБОУ ВО «Ставропольский ГАУ» (госрегистрация в племенном регистре РФ № 262704901000, свидетельство о регистрации в государственном племенном регистре серия ПЖ 77 № 010821) в соответствии с ГОСТ Р ИСО 707-2010 и Рекомендацией Коллегии ЕЭК от 21 ноября 2023 года № 34.
Данные по молочной продуктивности (суточный удой, содержание жира и белка в молоке) рассчитывали как среднее значение по результатам ежемесячных контрольных доек.
Анализ качественных показателей молока (содержания жира и белка, %) проводили в Лаборатории селекционного контроля качества молока ФГБОУ ВО «Ставропольский ГАУ» (госрегистрация в племенном регистре РФ № 262704801000, свидетельство о регистрации в государственном племенном регистре серия ПЖ 77 № 011667) в соответствии с ГОСТ 32255-2013.
Живую массу исследуемых коров определяли в соответствии с ГОСТ Р 57878-2017 в середине первой лактации (на 150-й ± 15 день).
Для оценки продуктивной эффективности рассчитывали относительный выход молочных компонентов (жира, белка, а также их суммы) за 305 дней лактации на 100 кг живой массы. Данный подход, нормализующий продуктивность по живой массе, является общепринятым в селекции на повышение экономической эффективности.
В научной литературе используют аналогичные метрики, в частности выход молока на единицу метаболической массы (кг ECM / кг BW ^ 0.75) [19] и расчеты энергетического баланса, включающие соотношение BW/100.
Забор цельной крови у исследуемого поголовья коров проводили из яремной вены в вакуумные пробирки с антикоагулянтом ЭДТА с сентября по октябрь 2024 года.
Генетические исследования выполняли в Лаборатории молекулярно-генетической экспертизы ФГБОУ ВО «Ставропольский ГАУ» (госрегистрация в племенном регистре РФ № 262704803000, свидетельство о регистрации в государственном племенном регистре серия ПЖ 77 № 010649).
Выделение ДНК из отобранной цельной крови проводили согласно протоколу к коммерческому набору «М-Сорб-Кровь» (ООО «НПФ “Синтол”», Россия).
Полиморфизм аллелей в гене бета-казеина определяли методом ПЦР в реальном времени согласно протоколу к набору реагентов для определения полиморфизма Pro67His гена бета-казеина CASB у крупного рогатого скота (ООО «НПФ “Синтол”», Россия).
Фланкирующая последовательность, указанная в протоколе набора: 5′-ACAGTCTCTAGTCTATCCCTTCCCTGGGCCATCC[C/A]TAACAGCCTCCCACAAAACATCCCTCCTC-3′. Соответствие генотипов: генотип C/C соответствует аллельному варианту A2A2, генотип C/A — A2A1, генотип A/A — A1A1.
Амплификацию проводили на приборе для ПЦР в реальном времени Rotor-Gene Q (QIAGEN, Германия) со следующими параметрами термоциклирования: денатурация 94 — 3 мин.; цикл 1: 94 — 20 сек., 58 — 20 сек., 61 — 30 сек., без детекции, 10 повторов; цикл 2: 94 — 20 сек., 58 — 20 сек., 61 — 30 сек. (с детекцией по каналам green и yellow), 30 повторов.
Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета прикладных программ Microsoft Excel (США). Для сравнения средних значений показателей молочной продуктивности между группами генотипов использовали t-критерий Стьюдента для независимых выборок. Различия считали статистически значимыми при p < 0,05.
Результаты и обсуждение
Анализ результатов генотипирования выявил, что у коров джерсейской породы полиморфизм генов бета-казеина (CASB) представлен двумя аллелями — CASBA и CASBC.
Частота встречаемости аллелей CASBA, CASBC составила 0,39 и 0,61 соответственно (рис. 1).
Высокая частота встречаемости генотипов С/А (A2A1) и С/С (A2A2) по гену бета-казеина (CASB) у коров джерсейской породы предположительно связана с проводимой в хозяйстве направленной селекцией. Так, для получения животных в исследуемой выборке было использовано семя. В хозяйстве активно используется семя от 23 быков-производителей с генотипами A2A2 (в 65,2% случаев), A2A1 (в 8,7% случаев) и неизвестным по гену бета-казеина (в 26,1% случаев). Такая селекционная стратегия приводит к искусственному увеличению доли аллеля A2 в популяции и, как следствие, преобладанию генотипов, содержащих этот аллель (A2A2 и A2A1).
Минимальное количество животных с генотипом A1A1 (всего 2 особи) является закономерным результатом этой селекционной политики, поскольку аллель A1 практически не вносится в популяцию с генетическим материалом быков-производителей. Таким образом, наблюдаемая генетическая структура популяции является отражением целенаправленного отбора, ориентированного на увеличение доли животных, несущих аллель A2 бета-казеина.
На основе полученных данных была дана оценка генетической структуры изучаемого поголовья коров джерсейской породы (табл. 1).
Наблюдаемая гетерозиготность, представляющая собой долю гетерозиготных особей в выборке, составила 0,7695, ожидаемая гетерозиготность, рассчитанная на основе частот аллелей, — 0,4760.
Сравнение Ho и He показало значительный избыток гетерозигот в исследуемой выборке по сравнению с ожидаемым при равновесии Харди —Вайнберга. Статистическая значимость этого отклонения была подтверждена с помощью критерия χ², который показал высокое значение (χ² = 137,77, df = 1, p < 0,001).
Для дополнительной характеристики отклонения от ожидаемой гетерозиготности был рассчитан коэффициент инбридинга (Fis) -0,6166. Отрицательное значение Fis указывает на избыток гетерозигот в популяции.
Для оценки влияния полиморфизма гена CASB на продуктивные качества был проведен сравнительный анализ. Анализ абсолютных показателей, таких как средний суточный удой, не выявил статистически значимых различий между животными с разными генотипами. Однако при оценке эффективности производства молока, рассчитанной как выход молочных компонентов на 100 кг живой массы, были обнаружены достоверные различия (табл. 2).
Анализ связи генотипов CASB с показателями продуктивности, нормализованными по живой массе, выявил статистически значимые различия (p < 0,05) по эффективности синтеза молочного белка. Наиболее высокий показатель отмечен у коров с редким генотипом A1A1 (65,40 кг) по сравнению с коровами с генотипами A2A1 (63,87 кг) и A2A2 (61,40 кг) (p < 0,05). Разница составила 1,53 кг (2,4%) и 4,00 кг (6,5%) соответственно. В свою очередь, коровы с генотипом A1A2 показали достоверно более высокий выход белка по сравнению с коровами генотипа A2A2 (p < 0,05). Таким образом, в исследуемой выборке наблюдали четкую градацию по эффективности синтеза молочного белка относительно размеров животного.
Необходимо отметить, что вывод о преимуществе генотипа A/A (A1A1) по выходу белка в данном исследовании является предварительным, так как основан всего на двух животных. Этот результат требует подтверждения на большей выборке. В то же время, несмотря на отсутствие статистической значимости, наблюдаемые различия в выходе жира (9,11–9,78 кг) и суммарном выходе жира и белка (10,48–13,82 кг) между генотипом A/A и другими генотипами могут иметь практическое значение, заключающееся в возможном побочном эффекте селекции, при котором целенаправленная элиминация аллеля A1 ради получения молока типа А2 может быть сопряжена со снижением генетического потенциала эффективности производства. Увеличение выборки животных с генотипом A/A, вероятно, позволит выявить статистическую достоверность этих различий, что требует дальнейшего изучения. Необходимы дальнейшие исследования с большей выборкой животных.
Важно учитывать, что генотип A1A1 в исследованной группе животных встречается крайне редко, что ограничивает практическую значимость этого результата на данный момент. Эти данные частично отличаются от результатов, полученных при изучении джерсейского скота в Индии. В исследовании индийских ученых было установлено, что генотип A2A2 ассоциирован со статистически значимо более высоким содержанием жира и белка в молоке. В то же время аллель A1 (в генотипе A1A2) был связан с более высоким удоем и выходом белка, что в целом согласуется с наблюдениями авторов о преимуществе генотипа A1A1 по относительному выходу белка.
Различия в результатах, вероятно, объясняют как особенностями исследуемых популяций и разными селекционными программами, так и разными методиками оценки. Например, в данном исследовании оценивали относительный выход компонентов на 100 кг живой массы, тогда как в работе анализировали абсолютные показатели.
В ряде исследований на других породах (холмогорской, красно-пестрой) были выявлены частичные статистически значимые связи между генотипами CASB и содержанием белка в молоке. В исследовании на черно-пестрой породе у коров с генотипом A2A1 наблюдали тенденцию к более высокому удою, однако эти различия не были статистически значимыми.
Таким образом, результаты проведенного анализа свидетельствуют о существенном и статистически значимом отклонении наблюдаемого распределения генотипов от ожидаемого по закону Харди — Вайнберга, а именно о значительном избытке гетерозигот (Ho = 0,7695) по сравнению с ожидаемым значением (He = 0,4760). Наблюдаемый значительный избыток гетерозигот (Ho = 0,7695) и дефицит гомозигот A1A1 не является следствием естественных процессов, таких как сверхдоминирование, а напрямую объясняется проводимой в хозяйстве селекционной программой.
Использование семени быков-производителей с генотипом A2A2 на маточном поголовье, в котором всё еще присутствует аллель A1, закономерно приводит к рождению большого числа гетерозиготных потомков (A2A1) и резкому снижению числа гомозигот A1A1. Отрицательный коэффициент инбридинга (Fis = -0,6166) в данном случае является не показателем преимущества гетерозигот, а математическим отражением такой направленной неслучайной системы скрещиваний.
В ходе исследования было установлено, что в изученной популяции джерсейского скота частота аллеля A2 (0,61) превышает частоту аллеля A1 (0,39). Это согласуется с полученными данными при изучении джерсейского скота в Индии. В их исследовании преобладал аллель A2 (0,69), а частота аллеля A1 составляла всего 0,31.
Сравнение с другими породами крупного рогатого скота показывает высокую вариабельность в частотах аллелей CASB. Например, согласно результатам исследования Л.А. Калашниковой с соавт. (2021 г.), у холмогорского скота наблюдается схожая картина с преобладанием аллеля A2 (0,62). По данным Н.А. Худяковой с соавт. (2023 г.), у ярославской породы чаще встречается аллель A2. Данные по голштинской породе более противоречивы, но в некоторых популяциях отмечается преобладание A1 (М.А. Парамонова, 2023 г.). При изучении бурой швицкой породы Л.А. Калашникова с соавт. (2022 г.) обнаружили высокую частоту встречаемости аллеля А2 (0,69–0,71) в отечественной селекции, а в зарубежной — до 0,92. Однако межпородные и внутрипородные различия в частотах аллелей могут быть следствием как особенностей происхождения и селекции, так и случайных генетических процессов (дрейфа генов).
Другой важной особенностью является значительное отклонение распределения генотипов от равновесия Харди — Вайнберга. В исследованной популяции джерсейского скота наблюдали существенный избыток гетерозигот A1A2 (76,95%) по сравнению с теоретически ожидаемым значением (47,60%). В отличие от данных результатов, у авторов, изучавших другие породы по полиморфизму гена бета-казеина, распределение генотипов соответствовало равновесию.
Наблюдаемый избыток гетерозиготного генотипа A1A2 и практически полное отсутствие гомозиготного генотипа A1A1 являются прямым и ожидаемым следствием целенаправленной селекционно-племенной работы, проводимой в хозяйстве. Активное использование семени быков-производителей с генотипом A2A2 на маточном поголовье, в котором всё еще циркулирует аллель A1, закономерно приводит к рождению большого количества гетерозиготных потомков.
Таким образом, крайне низкое количество животных с генотипом A1A1 (n = 2) — это не косвенный признак, а непосредственный результат реализуемой селекционной стратегии, направленной на насыщение стада желательным аллелем А2 (Л.А. Калашникова с соавт., 2022 г.; А.И. Голубков с соавт., 2023 г.).
Выводы
Генетическая структура исследуемой популяции джерсейской породы в Ставропольском крае сформирована под воздействием целенаправленной селекции, что подтверждается преобладанием аллеля A2 (0,61) над аллелем A1 (0,39) и значительным отклонением от равновесия Харди — Вайнберга (χ² = 137,77; p < 0,001). Это отклонение выражается в резком избытке гетерозиготных животных A1A2 (наблюдаемая частота 0,7695 против ожидаемой 0,4760) и крайне низкой встречаемости гомозигот A1A1 (2 особи из 361), что является прямым следствием использования A2-быков в стаде.
Анализ связи генотипов с продуктивными качествами выявил ключевой селекционный компромисс (trade-off). Животные с редким генотипом A1A1, который целенаправленно элиминируется из популяции, продемонстрировали статистически значимо (p < 0,05) более высокую эффективность синтеза молочного белка. Относительный выход белка на 100 кг живой массы у них составил 65,40 кг, что на 2,4% и 6,5% выше, чем у генотипов A1A2 (63,87 кг) и A2A2 (61,40 кг), соответственно.
Несмотря на выявленное преимущество генотипа A1A1 по эффективности синтеза белка, возврат к селекции на его распространение нецелесообразен. Приоритет рыночного спроса на молоко типа А2, а также предварительный характер наблюдения авторов (n = 2) делают продолжение текущей селекционной программы по насыщению стада аллелем A2 наиболее оправданной стратегией.
Об авторах
Сергей Александрович Олейник, доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник
soliynik60@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-6003-4777
Артем Васильевич Лесняк, аспирант
lesnyak.artem@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-7451-2485
Ставропольский государственный аграрный университет, пер. Зоотехнический, 12, Ставрополь, 355017, Россия
УДК: 636.2.034
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-396-07-107-113
