CC BY
425
НТП: животноводство и кормопроизводство
УДК 636:2;4.082
ДНК-ТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЕКЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ
A.Ф. ЯКОВЛЕВ, член-корреспондент РАСХН, зав. отделом
М.Г. СМАРАГДОВ, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник
ВНИИ генетики и разведения сельскохозяйственных животных Россельхозакадемии
B.С. МАТЮКОВ, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник,
НИИ сельского хозяйства республики Коми Рос-сельхозакадемии
E-mail: [email protected] Резюме. Оценка племенной ценности остается наиболее сложным этапом в разведении сельскохозяйственных животных. Анализ полиморфизма одиночных нуклеотидов ДНК всего генома дает возможность выявить связи локусов количественных признаков с тысячами маркеров и повысить ее надежность с 30...40 % до 60...90 %, а благодаря сокращению интервала поколений и стоимости проверки быков по качеству потомства ускорить генетический прогресс.
Технологически молекулярная генетика, биометрия, кибернетика и биотехнология дали ключи к быстрому наследственному преобразованию пород и популяций сельскохозяйственных животных. Однако понимание отдалённых генетических последствий преобразования популяционных генофондов пока отстаёт от прогресса технических возможностей. Поэтому необходимо стремиться к получению качественной информации о внутривидовой генетической дифференциации и дифференцированной селективной ценности популяционных генофондов.
Ключевые слова: ДНК, полиморфизм, единичный нуклеотид, маркёр, оценка, племенная ценность, бык-производитель, геномная селекция, единичный нуклеотидный сайт.
Оценка племенной ценности сельскохозяйственных животных, в том числе крупного рогатого скота, была и остается наиболее сложным этапом в их разведении. Проблема заключается в том, что для определения племенной ценности необходимо сопоставить и проанализировать связь между селекционными признаками у предков, боковых родственников, потомков и самого животного.
Популяционные генетики и статистики Райт и Лаш в 1920-1940-х гг разработали основы теории селекции, которая позволила проводить анализ наследования количественных признаков, прогнозировать генетические качества животных и оценивать эффективность селекции [1, 2]. В дальнейшем на основе работ предшественников и собственных исследований Хендерсон разработал методологию наилучшего линейного несмещенного прогноза (Best Linear Unbiased Prediction, BLUP) генотипа животных [3], которая получила свое развитие в модели BLUP Animal Model [4]. Сегодня на ней основаны национальные системы генетической оценки молочного скота экономически развитых стран и интернациональная генетическая оценка, проводимая Центром INTERBULL [5, 6].
А.С. Серебровский предложил метод прогноза племенной ценности животных, который базируется на использовании эффектов совместного (сцепленного) наследования генов, контролирующих «сигнальные» и селекционные признаки [7]. Анализ генетического сцепления лежит в основе определения положения
маркерных генов и генов, контролирующих селекционные признаки, один относительно другого.
Установить локализацию определенных генов, вносящих вклад в формирование количественных признаков (к ним относится большинство хозяйственно ценных) достаточно сложно, поскольку их фенотипическая изменчивость в значительной степени зависит от условий среды и контролируется многими взаимодействующими генами. Гены ответственные за изменчивость количественных признаков можно выявить только при статистическом анализе больших по численности семейных выборок и наличии достаточно большого числа генетических маркеров.
Цель нашей работы заключается в обзоре исследований в области разработки методов селекции с использованием современных технологий анализа генома.
До 1990-х гг. прошлого века для решения таких задач использовали наследственные полиморфные системы белков и моногенные морфологические признаки, но количества генетических маркёров было недостаточно. После разработки в середине 1980-х гг. технологии полимеразной цепной реакции (ПЦР) удалось открыть новый класс генетических маркеров, определение которых основано на полиморфизме ДНК. Быстрое развитие методов анализа ДНК привело к увеличению количества ДНК-маркеров. Их потенциальное число позволяет насытить карту хромосом до уровня необходимого для локализации (определения места) генов, имеющих селективное (отборное) значение. Дальнейшее совершенствование методов анализа ДНК, статистического анализа, компьютерной техники и программного обеспечения облегчили определение местоположения на хромосомах локусов, ответственных за количественные признаки (Quantitative Trait Loci, QTL) и позволили разработать метод маркерной селекции (Marker-Assisted Selection, MAS) [8, 9]. Широкое использование в генетических программах отдалённых (межвидовых или межподвидовых) скрещиваний, дало возможность резко повысить гетерозиготность анализируемого материала и соответственно сократить объём необходимых исследований [8...10].
Определение местоположения на хромосоме (картирование) структурных генов на высоком разрешающем уровне предполагает высокую плотность и более или менее равномерное распределение генетических маркёров по всему геному. Чем больше таких маркёров, тем точнее можно установить карту хромосомы.
На сегодняшний день в мировой практике активно ведется селекция с помощью SNP (single nucleotide polymorphism) - однонуклеотидного полиморфизма (ОП) или полиморфизма единичного нуклеотидного сайта. SNP чаще всего представлен двухаллельной системой однонуклеотидного сайта ДНК-последовательности.
Особенности последовательности четырех нуклеотидов отражают различия между отдельными животными, популяциями и породами. Это генетические маркеры, часть которых может быть связана с количественными и качественными признаками животных. SNP распределены по всему геному и отбор по таким
Таблица. Точность оценки племенной ценности голштинского скота в Гер-
мании по состоянию на 2010 год, % [151
Показатель Метод оценки Увеличение точности
по качеству потомства геномный
Признак продуктивности
Удой 28 56 28
Количество молочного жира 27 58 31
Количество молочного белка 32 59 27
Содержание соматических клеток 33 59 26
Долголетие 34 51 17
Длительный сервис-период (более 56 дн.) 18 25 7
Продолжительность сухостойного периода 21 29 8
Количество мертворожденных телят 18 27 9
Скорость молокоотдачи 28 57 29
Оценка экстерьера
Высота в холке 23 51 28
Индекс костистости 24 47 23
Индекс шилозадости 28 52 24
Глубина вымени 22 48 26
Прикрепление вымени 27 45 18
Ширина грудной клетки 24 46 22
Постановка задних конечностей 15 31 16
маркёрам получил название «геномная селекция»
(GS). Разработка технологии определения последовательности нуклеотидов ДНК всего генома (секвенирования) предоставила возможность анализа связи полиморфизма до сотен тысяч марке-ров-одиночных нуклеотидов, рассеянных по всему геному, с племенными качествами молочного скота.
Процедурагенотипирова-ния включает взятие биологического материала (кровь, семя, ткань корни волос), выделение ДНК, секвени-рование генома с регистрацией SNP, компьютерный сравнительный анализ этого животного со сформированными картами сцепления отдельных полиморфизмов с генетическими особенностями фенотипа. В результате определяют генетическую ценность животного в раннем возрасте и вырабатывают прогноз ценности его будущих потомков. В нашей стране такие исследования находятся на стадии организации.
С разработкой GS-технологии появилась возможность одновременно отбирать большинство полиморфных локусов, определяющих селектируемый признак. Это позволяет экономить средства на проверку быков по качеству потомства, увеличить надежность оценки до 60...70 % (против 30...40 % при оценке по предкам и качеству потомства), выбраковывать около 30 % неперспективных быков до их постановки на проверку.
По оценкам экспертов экономия средств от использования GS, по сравнению с традиционной селекцией, достигает 92 %, а эффективность отбора увеличивается в 2 раза [11.13]. В ряде стран, особенно в США и Канаде благодаря генотипированию нескольких тысяч быков голштинской породы создана основа для разработки алгоритмов отбора [14]. Быстрое накопление информации по голштинской породе в значительной степени объясняется её преобладанием во всем мире, наличием подробных записей за последние десятилетия и существованием системы международного обмена данными о быках молочных пород через центр INTERBULL [5]. Международная кооперация дает возможность увеличивать численность референтной популяции, что позволяет повышать точность геномной оценки.
В США с целью определения ассоциаций SNP с генами, которые контролируют селекционные признаки, проанализированы около 40000 из 50000 SNP ДНК, выделенной из спермы 8 тыс., оцененных по качеству потомства, быков, семя которых было накоплено за последние 40 лет
Сравнение эффективности геномной и традиционной (по качеству потомства) оценки племенных быков на примере селекции голштинского скота в Германии показала, что точность нового метода по таким показателям как удой, продукция молочного жира и белка за лактацию, скорость молокоотдачи, экстерьерные признаки возрастает в 2 раза и более (см. табл.). Меньше повышается точность оценки по признакам, характеризующим продолжительность жизни и плодовитость, хотя и в этом случае она увеличивается до уровня достаточного для эффективной селекции.
Выводы. Многие специалисты считают, что разработка технологии геномной оценки на современном уровне наиболее значительное достижение в животноводстве после освоения замораживания семени.
В сопроводительных документах из некоторых стран на импортируемое в Россию семя уже содержится информация о геномной оценке производителя. Многие государства, принадлежащие к международной организации INTERBULL, подали свои заявки на участие в кооперации Еигс^епот^. С 2009 г. в США и ряде других стран геномная селекция принята в качестве официальной оценки племенной ценности ремонтных бычков. Ряд американо-канадских фирм в племенных каталогах приводят официальную GS-оценку быков.
Технологически молекулярная генетика, биометрия, кибернетика, и биотехнология в комплексе дали ключи к быстрому наследственному преобразованию пород и популяций сельскохозяйственных животных. Однако понимание отдалённых генетических последствий этого процесса пока отстаёт от бурного прогресса технических возможностей. Поэтому с помощью новых технических средств необходимо стремиться в короткий срок получить качественную информацию о внутривидовой генетической дифференциации и дифференцированной селективной ценности популяционных генофондов.
Литература.
1. Wright S. Mendelian analisis of the pure breeds of livestock. 1. The measurement of inbreeding and relationship //J. Heredity.-1923. Т. 14. №3.- p. 339-348.
2. Lush J.L. The bull index problem in the light of modern genetics // J.Dairy Sci.-1933. 16. №6.-р. 501-522.
3. Henderson C.R. Applications of linear models in animal breeding. University of Guelph.-1984.-462p.
4. Henderson C.R. Estimations of variances in Animal Model and Reduced Animal Model for single traits and single records// J. Dairy Sci.-1986. Т. 69. №5.- с.1394-1402.
5. Interbull. Procedures for international camparisons of dairy sires current practice and evaluation of methods INTERBULL.-Bulletin. 1986.-№1.
6. Кузнецов В.М. Методы племенной оценки животных с введением в теорию BLUP.-Киров: Зональный НИИСХ Северо-Востока, 2003.-358 с.
7. Серебровский А.С. Генетический анализ. -М.: Наука, 1970. -342 с.
8. Захаров И.А. Генетические карты сельскохозяйственныхживотных.-Москва, 1995.-35с.
9. Смарагдов М. Г. Генетическое картирование локусов, ответственных за качественные показатели молока у крупного рогатого скота.-Генетика.- 2006, Т. 42, №1. С5-21.
10. Матюков В.С. Ещё раз о генофонде и селекции холмогорского скота.- Сыктывкар, 2007.-139 с.
11. Смарагдов М.Г. Тотальная геномная селекция с помощью SNP как возможный ускоритель традиционной селекции// Генетика - 2009.-Т. 45, №6. -С. 725-728.
12. Яковлев А.Ф., Смарагдов М.Г. Значительное повышение точности оценки племенной ценности животных в молочном скотоводстве//Зоотехния.-№5, 2011.-с. 2 -4.
13. VanRaden P.M., Sullivan P.G. International genomic evaluation methods for dairy cattle// Genet Sel Evol. - 2010. Т. 42. 1. С 7-15.
14. Zengting Liu, Franz R. Seefried, Friedrich Reinhardt, Stephan Rensing, Georg Thallerand Reinhard Reents. Impacts of both reference population size and inclusion of a residual polygenic effect on the accuracy of genomic prediction//Genetics Selection Evolution.-2011.Т. 43:19 doi:10.1186/1297-9686-43-19
15. Liu Z., Seefried F.R., Reinhardt F., Rensing S., Thallerand G., Reents R. Impacts of both reference popu-lation size and inclusion of a residual polygenic effect on the accuracy of genomic predic-tion//Genetics Selection Evolution. - 2011. - Т. 43:19 doi:10.1186/1297-9686-43-19
DNA-TECHNOLOGY IN SELECTION OF AGRICULTURAL ANIMALS
A.F.Jakovlev, M.G.Smaragdov, V.S.Matjukov
Summary. The estimation of breeding value was and remains the most difficult stage in cultivation of agricultural animals and, in particular, dairy cattle. The problem of an estimation of breeding value of an animal consists that for its definition it is necessary to compare and analyse communication between selection signs at ancestors, lateral relatives, descendants and the animal.
The analysis of polymorphism of single nucleotides of DNA of all genome gives the chance to reveal communications of loci of quantitative signs with thousand markers and to raise reliability of an estimation of breeding value of animals from 30-40 % to 60-90 % and at the expense of reduction of an interval of generations and cost of check of bulls on quality of posterity to accelerate genetic progress. Technologically molecular genetics, biometry, cybernetics, and biotechnology have given keys to fast hereditary transformation of breeds and populations of agricultural animals. However the understanding of the remote genetic consequences of revolutionary change of population gene pool while lags behind rough progress of technical possibilities. Therefore it is necessary to aspire to receive the qualitative information on intraspecific genetic differentiation and the differentiated selective value of population gene pool by means of new means.
Key words: DNA, polymorphism, an individual nucleotide, a marker, an estimation, breeding value, sier, genomic selection, single nucleotide polymorphism.
УДК 636.082.2
ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ ТЕСТ-СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ МИКРОСАТЕЛЛИТОВ В ПРОВЕДЕНИИ ДНК-ЭКСПЕРТИЗЫ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА*
Е.А. ГЛАДЫРЬ, кандидат биологических наук, зав. лабораторией
П.В. ГОРЕЛОВ, кандидат биологических наук, научный сотрудник
В.Н. МАУРЧЕВА, кандидат ветеринарных наук, старший научный сотрудник
А.В. ШАХИН, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
ВНИИ животноводства Россельхозакадемии Ю.И. ЧИНАРОВ, доктор сельскохозяйственных наук ООО «БИОСТРИМ»
Н.А. ЗИНОВЬЕВА, член-корреспондент РАСХН, зам. директора
ВНИИ животноводства Россельхозакадемии E-mail: [email protected]
Резюме. Показана результативность тест-системы на основе микросателлитов, разработанной во ВНИИ животноводства, для проведения ДНК-экспертизы крупного рогатого скота. Используемыелокусы(TGLA126, TGLA122, TGLA227, INRA023, ILST005, ILST006, ETH185, ETH10, ETH225, BM1818, BM1824, BM2113, SPS115) сформированны в две мультиплексные панели. Число микросателлитов, совпадающих для разработанной и зарубежных тест-систем, варьирует от 9 до 11. Биоматериал для исследования был взят от животных черно-
* Исследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ, проекты № 16.512.11.2212.
пестрой(п = 31 гол.), голштинской (п = 63 гол.), симментальской (п = 56гол.), швицкой(п = 30 гол.), холмогорской (п = 19 гол.), бестужевской (п = 34 гол.), костромской (п = 65 гол.), ярославской (п = 31 гол.) и бурой швицкой (п = 123 гол.) пород. Для сравнения достоверность происхождения подтверждена исследованием по 8-и генетическим системам (А, В, F-V, J, Ц, М, S, Z) групп крови. Число информативных и эффективных аллелей на локус микросателлитов было выше, чем аналогичных показателей по группам крови: 5,0 ± 0,3 против 2,6 ± 0,5 и 4,3 ± 0,3 против 3,4 ± 1,7 соответственно. Вероятность идентичности генотипов особей по 13 микросателлитам в зависимости от породы практически исключена и составляет от 6,8 х 10-14 до 2,1х 10-11 для неродственных животных и от 8,2 х 10-6до 1,1 х 10-5для полусибсов. Установлены высокие уровни достоверности результатов подтверждения (Р>0,99) и исключения (Р>0,9999) родителей. Показано 100 %-ное совпадение результатов оценки происхождения 47 пар мать - дочь с результатами анализа по группам крови.
Ключевые слова: генетическая экспертиза, тест-системы, отцовство, микросателлиты, породы крупного рогатого скота
Контроль происхождения (отцовства) животных - обязательное условие ведения племенной работы. Сегодня для этого применяют иммуногенетические и молекулярно-генетические методы анализа. Причем если эффективность использования эритроцитарных антигенов групп крови доказана рядом авторов [1], то для широкого освоения в России молекулярно-генетических методов необходимо проведение исследо-
