Сравнительный популяционно-генетический анализ генофондной красной горбатовской породы на основе SNP-маркеров
Красные молочные породы КРС, распространенные на территории РФ, такие как красная степная, красно-пестрая и молочно-мясная красная горбатовская, являются ценным культурным и историческим достоянием и часто источником уникального генетического разнообразия. К примеру, в генотип красного горбатовского скота заложены исключительная жиро- и белковомолочность, повышенный выход сухих веществ молока, хорошие удойные качества при соблюдении условий кормления и содержания, приспособленность к разведению в зоне умеренного климата Центральной России. Отличительной особенностью этих животных считается необыкновенная устойчивость к возбудителям лейкоза, туберкулеза и бруцеллеза. Среди многих отечественных пород они отличаются от групп скота красного, черного и бурого корня повышенным числом уникальных аллелей в своем генотипе по разным системам генотипирования (группы крови, белки молока, STR-и SNP-маркирование).
Красно-пестрая порода превосходит симментальскую по удою на 1500 кг молока, по морфофункциональным свойствам вымени и при этом не уступает ей по качеству и технологическим свойствам молока, живой массе, мясным свойствам и качеству кожевенного сырья.
Животные красно-степной породы отлично переносят жару и периодические летние засухи, обладают крепким иммунным статусом, устойчивостью к неблагоприятным воздействиям внешней среды, отличаются долголетием, хорошей воспроизводительной способностью и отсутствием в генотипе летальных мутаций.
Однако им трудно конкурировать по удою с другими, более продуктивными молочными породами, такими как голштинская и черно-пестрая. Повышение конкурентоспособности красных молочных пород путем ускорения их генетического улучшения, а также сохранения ценного аллелофонда с помощью геномных методов может быть многообещающей стратегией для обеспечения их долгосрочного будущего. Для многих красных пород создание достаточно большой референтной популяции для получения геномного прогноза племенной ценности часто невозможно, но может быть преодолено путем добавления особей из других пород красного корня.
Родство между ними во многом определяет выгоду объединения ряда пород в единую референтную популяцию для разработки общей селекционной программы. В связи с этим изучение генетической структуры популяции красных пород скота России, в частности красной горбатовской, отнесенной к группе генофондных пород скота, для целей ее дальнейшего сохранения и проведения оценки генотипа животных представляется актуальным.
Так, на примере исследования европейских ученых было изучено родство между 6 голландскими породами крупного рогатого скота красного корня — гронингенской белоголовой (Groningen White Headed), голландской фризской (Dutch Friesian), маас-рейн-эйссельской (Meuse-Rhine Yssel), голландской опоясанной (Dutch Belted), темно-красной (Deep Red) и голландским скотом, улучшенным красно-пестрым голштинским (Improved Red), с акцентированием основного внимания эффективному числу сегментов на хромосомах для уточнения, какие из данных пород могут выиграть от включения животных других пород в референтную базу.
Стоит заметить, что все изученные породы, за исключением маас-рейн-эйссельской, находятся под высоким риском исчезновения. Результаты показали высокую изменчивость эффективного числа сегментов на хромосомах, особенно в диапазоне от ~3500 до ~17 400 пар нуклеотидов (п. н.), что указывает на разные уровни родства между породами. В частности, важными оказались два кластера в геноме, один из которых отмечен для маас-рейн-эйссельской, голландской фризской и улучшенной красно-пестрой, а другой — для голландской фризской и голландского опоясанного скота.
В совместных исследованиях отечественных и зарубежных ученых по изучению генофонда бестужевской, суксунской и красной горбатовской пород на основе применения полногеномных данных и поиска регионов в геноме, подверженных повышенному селекционному давлению, отмечено, что при расстоянии 0–30 kb достоверные различия (р < 0,001) по средним значениям LD (linkage disequilibrium, неравновесное сцепление генов) наблюдались для группы пород: голштинской красно-пестрой масти и красной горбатовской (0,303–0,317), бестужевской (0,275), суксунской (0,251). Для красной горбатовской породы имело место улучшение голштинским скотом ввиду наличия общих сегментов в геноме. Бестужевский скот наравне с суксунским при анализе величины LD между SNP (Single nucleotide polymorphism, однонуклеотидный полиморфизм) на хромосомах образовывал обособленные генетические группы. Вариабельность показателя LD была невысокой в геноме животных суксунской породы. Эффективный размер численности популяций для изученных пород был наибольшим для бестужевской (n = 113) и суксунской (n = 84) пород и наименьшим — для красной горбатовской (n = 79).
В исследованиях, проведенных авторами ранее при рассмотрении молочной продуктивности коров красной горбатовской породы разных генотипов, отмечено, что прилитие крови англерской породы положительно отразилось на увеличении МДЖ (массовой доля жира) в молоке коров до 4,47%. Скрещивание с красной датской породой способствовало увеличению молочной продуктивности до уровня 5000–5200 кг молока (до 5774 кг по максимальной лактации). Результаты дисперсионного анализа указывали на высокое достоверное влияние улучшающей породы (η = 12,98%, р ≥ 0,999) и быка-отца (η = 5,09%, р ≥ 0,999) для признаков молочной продуктивности. На признак МДЖ и МДБ высокое достоверное влияние оказали кровность по улучшающей породе (η = 6,85–6,12%, р ≥ 0,999) и бык-отец (η = 4,43–4,93%, р ≥ 0,999).
Таким образом, можно заключить, что животные красной горбатовской породы наравне с англерской и красной датской могут быть использованы в формировании референтной группы красного скота.
В прошлых исследованиях авторов были идентифицированы кластеры в геноме на BTA9 (bos taurus autosom, аутосома крупного рогатого скота) и BTA22, влияющие на изменчивость содержания пальмитиновой и миристиновой жирных кислот в молоке коров красной горбатовской породы, на BTA20 — для пальмитиновой, миристиновой и олеиновой жирных кислот, на BTA25 — для пальмитиновой, миристиновой, стеариновой и олеиновой жирных кислот. Были обнаружены общие ассоциации, не зависящие от длины цепи жирных кислот и локализованные на хромосоме BTA25. Группа насыщенных, ненасыщенных жирных кислот и трансизомеров была ассоциирована с локусами количественных признаков (QTL, quantitative trait loci) на BTA8 (кроме ненасыщенных и полиненасыщенных жирных кислот), BTA18 (кроме мононенасыщенных жирных кислот), BTA20 (кроме полиненасыщенных жирных кислот) и BTA25. Для показателей миристиновой жирной кислоты установлены гены, образующие локусы количественных признаков на хромосомах BTA1, 3, 17, 22, 25, 29: ERG, LRRC8D, RAPGEF2, TEX264, AUTS2, LIMK1, STT3A, ACRV1, для короткоцепочечных жирных кислот — на хромосомах BTA1, 13: PCOLCE2, ATRN, для среднецепочечных жирных кислот — на BTA25: HS3ST2, для трансизомеров — на хромосомах BTA11, 20, 24: POLE4, C1QTNF3, CTNND2, DSG2. Следует обратить внимание на то, что для всех типов жирных кислот и трансизомеров определен участок QTL на хромосоме BTA25 — LIMK1 и AUTS2. Аннотация генов показала сопряженность их с признаками выхода молочного белка (LRRC8D), удоя и скорости доения (LRRC8D, CTNND2), с пигментацией в области глаз (ATRN), количеством соматических клеток в молоке (C1QTNF3), восприимчивостью к туберкулезу, содержанием пентадециловой кислоты в молоке и уровнем тироксина (CTNND2), а также с количеством кальция в молоке (HS3ST2) [12].
Цель данного исследования — сравнительный популяционно-генетический анализ структуры генофондной красной горбатовской породы в сравнении со скотом красного корня российского и зарубежного происхождения на основе скрининга полиморфизмов SNP-маркеров, полученных в результате генотипирования по технологии биочипов.
Материалы и методы исследования
С использованием биочипа Illumina 50K v3 средней плотности (Illumina, США) были прогенотипированы 129 голов коров красной горбатовской породы стада генофондного хозяйства ООО «Абабковское» (Нижегородская обл., Россия, 2023–2024 гг.).
Сравнительный анализ проведен с породами КРС красный белорусский скот (n = 20), голштинской черно-пестрой (n = 17) и красно-пестрой масти (n = 4), красной датской (n = 6) (в том числе генофондной группы), красной степной (n = 29) и суксунской (n = 7).
Образцы были депонированы на базе уникальной научной установки (УНУ) «Банк генетического материала животных и птиц» ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л.К. Эрнста.
Выделение ДНК из исследуемых образцов проводили по стандартным протоколам производителя оборудования. Генотипирование проводили на сканере биочипов iScan System (Illumina, США), функционирующем в ЦКП «Биоресурсы и биоинженерия сельскохозяйственных животных» ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л.К. Эрнста. Среднее качество генотипирования составило 99,3% при вариации от 95,2 до 99,8%, что показало хороший уровень созданной исследовательской базы данных генотипов коров.
Контроль качества SNPs (редактирование генетической базы) проводили с помощью программного обеспечения Plink 1.9 (США) в среде программирования RStudio.
Поиск генов-кандидатов, локализованных в области идентифицированных SNP, осуществляли по базе данных NCBI со сборкой генома Bos_taurus_UMD_3.1.1. Для поиска QTL и регионов под давлением отбора на хромосомах скота, имеющих сопряженность с функциональными характеристиками животных, использовали базу данных CattleQTLdb. Геномная кластеризация была изучена с использованием программного обеспечения Admixture v1.3 (США) и визуализирована с помощью пакета R pophelper.
Для поиска следов селекции в исследованных породах использовали следующие методы: расчет значений Fst при попарном сравнении пород, оценку островков (паттернов) гомозиготности (ROH), перекрывающихся у разных пород, и анализ гаплотипов с помощью программы hapFLK. В программе Plink 1.9 были рассчитаны попарные значения генетических дистанций между всеми SNP на основании Fst для каждой пары пород, а также проведена оценка ROH. В качестве локусов, наиболее вероятно подвергшихся селекции (давлению искусственного отбора), были приняты 0,1% SNP c максимальными значениями Fst, как было предложено Kijas и соавт. (2012). В результате теста hapFLK были получены значения отклонений частот SNP от нейтральной модели и визуализированы с помощью R-пакета qqman.
Для выявления генов-кандидатов в областях генома, подвергающихся предполагаемому давлению селекции, была использована информация о хромосомной локализации регионов, обнаруженных с помощью трех различных статистических методов: Fst, ROH (в программе Plink 1.9), hapFLK. Приоритет был отдан тем областям, которые перекрывались и были обнаружены как минимум двумя разными методами.
Для оценки гаплотипического разнообразия в выборку к исследуемым породам были включены генотипы особей, полученные на аналогичных биочипах, бестужевской (n = 27) и бурой швицкой (n = 20) пород.
Оценку неравновесия по сцеплению осуществляли в программе Plink 1.9 по каждой хромосоме согласно алгоритму —chr «1…29» —r2—ld-window 10000—ld-window-kb 10000—ld-window-r2 0. В качестве сравнения при анализе LD в выборку были включены данные по генотипам белоголовой украинской породы (n = 11) (Illumina 50K v2, Illumina) из генофондного банка ВНИИГРЖ (ЦКП «Генетическая коллекция спермы крупного рогатого скота отечественных и зарубежных пород»).
Результаты и обсуждение
Проведено тестовое сравнительное изучение происхождения выборки особей из группы животных красной горбатовской породы в сравнении с известными породами скота красного корня (рис. 1). Животные голштинской породы черно-пестрой масти добавлены к группе коров красного корня при проведении адмиксии для научного задела и оценивая доли участия их компонент в рассматриваемых геномах. Визуализация адмиксии показывает долю генетических компонент каждой группы, входящей в анализ относительно всех групп, то есть тонкой полосой на рисунке 1 показано каждое животное изучаемой выборки с цветами, характерными для каждой породы при различных коэффициентах подобия (вариантах разложения на группы). В данном случае это при коэффициентах подобия K = 2, K = 4, K = 6, K = 8, K = 10.
В настоящем анализе адмиксии 9 пород, и, соответственно, при максимальном рассматриваемом коэффициенте подобия К = 10 наблюдаем возможное включение компонент исследуемых пород в каждом конкретном образце (животном) с возможным присутствием еще какой-либо другой компоненты (К = 10), не участвующей в исследовании.
Анализ адмиксии показал, что при коэффициенте подобия K = 2 животные искомой породы в наибольшей степени отличались от красного белорусского скота, голштинской черно- и красно-пестрой масти, красной датской (в том числе генофондной группы), однако были более схожими по геномным компонентам с красной степной и суксунской породами. При K = 4 наблюдали наибольшую однородность групп красного горбатовского скота, а при K = 6–10 отмечали сильную фрагментацию в виде комплексных генотипов с другими сравниваемыми породами (что действительно может указывать на использование красной датской, голштинской и отчасти англерской пород для улучшения скота красной степной и суксунской породы) с выделением отдельных групп особей, формирующих уникальное происхождение.
Во всяком случае по данному анализу можно судить о том, что искомая популяция отличается от групп красных пород скота Западной Европы и Северной Европы, а также от отечественных локальных популяций. Это свидетельствует, что полученные данные в первичном изучении могут говорить о целесообразности их использования в дальнейшей селекционно-племенной работе.
Проведено тестовое определение регионов в геноме, находящихся под давлением искусственного отбора на основе различных методов поиска (Fst, hapFLK, ROH) для группы красных пород скота, на расширенной выборке животных с использованием бурой швицкой породы (BRSW, n = 22) в качестве группы сравнения. Получены результаты сканирования поиска локусов, находящихся под давлением отбора, на основе различий в частотах гаплотипов (hapflk) между российскими популяциями — породами скота красного корня с учетом их иерархической структуры в общей выборке.
Установлено, что наибольшая частота кластеров гаплотипов в геноме была локализована на хромосоме 6 КРС для 6 сравниваемых пород красного корня (37196103–37698422 bp, детектируемый регион), а также на хромосоме 7 КРС для 6 сравниваемых пород (530447:1915174 bp, детектируемый регион) (рис. 2, 3). Частота кластера гаплотипов обозначает распространенность определенной группы схожих гаплотипов (гаплогруппы) в популяции. Она показывает, какая доля животных в определенной выборке имеет этот набор гаплотипов, что позволяет делать выводы о родстве и особенно истории популяций. Одним цветом обозначены доли одинаковых для животных гаплотипов в каждой группе, соответственно, если гаплотипы разные, то и цвета разные в каждом конкретном месте на хромосоме, то есть на примере хромосомы 6 (BTA6) видно, что у бурой швицкой породы на участке от 3,8е + 07 до 4,0е + 07 почти 100% особей имеют одинаковый гаплотип (светло-голубой цвет).
При сравнении российских красных пород (красной горбатовской, красной степной, суксунской) с красным белорусским скотом были выявлены гены U6 и RNF130, локализованные на 16 и 7 хромосомах, соответственно, связанные с регуляцией процессов сплайсинга транскриптов и апоптоза клеток. При сравнении красной белорусской породы с бурой швицкой дополнительно выявлены гены BROX, DISP1, CAPN2, NCAPG, локализованные на 16 и 6 хромосомах и связанные с нормальным развитием эмбриональных структур, размерами тела, регуляцией клеточного цикла и митоза.
Сравнение российских красных пород с бурой швицкой, кроме вышеперечисленных генов, дополнительно выявило гены SYT10, DBX2, NELL2, LAP3 и LYN, локализованные на 5, 6 и 14 хромосомах, связанные с регуляцией секреции дофамина и восприятием запахов, процессами регуляции транскрипции, фертильностью, протеолизом в клетках, размерами тела (табл. 1).
Анализ регионов генома по QTL показал, что выявленные разными методами гены ROH/Fst, hapflk/Fst и hapflk/ROH были связаны с жирнокислотным составом молока (включая конъюгированную ЖК), весом и размерами тела животных, среднесуточным привесом и уровнем потребления корма, площадью мышечного глазка, выходом жира и белка молока, показателями фертильности (трудности отела).
На основе паттернов гомозиготности (ROH, runs of homozygosity) была проведена оценка суммарной их длины и количества для ряда красных пород скота России (включая красную горбатовскую) и Беларуси (красный белорусский скот) (рис. 4).
Наибольшая величина ROH при разной длине паттернов (от 0–2 до > 16 Mb) была показана для бестужевской, далее — красной горбатовской и суксунской пород. При этом наименьшие значения получены для животных красной степной породы (в сравнительном аспекте с бурой швицкой). Для красного белорусского скота отмечены наименьшие значения величины гомозиготности, что можно связать с возможным активным использованием на маточном поголовье англерских и красных датских быков.
При увеличении расстояния между маркерами от 30–70 kb 100–200 kb происходит дифференциация каждой из породных групп, за исключением голштинов красно-пестрой масти, что указывает на идентичный характер сцепления для SNP пар (рис. 5).
Начиная с дистанции 200 kb по LD, отмечен независимый характер распределения значений по породам. При более детальном рассмотрении значений LD по породам и хромосомам на дистанциях 0–30 kb, 30–70 kb, 70–100 kb и 100–200 kb при r2 > 0,30 были обнаружены пары SNP в долевом выражении, наиболее часто встречающиеся на BTA6, BTA9, BTA14.
Графическое представление разложения неравновесия по сцеплению между однонуклеотидными полиморфизмами позволяет оценить, с одной стороны, величину накопления инбридинга в популяции, с другой — дать характеристику эффективному размеру численности данной популяции. Так, включенная как группа сравнения белоголовая украинская порода показала наибольшие средние значения LD, что свидетельствует о тесном сцеплении между SNP и вероятном, более высоком значении инбридинга в изученной выборке животных. В свою очередь, для красной горбатовской породы были получены схожие значения LD с суксунской, что может говорить о среднем уровне инбридинга и улучшении их трансграничными породами скота красного корня (кроссбридинге, предположительно путем скрещивания с англерской и красной датской породами).
Наименьшая величина LD была получена для выборки бестужевской породы, что указывает на сравнительно низкую инбридированность популяции и более высокий эффективный размер ее численности для поддержания генетического разнообразия. При этом для красной горбатовской породы размер популяции, как и для суксунской, находился в пределах нормального воспроизводства для контроля оптимального уровня инбридинга при разведении.
Выводы
Проведенный сравнительный популяционно-генетический анализ генофондной красной горбатовской породы на основе SNP-маркеров показал, что в целом породе свойственна аллельная специфичность, и она отличается от групп красных пород скота Западной Европы и Северной Европы, а также от отечественных локальных популяций. Отмечено, что на хромосоме 6 и 7 КРС пород красного корня локализуется наибольшая частота кластеров гаплотипов. Анализ по локусам количественных признаков показал, что выявленные гены были связаны с жирнокислотным составом молока и показателями молочной продуктивности, показателями фертильности и экстерьера.
Дальнейшее исследование генофондной красной горбатовской породы с использованием современных методов анализа привнесет существенный вклад в сохранение и дальнейшее развитие в селекционном плане уникальной по своей генетической структуре отечественной породы, что является на сегодняшний момент основной задачей исходя из актуальной повестки продовольственной безопасности.
Полученные результаты лягут в основу создания единой референтной популяции скота красного корня России и Беларуси.
Об авторах
Игорь Сергеевич Недашковский 1, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом национального каталога
nedashkovsky_is@mail.ru https://orcid.org/0000-0003-0487-4576
Александр Александрович Сермягин 2, кандидат сельскохозяйственных наук, директор
alex_sermyagin85@mail.ru https://orcid.org/0009-0005-2386-12
Елена Николаевна Нарышкина 1, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, заведующая отделом популяционной генетики и генетических основ разведения животных
selection.76@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-3421-1653
Александра Сергеевна Абдельманова 1, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, заведующая лабораторией генетического мониторинга ресурсов сельскохозяйственных животных
preevetic@mail.ru https://orcid.org/0000-0003-4752-0727
Наталия Анатольевна Зиновьева 1, доктор биологических наук, профессор, академик Российской академии наук, директор
n_zinovieva@mail.ru https://orcid.org/0000-0003-4017-6863
1 Федеральный исследовательский центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста, пос. Дубровицы, 60, г. о. Подольск, Московская обл., 142132, Россия
2 Всероссийский научно-исследовательский институт генетики и разведения сельскохозяйственных животных — филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения Федеральный исследовательский центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста, Московское шоссе, 55А, Пушкин, Санкт-Петербург, 196601, Россия
УДК 636.2.034:636.2.082.12
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-399-10-133-141
Просмотров: 140
