CC BY
59
doi: 10.24411/0235-2451-2021-10307 УДК 636.2.082.252+636.2.082.453.52+636.2.034
Влияние уровня геномного инбридинга, оцененного по ROH-паттернам, на воспроизводительные качества и молочную продуктивность дочерей, а также спермопродукцию голштинских быков-производителей*
И.С. НЕДАШКОВСКИЙ, А.А. СЕРМЯГИН, О.В. КОСТЮНИНА, И.Н. ЯНЧУКОВ, Н.А. ЗИНОВЬЕВА
Федеральный научный центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста, пос. Дубровицы, 60, Подольск, Московская обл., 142132, Российская Федерация
Резюме. Для совершенствования подбора родительских пар и отбора животных в популяции могут быть использованы ROH (Runs of homozygosity) паттерны гомозиготности. Исследования проводили с целью оценки геномного коэффициента инбридинга на основе ROH во взаимосвязи с признаками собственной продуктивности и фертильности потомства для совершенствования подбора родительских пар и отбора животных. Средняя длина ROH с увеличением размера паттерна с 1...2 Mb до 16 Mb и более возрастала с 1,34 до 23,56 Mb. При увеличении FROH (inbreeding coefficient determined using ROH, геномный коэффициент инбридинга) на умеренную величину с 4,1 % до 7,5 %, наблюдали повышение среднего объема эякулята быков с 4,62 до 4,74 мл, числа сперматозоидов - с 6,16 до 6,62 млрд шт. в среднем объеме эякулята и их концентрации - с 1,33 до 1,41 млрд/мл. При дальнейшем росте величины этого показателя выше 7,6 и 10,9 % отмечено снижение качественного параметра (концентрации спермиев с 1,41 до 1,32 млрд шт.) при сохранении количественных. По результатам оценки племенной ценности (estimated breeding value, EBV) при использовании быков с FROH 7,6 % и более молочная продуктивность дочерей за 305 дн. возрастала, по сравнению с потомками аутбредных производителей, на 222...228 кг, выход молочного жира - на 6,8...7,9 кг, молочного белка - на 5,1 кг, количество дойных дней - на 3,4.4,2 дн. Одновременно наблюдали отрицательную динамику количества осеменений, необходимых для достижения стельности, на 0,017.0,031 ед., и продолжительности сервис периода - на 4,0 и 5,5 дн. В геноме голштинского скота установлен ряд регионов на хромосомах BTA 6, BTA8, BTA9, BTA10, BTA 14, BTA20, BTA22 и BTA26, находящихся под давлением отбора.
Ключевые слова: крупный рогатый скот, ROH паттерны, геномный инбридинг, молочная продуктивность, эякулят, оценка племенной ценности (estimated breeding value, EBV).
Сведения об авторах: И.С. Недашковский, аспирант (e-mail: nedashkovsky_is@mail.ru); А.А. Сермягин, кандидат сельскохозяйственных наук, зав. отделом (e-mail: alex_sermyagin85@mail.ru); О.В. Костюнина, доктор биологических наук, зав. лабораторией; И.Н. Янчуков, доктор сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник; Н.А. Зиновьева, доктор биологических наук, академик РАН, директор
Для цитирования: Влияние уровня геномного инбридинга, оцененного по ROH-паттернам, на воспроизводительные качества и молочную продуктивность дочерей, а также спермопродукцию голштинских быков-производителей / И.С. Недашковский, А.А. Сермягин, О.В. Костюнина и др. // Достижения науки и техники АПК. 2021. Т. 35. №.3. С. 39-45. doi: 10.24411/0235-2451-2021-10307
Исследования выполнены в рамках Государственного задания Минобрнауки России, тема №AAAA-A18-118021590134-3
Influence of the level of genomic inbreeding assessed by ROH-patterns on reproductive qualities and milk productivity of daughters and sperm productivity of Holstein sires
I.S. Nedashkovsky, A.A. Sermyagin, O.V. Kostyunina, I. N. Yanchukov, N.A. Zinovieva
Ernst Federal Science Center for Animal Husbandry, 60, pos. Dubrovitsy, Podolsk, Moskovskaya obl., 142132, Russian Federation
Abstract. ROH (runs of homozygosity) homozygosity patterns can be used to improve the selection of parental pairs and to select animals in the population. The studies assessed the genomic coefficient of inbreeding based on ROH in relation to the traits of their productivity and fertility of the offspring to improve the matching of parental pairs and selection of animals. With an increase in the pattern size from 1-2 Mb to 16 Mb and more the average ROH length increased from 1.34 Mb to 23.56 Mb. With an increase in FROH (inbreeding coefficient determined using ROH, genomic coefficient of inbreeding) by a moderate value from 4.1% to 7.5%, the volume of bull ejaculate increased on average from 4.62 mL to 4.74 mL; the number of spermatozoa increased from 6.16 billion pcs to 6.62 billion pcs in the average volume of ejaculate; their concentrations increased from 1.33 bln/mL to 1.41 bln/mL. With a further increase in the value of this indicator above 7.6% and 10.9%, we noted a decrease in the qualitative parameter while maintaining the quantitative parameters. The concentration of sperm cells increased from 1.41 bln pcs to 1.32 bln pcs. Based on the results of the estimated breeding value (EBV) using bulls with a FROH of 7.6% or more, daughters' milk productivity in 305 days increased in comparison with the descendants of stud bulls by 222-228 kg; the yield of milk fat increased by 6.8-7.9 kg; the yield of milk protein increased by 5.1 kg; the number of yield days increased by 3.4-4.2. At the same time, we observed a negative trend in the number of inseminations required to achieve pregnancy. They decreased by 0.017-0.031 units while the duration of the service period decreased by 4.0 days and 5.5 days. In the genome of Holstein cattle, we identified several loci on the chromosomes BTA 6, BTA8, BTA9, BTA10, BTA 14, BTA20, BTA22, and BTA26, which were under selection pressure. Keywords: cattle; ROH patterns; genomic inbreeding; milk production; ejaculate; estimated breeding value (EBV). Author Details: I.S. Nedashkovsky, post graduate student (e-mail: nedashkovsky_is@mail.ru; A.A. Sermyagin, Cand. Sc. (Agr.), head of division (e-mail: alex_sermyagin85@mail.ru); O.V. Kostyunina, D. Sc. (Biol.), head of laboratory; I. N. Yanchukov, D. Sc. (Agr.), leading research fellow; N.A. Zinovieva, D. Sc. (Biol.), member of the RAS, director.
For citation: Nedashkovsky IS, Sermyagin AA, Kostyunina OV, et al. [Influence of the level of genomic inbreeding assessed by ROH-patterns on reproductive qualities and milk productivity of daughters and sperm productivity of Holstein sires] Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2021;35(3):39-45. Russian. doi: 10.24411/0235-2451-2021-10307.
Паттерны гомозиготности (ROH) представляют собой непрерывные гомозиготные отрезки в геноме. На их длину, численность и расположение могут влиять по сцеплению (LD) [1], но основной причиной считается инбридинг [2]. Длинные ROH, скорее всего, образуются в результате недавнего инбридинга, когда рекомбинации не
различные факторы, включая частоту мутаций, структуру популяции, однородительскую диссомию (UPD), естественный отбор, рекомбинацию и паттерны неравновесия укорачивают идентичные гаплотипы унаследованные от общего предка. Короткие ROH, напротив, предполагают более далекий инбридинг. Способность ROH раскрывать
информацию о далеких и недавних генетических событиях делает его полезным инструментом для анализа истории популяции [3], уровня инбридинга и влияния инбридинга на различные признаки и врожденные нарушения [4]. Кроме того, использование паттернов ROH открывает возможности для более эффективной оценки уровня геномного инбридинга (Froh) как в популяции, так и для конкретного индивидуума, по сравнению с родословными [5]. Например, в США на голштинской породе коэффициент инбридинга рассчитанный с использованием родословных в среднем был равен 0,043, на основе ROH-данных -0,086 [6], аналогичную картину для этой породы отмечали в Италии - соответственно 0,044 и 0,116 [7].
По данным М.Г. Смарагдова и соавт. среднее число ROH у голштинизированного черно-пестрого скота Ленинградской области варьировало от 23 до 25 шт./геном, средняя длина ROH - от 6729 до 7220 т.п.н. (тысяч пар нуклеотидов). При этом суммарная длина ROH у отдельных животных составляла от 24 до 380 м.п.н. (миллионов пар нуклеотидов). Рассчитанный коэффициент инбридинга у отдельных коров варьировал от 1,0 до 15,1 %, средняя величина этого показателя в четырех стадах - от 5,5 до 8,0 % [8].
В результате наших исследований по оценке уровня гомозиготности быков-производителей популяции скота черно-пестрой и голштинской пород Центрального региона России на основе геномной информации, проведенных ранее, наибольшим числом и суммарной длиной ROH в изученной популяции характеризовались хромосомы 3, 6, 9, 10, 20 и 24, средняя длина которых достигала 10,34; 9,15; 10,33; 12,37 и 9,05 Mb соответственно. Число сегментов ROH варьировало от 5 до 34 при средней величине этого показателя 19,1. Средний размер ROH составлял 8539 ± 161 kb с общим числом нуклеотидных мутаций 136,2 ± 2,5 SNP и плотностью покрытия 62,2 kb. При этом по мере увеличения инбридинга по родословной от 0 до 8,5 % частота встречаемости ROH-паттернов возрастала в среднем с 15,5 до 25,7 гомозиготных сегментов в геноме. Суммарная длина паттернов и средняя величина ROH имели тенденцию к росту в зависимости от уровня инбридинга [9].
Цель исследования - анализ идентифицированных ROH разной длины по категориям, оценка геномного коэффициента инбридинга на основе ROH во взаимосвязи с признаками собственной продуктивности и фертильности потомства для совершенствования подбора родительских пар и отбора животных.
Условия, материалы и методы. Образцы ДНК были взяты от 374 быков голштинского скота Подмосковья. Животных генотипировали с применением биочипа Illumina Bovine SNP50K v2 BeadChip плотностью 54609 SNP [10]. Анализ паттернов гомозиготности (ROH) проводили с использованием пакета Plink 1.9 [11].
Размер паттернов гомозиготности (ROH) у быков-производителей определяли с помощью пакета cgaTOH [12]. В своей работе мы руководствовались подходом M. Ferencakovic (2013), который предусматривает дифференциацию ROH согласно длине в Mb в связи с давностью возникновения демографического события в популяции молочного скота на группы: [1;2], (2;4], (4;8], (8;16] и >16 Mb. Статистически FROH (среднее значение длины
Таблица 1. ности
ROH) определяется как длина аутосомного генома, присутствующего в ROH, деленная на общую длину аутосомного генома, охватываемого пулом SNP (Single Nucleotide Polymorphism). Для каждого быка были рассчитаны FROH>
1 Mb, Froh> 2 Mb, Froh> 4 Mb, Froh> 8 Mb и FROH> 16 МЬна основе ROH различной минимальной длины (>1, >2, >4, >8 или >16 Mb). Froh определяли для разных минимальных длин ROH, потому что длина аутозиготных сегментов в геноме, по прогнозам, будет показывать экспоненциальное распределение, со средней длиной, равной 100/2 g Моргана, где g - число поколений со времени общего предка. Если геном индивида содержит сегменты длиной до 1 Мб, можно заключить, что его аутозиготность происходила от общих предков до 50 поколений назад.
В ходе исследований рассчитывали коэффициенты геномного инбридинга, которые далее сопоставляли с показателями собственной продуктивности быков (средний объем эякулята, число, концентрация и активность сперматозоидов), а также с абсолютными значениями и показателями оценки племенной ценности (estimated breeding value, EBV) по признакам молочной продуктивности и фертильности дочерей. По результатам детекции ROH на хромосомах скота с наибольшей частотой встречаемости паттернов гомозиготности проведена аннотация ряда однонуклеотидных мутаций, входящих в гены или близлежащих, для определения локусов в геноме, находящихся под давлением отбора. Аннотацию генов, входящих в выявленные гомозиготные районы, осуществляли по базе данных NCBI (National Center for Biotechnological Information) (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/).
Образцы спермы животных, использовавшиеся для выделения ДНК и генотипирования, были получены из центров искусственного осеменения посредством обычной практики в рамках программ разведения.
Алгоритм поиска паттернов гомозиготности (ROH) предусматривает сканирование участков, последовательно расположенных гомозиготных однонуклеотидных замен (SNP). Основа его работы заложена в непрерывной проверке таких замен по всей длине хромосомы. ROH определяли при условии присутствия на исследуемом участке генома 15 последовательных гомозиготных SNP или более при плотности не менее 1 SNP на каждые 100 kb, с промежутками между ними не более 1000 kb. Кроме того, был принят ряд следующих условий: начиная с группы ROH длиной (8;16] Mb допускалось наличие
2 пропущенных нуклеотидных замен на сегмент SNP, при уровне >16 Mb - 4 пропущенных нуклеотидных замен и 1 - гетерозиготная аллель.
Результаты и обсуждение. У изученных быков популяции черно-пестрого и голштинского скота Подмосковья с увеличением длины паттернов практически пропорционально возрастало число SNP, входивших в сегмент, достигая максимума 1469 маркеров (табл. 1). Средняя длина ROH с увеличением размера паттерна с 1...2 Mb до >16 Mb возрастала с 1,34 до 23,56 Mb. При
Статистика числа SNP, входящих в ROH различной протяжен-
Статистика Длина ROH по группам, Mb
[1:21 (2:41 1 (4:81 (8:161 >16
X±m 25,45±0,05 53,00±0,20 109,87±0,45 212,59±1,11 444,45±5,71
а 7,76 17,23 29,63 51,93 155,73
min 15 15 21 86 209
max 61 112 223 384 1469
Средняя длина 1,34 2,77 5,62 11,01 23,56
ROH, Mb
Общая длина ROH, 76,10 57,16 65,29 65,48 62,30
Mb
Таблица 2. Распределение числа ROH в зависимости от длины паттернов в среднем на быка-производителя
Длина ROH, Mb X±m a min max
>1 96,88±0,69 13,35 53 155
>2 40,07±0,54 10,52 12 76
>4 19,43±0,39 7,62 1 42
>8 7,93±0,22 4,26 1 24
>16 2,64±0,11 1,83 0 11
этом общая длина ROH (сумма всех сегментов в среднем на животное) значительно не менялась, а даже имела тенденцию к снижению с 76,10 Mb до 62,30 Mb.
В изучаемой популяции голштинизированного и голштинского скота количество ROH в геноме быков-производителей выше 16 Mb составляло 2,64 ед. (табл. 2). Это указывает на относительно невысокий уровень инбридинга по выборке и наличие общего предка 3,125 поколения назад.
Таблица 3. Сравнительные оценки уровня геномного инбридинга (FROH паттернов ROH и породой быков-производителей
концентрация спермиев при сохранении количественных параметров. Активность спермиев не зависела от уровня геномного инбридинга.
Значительное превышение геномного инбридинга, характеризующего уровень FROH>0,109, отрицательно сказывалось на густоте семени. При этом можно отметить, что наличие более длинных сегментов в геноме, указывает на наличие мутаций, отрицательно ассоциированных с репродуктивной функцией животных [14].
Наиболее объективное сравнение динамики изменения влияния геномного инбридинга на основные показатели продуктивности возможно с использованием оценки племенной ценности (EBV). Результаты такого анализа свидетельствуют о том, что по мере роста уровня геномного инбридинга удой за 305 дн. лактации увеличивается, относительно аутбредных быков и производителей с невысоким уровнем FROH (<0,041), на 222...228 кг молока, молочного жира - на 6,8...7,9 кг, молочного белка - на 5,1 кг (табл. 5).
) в связи с протяженностью
Порода froh >1 froh >2 froh >4 froh >8 froh >16
Голштинская порода черно-пестрой масти Голштинская порода красно-пестрой масти Черно-пестрая порода 0,124 0,094 0,075 0,094 0,064 0,049 0,076* 0,046 0,038 0,052 0,028 0,025 0,031 0,013 0,018
*50К панель средней плотности переоценивает короткие (1...4 м.п.н.) ROH, тогда как 600К (Bovine HD) панель высокой плотности недооценивает ROH более 8 м.п.н. [13]. Следовательно, для корректной оценки ROH на 50К панели следует учитывать ROH более 4 м.п.н. [8].
Наиболее точная оценка геномного инбридинга в связи с протяженностью паттернов гомозиготности по происхождению (породам) быков-производителей дана по градации FROH >4 (табл. 3). В нашем исследовании мы пришли к такому условию поскольку сканировали геном рамкой 50 SNPs, то есть дальнейшие расчеты влияния FROH на основные хозяйственно-полезные качества потомства и собственную продуктивность быков-производителей проводили с учетом ROH более 4 м.п.н. Оценка FROH была равна 0,076, или 7,6 %, что в среднем на 5.7 % выше, чем при оценке инбридинга, основанной на 4-х рядах предков в родословной быков. Увеличение размера паттерна до более чем 16 Mb сопровождалось снижением уровня геномного инбридинга до 0,031. Это свидетельствует о том, что значимая доля оценки гомозиготности обусловлена ROH с относительно небольшой длиной, которая служит отражением демографических изменений в популяции 20.50 поколений назад.
По результатам анализа взаимосвязи абсолютных показателей собственной продуктивности быков и продуктивности их дочерей (включая оценке племенной ценности) с уровнем геномного инбридинга установлено, что при увеличении FROH с 4,1 % до 7,5 %, то есть на умеренную величину, наблюдалось повышение среднего объема эякулята быков, числа сперматозоидов в одном эякуляте и их концентрации в 1 мл (табл. 4). При росте уровня геномного инбридинга выше 7,6 % и 10,9 % отмечено снижение величины качественного показателя
По мере увеличения коэффициента геномного инбридинга наблюдалась отрицательная динамика количества осеменений, необходимых для достижения стельности, которое возрастало на 0,031 ед., одновременно продолжительность сервис периода увеличилась на 5,5 дн (табл. 6). При этом количество дойных дней возрастало на 4,2 дн. Величины EBV по числу соматических клеток (SCS) снижались на -0,030.-0,034 балла.
Поиск каузальных мутаций, позволил установить ряд регионов на хромосомах BTA 6, BTA8, BTA9, BTA10, BTA 14, BTA20, BTA22 и BTA26, находящихся под давлением отбора (см. рисунок).
После визуализации путем построения Rplot и анализа частоты встречаемости ROH была проведена аннотация генов, формирующих кластеры повышенного селекционного давления.
На хромосоме 26 локализован ген SCD (Stearoyl-CoA desaturase (delta-9-desaturase), позиция 21,137,945...21,148,317 Mb). Он играет важную роль в регулировании экспрессии генов, участвующих в липоге-незе, а также в регуляции митохондриального окисления жирных кислот, способствует биосинтезу мембранных фосфолипидов, сложных эфиров холестерина и тригли-церидов. Ассоциирован с локусами количественных признаков, связанных с восприимчивостью к респираторным заболеваниям крупного рогатого скота, содержанием внутримышечного жира, цветом и текстурой мяса, процентом казеина в молоке, выходом молочного белка,
Таблица 4. Взаимосвязь показателей собственной продуктивности быков-производителей по качеству семени и уровня геномного инбридинга ^пон)
УРовень Froh Средний объем эякулята, мл Число сперматозоидов в среднем объеме эякулята, млрд шт. Концентрация, млрд/мл Активность, балл
I) <0,041 (n=12) II) 0,042.0,075 (n=26) III) 0,076.0,108 (n=30) IV) > 0,109 (n=10) 4,62±0,22 4,74±0,21 5,17±0,19* 5,42±0,33*'* 6,16±0,38 6,62±0,29 6,59±0,20 7,10±0,36* 1,33±0,06 1,41±0,04 1,29±0,03'* 1,32±0,03'* 8,00±0,004 8,00±0,001 8,00±0,002 8,00±0,001
*р<0,05; **р<0,01; ***р<0,001;
/* - достоверное различие между показателями II и III, II и IV групп.
Таблица 5. Взаимосвязь оценки племенной ценности быков-производителей (EBV) по признакам молочной продуктивности и уровня геномного инбридинга (FROH)
УРовень froh У3051, кг МДЖ, % МЖ, кг МДБ, % МБ, кг
I) <0,041 (n=59) II) 0,042...0,075 (n=146) III) 0,076.0,108 (n=103)2 IV) > 0,109 (n=66)3 84±42 108±27 222±29**/** 228±31**/**/нд ---- ,,,, 0000 M 00 M ->■ 00 OO 00 1+ 1+ 1+ 1+ ,,,, 0000 o о о ->■ CD CD 00 CD 2,8±1,7 3,0±1,1 6,8±1,2нд/* 7,9±1,1*/**/нд -0,018±0,006 -0,022±0,003 -0,028±0,004 -0,035±0,004*/*/нд 1,5±1,2 2,0±0,8 5,1±0,8*/* 5,0±0,9*/*/нд
'У305 - оценка племенной ценности по удою за 305дн. лактации, МДЖ и МДБ - оценка племенной ценности по массовой доле жира и белка в молоке, МЖ и МБ - оценка племенной ценности по количеству молочного жира и белка молока;
2,3попарное сравнение групп по уровню геномного инбридинга: соответственно */* - III и I, III и II, */*/* - 1Уи I, IVи II, IV и III; *р<0,05; **р<0,01;нд - недостоверно
удоем. Регулирует содержание линоленовой, олеиновой, миристиновой и стеариновой кислот, содержание ненасыщенных жирных кислот [15, 16, 17].
На хромосоме 26 локализован ген CHUK (component of inhibitor of nuclear factor kappa B kinase complex, позиция 20,966,009...21,008,275 Mb), который участвует в передаче сигналов ядерного фактора (NF)-kappaB и играет решающую роль в регуляции и координации широкого спектра таких процессов, как рост клеток, апоптоз и дифференцировка клеток. Он ассоциирован с локусами количественных признаков, влияющих на содержание арахиновой, каприновой, капроновой, каприловой, лауриновой и маргариновой кислот, соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в молоке, выход молочного жира [18].
гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую систему и множественные функции гипоталамуса, связан с метаболизмом липидов у млекопитающих. Ген ассоциирован с локусами количественных признаков, связанных с качеством мяса (область длинных мышц, количество соединительной ткани, мраморность, Ph (лат. pondus Hydrogenii) мышц, а также содержанием подкожного жира, средним дневным приростом и массой туши в целом, такими показателями экстерьера, как вес костяка и оценка соответствия типу продуктивности [22, 23].
На хромосоме 14 локализован ген ARMC1 (armadillo repeat containing 1, позиция 31,695,680.. .31,720,448 Mb), который участвует в большом количестве процессов, включая канцерогенез, контроль клеточного старения и жизнеспособности, регуляцию циркадного ритма и ли-
Таблица 6. Взаимосвязь оценки племенной ценности быков-производителей (EBV) по хозяйственно-полезным признакам и уровня геномного инбридинга (FROH)
УРовень froh froh^ % КО, ед. СП, дн. ДД, дн. SCS
I) <0,041 (n=59) II) 0,042-0,075 (n=146)2 III) 0,076-0,108 (n=103)3 IV) > 0,109 (n=66)4 2,86±0,11 6,00±0,08*** 8,88±0,09***/*** 12,86±0,22"*/"*/"* 0,002±0,011 0,022±0,007 0,017±0,010 0,031±0,009*/нд/нд 0,3±1,5 1,9±0,8 4,0±0,8*/* 5,5±1,1**/**/нд 0,3±1,3 1,7±0,6 3,4±0,6*/нд 4,2±0,8*/*/нд -0,002±0,015 0,060±0,001 -0,030±0,015нд/* -0,034±0,008нд/***/нд
>Froh - коэффициент геномного инбридинга, КО - оценка племенной ценности по количеству осеменений, СП и ДД -оценка племенной ценности по продолжительности сервис-периода и лактации, SCS - оценка племенной ценности по числу соматических клеток, нормализованная десятичным логарифмом;
г, 3 4попарное сравнение групп по уровню геномного инбридинга: соответственно * - II и I, */* - III и I, III и II, */*/* - IVи I, IV и II, IV и III;
*р<0,05; **р<0,01; ***р<0,001;нд - недостоверно
На хромосоме 22 локализован ген ITPR1 (inositol 1,4,5-trisphosphate receptor type 1, позиция 21,614,843...21,969,868 Mb) - основной внутриклеточный канал, который опосредует сокращение гладких мышц, мобилизуя высвобождение внутриклеточного кальция. Он участвует в регуляции эпителиальной секреции электролитов и апоптозе. Ассоциирован с локусами количественных признаков, связанных с массой тела при рождении [19].
На хромосоме 20 локализован ген NPR3 (Natriuretic peptide receptor 3, позиция 40,965,738...41,042,094 Mb). Он кодирует один из трех рецепторов натрийуретических пептидов - это небольшие пептиды, которые регулируют объем и давление крови, легочную гипертензию и сердечную функцию, а также некоторые метаболические процессы и процессы роста. Ассоциирован с локусами количественных признаков, связанных с экстерьером (глубина корпуса, молочный тип в целом, ширина крупа, рост, прикрепление вымени, высота вымени), содержанием жира в молоке, количеством соматических клеток, мертворождением (по материнской линии) [20, 21].
На хромосоме 14 локализован ген CRH (corticotropin releasing hormone, позиция 32,213,670...32,214,253 Mb), который играет важную роль в росте и развитии млекопитающих, участвует в регуляции аппетита. Продукт гена регулирует секрецию гормона адренокортикотропина,
зосомную сортировку G белковых рецепторов. Ассоциирован с локусами количественных признаков, связанных с выходом молочного жира [24].
На хромосоме 14 локализован ген ARFGEF1 (ADP ribosylation factor guanine nucleotide exchange factor 1, позиция 33,343,882...33,480,413 Mb), участвующий в активации ARF (фактор ADP-рибозилирования) за счет ускорения замены связанного GDP на GTP, играет важную роль во внутриклеточном везикулярном движении и поддержания структуры аппарата Гольджи. Участвует в эндоцитозе и обмене гуанил-нуклеотидов. Ассоциирован с локусом количественных признаков, связанных с удоем молока [24].
На хромосоме 10 локализован ген HIF1A (hypoxia inducible factor 1 subunit alpha, позиция 74,095,729...74,140,535 Mb), который играет решающую роль в ангиогенезе посредством регуляции транскрипции таких ангиогенных факторов, как фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), функционирует как главный регулятор транскрипции адаптивного ответа на гипоксию, участвует в активности ДНК-связывающего фактора транскрипции и активности гетеродимеризации белка. Ассоциирован с локусами количественных признаков, связанных с содержанием молочного белка и углом стопы [25].
На хромосоме 8 локализован функциональный ген-кандидат LPL (lipoprotein lipase, позиция 67,497,758...
Рисунок. Идентификация ROH паттернов, входящих в селекционно значимые локусы (выделены прямоугольной рамкой) на хромосомах крупного рогатого скота 6, 8, 9, 10, 14, 20, 22, 26.
67,511,321 МЬ), который участвует в регуляции состава жирных кислот, метаболизме и транспортировке липидов, энергетического баланса, отложения жира и особенностей роста, катализирует гидролиз триглице-ридов из циркулирующих хиломикронов и липопротеи-нов очень низкой плотности и, таким образом, играет важную роль в выведении липидов из кровотока, их утилизации и хранении. Ген ассоциирован с локусами количественных признаков, связанными с молочной продуктивностью (выход и содержание молочного жира, содержание молочного белка, соотношение молочного белка и жира, содержание казеина в молоке), содержанием подкожного и внутримышечного жира
и экстерьером (глубина груди, обхват груди, ширина бедра, длина тела, высота в холке). Связан с резистентностью к респираторным заболеваниям крупного рогатого скота [26, 27, 28].-
На хромосоме 6 локализован ген PAICS (phospho-ribosylaminoimidazole carboxylase, phosphoribosylami-noimidazole succinocarboxamide synthetase, позиция 73,488,049...73,507,191 Mb), участвующий в биосинтезе нуклеотидов, в частности, пурина. Он регулирует метаболизм нуклеотидов, имеет решающее значение для энергетического метаболизма, передачи сигналов и воспроизводства клеток. Ассоциирован с локусами количественных признаков, связанных количеством осеменений,
необходимых для плодотворного зачатия, и возрастом по хозяйственно-полезным качествам и FROH показали
первого осеменения [29]. увеличение удоя за 305 дн. лактации (р<0,01) по мере
На хромосоме 9 локализован ген NCOA7 (Nuclear роста коэффициента инбридинга на 84... 228 кг, коли-
receptor coactivator, позиция 25,681,085.25,692,870 чества молочного жира (р<0,01) - на 2,8.7,9 кг, белка
Mb), который регулирует активность коактиватора молока (р<0,05) - на 1,5...5,0 кг, продолжительности
транскрипции ядерного рецептора и связывание ре- лактации (р<0,05) - на 0,3.4,2 дн. Одновременно со-
цептора ядерного гормона, повышает транскрипцион- держание молочного жира и белка (р<0,05) снижалось
ную активность и участвует в коактивации нескольких соответственно на 0,013.0,023 % и 0,018.0,035 %.
ядерных рецепторов. Ассоциирован с количеством Количество соматических клеток варьировало по
соматических клеток в молоке [30]. группам FROH от -0,002 до -0,034 балла. В ходе ана-
Выводы. В результате исследования установле- лиза встречаемости паттернов гомозиготности в
но, что с увеличением уровня геномного инбридинга исследуемой популяции детектирован ряд кластеров
с 4,1 % до 10,9 % происходит повышение среднего с входящими в них протеин кодирующими генами, на-
объема эякулята с 4,62 до 5,42 мл и увеличение числа ходящимися под давлением отбора. Аннотация генов
сперматозоидов в среднем объеме эякулята с 6,16 до (SCD, CHUK, ITPR1, NPR3, CRH, ARMC1, ARFGEF1,
7,1 млрд шт. с сохранением активности на уровне 8 HIF1A, LPL, PAICS, NCOA7), входящих в гомозиготный
баллов. Наблюдается незначительная вариация кон- локус и формирующих кластеры повышенного селек-
центрации спермиев по группам FROH с 1,33 (при FROH ционного давления, позволяет сделать заключение
<0,041) до 1,41 (при Froh 0,042.0,075) и 1,32 (при FROH о их влиянии на основные хозяйственно-полезные
> 0,109) млрд шт./мл. Результаты анализа оценки вза- качества, включая показатели молочной продуктив-
имосвязи племенной ценности быков-производителей ности, и экстерьер.
Литература
1. Gibson J., Morton N. E., Collins A. Extended tracts of homozygosity in outbred human populations // Hum. Mol. Genet. 2006. No. 15. P. 789-795.
2. Broman K. W., Weber J. L. Long homozygous chromosomal segments in reference families from the centre d'Etude du polymorphisme humain // Am. J. Hum. Genet. 1999. No. 65. P. 1493-1500.
3. Genomic runs of homozygosity record population history and consanguinity / M. Kirin, R. McQuillan, C. S. Franklin, et al. // PLoS One. 2010. No. 5. P. 13996.
4. Keller M. C., Visscher P. M., Goddard M. E. Quantification of inbreeding due to distant ancestors and its detection using dense SNP data // Genetics. 2011. No. 189. P. 237-249.
5. Оценка геномной вариабельности продуктивных признаков у животных голштинизированной черно-пестрой породы на основе GWAS анализа и ROH паттернов/А. А. Сермягин, О. А. Быкова, О. Г. Лоретц и др. //Сельскохозяйственная биология. 2020. Т. 55. № 2. С. 257-274.
6. Kim E. S., Cole J. B., Huson H. Effect of artificial selection on runs of homozygosity in U. S. Holstein // PLoS One. 2013. Vol. 8. No. 11. P. 80813.
7. Analysis of runs of homozygosity and their relationship with inbreeding in five cattle breeds farmed in Italy / G. Marras, G. Gaspa, S. Sorbolini, et. al. //Animal Genetics. 2015. Vol. 46. No. 2. P. 110-121.
8. Смарагдов М. Г., Кудинов А. А. Полногеномная оценка инбридинга у молочного скота //Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 6. С. 51-53. doi: 10.24411/0235-2451-2019-10612.
9. Оценка индивидуального уровня гомозиготности быков на основе геномной информации / Л. П. Игнатьева,
A. А. Белоус, И. С. Недашковский и др. // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2019. Т. 49. № 6. С. 79-87. doi: 10.26898/0370-8799-2019-6-9.
10. Валидация геномного прогноза племенной ценности быков-производителей по признакам молочной продуктивности дочерей на примере популяции черно-пестрого и голштинского скота / А. А. Сермягин, А. А. Белоус, А. Ф. Контэ, и др. // Сельскохозяйственная биология. 2017. № 6. С. 1148-1156. doi: 10.15389/agrobiology.2017.6.1148rus.
11. Second-generation PLINK: rising to the challenge of larger and richer datasets / C. C. Chang, C. C. Chow, L. Tellier, et al. // GigaScience. 2015. No. 4. P. 7. doi: 10.1186/s13742-015-0047-8.
12. cgaTOH: Extended approach for identifying tracts of homozygosity / L. Zhang, M. S. Orloff, S. Reber, et al. // PLoS ONE. 2013. Vol. 8. No. 3. P. 57772. doi: 10.1371/journal.pone.0057772.
13. Runs of homozygosity and population history in cattle / C. Purfield, D. Berry, S. McParland, et al. // BMC Genetics. 2012. Vol. 13. P. 70.
14. Identification of genomic regions associated with inbreeding depression in Holstein and Jersey dairy cattle/J. E. Pryce, M. Haile-Mariam, M. E. Goddard, et al. // Genetics Selection Evolution. 2014. No. 46. P. 71. doi: 10.1186/s12711-014-0071-7.
15. Genome wide association study identifies SNPs associated with fatty acid composition in Chinese Wagyu cattle / Z. Wang,
B. Zhu, H. Niu, et al. // Journal of Animal Science and Biotechnology. 2019. No. 10. P. 27. doi: 10.1186/s40104-019-0322-0.
16. Single nucleotide polymorphisms in candidate genes associated with milk yield in Argentinean Holstein and Holstein x Jersey cows / M. A. Raschia, J. P. Nani, D. O. Maizon, et al. //Journal of Animal Science and Technology. 2018. No. 60. P. 31. doi: 10.1186/ s40781-018-0189-1.
17. Genetic association of PLAG1, SCD, CYP7B1 and FASN SNPs and their effects on carcass weight, intramuscular fat and fatty acid composition in Hanwoo steers (Korean cattle) / H. J. Kim, A. Sharma, S. H. Lee, et al. //Stichting International Foundation for Animal Genetics. 2016. No. 48. P. 250-252. doi: 10.1111/age.12523.
18. Polymorphisms and genetic effects of PRLR, MOGAT1, MINPP1 and CHUK genes on milk fatty acid traits in Chinese Holstein / L. Shi, L. Liu, X. Lv, et al. // BMC genetics. 2019. Vol. 20. No. 1. P. 69.
19. Weighted single-step genome-wide association study for growth traits in Chinese Simmental beef cattle / Z. Zhuang, L. Xu, J. Yang, et al. // Genes. 2020. Vol. 11. No. 2. P. 189.
20. Large-scale genome-wide association study in U. S. Holstein Cattle /J. Jiang, L. Ma, D. Prakapenka, et al. //Frontiers in genetics. 2019. No. 10. P. 412.
21. Genome-wide association analysis of thirty-one production, health, reproduction and body conformation traits in contemporary U. S. Holstein cows / J. B. Cole, G. R. Wiggans, L. Ma, et al. // BMC Genomics. 2011. No. 12. P. 408.
22. Functional partitioning of genomic variance and genome-wide association study for carcass traits in Korean Hanwoo cattle using imputed sequence level SNP data / M. S. A. Bhuiyan, D. Lim, M. Park, et al. // Frontiers in genetics. 2018. No. 9. P. 217.
23. Seong J., Kong H. S. Association between polymorphisms of the CRH and POMC genes with economic traits in Korean cattle (Hanwoo)//Genet. Mol. Res. 2015. Vol. 14. No. 3. P. 10415-10421. doi: 10.4238/2015.September.8.2.
24. Identification of candidate markers on bovine chromosome 14 (BTA14) under milk production trait quantitative trait loci in Holstein / E. Marques, J. R. Grant, Z. Wang, et al. // Journal of animal breeding and genetics. 2011. Vol. 128. No. 4. P. 305-313.
25. A whole genome scan to map QTL for milk production traits and somatic cell score in Canadian Holstein bulls / D. Kolbehdari, Z. Wang, J. R. Grant, et al. // Journal of animal breeding and genetics. 2009. Vol. 126. No. 3. P. 216-227.
26. Association of candidate gene polymorphisms with milk technological traits, yield, composition, and somatic cell score in Italian Holstein-Friesian sires / E. Viale, F. Tiezzi, F. Maretto, et al. // Journal of dairy science. 2017. Vol. 100. No. 9. P. 7271-7281.
27. Association studies on the bovine lipoprotein lipase gene polymorphism with growth and carcass quality traits in Qinchuan cattle / L. Gui, C. Jia, Y. Zhang, et al. // Molecular and cellular probes. 2016. Vol. 30. No. 2. P. 61-65.
28. Polymorphisms in the LPL gene and their association with growth traits in Jiaxian cattle / L. S. Gui, Y. M. Huang, J. Y. Hong, et al. // Genetics and molecular research. 2016. Vol. 15. No. 2. P. 1-7.
29. Identification of loci and pathways associated with heifer conception rate in U. S. Holsteins /J. M. Galliou, J. N. Kiser, K. F. Oliver, et al. // Genes. 2020. Vol. 11. No. 7. P. 767.
30. Confirmed effects of candidate variants for milk production, udder health, and udder morphology in dairy cattle / T. Tribout, P. Croiseau, R. Lefebvre, et al. // Genetics, selection, evolution. 2020. Vol. 52. No. 1. P. 55.
References
1. Gibson J, Morton NE, Collins A. Extended tracts of homozygosity in outbred human populations. Hum. Mol. Genet. 2006;(15):789-
95.
2. Broman KW, Weber JL. Long homozygous chromosomal segments in reference families from the centre d'Etude du polymorphisme humain. Am. J. Hum. Genet. 1999;(65):1493-500.
3. Kirin M, McQuillan R, Franklin CS, et al. Genomic runs of homozygosity record population history and consanguinity. PLoS One. 2010;(5):13996.
4. Keller MC, Visscher PM, Goddard ME. Quantification of inbreeding due to distant ancestors and its detection using dense SNP data. Genetics. 2011;(189):237-49.
5. Sermyagin AA, Bykova OA, Loretts OG, et al. [5. Evaluation of genomic variability of productive traits in animals of the Holsteinized Black-and-White breed based on GWAS analysis and ROH patterns]. Sel'skokhozyaistvennaya biologiya. 2020;55(2):257-74. Russia.
6. Kim ES, Cole JB, Huson H. Effect of artificial selection on runs of homozygosity in U. S. Holstein. PLoS One. 2013;8(11):80813.
7. Marras G, Gaspa G, Sorbolini S, et. al. Analysis of runs of homozygosity and their relationship with inbreeding in five cattle breeds farmed in Italy. Animal Genetics. 2015;46(2):110-21.
8. Smaragdov MG, Kudinov AA. [Genome-wide assessment of inbreeding in dairy cattle]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2019;33(6):51-3. Russia. doi: 10.24411/0235-2451-2019-10612.
9. Ignat'eva LP, Belous AA, Nedashkovskii IS, et al. [Assessment of the individual level of homozygosity in bulls based on genomic information]. Sibirskii vestniksel'skokhozyaistvennoinauki. 2019;49(6):79-87. Russia. doi: 10.26898/0370-8799-2019-6-9.
10. Sermyagin AA, Belous AA, Konte AF, et al. [Validation of the genomic prediction of the breeding value of sire bulls based on the characteristics of daughters' milk production using the example of the population of Black-and-White and Holstein cattle]. Sel'skokhozyaistvennaya biologiya. 2017;(6):1148-56. Russia. doi: 10.15389/agrobiology.2017.6.1148rus.
11. Chang CC, Chow CC, Tellier L, et al. Second-generation PLINK: rising to the challenge of larger and richer datasets. GigaScience. 2015;(4):7. doi: 10.1186/s13742-015-0047-8.
12. Zhang L, OrloffMS, Reber S, et al. cgaTOH: Extended approach foridentifying tracts ofhomozygosity. PLoS ONE. 2013;8(3):57772. doi: 10.1371/journal.pone.0057772.
13. Purfield C, Berry D, McParland S, et al. Runs of homozygosity and population history in cattle. BMC Genetics. 2012;13:70.
14. Pryce JE, Haile-Mariam M, Goddard ME, et al. Identification of genomic regions associated with inbreeding depression in Holstein and Jersey dairy cattle. Genetics Selection Evolution. 2014;(4):71. doi: 10.1186/s12711-014-0071-7.
15. Wang Z, Zhu B, Niu H, et al. Genome wide association study identifies SNPs associated with fatty acid composition in Chinese Wagyu cattle. Journal of Animal Science and Biotechnology. 2019;(10):27. doi: 10.1186/s40104-019-0322-0.
16. Raschia MA, Nani JP, Maizon DO, et al. Single nucleotide polymorphisms in candidate genes associated with milkyield in Argentinean Holstein and Holstein x Jersey cows. Journal of Animal Science and Technology. 2018;(60):31. doi: 10.1186/s40781-018-0189-1.
17. Kim HJ, Sharma A, Lee SH, et al. Genetic association of PLAG1, SCD, CYP7B1 and FASN SNPs and their effects on carcass weight, intramuscular fat and fatty acid composition in Hanwoo steers (Korean cattle). Stichting International Foundation for Animal Genetics. 2016;(48):250-2. doi: 10.1111/age.12523.
18. Shi L, Liu L, LvX, et al. Polymorphisms and genetic effects of PRLR, MOGAT1, MINPP1 and CHUK genes on milk fatty acid traits in Chinese Holstein. BMC genetics. 2019;20(1):69.
19. Zhuang Z, Xu L, Yang J, et al. Weighted single-step genome-wide association study for growth traits in Chinese Simmental beef cattle. Genes. 2020;11(2):189.
20. Jiang J, Ma L, Prakapenka D, et al. Large-scale genome-wide association study in U. S. Holstein Cattle. Frontiers in genetics. 2019;(10):412.
21. Cole JB, Wiggans GR, Ma L, et al. Genome-wide association analysis of thirty-one production, health, reproduction and body conformation traits in contemporary U. S. Holstein cows. BMC Genomics. 2011;(12):408.
22. Bhuiyan MSA, Lim D, Park M, et al. Functional partitioning of genomic variance and genome-wide association study for carcass traits in Korean Hanwoo cattle using imputed sequence level SNP data. Frontiers in genetics. 2018;(9):217.
23. Seong J, Kong HS. Association between polymorphisms of the CRH and POMC genes with economic traits in Korean cattle (Hanwoo). Genet. Mol. Res. 2015;14(3):10415-21. doi: 10.4238/2015.September.8.2.
24. Marques E, Grant JR, Wang Z, et al. Identification of candidate markers on bovine chromosome 14 (BTA14) undermilk production trait quantitative trait loci in Holstein. Journal of animal breeding and genetics. 2011;128(4):305-13.
25. Kolbehdari D, Wang Z, Grant JR, et al. A whole genome scan to map QTL for milk production traits and somatic cell score in Canadian Holstein bulls. Journal of animal breeding and genetics. 2009;126(3):216-27.
26. Viale E, Tiezzi F, Maretto F, et al. Association of candidate gene polymorphisms with milk technological traits, yield, composition, and somatic cell score in Italian Holstein-Friesian sires. Journal of dairy science. 2017;100(9):7271-81.
27. Gui L, Jia C, Zhang Y, et al. Association studies on the bovine lipoprotein lipase gene polymorphism with growth and carcass quality traits in Qinchuan cattle. Molecular and cellular probes. 2016;30(2):61-5.
28. Gui LS, Huang YM, Hong JY, et al. Polymorphisms in the LPL gene and their association with growth traits in Jiaxian cattle. Genetics and molecular research. 2016;15(2):1-7.
29. Galliou JM, Kiser JN, Oliver KF, et al. Identification of loci and pathways associated with heifer conception rate in U. S. Holsteins. Genes. 2020;11(7):767.
30. Tribout T, Croiseau P, Lefebvre R, et al. Confirmed effects of candidate variants for milk production, udder health, and udder morphology in dairy cattle. Genetics, selection, evolution. 2020;52(1):55.
