Оценка генетического потенциала крупного рогатого скота по маркерным генам Текст научной статьи по специальности «Животноводство и молочное дело»

УДК 636.2.082.2.(470.57)

раздел БИОЛОГИЯ

ОЦЕНКА ГЕНЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА ПО МАРКЕРНЫМ ГЕНАМ

© И. Ю. Долматова*, Ф. Р. Валитов

Башкирский государственный аграрный университет Россия, Республика Башкортостан, 450001 г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34.

Тел./факс: +7 (347) 228 15 11.

*Email: dolmat@list.ru

Приводится краткая характеристика полиморфных ДНК-маркеров крупного рогатого скота, ассоциированных с показателями молочной продуктивности и некоторыми технологическими качествами молока.

Ключевые слова: генетический полиморфизм, гены-кандидаты, продуктивность, аллели, крупный рогатый скот, каппа- и бета-казеин, бета-лактоглобулин, альфа-лактальбумин, пролак-тин, соматотропин, маркерпная селекция.

Введение

Развитие животноводства на современном этапе предполагает разработку новых биотехнологических методов оценки признаков продуктивности сельскохозяйственных животных, базирующихся непосредственно на анализе наследственной информации. Внедрение в практическое животноводство генной диагностики является актуальной задачей фундаментальной и прикладной биотехнологии.

Современные молекулярно-генетические методы позволяют определять наличие ценных вариантов генов, связанных с признаками продуктивности. Выявление предпочтительных с точки зрения селекции вариантов таких генов (генов-кандидатов) позволит дополнительно к традиционным методам отбора животных, проводить маркер-зависимую селекцию [1, 4, 12].

В настоящей работе приводятся результаты исследований полиморфизма генов-кандидатов белков молока и генов гормонов, обуславливающих уровень молочной продуктивности коров.

Материалы и методы

Материалом исследований служили выборки коров плановых пород из племенных хозяйств республики Башкортостан (черно-пестрой, бестужевской и симментальской пород).

Полиморфизм генов каппа- и бета-казеина, бета-лактоглобулина, альфа-лактальбумина, пролактина и со-матотропина выявлен методом ПЦР-ПЦР с использованием соответствующих эндонуклеаз рестрикции [8-11].

Результаты и обсуждение

Все молочные белки делятся на две основные группы: казеин и сывороточные белки. На долю казеина, который представлен несколькими фракциями (а-, в- и к-) приходится чуть более 80% всего молочного белка. Около 17% составляют сывороточные белки. К ним относятся а-лактоальбумин, в-лактоглобулин, а также иммуноглобулины и сывороточный альбумин. Все белки молока характеризуются наличием генетиче-

ски детерминированных полиморфных вариантов, отличающихся одной или несколькими аминокислотными заменами, в свою очередь, обусловленных нук-леотидными заменами в разных аллелях одного гена.

В табл. 1 представлены данные о спектре генов-кандидатов молочных белков, которые оказывают влияние на проявление признаков молочной продуктивности коров.

Также установлено, что наличие аллеля CSN3B в геноме животных связано с лучшей сыропригодностью молока (более короткое временя свертывания, лучшее качество сгустка, более высокий выход белковомолоч-ных продуктов лучшего качества) [6, 8, 9].

Каппа-казеины выполняют роль стабилизирующего фактора в образовании мицеллярной структуры при свертывании молока [14]. Гены казеинов у крупного рогатого скота локализованы на 6 хромосоме и представляют кластер из четырех тесно сцепленных генов. Протяженность кластера составляет около 200 т.п.н. [16]. А и В- аллельные варианты каппа-казеина (CSN3A и CSN3B), отличаются двумя аминокислотными заменами в 135 и 148 положениях полипептидной цепи. Аллель CSN3B каппа-казеина ассоциирован с более высоким удоем, а также более высоким содержанием белка в молоке.

Ген альфа-лактоальбумина (ALA) имеет размер 2784 п.о. и содержит 4 экзона и 3 интрона [15, 17]. В настоящее время известно 3 варианта данного гена (ALAA, ALAB и ALAC). Наиболее часто встречаются варианты ALAA и ALAB. Вариант ALAA отличается от варианта ALAB аминокислотной заменой в позиции 263. Генотип aLABB альфа-лактальбумина ассоциирован с более высокими надоями, а генотип aLAAB - с более высоким содержанием белка и жира в молоке.

Бета-казеин (CSN2) состоит из 209 аминокислот, его содержание составляет 46-61% от общего казеина. Ген имеет длину 10338 п.о. и состоит из 9 экзонов и 8 интронов [7].

Наличие в генотипе аллеля CSN2B бета-казеина коррелирует с повышенным содержанием жира и казеина. Также установлено наличие достоверной разности по удою между генотипами (CSN2AA>CSN2AB> CSN2BB).

Гены белков молока как маркеры молочной продуктивности

Таблица 1

Полиморфный ген | Обозначение

Генотипы

Оказываемый эффект

Каппа-казеин Бета-казеин Бета-лактоглобулин Альфа-лактоальбу-мин

CSN3, KCn CSN2, pCn BLG, PLG LALBA, aLA

CSN3AA, CSN3AB, CSN3BB CSN2AA, CSN2AB, CSN2BB BLGAA, BLGAB, BLGBB

aLAAA, aLAAB, aLABB

Удой, % белка, сыропригодность молока Удой, % жира, сыропригодность молока Удой, % жира, сыропригодность молока

Удой, % белка, % жира

ISSN 1998-4812

Вестник Башкирского университета. 2015. Т. 20. №3

851

Ген ß-лактоглобулина (LGB) имеет размер 4662 п. о. и состоит из 7 экзонов и 6 интронов. Наиболее часто встречающиеся генетические варианты бета-лактогло-булина - LGBA и LGBB, которые отличаются двумя аминокислотными заменами: Asp 64 (LGBA) - Gly 64 (LGBB) и Val 118 (LGBA) - Ala 118 (LGBB) и соответственно кодируются разными аллелями данного гена [5, 10, 13]. Аллель BLGB гена бета-лактоглобулина связан с высоким содержанием в молоке казеиновых белков и высоким процентом жира, а вариант BLGA характеризуется высоким содержанием сывороточных белков. Показано также влияние генотипов BLG на величину удоев (коровы с генотипами BLGAB и BLGBB характеризуются более высокими удоями) [2, 9].

Внедрение маркерной селекции должно опираться на сведения о распространенности «желательных» и «нежелательных» аллелей и генотипов по маркерным генам у наиболее распространенных пород крупного рогатого скота в конкретных регионах их разведения. В табл. 2 представлены результаты изучения распространенности аллелей и генотипов генов молочных белков в Республике Башкортостан. Из таблицы видим, что у исследованных пород крупного рогатого скота частота желательных генотипов по каппа-казеину (CSN3BB) не превышает

5%, а по гену альфа-лактоальбумина (АЬАВВ) - не превышает 19%. Только по гену р-лактоглобулина частота генотипа LGBВВ, ассоциированного с более высокими надоями, находится на удовлетворительном, с точки зрения селекции уровне, и составляет 31-37%.

Вторую группу генов, влияющих на молочную продуктивность, составляют полиморфные гены гормонов, в частности, соматотропина и пролактина, которые являются пептидными гормонами гипофиза. Названные гены определяют развитие животных, подготовку к лактации и стимулируют саму лактацию.

Соматотропин (гормон роста) - важнейший регулятор, обладающий лактогенным, жиромобилизующим и рост-стимулирующим действием. Изучено два участка этого гена - экзон 4 и интрон 3 [1, 3, 11]. Полиморфизм в интроне 3, тестируемый с использованием рестриктазы Мзр1 оказался информативным для изучения связей с признаками молочной продуктивности. Полиморфизм экзона 4 гена GH обусловлен транзицией С^А, что приводит к аминокислотной замене в позиции 127 (Ъеи^Уа1) в белковом продукте и наличию/отсутствию А1и1 - сайта в нуклеотидной последовательности гена. Аминокислота лейцин соответствует ал-лелю А1и1(+), а валин - А1и1(-).

Таблица 2

Частоты встречаемости ^ генотипов и аллелей по^ генам молочных белков у изученных пород крупного рогатого скота в РБ

Локус Порода N Частота генотипов, % Частота аллелей

CSN3AA 1 CSN3AB 1 CSN3BB CSN3A 1 CSN3B

Черно-пестрая 325 57.02 37.75 5.23 0.76 0.24

Каппа-казеин Бестужевская 285 53.2 45.5 1.8 0.75 0.25

Симментальская 135 79.5 18.0 2.5 0.89 0.11

Частота генотипов, % Частота аллелей

LGBAA LGBAB LGBBB LGBA LGBB

Бета- лактоглобулин Черно-пестрая 500 28.0 36.0 36.0 0.46 0.54

Бестужевская 141 14.9 47.5 37.6 0.40 0.60

Симментальская 131 14.5 54.2 31.3 0.42 0.58

Частота генотипов, % Частота аллелей

ALAAA ALAAB ALABB ALAA ALAB

Aльфа-лактоальбумин Черно-пестрая 500 21.0 60.0 19.0 0.51 0.49

Бестужевская 145 50.3 40.0 9.7 0.70 0.30

Симментальская 133 51.9 38.3 9.8 0.71 0.29

Гены гормонов, влияющие на молочную продуктивность

Таблица 3

Полиморфныйген

Обозначение

Генотипы

Оказываемыйэффект

Соматотропин, экзон 4 Соматотропин, интрон 3 Пролактин

GH GH PRL

GHLL,GHLV, GHVV GHCC, GHCD, GHDD PRLAA,PRLAB, PRLBB

Удой, % жира Удой, % жира Удой, % жира

Таблица 4

Частоты встречаемости генотипов и аллелей по генам гормонов у изученных пород крупного рогатого скота в РБ

Локус Порода N Частота генотипов, % Частота аллелей

GHCC 1 GHCD 1 GHDD GHC 1 GHD

Соматотропин, интрон 3

Соматотропин, экзон 4

Пролактин

Черно-пестрая 250 0.160 0.660 0.190 0.74 0.26

Бестужевская 250 0.455 0.325 0.220 0.62 0.38

Симментальская 150 0.27 0.57 0.16 0.51 0.49

Частота генотипов Частота аллелей

GHLL GHLV GHVV GHLL GHVV

Черно-пестрая 250 0.195 0.625 0.180 0.72 0.28

Бестужевская 250 0.085 0.590 0.325 0.38 0.62

Симментальская 150 0.37 0.39 0.24 0.56 0.64

Частота генотипов Частота аллелей

PRL4-4 PRLM PRLBB PRL4 PRLB

Черно-пестрая 640 74.8 22.3 2.9 0.86 0.14

Бестужевская 64 28.6 63.5 7.9 0.6 0.4

Симментальская 82 13.4 68.3 18.3 0.47 0.53

852

БИОЛОГИЯ

Коровы, имеющие генотип по четвертому

экзону гена гормона роста характеризуются более высокими удоями, а также выходом молочного жира и белка. Молоко коров с генотипом ОИьь имеет более высокую жирномолочность [3]. Коровы с генотипами ОИш имеют наибольшие надо

Наличие аллеля ОИ третьего интрона гена гормона роста является наиболее благоприятным с точки зрения хозяйственной ценности и и больший выход молочного жира по сравнению с генотипами ОИсси ОИсс [1, 3].

Основная функция пролактина у млекопитающих - стимуляция развития молочных желез, а также образования и секреции молока. Ген пролактина у крупного рогатого скота локализован на 23 хромосоме и состоит из пяти экзонов и четырех интронов [1, 9]. Молчащая АО транзиция, возникающая в 103 кодоне экзона 3 приводит к появлению полиморфного RsaI-сайта. Коровы с генотипами РКЬББ по гену пролактина, по данным многих исследователей, являются наиболее обильномо-лочными и жирномолочными, а также имеют самый высокий выход молочного жира и белка.

Из табл. 4 можно видеть, что частоты генотипов по генам гормонов, благоприятно влияющих на молочную продуктивность, значительно ниже «неблагоприятных». Так, генотипы ОИш и по гену гормона роста имеют частоту от 0.16 до 0.22 и 0.18 до 0.325 соответственно. Частота генотипа РКЬББ гена гормона роста у черно-пестрой и бестужевской пород не превышает 2.9-7.9%, а у симментальской - несколько выше и составляет 18.3%.

Выводы

Учитывая, что частоты «благоприятных», с точки зрения молочной продуктивности, генотипов по исследованным полиморфным генам молочных белков и гормонов, не превышают 25%, следует рекомендовать проведение молекулярно-генетического тестирования молочных пород для объективной оценки генетической ситуации и накопления в стадах желательных генотипов, позволяющих повысить обильномолочность и улучшить качество молока.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ (Поволжье, № проекта 08-0497069).

ЛИТЕРАТУРА

1. Генофонды сельскохозяйственных животных: генетические ресурсы животноводства /отв. ред. И. А. Захаров. М.: Наука, 2006. 462 с.

2. Долматова И. Ю., Гареева И. Т., Ильясов А. Г. Влияние полиморфных вариантов гена бета-лакгоглобулина крупного рогатого скота на молочную продуктивность //Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2010. №1(3). С. 18-23.

3. Долматова И. Ю., Ильясов А. Г. Полиморфизм гена гормона роста крупного рогатого скота в связи с молочной продуктивностью // Генетика, 2011. Т.47. №6. С. 1-7.

4. Долматова И. Ю., Гареева И. Т., Ильясов А. Г. ДНК-технологии в животноводстве //Достижения науки и техники АПК. 2010. №>2. С. 42-43.

5. Ельчанинов В. В. Номенклатура и биохимические свойства основных сывороточных белков. Бета-лактоглобулин // Сыроделие и маслоделие. 2009. №2. С. 38-39.

6. Зарипов О. Г. Изменчивость признаков молочной продуктивности у коров с разными генотипами каппа-казеина // Ученые записки КГАВМ. 2008. Т.193. С. 100-104.

7. Зиновьева Н. А., Гладырь Е. А., Эрнст Л. К., Брем Г. Введение в молекулярную генную диагностику сельскохозяйственных животных. Дубровицы: ВИЖ, 2002. 112 с.

8. Иолчев Б., Левина Г., Миносян Т., Кондрахин Л., Никольская Л. Влияние генотипа каппа-казеина на молочную продуктивность коров черно-пестрой породы // Молочное и мясное скотоводство. 2003. №3. С. 34-35

9. Калашникова Л. А., Хабибрахманова Я. А., Тинаев А. Ш. Влияние полиморфизма генов молочных белков и гормонов на молочную продуктивность коров черно-пестрой породы // Доклады РАСХН. 2009. №4. С. 49-51.

10. Шапканова Е. В. Молочная продуктивность черно-пестрого скота с разными генотипами бета-лактоглобулина // Зоотехния. 2010. №12. С. 2-3.

11. Хатами С. Р., Лазебный О. Е., Сулимова Г. Е. ДНК-полиморфизм генов гормона роста и пролактина у ярославского и черно-пестрого скота в связи с молочной продуктив-ностью//Генетика. 2005.Т.41. №2. С. 229-236.

12. Эрнст Л. К., Зиновьева Н. А. Биологические проблемы животноводства в XXI веке. М.: РАСХН, 2008, 508 с.

13. Erhardt G. J., Juszczak, L. Panicke, H. Krick-Saleck. Genetic polymorphism of milk proteins in Polish Red Cattle: a new genetic variant of B-lactoglobulin // Journal of Animal Breeding and Genetics. 1998. V. 115. P. 63-71.

14. Fiat A.-M., Jolles P. Caseins of various origins and biologically active casein peptides and oligosaccarides: Structural and physiological aspects. //Mol.Cell. Biochem. 1989. V. 7. Р. 5-30.

15. Rechmi R. C., Stephen M. Evaluation of laction milk yield and polymorphism of alpha-lactalbumin gene in crossbred cattle of Cerala// Agriculture Fishery and Veterinary Sciences. 2010. №5. Р. 235-238.

16. Rijnkels M., Kooiman P. M., Deboer H. A., Pieper F. R. Organization of the bovine casein gene locus. // Mammal. Genome. 1997. V. 8. Р. 148-152.

17. Yardibi H., Crooker B. A. Association of alpha-lactolbumin gene polymorphism with selection for milk yield in Holstein cows // J. Dairy Sci. 2009. 76. 1. Р. 149-153.

Поступила в редакцию 02.07.2014 г. После доработки - 08.09.2014 г.

ISSN 1998-4812

BecTHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2015. T. 20. №3

853

ASSESSMENT OF THE GENETIC POTENTIAL OF CATTLE BY MARKER GENES

© I. Y. Dolmatova*, F. R. Valitov

Bashkir State Agrarian University 34 50-letiya Oktyabrya St., 450001 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (347) 228 15 11.

*Email: dolmat@list.ru

As material for study, selections of cows of black and motley, bestuzhevsky and simmentalsky breeds served. Polymorphism of genes kappa- and beta-casein, beta-lactoglobulin, alpha-lactoalbumin, prolactinum and a somatotropin is revealed by the PCR-RFLP method. CSN3B allele of kappa-casein is associated with higher yield of milk and also higher milk protein content and a suitability to production of cheese. The genotype aLABB alpha-lactoalbumin is associated with higher milk yield and a genotype aLAAB with higher protein content and fat in milk. Existence in a genotype of CSN2B allele of beta-casein correlates with the higher content of fat and casein. Allele of BLGB of beta-lactoglobulin gene and allele ALAB of alpha-lactoalbumin is connected with the high content in milk of casein proteins and high percent of fat and the BLGA option is characterized by the high content of serumal proteins. The cows having GHVV genotype on a hormone of growth are characterized by higher yields of milk and also of milk fat and protein. Milk of cows with a genotype of GHLL has higher fat content of milk. Existence of allele GHD of the third intron of a gene of a hormone of growth is optimum from economic value point of view. Cows with genotypes of GHDD have the greatest milk yield and a bigger yield of milk fat in comparison with GHCC GHCD genotypes. Cows with PRLBB genotypes on prolactinum gene, according to many researchers are the best compared by high yield of milk and fat content in milk, they also show the highest yield of milk fat and protein.

Keywords: genetic polymorphism; genes-candidates, milk productivity, alleles, cattle, kappa- and beta-cazeins, beta-lactoglobulin, alpha-lactalbumin, prolactin, growth hormone, marker assistant selection.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Genofondy sel'skokhozyaistvennykh zhivotnykh: geneticheskie resursy zhivotnovodstva [Gene pools of farm animals: genetic resources of livestock] /otv. red. I. A. Zakharov. Moscow: Nauka, 2006.

2. Dolmatova I. Yu., Gareeva I. T., Il'yasov A. G.Vestnik Bashkirskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2010. No. 1(3). Pp. 18-23.

3. Dolmatova I. Yu., Il'yasov A. G. Genetika, 2011. Vol. 47. No. 6. Pp. 1-7.

4. Dolmatova I. Yu., Gareeva I. T., Il'yasov A. G.Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2010. No. 2. Pp. 42-43.

5. El'chaninov V. V. Syrodelie i maslodelie. 2009. No. 2. Pp. 38-39.

6. Zaripov O. G. Uchenye zapiski KGAVM. 2008. Vol. 193. Pp. 100-104.

7. Zinov'eva N. A., Gladyr' E. A., Ernst L. K., Brem G. Vvedenie v molekulyarnuyu gennuyu diagnostiku sel'skokhozyaistvennykh zhivotnykh [Introduction to molecular genetic diagnosis of farm animals]. Dubrovitsy: VIZh, 2002.

8. Iolchev B., Levina G., Minosyan T., Kondrakhin L., Nikol'skaya L. Molochnoe i myasnoe skotovodstvo. 2003. No. 3. Pp. 34-35

9. Kalashnikova L. A. Doklady RASKhN. 2009. No. 4. Pp. 49-51.

10. Shapkanova E. V. Zootekhniya. 2010. No. 12. Pp. 2-3.

11. Khatami S. R., Lazebnyi O. E., Sulimova G. E.Genetika. 2005. Vol. 41. No. 2. Pp. 229-236.

12. Ernst L. K., Zinov'eva N. A. Biologicheskie problemy zhivotnovodstva v XXI veke [Biological problems of livestock in 21st century]. Moscow: RASKhN, 2008,

13. Erhardt G. J., Juszczak, L. Panicke, H. Krick-Saleck. Genetic polymorphism of milk proteins in Polish Red Cattle: a new genetic variant of B-lactoglobulin. Journal of Animal Breeding and Genetics. 1998. Vol. 115. Pp. 63-71.

14. Fiat A.-M., Jolles P.Mol.Cell. Biochem. 1989. Vol. 7. Pp. 5-30.

15. Rechmi R. C., Stephen M. Agriculture Fishery and Veterinary Sciences. 2010. No. 5. Pp. 235-238.

16. Rijnkels M., Kooiman P. M., Deboer H. A., Pieper F. R. Mammal.Genome. 1997. Vol. 8. Pp. 148-152.

17. Yardibi H., Crooker B. A. J. Dairy Sci. - 2009. 76. 1. Pp. 149-153.

Received 02.07.2014. Revised 08.09.2014.