CC BY
76
ПРОБЛЕМЫ НАУКИ
Известия ТСХА, выпуск 5, 2010 год
УДК 575
ЛАНДШАФТНАЯ ГЕНОМИКА
В.И. ГЛАЗКО, Т.Т. ГЛАЗКО
(Центр нанобиотехнологий РГАУ - МСХА имени К.А. Тимиря зева)
Рассматриваются результаты исследований нового направления — ландшафтной геномики. Показано, как на основании современных возможностей генных и геномных технологий удается идентифицировать гены, вовлеченные в адаптации, пути миграции с.-х. видов животных, формирование пород и связь этих процессов с эколого-географическими особенностями их расселения.
Ключевые слова: геномика, геоинформационные системы (01Б), популяционная генетика, ландшафтная генетика, экологические факторы.
Г еногеография — экологическая генетика — ландшафтная геномика.
Работы по выя снению влия ния экологических факторов на формирование особенностей генетической структуры, в частности, с.-х. видов животных, берут свое начало от исследований А.С. Серебровского. Именно им было создано специальное направление в популя ционной генетике — ге-ногеографи сельскохоз йственных
видов. Первая попытка дать теоретическое обоснование эффективности использовани генетических маркеров или сигналей в генетике, селекции и экологии сделана А.С. Серебровским в работе «Генетический анализ» [3, 4]. Им были разработаны основные пон ти и методологи исследований в области геногеографии. Свое развитие это направление в дальнейшем получило во множестве работ. Свя зь между эколого-географически-ми условия ми воспроизводства популя ций, действием факторов естественного отбора и пространственным распределением аллельных вариантов разных генов изучает экологиче-
ская генетика. У с.-х. видов животных оно достаточно подробно рассматривается в монографии Ю.О. Рау-шенбах «Экогенез домашних животных» [2].
В наших собственных исследова-ни х выполнен анализ действи биотических и абиотических факторов экологического стресса на генетическую структуру, оцениваемую по разным типам молекул рно-генети-ческих маркеров, внутрипородных групп разных пород крупного рогатого скота [1]. Рассматривались следующие варианты действия экологических факторов. У породы красна степна в анализ включены два варианта: первый — группы животных, отличающиеся по устойчивости к действию фактора биотического стресса (инфицированные вирусом бычьего лейкоза и свободные от него) в хозя й-стве Херсонской обл., относительно «чистом» в отношении техногенного загрязнения; второй — хозяйства Кировограда и Донецка, для которых характерно повышенное химическое загр знение (абиотический фактор).
У породы пинцгау рассматривали три группы в св зи с воспроизводством в равнинных, горных и высокогорных услови х (абиотический фактор). Серая украинская была представлена двум группами — из Херсонской обл. (исходное местообитание) и животными, воспроизводя щимися в новых условиях (Алтайский край, Сибирь — абиотический фактор). У голштинской породы действие абиотического фактора вы сн ли при сравнении генетической структуры двух групп, одна из которых воспроизводилась в хозяйстве относительно «чистой» зоны Херсонской обл., другая (экспериментальное стадо) — в экспериментальном хозяйстве «Новошепеличи», в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС на фоне радионуклидного загрязнения около 200 Ки/км2 (абиотический фактор). Дл попул ционно-генетических исследований использовали молекул рно-генетические маркеры: электрофоретические ва-
рианты белков, полиморфизм сайтов рестрикции, полиморфизм продуктов амплификации фрагментов ДНК, фланкированных инвертированны-
ми повторами микикросателлитов. Установлено, что влияние факторов экологического стресса может приводить к существенной генетической дифференциации между группами животных, в некоторых случаях така дифференциаци оказываетс
больше, чем межпородные отличия . Выявлены два гена, продуктами которых являются рецептор витамина Б и пуриннуклеозидфосфорилаза, полиморфизм которых во всех случа х участвовал в межгрупповой внутри-породной дифференциации в св зи с действием факторов экологического стресса. Это позвол ет предполагать наличие универсальных характеристик попул ционно-генетическо-го ответа исследованных пород крупного рогатого скота на вли ние разных факторов экологического стресса [1].
Геномные сканирования — главный признак современной популя-ционной геномики. За несколько лет существенно расширился набор биологических систем, в которых выполнялись исследования геномного раз-нообрази в разных услови х сред обитания [21]. Логика такого геномного сканирования заключается в том, что аллели в нейтральных област х геномов будут свободно перемещать-с от попул ции к попул ции через генный поток, в то время как по генетическим элементам — мишеням естественного отбора — будет наблю-датьс существенное геномное рас-
хождение в разных средах обитания . Геномное сканирование может варьировать от использовани пары сотен маркеров до истинного геномного сканировани путем полного секве-нировани геномов.
Огромные возможности генных и геномных методов в насто щее врем позволяют идентифицировать гены, вовлеченные в адаптации, участвующие в формировании попул ционно-генетических особенностей многочисленных биологических систем. Один из следующих ключевых шагов в эволюционной биологии будет определение, как географические ландшафты и экологические особенности вли ют на распределение этого функционального адаптивного генетического потенциала [16].
В 2003 г. вышли три статьи, существенные для интеграции экологии, эволюции и популя ционной генетики. Лукарт и соавторы [18] определили область попул ционной геномики как «одновременное исследование многочисленных участков, или областей генома, в целях лучшего понимания роли эволюционных процессов, влия -ющих на изменени в геномах и попу-ля циях». Федер и Мичелл-Олдс [11] обозначили синтетическую дисциплину экологическа и эволюционна функциональная геномика (Ecological and Evolution ary Function al Geno-
mics) или EEFG. Главна задача EEFG шстоит в том, чтобы иcпoльзoвaть все генетические и генoмные инcтpy-менты для выя вления T0нкиx функ-циoнaльныx генетичеcкиx изменений, вoвлеченныx в эвoлюцию адаптаций. Ландшафтная генетика poдилacь из сплава метoдoв пoпyляциoннoй генетики и пoкpывaющей экoлoгичеcкие ландшафты кapт геoгpaфичеcкиx инфopмaциoнныx систем (GlS) [19]. Ландшафтная генетика к настоя щєму вpемени пpежде всего cocpедoтoчи-лась на выяснении вoпpocoв o тoм, как paзличные ландшафты влияют на генный тоток нейтpaльныx гене-тичеcкиx вapиaнтoв. oбычнo с целью идентификации пoпyляций. нaxoдя-щиxcя пoд yгpoзoй иcчезнoвения с целью иx coxpaнения .
Генетическая диффеpенциaция в pезyльтaте давления cpеды oбитaния мoжет пpивoдить к pacxoждению и пo нейтpaльным к нєму мapкеpaм, генетически сцепленным с генами-мишеня ми oтбopa. нaxoдя щимися на paccтoя нии мнoгиx caнтимopгaн. На-пpимеp. недавнее иccледoвaние то-кaзaлo oчень дальнее генетичесаде сцепление для генoв кoличеcтвенныx пpизнaкoв (Quantities Trait Loci — QTLs), свя занньк с адаптацией у тли [26]. Oднaкo имеется мнoгo случаев. в кoтopыx генетическая диф-феpенциaция pacпpocтpaня ется на длине тольад неcкoлькиx тысяч пap нyклеoтидoв (т.п.н.) вoкpyг гена мишени oтбopa и даже oгpaничивaет-ся единственным экзoнoм [25]. В ад-нечнoм счете величину генетичесгай диффеpенциaции вдoль xpoмocoмы oпpеделяет oтнoшение адэффициен-та oтбopa к частотам pекoмбинaций. В тo же вpемя oжидaния генетичеcкoй диффеpенциaции будут oтличaтьcя в зaвиcимocти oт тoгo. я вля ется ли исследуемая oблacть мишенью недавнего «очищающего» oтбopa [23] или pезyльтaтoм дoлгocpoчнoгo. ycтaнoв-леннoгo cpедoй oбитaния. бaлaнcиpy-ющегo oтбopa [6]. K ^жалению, если
области выявленного молекулярного расхождения малы, любое геномное сканирование с меньше чем сотня ми тысяч маркеров пропустит большинство важных участков, вовлеченных в адаптацию. С другой стороны, если область расхождения я вляется большой, необходимо меньше маркеров. Но даже в этом случае определение причины отличий по любой геномной области и степени, в которой данный участок способствует адаптации, будет требовать дальнейших генетических исследований.
Источники ошибок в интерпретации данных ландшафтной геномики. Кроме трудностей в определении функционального значени мутаций, вовлеченных в адаптацию, при использовании только геномного ска-нировани есть некоторые основные проблемы самого геномного сканирования, которые часто игнорируются . Структура популя ции — основна проблема. Когда попул ционна структура сложна, как это часто бывает дл оседлых организмов с дискретными популяциями, очень
трудно выявить локусы, фиксация по которым находится выше общего усредненного блока фиксированных аллелей в разных попул ци х. Далее, демографические истории попул ций очень трудно определить. Отсутствие информации о событиях прохождения популя цией в прошлом, сокращений численности и данных об особен-ност х иерархической попул ционной структуры может вносить существенные искажения в анализ геномных отличий между популя ция ми [10]. В результате таких оценок может сформироватьс представление о высокой гетерогенности геномов и ложное представление о глубоких геномных дифференциаци х. Таким образом, дефицит данных о демографической истории популя ций, а не существенное влия ние отбора может лежать в основе от 5 до 10% ошибок в утверж-дени х о выделенных геномных отли-
чи х, найденных в результате геномных сканирований [21].
Наиболее успешные исследования по ландшафтной геномике и по ЕЕЕО сначала включают в себ идентификацию генов, вовлеченных в расхождение, связанное с популяционногенетической адаптацией, а затем установление пространственного рас-пределени функциональных аллельных вариантов через мультипопул -ционные исследования . Самые большие из таких успехов достигнуты в иссле-довани х попул ций рыбы колюшки [8, 5] и видов мелких мышевидных грызунов Реготузсиз [24, 25]. В обоих исследованиях гены, вовлеченные в адаптацию к очень разным условия м среды обитания, были определены как гены-кандидаты контрол наблюдаемых отличий и клонированы. После генной идентификации вы-полн лс попул ционно-генетический анализ дл определени географического распределения аллелей, вовлеченных в формирование экотип-специфических особенностей. Этот подход позволил исследовател м отличать фенотипы, возникающие повторно на основании тех же аллелей, от параллельных фенотипов, которые по вл ютс в результате новых мутаций.
Исследовани в полевых услови х после генной идентификации могут использоваться для подтверждения адаптивного значени определенных фенотипов. В случае колюшки такие исследовани позволили оценить рас-пределени аллелей (естественных
мутантов) гена контроля чешуи eda и преимущественную частоту встречаемости некоторых из аллельных вариантов, что позволило исследователям выяснить, поддерживаются ли отдельные аллели в пресноводной среде обитани [5].
Подход, основанный на генах, определенно вл етс более стро-
гим, чем геномные сканирования с
точки зрени способности идентифицировать новые генные функции и понимать факторы, участвующие в географическом распределении адаптивной наследственной изменчивости. Однако клонирование генов остаетс дорогим и трудоемким узким местом в этом процессе. Далее, трудность тонкого картировани и клонирования адаптивных генов означает, что больша часть работы будет посв ще-на именно этому, в ущерб исследо-вани м дискретных фенотипических характеристик.
Объединение анализов QTL на основании взаимной пересадки альтернативных вариантов генов могут также быть эффективными при определении факторов, управляющих
пространственным распределением
адаптивных аллелей, путем оценок антагонистической плейотропии, для того, чтобы оценить их вклад в адаптацию к условия м окружающей среды. Недавно был выполнен анализ QTL по приспособленности экотипов к прибрежным и внутренним зонам обитания у растений [17]. Выделены три QTL по солевой устойчивости, ранее выя вленные в лаборатории, от-личающиес по обеспечению повышенной приспособленности к высокому уровню засоления в прибрежных и внутренних материковых районах. Полученные результаты нагл дно свидетельствуют о том, что разные локусы ответственны за адаптацию к одному и тому же экологическому фактору (в данном случае — к засолению) в разных услови х обитания . Далее, если адаптивные аллели действительно могут быть условно нейтральны в определенных средах обитания, тогда их распространение может обеспечиваться потоком генных обменов между популяция ми из разных сред. Необходимо большее количество полевых исследований для того, чтобы определить, в какой степени в природных попул ци х
отбор определ ет пространственное распределение адаптивных аллелей.
Начиная с работы Манел и др. [19], имелось множество попыток совмещения многослойных карт GIS с попул ционно-генетическими картами. Разработано много методов дл оценки попул ционной генетической структуры [13], и изучено, как на нее могут вли ть особенности ландшафта, как правило, ориентированные на нейтральную генетическую изменчивость. Исследовани распределений нейтральных генетических изменений может позволить определить закономерности и процессы вли ни ландшафтной генетики на генный поток и как ландшафтна генетика способствует распределению адаптивных аллелей. Включение ландшафтной генетики могло бы иметь огромное значение дл эволюционной биологии. Изучение генетики адаптаций обычно сосредотачиваетс на одиночных экологических факторах, поскольку рас-сматриваетс вдоль градиентов отдельных признаков, или через сравнение фенотипов в двух средах обитания (например, побережье против внутренних материковых областей). Естественные ландшафты много более гетерогенны. Кроме того, распределение адаптивных аллелей может находитьс под вли нием многих экологических факторов.
Ландшафтная геномика — объединение геномного сканирования и геоинформационных технологий. Ландшафтная геномика — формирующая ся область, которая соединя-ет много типов данных, собранных из разных источников, метеорологической информации и геологических карт. Эти многомерные данные наслаиваются друг на друга, что позво-ля ет проводить комплексные иссле-довани . Генетические данные могут быть также включены как отдельный слой, который может использоваться дл понимани механизмов распреде-лени нейтральных генетических из-
менений и генных потоков [15]. Сравнения между географическими рас-пределени ми нейтральных аллелей и аллелей, предположительно вовлекаемых в локальную адаптацию, может использоваться для выявления факторов и направлений действи естественного отбора.
Джуст и др. [14] разработали методологию для использования GIS в цел х сравнени географических и генетических данных дл вы вле-ни св зей распределени аллелей со специфическими экологическими факторами. В то врем как такие разработки вл ютс существенным шагом вперед, необходим всесторонний анализ и развитие методов учета пространственного распределени аллелей относительно распределе-ни экологического разнообрази и барьеров к распространению генного потока. Большие надежды свя зывают-ся с тем, что многомерная географическая информация, объединенная с попул ционно-генетическими модел -ми, может обеспечить более обоснованные исследовани естественного отбора на ландшафтном уровне. Далее, полевые исследования для «обоснования правдивости» гипотезы, так же как предварительное определение их условий очень важны для любых ландшафтных исследований и такие условия должны быть тщательно рассмотрены прежде, чем популя ции отбираютс дл анализа.
Недавние исследовани по попу-л ционной генетике человека позволяют оценить, что можно обнаружить в результате ландшафтной эволюционной геномики. Кооп и др. [9] исследовали глобальные частоты аллелей в многочисленных попул ци х по сотн м тыс чам мононуклеотид-ных полиморфизмов, чтобы выя вить мишени отбора. В целом, очень немного генов в геноме человека имели существенные отличи по частотам аллелей среди популя ций. Это может свидетельствовать о том, что отбор
действует только на немногие локусы. Альтернативно локальный отбор может иметь более широкие эффекты, и адаптивные фенотипические изменения могут достигаться через небольшие изменени аллельных частот во многих локусах.
Примеры использования ландшафтной геномики в исследованиях с.-х. видов животных. В последние годы получен р д данных с использованием методов ландшафтной геномики, позволивших получить новую информацию о пут х расселени с.-х. видов животных и позволя ющих исследовать связь между особенностя -ми генетической структуры пород, внутрипородных групп и особенно-ст ми эколого-географических регионов их расселения . Так, выполнен сравнительный анализ географического распределени аллельных вариантов по 26 мононуклеотидным полиморфизмам (Single Nucleotide Poli-morphisms — SNP), локализованным в структурных генах, у 16 пород коз Италии, Албании и Греции. В конечном итоге суммарно генотипировано и проанализировано 12896 генотипов у 496 особей [22]. Статистический анализ позволил вы вить существенную корреля цию между генетическими дистанциями, рассчитанными на основании распределени аллельных вариантов и географическими расстояниями между исследованными группами животных разных пород. Кроме того, кластерный анализ показал, что породы по генетической структуре сгруппированы согласно географическому происхождению, за исключением греческой породы ско-пелос. Авторы приходят к выводу о том, что история географических перемещений животных играла основную роль в формировании современной генетической структуры пород. Так, отмечено движение на запад генных потоков животных по прибрежному маршруту в Италию через Грецию, что, возможно, привело к
формированию соответствующих генофондов исследованных пород коз вдоль Северного Средиземноморь .
Во времена быстрых глобальных и непредвиденных экологических изменений необходимо развитие жизнеспособной политики сохранени генетических ресурсов с.-х. видов животных, основанной на глобальном их анализе. Большинство местных пород адаптированы к особенност м среды обитания и локальным условиям производственной системы, однако они быстро исчезают. В то же время именно они представля ют важный генофондный ресурс дл решени возникающих новых селекционных задач и проблем адаптации к новым экологическим услови м. В этой св зи на основании оценок полиморфизма и генотипов по 105 микросателлит-ным локусам выполнен сравнительный анализ генетических структур 16 пород крупного рогатого скота, покрывающих географический район от средиземноморского центра доместикации, от Анатолии, через балканский и альпийский регионы, на Северо-Запад Европы [20]. В анализ включены заводские, коммерческие породы, находя щиеся под влиянием интенсивного искусственного отбора, и местные породы, воспроизводя щие-с по традиционным схемам размножения . Обнаружено, что наибольшее генетическое разнообразие наблюдается у древних местных пород, свя -занных с подол нским отродьем серого степного скота в районах Анатолии, и породами балканских областей по сравнению с альпийскими и северо-западными европейскими породами. В традиционных породах сохран етс наибольшее количество редких аллельных вариантов, отражающие исходно их большую эффективную численность. Полученные данные свидетельствуют об особой важности сохранения местных, генетически гетерогенных пород, близких к исходным центрам доместикации
животных, с позиций необходимости разработки глобальной и долгосрочной стратегии сохранения генетических ресурсов животных не только для крупного рогатого скота, но также и для других с.-х. видов.
Известно, что в будущих десяти-лети х услови дл производства
продовольствия, особенно для молочного животноводства, будут существенно мен тьс в случае прогнозируемых климатических изменений, в частности, повышения температуры. Особенно это актуально для молочного животноводства Австралии. В этом регионе достаточно давно известно, что племенная ценность животных, оцениваемая в т.ч. и по продуктивности потомков, в молочном скотоводстве может существенно меняться в зависимости от температурного режима их содержания. В целях поиска возможных генетических механизмов адаптации животных молочных пород к повышенным температурам в Австралии были выполнены геномные исследовани в разных регионах, отличающихся по метеорологическим данным [12]. При потеплении кли-
мата предполагается, что в связи с дефицитом воды будут возрастать и энергетические затраты на получение молочной продукции. В цел х поиска молекул рно-генетических маркеров, ассоциированных с устойчивостью к высоким температурам характеристик молочной продуктивности, выполнен анализ результатов геномного сканировани с использованием оценок генотипов по нескольким тыс чам сайтов мононуклеотидного полиморфизма (БМР) и данных по устойчивости молочного производства к разным условия м окружающей среды. Были объединены данные по молочному производству, метеорологии и множественным генотипам у родителей и дочерей, дающих молоко в широком диапазоне производственных условий в Австралии (рис. 1). Диапазоны молочного производства в Австралии варьируют от полностью пастбищных систем до основанных только на откормочных площадках и от тропического до умеренного климата. В работе использовались три группы данных — записи о суточном удое в первую лактацию 62343 гол-
Рис. 1. Пространственное размещение в Австралии молочных ферм, в которых получали данные о молочной продуктивности коров (обозначены красными точками), и метеорологических станций (обозначены зелеными точками), в которых проводились замеры влажности и температуры [12]
штинофризских коров — потомков 798 быков, такие же записи о суточном удое 35293 коров джерсейской породы, дочерей 364 джерсейских быков, и база данных австралийского геоинформационного проекта (Квинслендское управление Министерства по вопросам охраны окружающей среды и ресурсов — (Queensland Department of Environment and Resource Man agement DataDrill), в котором объединены карты по температуре и влажности по всей Австралии. Эти данные позволили вычислить индекс температуры и влажности в дни дое-ни коров и оценить дл них вли -ние на продуктивность и потребление корма высокой температуры. В предыдущих работах этих же авторов [12] было показано, что по изменению частоты дыхани стрессирующие эффекты обнаруживаются у животных молочных пород, когда индекс температуры / влажности превышает 60 единиц. Далее авторы сравнили чувствительность дочерей конкретных быков по изменению удо и по-треблени кормов в зависимости от индекса температуры / влажности. На следующем этапе 798 голштино-фризских быков и 364 джерсейских быков были генотипированы с использованием ДНК-матриц (Illumin a BovineSNP50 beadchi p), включающих 56000 SNP. В конечную выборку, включенную в анализ, входили геномы 781 и 362 быков обоих пород, соответственно генотипированные по 39048 SNP. Был выполнен анализ ассоциаций между генетически сцепленными SNP и чувствительностью дочерей быков по молочной продуктивности к изменени м индекса влажности / температуры и выделены районы, фланкированные SNP, полиморфизм которых статистически достоверно ассоциирован с такой изменчивостью. Наиболее выраженная така св зь у обеих исследованных пород обнаруживалась в районах хромосом 9 и 2 9. Далее, с использованием
данных ГенБанка была выя снена ло-кализаци в этих районах структурных генов.
Один из таких маркеров, наиболее тесно св занный с чувствительностью молочной продуктивности к индексу влажности / температуры, был локализован на хромосоме 29 в районе расположения фактора роста фибробластов 4 (ЕСЕ 4). Этот ген участвует в регул ции контрол выхода в апоптоз клеток эпители молочной железы в процессах ее разви-ти и инволюции после прекращени лактации. Интересно, что у человека описана экспрессия этого же гена, кроме эпителия молочной железы, еще и в эпителии я ичек, в которых его транскрипция существенно уве-личиваетс при повышении температуры и предполагается, что этот ген выполн ет протекторную роль дл половых клеток, защищая их от повреждающих эффектов гипертермии. Наиболее отчетливо ассоциированный ген-кандидат с изменчивостью по чувствительности животных к разным индексам влажность / температура обнаруживается на хромосоме 9 в районе локализации гена фермента глицерол-3-фосфатдегидрогеназы-1 (С3РБ-1), участвующего в углеводном и липидном метаболизме и в-л ющегос ключевым геном энергообеспечения клеток. Известно, что у мышей с нормальной активностью этого фермента длительна углеводна диета приводит к гипергликемии, гиперинсулинемии и островковой гиперплазии в поджелудочной железе в отличие от мышей, мутантных по этому гену, у которых нет таких проявлений, зато увеличивается чувствительность к инсулину. Учитывая тот факт, что чувствительность к инсулину существенно отличаетс у коров, различающихся по качеству молочной продукции в зависимости от уровня кормления, авторы [12] предполагают, что БМР-мутации в этом гене-кандидате (С3РБ-1) или
в област х, св занных с регул цией его экспрессии, могут приводить к изменению инсулиновой чувствительности и, в свою очередь, к изменени-м молочной продуктивности в ответ на уровень потребления корма у коров. Таким образом, в результате выполненных исследований с использованием геномного сканировани и СК-технологий авторам удалось выявить два гена-кандидата контроля изменчивости по молочной продуктивности в ответ на изменения влажности / температуры у животных двух специализированных молочных пород крупного рогатого скота.
Первые с.-х. системы, основанные на выращивании хлебных злаков, бобов и одомашненного скота, сформировались в пределах Юго-Западной Азии примерно 11 000 лет до Рождества Христова (Р.Х.) [1, 2]. 6000 лет до Р.Х. сформировался агро-пастора-лизм, который в результате Неолитической с.-х. революции стал основой главной системы производства пищевых продуктов всюду по доисторической Европе, распространяя сь со средиземноморского севера в Великобританию, Ирландию, и Скандинавию, на юг в Северную Африку и на восток в Западную и Среднюю Азию. Овцы и козы были первым домашним скотом. Первоначально овец разводили, главным образом, для получения мя са, но в пятом тыся челетии до Р.Х. в Юго-западной Азии и в четвертом тыс челетии до Р.Х. в Европе их стали использовать дл получени «вторичных» продуктов, таких как шерсть. В работе Чеса и др. [7] для исследований происхождения и рас-селени овец использовали генотипи-рование семейства эндогенных ретровирусов (ЕИУб) в качестве генетических маркеров. Маркеры ЕИУб удобны в свя зи с устойчивой интеграцией генома ретровируса («провирус -ной ДНК») в герминативные клетки хоз ина и его вертикальной передачи от поколени к поколению в соот-
ветствии с законами Мендел . Геном овец содержит, по крайней мере, 27 копий ЕИУб, связанных с экзогенным патогенным ретровирусом овец Jaagsiekte (е^БВ-Уэ). Большинство еп^ВУБ выя влено у домашних овец, но некоторые дифференцированно распределены между породами и индивидуумами (то есть они обладают внутренним полиморфизмом). EnJSRVs могут использоваться как высоко информативные генетические маркеры, поскольку присутствие каждого эндогенного ретровируса в геноме хозя ина — результат единственного случа необратимой интеграции в геном единственного животного, и, таким образом, наличие того же самого провируса в том же самом участке генома у разных животных филогенетически связано. В этой работе выполнен анализ образцов ДНК 1362 животных, принадлежащих 133 породам домашних овец (Ovis отеиЬаИз атез, обычно обозначаемые как Ovis апез) и близко родственные дикие виды. Породы и дикие виды были подразделены на 65 групп, сформированных одной или более породами, имеющими общее географическое положение и/или генеалогические св зи. Исследованные образцы включали также уриалов (Ovis vignei) и европейского и азиатского муфлонов (Ovis опеШаНз тизтоп, Ovis опеШаНз орШоп, и Ovis отеШа-Из опеШаНз). Большинство изученных пород были местными, исторически св занными с определенными географическими районами, и не подвергавшимися интенсивным программам разведения, типичным для коммерческих пород. ДНК образцов была прогенотипирована по присутствию / отсутствию шести независимо наследуемым полиморфным инсерци м (вставкам) enJSRVs (enJSRV-18, еп-JSRV-7, enJSRV-8, enJSRV-15, en-JSRV-16, и enJS5Е16) с использованием полимеразной цепной реакции с двумя наборами праймеров, которые
отжигались соответственно на 5' и 3' участках длинных терминальных повторов (long termin al repeats — LTRs) каждого провируса (включая фланкирующие последовательности генома хоз ина).
В работе дл визуализации географического расселени овец построена географическа карта представленности овец с инсерци ми разных
enJSRV (рис. 2). Самая высокая частота enJSRV-7 найдена в средиземноморском муфлоне и в соановской породе овец, заселя ющих остров Св. Килды около северо-запада Шотландии. EnJSRV-18 с высокой частотой встречаетс у всех овец Старого Света. Низкие частоты enJSRV-18 наблюдались на средиземноморских островах, заселенных муфлоном и на
Рис. 2. Комбинации провирусов enJSRV (ретровирусов) у домашних овец [7]. Окрашенные части в кружках указывают на частоту каждого ретротипа в 65 исследованных популяциях. Ретротипы от R0 до R14 представлены следующими вариантами: R0 = нет полиморфных ин-серций enJSRVs; R1 = enJSRV-7; R2 = enJSRV-18; R3 = enJS5F16; R4 = enJSRV-7 + enJSRV-18; R5 = enJSRV-7 + enJS5F16; R6 = enJSRV-18 + enJS5F16; R7 = enJSRV-7 + enJSRV- 18+ en-JS5F16; R8 = enJSRV-8; R9 =enJS5F16 + enJSRV-8; R10 = enJSRV-7 + enJS5F16 + enJSRV-8; R11 = enJSRV-18 + enJSRV-8; R12 = enJSRV-18 + enJS5F16 + enJSRV-8; R13 = enJSRV-7 + enJSRV-18 + enJSRV-8; R14 = enJSRV-7 + enJSRV-18 + enJS5F16 + enJSRV-8. Для большинства популяций Юго-западной Азии, Центральной Азии, Южной Европы и Африки типично преобладание R2, для средиземноморских групп — R4. Примитивные породы характеризуются высокой частотой встречаемости животных с R0 или R1. “Северный” ретротип, R3, характеризуется низкой частотой встречаемости enJSRV-18 и высокой — enJS5F16; северные популяции отличаются также относительно высокой частотой встречаемости овец с отсутствием полиморфизма по инсерциям тестируемых провирусов
периферии северо-западной Европы. Два enJSRV провируса, enJS5Еl6 и enJSRV-8, имели сходный географический рисунок распределени с высокой частотой у овец Британских островов и в Скандинавии. Авторами выполнен анализ распре-делени комбинаций инсерций полиморфных enJSRVs (которые авторы обозначили как «ретротип») у исследованных групп овец. R2 ретротип (представленный присутствием только enJSRV-18) был преобладающим ретротипом в большинстве исследованных популяций. R4 ретротип, указывающий на присутствие enJSRV-18 и enJSRV-7 вместе, был вторым по частоте встречаемости ретротипом в области, соответствующей исторической Финикии и в южной Европе, что позволило авторам предположить морскую торговлю и колонизацию как главный фактор распростра-нени овец в Средиземноморье.
У популя ций овец в Африке, Пакистане, и Китае также обнаруживается гомогенный R2 ретротип, характерный дл овец Юго-западной Азии, что предполагает пря мые миграционные свя зи между овцами этих областей. У большинства овец Скандинавии распределение ретротипов, сходное с выя вленным, в частности, в Исландии и на прибрежных островах, что совпадает с исторически зарегистрированными продвижения ми норвежских поселенцев в первом тыс челетии нашего времени. Построение генетических дистанций по методу Не с последующим многомерным шкалированием позволило оценить кластеризацию по всем вариантам ретротипов исследованных групп овец и близко родственных диких видов. Полученные данные свидетельствуют о том, что реликты первых перемещений присутствуют у муфлонов Сардинии, Корсики, Кипра и у пород периферийных северных европейских областей. Их ретротипы свидетельствуют о примитивности этих по-
род, для них характерно отсутствие enJSRV-18 (имеющегося у большинства современных пород) и присутствие с высокой частотой enJSRV-7. Гомогенный ретротип (только R2, или сочетание R2 и R4) обнаруживается у овец современной Турции, Ирана, Саудовской Аравии, Сирии, Израиля и Египет, что хорошо согласуется с археологическими доказательствами того, что первичная селекция овец с желательными вторичными признаками (шерстна продуктивность, в частности), характерными для современных пород, произошла сначала в Юго-западной Азии и затем успешно распространилась в Европу и Африку и в остальные районы Азии. Это оказывает генетическую поддержку теории, которая предполагает возникновение специализированного шерст ного производства в Юго-западной Азии с последующим распространением повсюду в Европе. Примитивные породы пережили вторичную миграцию улучшенных пород от Юго-западной Азии, возвращая сь к дикому или полудикому состо нию в островных попул ци х, лишенных опасности контактов с хищниками или путем заселения областей, не-благопри тных дл коммерческих
пород и св занной с этим их интро-грессией. Большинство пород, если не все, которые были идентифицированы как древние, уже считались примитивными на основе морфологических характеристик, таких как более темные и более жесткие волосы (вместо более белой овечьей шерсти), склонность к линьке и частое присутствие рогов не только у самцов, но и у самок. Таким образом, полученные авторами данные при использовании в качестве маркеров эндогенных ретровирусов свидетельствуют о том, что овцы дифференцировались по своим «ретротипам» и морфологическим характеристикам и распро-страня лись через Евразию и Африку путем отдельных миграционных эпи-
зодов. Остатки первых перемещений включают муфлонов, так же как породы, ранее определя емые как «примитивные» на основе их морфологии, такие как оркни, соай и скандинавская короткохвостая, теперь ограниченные периферией северо-западной Европы. Более поздний миграционный эпизод вовлекал овец с улучшенными характеристиками продуктивности, определил формирование значительного большинства современных пород овец. Авторы подчеркивают, что разработанные способы отличать генетически примитивных овец от более современных пород обеспечивают важную возможность проникновения в суть истории приручени овец и их последующего распространени .
Таким образом, полученные в последние годы принципиально новые экспериментальные возможности позволяют выяснять, какие геномные участки вовлечены в адаптацию к различным услови м среды обитани . Однако до сих пор неизвестно, как происходит смена приспособленности отдельных локусов в разных местах ландшафта, как географические барьеры вли ют на распространение адаптивных по сравнению с нейтральными аллел ми и вл етс ли дифференциация между экотипами результатом фиксации адаптивных аллелей или итогом накоплени небольших изменений в частотах аллелей во многих локусах. Возможно, что методы геномного сканировани и генный подход не адекватны в св -
зи со сложностью адаптаций в ландшафтном масштабе, поскольку они смещены в сторону вы влени аллелей с большими эффектами, фиксированными у различных таксономических групп. Недавние исследовани по попул ционной генетике человека [9] позволяют оценить, что можно обнаружить в результате ландшафтной эволюционной геномики. Несомненно, полное понимание адаптации в ландшафтном масштабе — монументальная задача даже для одной попул ции. Сформированна средой обитани адаптаци почти неизменно вовлекает разнообразные фенотипичные изменения, каждое из которых имеет сложную генетическую обусловленность. Эта сложность еще увеличивается, если добавляется ландшафтный уровень экологических изменений. Понимание адаптации на уровне естественного ландшафта может быть особенно трудным для по-лигенных признаков, по которым адаптаци происходит через небольшие аллельные сдвиги по многим локусам. Тем не менее, даже в этом случае имеется несколько хороших примеров успешного объединения данных о распределении функциональной наследственной изменчивости и выраженных ландшафтных особенностей [8, 24, 25]. Чем больше генетических систем включаютс в анализ в геномную эру, тем более будет понятно, как мозаика естественного ландшафта формирует геномы бесконечно разнообразных организмов.
Библиографический список
1. Глазко В.И. Влияние факторов отбора на ряды гомологической изменчивости у с.-х. видов животных II Известия ТСXA, 2007. Вып. 5. С. 142-148.
2. Раушенбах Ю.О. Экогенез домашних животных. М.: Наука, 1985.
3. Серебровский A.C. Генетика и животноводство II Классики советской генетики. Л.: Наука, 1968. C. 325-354.
4. Cеребрoвcкuй A.C. Геногеография и генофонд сельскохозяйственных животных II Науч. слово, 1928. № 8. С. 7-42.
5. Barrett R.D.H., Rogers S.M., Schluter D. Natural selection on a major armor gene in threespine stickleback II Science, 2008. Vol. 322. P. 255-257.
6. Charlesworth B., Nordborg M., Charlesworth D. The effects of local selection, balanced polymorphism and background selection on equilibrium patterns of genetic diversity in subdivided populations // Genet. Res., 1997. Vol. 70. P. 155-174.
7. Chessa B., Pereira F., Arnaud F. et al. Revealing the History of Sheep Domestication Using Retrovirus Integrations // Science, 2009. Vol. 324. P. 532-536.
8. Colosimo P.F. et al. Widespread parallel evolution in sticklebacks by repeated fixation of ectodysplasin alleles // Science, 2005. Vol. 307. P. 1928-1933.
9. Coop G. et al. The role of geography in human adaptation // PLoS Genet., 2009. Vol. 5.
10. Excoffier L., Hofer T., Foll M. Detecting loci under selection in a hierarchically structured population // Heredity, 2009. Vol. 103. P. 285-298.
11. Feder M.E., Mitchell-Olds T. Evolution ary and ecological function al genomics // Nat. Rev. Genet., 2003. Vol. 4. P. 651-657.
12. Hayes B.J., Bowman P.J., Chamberlain A.J. et al. A Validated Genome Wide Association Study to Breed Cattle Adapted to an Environment Altered by Climate Change // PLoS ONE, 2009. Vol. 4. Issue 8. P. e6676.
13. Holderegger R., Wagner H.H. Landscape genetics // Bioscience, 2008. Vol. 58. P.199-207
14. Joost S., Bonin A., Bruford M.W. et al. A spatial analysis method (SAM) to detect candidate loci for selection: towards a landscape genomics approach to adaptation // Mol. Ecol., 2007. Vol. 16. P. 3955-3969.
15. Kozak K.H., Graham C.H., Wiens J.J. Integrating GIS-based environmental data into evolution ary biology // Trends Ecol., Evol. 2008. Vol.23. P. 141-148.
16. Lowry D.B. Landscape evolution ary genomics // Biol. Lett., 2010 Vol. 6. P. 502-504.
17. Lowry D.B., Hall M.C., Salt D.E. et al. Genetic and physiological basis of adaptive salt tolerance divergence between coastal and inland Mimulus guttatus // New Phytol., 2009. Vol. 183. P. 776-788.
18. Luikart G., England P. R., Tallmon D. et al. The power and promise of population genomics: from genotyping to genome typing // Nat. Rev. Genet., 2003. Vol. 4. P. 981-994.
19. Manel S., Schwartz M.K., Luikart G et al. Landscape genetics: combining landscape ecology and population genetics // Trends Ecol. Evol., 2003. Vol. 18. P. 189-197.
20. Manel S., Schwartz M.K., Luikart G. et al. Landscape genetics: combining landscape ecology and population genetics // Trends Ecol. Evol., 2003. Vol. 18. P. 189-197.
21. Medugorac I., Medugorac A., Russ I. et al. Genetic diversity of European cattle breeds highlights the conservation value of traditional unselected breeds with high effective population size // Molecular Ecology, 2009. Vol. 18. P. 3394-3410.
22. Nosil P. , Funk D. J. , Ortiz-Barrientos D. Divergent selection and heterogeneous genomic divergence // Mol. Ecol., 2009. Vol. 18. P. 375-402.
23. Pariset L., Cuteri A., Ligda C. et al. ECONOGENE Consortium Geographical patterning of sixteen goat breeds from Italy, Albania and Greece assessed by Single Nucleotide Polymorphisms // BMC Ecology, 2009. Vol. 9. N. 20. P. 9-19.
24. Slatkin M., Wiehe T. Genetic hitch-hiking in a subdivided population // Genet. Res., 1998. Vol. 71. P. 155-160.
25. Steiner C.C. , Weber J.N. , Hoekstra H.E. Adaptive variation in beach mice produced by two interacting pigmentation genes // PLoS Biol., 2007. Vol. 5. P. e219.
26. Storz J.F., Kelly J.K. Effects of spatially varying selection on nucleotide diversity and linkage disequilibrium: insights from deer mouse globin genes // Genetics, 2008. Vol. 180. P. 367-379.
27. Via S., West J. The genetic mosaic suggests a new role for hitchhiking in
ecological speciation // Mol. Ecol., 2008. Vol. 17. P. 4334-4345.
Рецензент — д. с.-х. н. Ю.А. Юлдашбаев SUMMARY
Data on a new direction of researches, landscape genomics, were considered. It was shown, how on the basis of modern possibilities of gene and genomic technologies it was possible to identify the genes involved in adaptations, ways of migration of agricultural animal species, formation of breeds and relation of these processes with ecological-geographical features of their disseminations.
Key words: genomics, geoinformation systems (GIS), population genetics, landscape genetics, ecological factors.
Глазко Валерий Иванович — д. с.-х. н. Эл. почта: [email protected]. Глазко Татьяна Теодоровна — д. с.-х. н. Тел. 976-34-34.
