ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КРАСНОЙ ГОРБАТОВСКОЙ И СУКСУНСКОЙ ПОРОД КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА ПО МИКРОСАТЕЛЛИТНЫМ МАРКЕРАМ
Волкова В.В., Денискова Т.Е., Костюнина О.В., Зиновьева Н.А.
1Всероссийский научно-исследовательский институт животноводства имени академика Л.К. Эрнста, Московская обл., пос. Дубровицы 142132;
Аннотация
Оценка генетического состояния малочисленных или находящихся под угрозой исчезновения локальных пород крупного рогатого является важным этапом предотвращения потери их ценных аллелей, ассоциированных с повышенной устойчивостью к возбудителям ряда инфекционных заболеваний и приспособленностью к выживанию в регионе разведения. В нашей работе было проведено молекулярно-генетическое исследование красной горбатовской (RGBT, n=110) и суксунской (SUKS, n=92) пород крупного рогатого скота. Вариабельность 10 микросателлитов (TGLA227, BM2113, ETH10, SPS115, TGLA122, INRA23, TGLA126, BM1818, ETH225, BM1824) изучали на генетическом анализаторе ABI3130xl (Applied Biosystems, США). Статистическая обработка полученных данных была осуществлена в программах GenAlEx 6.501 и Structure 2.3.4. По среднему числу аллелей на локус группа RGBT превосходила SUKS. Однако максимальное эффективное число аллелей и число информативных аллелей было детектировано в группе SUKS (Ne =4,03, Na≥5%=4,40 и Ne =3,57, Na≥5%=4,20 для SUKS и RGBT, соответственно). При изучении генетического разнообразия пород было установлено, что обе изучаемые популяции характеризуются дефицитом гетерозигот, более значительным в группе SUKS (4,4%), чем в группе RGBT (0,8%). Положительные значения коэффициента инбридинга подтверждали данную закономерность: FIS=0,063 и FIS=0,007 для SUKS и RGBT, соответственно. Кластерный анализ, выполненный для наиболее вероятного числа кластеров k=2, подтвердил генетическую уникальность красной горбатовской и суксунской пород крупного рогатого скота. Доля членства в собственном кластере составила Q1/2=0,953±0,063 и Q2/2=0,937±0,100 для RGBT и SUKS, соответственно. Полученные нами данные указывают на уникальность аллелофонда красной горбатовской и суксунской пород скота, что обуславливает необходимость научно-обоснованных программ их сохранения.
Ключевые слова: микросателлиты, породы крупного рогатого скота красного корня, суксунская порода, красная горбатовская порода, аллелофонд
На огромной территории России было создано большое количество уникальных локальных пород крупного рогатого скота, приспособленных к разведению в определенном природно-климатическом ландшафте. Большинство пород являются синтетическими, в создании и последующем улучшении которых участвовали высокопродуктивные породы Северной и Центральной Европы. Одним из таких примеров являются суксунская и красная горбатовская породы красного генетического корня.
Красная горбатовская порода (Рис.1) была создана в начале XIX века в Горбатовском уезде Нижегородской губернии на основании поглотительного скрещивания местного приокского скота, разводившегося по поймам рек Оки и Клязьмы (1) с тирольским скотом тукс-циллертальского отродья с последующим длительным разведением помесей «в себе» (2). Статус породы данная группа красного скота получила в 1926 году. В конце XX века для улучшения продуктивных качеств породы использовались производители англерской и красной датской пород. В 1993 по классификации ФАО численность популяции была определена как критическая (3,4). Численность племенного скота красной горбатовксой породы оценивается на уровне 1710 голов (5).
Рисунок 1. Фотография коровы красной горбатовской породы (Источник: Справочник пород и типов сельскохозяйственных животных, разводимых в Российской Федерации / Под ред. Дунин И.М., Данкверт А.Г. М., 2013).
Суксунская порода (Рис.2) является результатом скрещивания местного скота, распространенного в долинах рек Сылвы и Иргины, с животными красной датской породы (фюненский скот) в селении Суксун Пермской губернии во второй половине XIX века (1-6). В дальнейшем суксунских коров скрещивали с быками красной датской, англерской, красной степной, бурой латвийской и красной эстонской пород. В настоящее время генофонд породы сосредоточен в одном племенном хозяйстве ООО «Суксунское» в Пермском крае (3). Численность племенного скота суксунской породы на 1 января 2015 года составляет 2330 голов (5).
Обе породы характеризуются высоким содержанием жира в молоке (в среднем 4%), устойчивостью к таким опасным заболевания как туберкулез и лейкоз (3, 7), а животные красной горбатовской породы также резистентны к бруцеллёзу. Масть красная, у суксунской породы у 20% индивидуумов встречается черная масть.
Рисунок 2. Фотография коровы суксунской породы (Пермский край, с. Сабарка ООО «Суксунское»)
Одним из ключевых аспектов изучения малочисленных и исчезающих локальных пород сельскохозяйственных животных является оценка состояния их аллелофонда с помощью ДНК-маркеров разных типов (8,9). Микросателлиты (или STR-маркеры) успешно зарекомендовали себя в качестве рутинного инструмента для решения широкого спектра молекулярно-генетических задач (10-13). Популярность микросателллитных маркеров объясняется их равномерным распределением в геноме, высоким полиморфизмом, кодоминантным наследованием по Менделевскому типу, высокой воспроизводимостью результатов (14,15).
Целью нашей работы явилось изучение состояния аллелофонда и генетического разнообразия популяций красной горбатовской и суксунской пород крупного рогатого скота с помощью микросателлитных маркеров.
Материалы и методы
В качестве генетического материала для нашего исследования были использованы образцы ткани (ушной выщип, кровь) от крупного рогатого скота красной горбатовской (RGBT, n=110) и сукскунской (SUKS, n=92) пород. Геномная ДНК была выделена методом экстракции с применением перхлората натрия (16), а также с помощью набора «ДНК-Экстран 2» (ЗАО «Синтол», Россия). Для анализа были выбраны десять микросателлитных локусов (TGLA227, BM2113, ETH10, SPS115, TGLA122, INRA23, TGLA126, BM1818, ETH225, BM1824), рекомендованных Международным обществом по генетике животных (ISAG) и объединенных в одну мультиплексную панель. ПЦР-амплификация проводилась на термоциклере SimpliAmp Thermal Cycler (Life Technologies, США). Исследования полиморфизма микросателлитных маркеров осуществляли на капиллярном генетическом анализаторе ABI3130xl (Applied Biosystems, США) с помощью программного обеспечения GeneMapper v.4 (Applied Biosystems, США). Основные параметры, характеризующие состояние аллелофонда и уровень генетического разнообразия, включали: среднее число аллелей на локус (Na), эффективное число аллелей (Ne), число информативных аллелей или аллелей с частотой встречаемости более 5 % (Na≥5%), ожидаемая (He) и наблюдаемая (Ho) гетерозиготность, коэффициент инбридинга (FIS). Все статистические показатели были рассчитаны в программе GenAlEx 6.501 (17). Кластерный анализ был проведен в программе Structure 2.3.4 (18) с наиболее вероятным числом популяций (k), равным двум, и без введения предварительной информации о индивидуальной принадлежности к породе. В качестве порогового значения выбран 75%-й уровень критерия Q, который характеризует членство особи в соответствующей популяции.
Результаты
По среднему числу аллелей на один микросателлитный локус красная горбатовская порода несколько превосходила суксунскую, однако эффективное количество аллелей, детектированное в популяции SUKS, превышало аналогичный показатель, рассчитанный для RGBT: 4,034 и 3,568 аллелей на локус, соответственно. Аналогичная картина наблюдалась и по количеству информативных аллелей: 4,400 и 4,200 аллелей для SUKS и RGBT, соответственно (табл. 1).
Анализ уровней ожидаемой и наблюдаемой гетерозиготности выявил, что выборки обеих изучаемых пород характеризуются дефицитом гетерозигот, что, кроме того, подтверждается положительными значениями коэффициента инбридинга. Для популяции красной горбатовской породы недостаток гетерозигот был весьма незначительным (0,8%; FIS= 0,007), что в целом позволяет заключить, что что данная группа близка к генетическому равновесию по Харди-Вайнбергу. Однако для SUKS был зафиксирован более существенный дефицит гетерозигот, который составил 4,4% (FIS=0,063). Суксунская порода в настоящее время является малочисленной породой, в связи с чем повышение уровня инбридинга представляется закономерным процессом.
Таблица 1. Характеристика аллелофонда и генетического разнообразия популяций красной горбатовской и суксунской пород крупного рогатого скота
| Показатель | Порода крупного рогатого скота | |
| Красная горбатовская | Суксунская | |
| n | ||
| Na | 6,60±0,636 | 6,50±0,401 |
| Ne | 3,57±0,351 | 4,03±0,356 |
| Na≥5% | 4,20±0,442 | 4,40±0,427 |
| Ho | 0,690±0,036 | 0,690±0,047 |
| He | 0,698±0,028 | 0,734±0,024 |
| FIS | 0,007±0,040 | 0,063±0,050 |
Примечание: n-количество голов в изучаемой выборке; Na - среднее число аллелей на локус, Ne - эффективное число аллелей, Na≥5 - число информативных аллелей (с частотой встречаемости более 5 %), Ho - наблюдаемая гетерозиготность, He - ожидаемая гетерозиготность, FIS - коэффициент инбридинга.
Для изучения генетической дифференциации изучаемых пород крупного рогатого скота красного генетического корня, нами был проведен анализ определения популяционной принадлежности на основании исследования микросателлитных профилей. Как показано на рисунке 3, индивидуумы исследованных пород формировали хорошо консолидированные слабо перекрывающиеся кластеры. В целом, 99% индивидуумов каждой из пород были генетически отнесены к собственной породе.
Примечание: RGBT – красная горбатовская порода, SUKS – суксунская порода
Рисунок 3. Определение популяционной принадлежности особей
Кластерный анализ, выполненный для наиболее вероятного числа кластеров k=2, подтвердил генетическую уникальность красной горбатовской и суксунской пород крупного рогатого скота (рис. 4). Индивидуумы каждой из изучаемых пород формировали четко различимые кластеры со средней долей членства в собственном кластере Q1/2=0,953±0,063 и Q2/2=0,937±0,100 для RGBT и SUKS, соответственно.
Рисунок 4. Результаты кластерного анализа в программе STRUCTURE
Выводы
Проведенные нами исследовании показали, что суксунская и красная горбатовская породы крупного рогатого скота представляют собой обособленные генофондные локальные породы, улучшение которых быками-производителями англерской и красной датской пород не привело к потере уникальности их аллелофонда. С целью сохранения уникального аллелофонда пород скота России, яркими представителями которого являются суксунская и красная горбатовская породы, необходима разработка программ, направленных на их сохранение.
Работа выполнена в рамках задания Федерального агентства научных организаций № ГЗ 14; 0600-2016-0005 в 2017 году.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эрнст Л.К., Дмитриев Н.Г., Паронян И.А. Генетические ресурсы сельскохозяйственных животных в России и сопредельных странах. СПб., 1994.
2. Дмитриев Н.И. Породы скота по странам мира. Л., 1978.
3. Справочник пород и типов сельскохозяйственных животных, разводимых в Российской Федерации / Под ред. Дунин И.М., Данкверт А.Г. М., 2013.
4. Амерханов Х.А. Состояние и развитие молочного скотоводства в Российской Федерации / Х.А. Амерханов // Молочное и мясное скотоводство. –—2017. —№ 1. —с. 2—5.
5. Дунин И.М., Амерханов Х.А., Шичкин Г.И., Шаркаев В.И., Шаркаева Г.А., Пархоменко Б.Л., Мухин А.Е., Сафина Г.Ф. Ежегодник по племенной работе в молочном скотоводстве в хозяйствах российской федерации (2015 год). М., 2016.
6. Dmitriev N.G., Ernst L.K. Animal genetic resources of the USSR. Rome: FAO and UNEP; 1989.
7. Смирнов Ю.П Генетическая предрасположенность и устойчивость к лейкозу в зависимости от породной принадлежности крупного рогатого скота /Ю. П. Смирнов // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. — 2005. — №26 — С. 132—135.
8. Столповский Ю.А. Концепция и принципы генетического мониторинга для сохранения in situ пород доместицированных животных. / Ю.А. Столповский // Сельскохозяйственная биология. — 2010. — №6. —С. 3 — 8.
9. Crispim B. Application of microsatellite markers for breeding and genetic conservation of herds of Pantaneiro sheep/ B. Crispim, L. Seno, A. Egito, F. Vargas Jr., A. Grisolia // Electronic Journal of Biotechnology. —2014. — Vol.17. — Р. 317— 321.
10. Гладырь Е.А. Характеристика аллелофонда якутского скота по микросателлитам/Е.А. Гладырь Е.А., Я.Л. Шадрина, П.В. Горелов, Н.А. Зиновьева // Сельскохозяйственная биология. — 2011. —№ 6. — с. 65 —69.
11. Горелов П.В. Сравнительный анализ групп крови и микросателлитов в характеристике новых типов скота бурой швицкой и сычевской пород / П.В. Горелов, Д. Н. Кольцов, Н. А. Зиновьева, Е.А. Гладырь // Сельскохозяйственная биология. —2011. —№ 6. — с. 37 —40.
12. Гузеев Ю.В. Генетический мониторинг популяции серого украинского скота с использованием ДНК-маркеров / Ю.В. Гузеев, Е.А. Гладырь, Н.А. Зиновьева, Л.К. Эрнст, Н.П. Дымчук, П.В. Горелов // Проблемы биологии продуктивных животных. — 2011. — № 1. — с. 15—17.
13. Зиновьева Н.А. Связь генетической гетерогенности с изменчивостью показателей молочной продуктивности коров различных генеалогических линий /Н.А. Зиновьева, Н.И. Стрекозов, Е.А. Гладырь, О.В. Ларина // Молочное и мясное скотоводство. — 2013. — № 1. — с. 12 —13.
14. Tautz D. Simple sequences are ubiquitous repetitive components of eukaryotic genomes / D. Tautz, M. Renz // Nucleic Acids Research. — 1984. — Vol.12. — P. 4127 — 4138.
15. Putman A.I. Challenges in analysis and interpretation of microsatellite data for population genetic studies / A.I. Putman, I. Carbone // Ecology Evolution. — 2014. — Vol. 4 (22). — P. 4399 — 4428.
16. Методы исследований в биотехнологии сельскохозяйственных животных: школа-практикум / под ред. д.б.н., проф. Зиновьевой Н.А. - М.: Изд-во ВНИИ животноводства, 2002. - 78 с.
17. Peakall R. GenAlEx 6.5: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research-an update. /Peakall R., Smouse P.E. // Bioinformatics. — 2012. — Vol. 28 —Р.2537 — 2539.
18. Pritchard J. K. Inference of population structure using multilocus genotype data / Pritchard J. K., Stephens M., Donnelly P. // Genetics. — 2000. — Vol. 155. — P. 945 — 959.
GENETIC CHARACTERISTICS OF RED GORBATOV AND SUKSUN CATTLE BREEDS USING MICROSATELLITE MARKERS
Volkova V.V., Deniskova T.E., Kostyunina O.V., Zinovieva N.A.
1 All-Russian Research Institute of Animal Husbandry named after Academy Member L.K. Ernst, Moscow Region., Dubrovitsy sett. 142132;
An evaluation of the current state of gene pool of small or endangered local cattle breeds is an important stage to prevent the loss of the valuable alleles associated with high resistance to infectious diseases and an adaptability to survive in the specific region. In our work, we performed a molecular genetic study of the Red Gorbatov (RGBT, n = 110) and Suksun (SUKS, n = 92) cattle breeds. The variability of 10 microsatellites (TGLA227, BM2113, ETH10, SPS115, TGLA122, INRA23, TGLA126, BM1818, ETH225, BM1824) was carried out on genetic analyzer ABI3130xl (Applied Biosystems, USA). Statistical indicators were calculated in GenAlEx 6.501 and Structure 2.3.4 software. By the average number of alleles per locus, the RGBT group exceeded the SUKS. However, the maximum effective allele number and the number of informative alleles were detected in the SUKS group (Ne = 4.03, Na≥5% = 4.40 and Ne = 3.57, Na≥5% = 4.20 for SUKS and RGBT, respectively). Assessing genetic diversity of the breeds, we found that both studied populations were characterized by a heterozygote deficiency which was more significant in the SUKS (4.4%) than in the RGBT (0.8%). Positive values of the inbreeding coefficient was in accordance with the mentioned above genetic pattern: FIS = 0.063 and FIS = 0.007 for the SUKS and the RGBT. Cluster analysis, performed for the assumed number of clusters k = 2, confirmed the genetic uniqueness of the Red Gorbatov and the Suksun cattle breeds. The shares of membership in its own cluster were Q1/2=0.953±0.063 and Q2/2=0.937±0.100 for the RGBT and the SUKS. Our data indicate the uniqueness of the allele pool of the Red Gorbatov and the Suksun cattle breeds and emphasize the necessity to create scientifically based conservation programs.
Key words: microsatellites, cattle breeds of the red genetic root, Suksun breed, Red Gorbatov breed, allele pool