Внутрипопуляционная генетическая дифференциация быков холмогорской породы Республики Коми по микросателлитам

Полный текст

Введение

Выживание человека в неблагоприятных природно-климатических и социально-экономических условиях всегда было связано с использованием традиционных способов природопользования и разведением аборигенных пород сельскохозяйственных животных. Сохранение исторически приобретенных коренными народами навыков получения животноводческого сырья для производства продуктов питания особенно актуально для территорий рискованного земледелия, к которым, в первую очередь, относятся заселенные человеком пространства высоких широт, в частности Республики Коми. На территории современной Республики Коми с момента ее заселения в оседлом животноводстве разводили аборигенный северный комолый крупный рогатый скот, северную грубошерстную короткотощехвостую овцу и северную упряжную лошадь. Вплоть до 1960-х гг. эти породы можно было встретить в коллективных и индивидуальных хозяйствах населения. Однако со второй половины ХХ в. породное преобразование, механизация и специализация аграрной отрасли привели к практически полной утрате аборигенных генофондов. В молочном скотоводстве северный комолый скот был поглощен и вытеснен холмогорским, а с 1980-х гг. в ходе технологической революции в молочном скотоводстве холмогорский скот вытесняется и поглощается голштинским. По данным инвентаризации 2020 г. по Российской Федерации, общая численность чистопородного холмогорского скота составила всего 1170 гол. [1]. Более половины этого поголовья сохранялось в хозяйствах Республики Коми, расположенных в районах Крайнего Севера и Приполярья с неблагоприятными условиями кормления и содержания животных. Для воспроизводства холмогорского скота на Головном племпредприятии РГУСП «Коми» по племенной работе сохранили банк глубокозамороженного семени чистопородных и помесных быков-производителей холмогорской породы, уничтоженный в большинстве регионов России.

Холмогорский скот в хозяйствах республики по генеалогической структуре, некоторым экстерьерным и хозяйственным признакам отличался от заводской популяции, поскольку был получен на основе местного северного комолого скота. В начале процесса породного преобразования в хозяйствах Крайнего Севера, Приполярья и Заполярья Коми АССР для скрещивания использовали быков-производителей холмогорской породы, выводных из хозяйств соловецкой (Беломоро-Балтийской) популяции, которая была уничтожена во время Великой Отечественной войны. В дальнейшем на базе массива холмогорского скота северных районов Республики Коми был создан и официально признан зональный печорский тип холмогорской породы. В условиях Приполярья и Заполярья животные печорского типа по продуктивности не уступали классической холмогорской породе, характеризовались более продолжительным сроком хозяйственного использования и устойчивостью к ряду заболеваний, в том числе лейкозу крупного рогатого скота. Холмогорская порода в целом при уровне удоев около 5 тыс. кг молока за лактацию до 2000-х гг. по продолжительности хозяйственного использования, воспроизводительным способностям, пожизненной молочной продуктивности коров и в расчете на месяц жизни оставалась конкурентоспособной относительно голштинской [2]. В настоящее время в связи с малочисленностью сохранившегося поголовья воспроизводство холмогорского скота требует проведения ряда мероприятий, важнейшими из которых являются генетический мониторинг и поддержание генетического разнообразия [3]. Основными инструментами, с помощью которых оценивают генетическое разнообразие и идентифицируют породную принадлежность животных являются биохимические и молекулярные маркеры [4, 5]. Для решения этих задач наиболее доступными и эффективными маркерами служат микросателлиты [6, 7].

Цель настоящего исследования – изучение микросателлитного профиля быков-доноров сохраненного криоконсервированного семени и оценка внутрипопуляционного индивидуального и группового генетического разнообразия сохраненной популяции холмогорского скота.

Материалы и методы

Исследовали полиморфизм микросателлитов у быков-доноров криоконсервированного семени, хранящегося в банке племпредприятия РГУСП «Коми» по племенной работе. Данные о генотипах быков по локусам микросателлитов предоставлены для генетического анализа руководством РИСЦ. Генотипирование быков по локусам микросателлитов на коммерческой основе проведено лабораторией ДНК-технологий Всероссийского научно-исследовательского института племенного дела. ДНК для исследования выделяли из криоконсервированного семени быков.

Общая численность выборки генотипированных чистопородных холмогорских быков составила 75 гол., в том числе печорского типа холмогорской породы (П) – 17, холмогорских быков классических линий (Х) – 38 гол., кроссированных печоро-холмогорских (ПХ) – 20. Для межпородного сравнения использовали результаты генотипирования 10 гол. чистопородных голштинских быков (Гл). Результаты генотипирования быков по STR-локусам обработали с помощью программы GenAlEx 6.5 [8]. По разным генеалогическим группам и породам рассчитали следующие параметры: N – число животных в группе; Na – среднее число аллелей на локус; Ne – среднее эффективное число аллелей на локус; Ho – оценка средней наблюдаемой (фактической) гетерозиготности; He – оценка средней ожидаемой гетерозиготности на локус; uHe – несмещенная оценка средней ожидаемой гетерозиготности на локус; F_IS – индекс фиксации (инбридинга). Парные генетические дистанции между группами быков рассчитали следующими методами: D_N – генетическая дистанция по Nei М.; F_ST – генетическая дистанция по Wright S. и оценки Fst’, G’_ST (Nei), G’st(Hed), G’’_ST(Hed) Dest, полученные с использованием метода генерации случайных выборок в программе GenAlEx 6.5.

В программе Structurе [9] рассчитали апостериорную вероятность (Q) членства отдельных STR-генотипов в различных кластерах без введения предварительной информации об их классификации по генеалогии. Членство отдельных генотипов (особей) в кластерах вычислили при разном их числе (k=2–4). По каждой группе рассчитали средние вероятности членства особей в k-м кластере начиная с k=2 до k=4. Распределение средних вероятностей по кластерам свели в таблицы и визуализировали графически (рис. 1–3). Для детализации генетических различий особей, отнесенных к различным кластерам при k=3 и k=4, в пределах каждого кластера рассортировали особей по вероятности членства и с порогом вероятности 0,75 сформировали в группы. Затем в программе GenAlEx 6.5 по сформированным группам рассчитали их генетико-популяционные характеристики и генетические дистанции между ними. Статистическую обработку данных и графики выполнили в программе Excel.

 

Рисунок 1. Вероятности членства особей в кластерах при k=2.

Figure 1. Membership probabilities of individuals in clusters at k=2.

 

Рисунок 2. Вероятности членства особей в кластерах при k=3.

Figure 2. Membership probabilities of individuals in clusters at k=3.

 

Рисунок 3. Вероятности членства особей в кластерах при k=4.

Figure 3. Membership probabilities of individuals in clusters at k=4.

 

Результаты и их обсуждение

Исследование показало, что разные внутрипородные группы быков достоверно не различались и были близки по параметрам генетического разнообразия (табл. 1). Хотя недостоверная дифференциация по некоторым показателям прослеживалась. Так, кроссбредные печоро-холмогорские быки при численности выборки в два раза большей, по сравнению с чистопородными голштинскими быками, уступили им по эффективному числу аллелей. В то же время по наблюдаемой гетерозиготности при высоких показателях абсолютного и эффективного числа аллелей на локус голштинские быки уступали остальным группам по уровню наблюдаемой гетерозиготности. Кроме того, в группе голштинских быков наблюдалась редукция гетерозигот, в то время как по группам быков печорского типа, печоро-холмогорским и холмогорским прослеживался небольшой избыток гетерозигот. Генетические дистанции между кроссированными печоро-холмогорскими быками и голштинской породой были максимальными.

 

Таблица 1

Характеристика групп быков-производителей по генетико-популяционным показателям (Х±sx)

Table 1

Characteristics of groups of seed bulls by the genetic-population indicators (Х±sx)

Группы	N	Na	Ne	Ho	He	uHe	Fis
Гл	10	5,333±0,422	3,813±0,385	0,627±0,052	0,691±0,037	0,727±0,039	0,087±0,061
П	17	5,867±0,435	3,747±0,391	0,702±0,026	0,698±0,026	0,719±0,027	-0,019±0,041
ПХ	20	5,867±0,389	3,579±0,283	0,724±0,030	0,698±0,021	0,715±0,022	-0,040±0,034
Х	38	6,800±0,490	3,814±0,279	0,733±0,024	0,717±0,021	0,727±0,021	-0,024±0,026

 

Несколько ниже по величине была дифференциация с голштинской породой быков печорского типа и чистопородных холмогорских быков классических линий (табл. 2). В целом значения межпородных генетических дистанций были ниже минимальных значений, опубликованных в обзорной работе Холла [10].

 

Таблица 2

Генетические дистанции, рассчитанные разными способами при попарном сравнении выборок быков-производителей разной породности

Table 2

Genetic distances calculated using different methods for pairwise comparison between seed bulls of different types and breeds

Оценки Группы	DN	uDN	Fst	Fst’	G’st (Nei)	G’st (Hed)	G’’st	Dest
Гл*П	0,188	0,089	0,035	0,036	0,028	0,090	0,103	0,071
Гл*ПХ	0,237	0,145	0,045	0,045	0,049	0,152	0,173	0,130
П*ПХ	0,047	0,000	0,010	0,010	-0,008	-0,018	-0,027	-0,019
Гл*Х	0,185	0,106	0,034	0,035	0,034	0,111	0,126	0,095
П*Х	0,079	0,026	0,015	0,016	0,005	0,030	0,033	0,024
ПХ*Х	0,063	0,016	0,013	0,013	0,007	0,020	0,024	0,017

Примечание. Полужирным шрифтом выделены достоверные значения генетических дистанций при уровне значимости p ≤ 0,05.

Note. Reliable values of genetic distances at a significance level of p ≤ 0.05 are semi-bolded.

 

При попарном сравнении групп быков разной породности коэффициенты корреляции оценок генетических дистанций, определенных разными методами, были выше 0,9.

Сравнение аллелофондов отдельных групп быков выявило 12 приват-аллелей, в том числе в группе быков печорского типа – два, печоро-холмогорского – один, шесть – в группе холмогорских быков и три – у голштинских. В малочисленной выборке голштинских быков частоты приват-аллелей достигали значений 0,100–0,200 (рис. 4).

 

Рисунок 4. Приват–аллели в группах быков.

Figure 4. Private alleles in the bull groups.

 

Анализ вероятности членства быков печорского типа в определенных кластерах при k=2 показал, что у 88,2 % животных вероятность членства в первом кластере была равна или превысила порог 0,75. У двух быков (11,8 %) вероятность членства в первом или втором кластере была ниже 0,75. По группе печоро-холмогорских быков три особи (15 %) не достигли порогового значения для отнесения их к первому кластеру. Вероятность их членства в кластере сохранялась на уровне 0,688–0,723. У остальных быков вероятность членства в кластерах была равна или превысила установленное пороговое значение. У животных классической холмогорской породы 36,8 % особей с вероятностью 0,75 и выше относились к первому кластеру, 13,2 % – ко второму. Остальные особи не достигли пороговых значений вероятности для отнесения их к одному из кластеров (см. рис. 1).

В выборке голштинской породы у девяти быков (90 %) вероятность членства во втором кластере превысила пороговое значение, у одного быка (№ 233) вероятность отнесения к первому или второму кластеру распределилась примерно поровну.

При подразделении экспериментальной выборки на три кластера в группе печорских быков 10 (58,9 %) особей достигли и превысили пороговое значение вероятности членства в третьем кластере, одна особь отнесена ко второму кластеру (0,6 %).

В группе печоро-холмогорских быков семь (35 %) особей отнесены к третьему кластеру, одна – ко второму (0,5 %). Максимальная вероятность отнесения особей к первому кластеру в этих группах не превышала соответственно 0,321 и 0,342.

По голштинской породе 40 % особей отнесены ко второму кластеру со значением Q≥0,75 и одна особь (10 %) – к первому.

В группе быков классической холмогорской породы величина Q в третьем кластере варьировала по отдельным животным от 0,027 до 0,847, при этом только у четырех особей (10,5 %) значение Q составило 0,75 и выше. У 18,4 % особей вероятность их членства во втором кластере достигла 0,75 и выше, в первом – у трех (7,9 %) (рис. 2, табл. 3). Из этих данных видно, что классическая холмогорская порода занимала промежуточное положение между печорским типом и голштинской породой.

 

Таблица 3

Исходные данные для построения диаграммы к рисунку 2

Table 3

Initial data to draw diagram in Figure 2

Группы быков разной породности	Кластер
	1	2
Гл 100	0,107	0,893
П	0,828	0,172
ПХ	0,860	0,140
Х	0,633	0,367

 

Подразделение массива данных на четыре кластера по существу не изменило интерпретации полученных данных (рис. 3, табл. 4). Десять печорских чистолинейных быков с вероятностью 0,75 и выше отнесли ко второму кластеру и трех – к четвертому. Суммарно кластерная принадлежность определена для 76,5 % особей. В группе голштинских быков 50 % особей отнесено к третьему кластеру и одна особь – к первому. У остальных 40 % особей вероятность членства в каком-либо кластере не достигала порогового значения. В группе печоро-холмогорских быков из 20 особей пять (25 %) отнесли ко второму кластеру и три (15 %) – к четвертому. Остальные 60 % не достигли порога вероятности членства в одном из кластеров. В выборке холмогорской породы семь особей с вероятностью членства 0,75 и выше отнесли к четвертому кластеру, два – к первому и два – ко второму. Суммарно у 11 (28,9 %) быков вероятность членства в одном из кластеров достигла или превысила пороговое значение.

 

Таблица 4

Исходные данные для построения диаграммы к рисунку 3

Table 4

Initial data to draw diagram in Figure 3

Группы быков разной породности	Кластер
	1	2	3
Гл	0,343	0,564	0,093
П	0,115	0,220	0,666
ПХ	0,134	0,301	0,564
Х	0,245	0,394	0,361

 

Из представленных в табл. 5 данных видно, что по кластерной структуре аллелофонда микросателлитов при k=3 и k=4 сходство с голштинской породой возрастает от минимума у быков печорского типа до максимума у быков классической холмогорской породы.

 

Таблица 5

Средняя вероятность принадлежности групп различной породности к кластерам при k=3 и k=4 (Х±sx)

Table 5

Average affiliation probability of groups of different breeds and types to clusters at k=3 and k=4 (Х±sx)

Группа	N	k=3			k=4
		1	2	3	1	2	3	4
Гл	10	0,35±0,087	0,56±0,095	0,09±0,019	0,23±0,086	0,05±0,012	0,62±0,105	0,10±0,052
П	17	0,09±0,030	0,22±0,060	0,69±0,069	0,05±0,015	0,65±0,080	0,10±0,040	0,20±0,071
ПХ	20	0,13±0,020	0,30±0,047	0,57±0,055	0,06±0,010	0,45±0,072	0,10±0,015	0,39±0,068
Х	38	0,25±0,039	0,39±0,040	0,36±0,044	0,14±0,036	0,24±0,038	0,20±0,024	0,42±0,049

 

Таким образом, по общим параметрам генетической изменчивости достоверных различий между группами не установили (см. табл. 1). Дифференциация холмогорской породы c голштинской по некоторым оценкам была на одном уровне или несколько выше, чем у быков печорского типа холмогорской породы. Между парой П*ПХ генетические дистанции, оцененные разными способами, в большинстве случаев были близки к нулю (см. табл. 2). Редукция гетерозигот в группе чистопородных голштинских быков, вероятно, объясняется инбредностью использованных голштинских производителей. Полученные нами результаты лишь частично согласуются с опубликованными данными Волковой с соавт [11], которые установили, что холмогорская порода, по сравнению с голштинской, обладала более высоким уровнем аллельного разнообразия по STR-локусам: по среднему числу аллелей на локус, количеству информативных аллелей и эффективному числу аллелей. Оценки уровня аллельного разнообразия, гетерозиготности, индексов фиксации, генетической дистанции между печорским типом холмогорской породы, холмогорской с голштинской оказались близкими. Эти сведения не дали практически значимой информации о внутрипопуляционной генетической структуре сравниваемых групп, которую можно было бы использовать в практической работе по поддержанию генетического разнообразия и воспроизводству сохраненного генофонда породы.

Планируя эксперимент, мы полагали, что использование для генетического анализа микросателлитов, вследствие их высокого полиморфизма [12] в сочетании с кластерным анализом, позволит детализировать информацию об индивидуальной и групповой структуре, генетической изменчивости и дифференциации внутрипопуляционных субъединиц.

Результаты исследования подтвердили это предположение. Последовательный кластерный анализ генетической структуры популяции показал, что при k=2 уровень дифференциации и консолидированности быков голштинской породы, кроссированных печоро-холмогорских производителей и чистолинейных быков печорского типа холмогорской породы был высоким. Консолидированность быков холмогорской породы оказалась гораздо ниже. Высокая консолидированность быков печорского типа холмогорской и голштинской пород была подтверждена и при подразделении массива на три и четыре кластера. При k=3 в генетической структуре печорского типа превалировал компонент третьего и отчасти второго кластеров, последний был основным у голштинской породы. Суммарная доля генетического компонента второго и первого кластеров у голштинской породы была почти в три раза выше, чем у печорского типа – 0,91 к 0,31, у печоро-холмогорских быков – 0,43, у классической холмогорской породы – 0,64 (см. табл. 3). Таким образом, классическая холмогорская порода заняла промежуточное положение между печорским типом и голштинской породой. С увеличением числа кластеров величины и соотношения вероятностей членства особей в соответствующих кластерах менялись, детализировалась генетическая структура отдельных особей и их групп. Однако выводы о консолидированности и дифференциации отдельных внутрипопуляционных групп животных кардинально не менялись.

Кластерный анализ массива, генотипированных по маркерам, животных без учета их породы и особенностей генеалогии, позволил выявить и детализировать генетическую оригинальность отдельных особей и/или их групп, структуру и степень генетического различия между ними и, таким образом, получить недостающую информацию для планирования и реализации генофондосохранных мероприятий. В частности, по сравнению с классической холмогорской породой была показана более высокая дифференциация печорского типа с голштинской породой. Визуализация соотношения у отдельных особей вероятности их членства в отдельных кластерах дает возможность без опоры на генеалогию планировать предварительную систему закрытого воспроизводства генофондного поголовья при условии одновременной аттестации самцов и самок по микросателлитам.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Об авторах

Валерий Самуилович Матюков

ФИЦ Коми НЦ УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nipti38@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3504-6864

Институт агробиотехнологий; кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник 

Россия, 167023, Республика Коми, г. Сыктывкар, ул. Ручейная, д. 27

Яков Александрович Жариков

ФИЦ Коми НЦ УрО РАН

Email: zharikov.yakov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8644-2322

Институт агробиотехнологий; кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник 

Россия, 167023, Республика Коми, г. Сыктывкар, ул. Ручейная, д. 27

Семён Викторович Николаев

ФИЦ Коми НЦ УрО РАН

Email: semen.nikolaev.90@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5485-4616

Институт агробиотехнологий; кандидат ветеринарных наук, научный сотрудник 

Россия, 167023, Республика Коми, г. Сыктывкар, ул. Ручейная, д. 27

Список литературы

Дополнительные файлы