УДК 636:636.018:575.174.4
КОНЦЕПЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ in situ ПОРОД ДОМЕСТИЦИРОВАННЫХ ЖИВОТНЫХ
Ю.А. СТОЛПОВСКИЙ
Обсуждается концепция генетического мониторинга генофондов доместицированных видов, схема которого включает семь взаимосвязанных блоков и предполагает комплексное использование фенетических, биохимических, цитогенетических, молекулярных, зоотехнических, ветеринарных, математических и компьютерных методов. Предложенная схема мониторинга популяций сельскохозяйственных животных представляет собой единую многоуровневую систему и, как мы считаем, отвечает трем основным требованиям. Во-первых, ее применение способствует сохранению качественного разнообразия и структуры генофондов пород (популяций). Во-вторых, она позволяет при подборе генотипов использовать данные по изменчивости генетических систем таким образом, чтобы добиться их репрезентативности при минимальной численности группы животных. В-третьих, методы мониторинга дополняют друг друга, сочетая относительную простоту и воспроизводимость с наибольшей результативностью.
Ключевые слова: генетический мониторинг, генофонд, генетический полиморфизм, ДНК-маркеры, редкие и исчезающие породы, сохранение пород in situ.
Генетический мониторинг представляет собой часть биологического, или экологического, мониторинга. Если основными объектами биологического мониторинга служат популяция, вид, экосистема, биосфера, то с помощью генетического мониторинга отслеживают меж- и внутрипопуляционные генные потоки. При сохранении пород доместицированных видов специфика мониторинга заключается в том, что в качестве объекта долговременного контроля выступает внутри- и межпородное генетическое разнообразие, осуществляется оценка и прогнозирование его динамики, определяется оптимум и пределы допустимых изменений. Генетический полиморфизм (фенов, структурных генов, полилокусных последовательностей ДНК, хромосомных и геномных мутаций) маркирует генетическую структуру породы, становясь «генетическим ориентиром» при сохранении генофонда редких и исчезающих пород.
При общепризнанном мнении, что мониторинг особенно важно проводить в малочисленных стадах или в тех популяциях, где одна порода замещается другой, принципы такого рода исследований нельзя считать достаточно разработанными. На наш взгляд, определение основных положений, элементов, структуры, методов генетического мониторинга должно стать ключевым звеном в программах по сохранению и улучшению генофонда одомашненных животных.
При сохранении пород in situ основная задача состоит в том, чтобы не утратить специфические генные комплексы (или сбалансированную систему генов), которые обусловливают фенотипические породные характеристики, связанные с экстерьерными особенностями, продуктивностью, жизнеспособностью, резистентностью животных. Именно перечисленные особенности, отличающие местные породы от широко распространенных иностранных, необходимо сохранять в генофондных хозяйствах.
Очевидно, что без тщательного контроля, систематического наблюдения, разработки методов прогноза, четких критериев и эффективных средств оценки состояния генофонда невозможно смоделировать процесс разведения и выбрать оптимальную программу сохранения in situ редких исчезающих и малочисленных пород животных. Генетический мониторинг может носить локальный (стадо, популяция в породе) или глобальный характер (контролируется все породное разнообразие региона, страны).
Согласно предлагаемой нами концепции, генетический мониторинг редких и исчезающих пород и породного разнообразия основан на семи блоках, тесно связанных между собой и образующих единую многоуровневую систему контроля, наблюдения, прогнозирования и управления процессом сохранения генофонда (см. схему).
|
Схема генетического мониторинга популяций генофондных животных. |
Первый блок — мониторинг фенов и структурных генов. Фенетический метод подразумевает выявление генетически детерминированных дис-кретных (альтернативных) признаков (фенов) и их контроль (1, 2). У сельскохозяйственных животных имеется несколько десятков дискретных вариаций признаков. Контролируя их, можно поддерживать уникальность генофонда породы в широком диапазоне морфологической изменчивости, что соответствует решению задачи сохранения генетического разнообразия в популяциях.
Одомашненные виды обладают достаточно высоким полиморфизмом по структурным генам, несущим информацию о последовательности аминокислот в белковой молекуле. Оценка полиморфизма электрофоретических вариантов белков и ферментов, а также эритроцитарных антигенов позволяет охарактеризовать их распределение и установить вовлеченность в эволюцию пород, проводить индивидуальную паспортизацию, выводить генетически маркированные линии и контролировать происхождение животных. Сочетание иммуногенетической оценки генетического сходства между особями с анализом их генотипов повышает эффективность селекционной работы (3). Более того, исследуя белковый полиморфизм у разных пород, показали, что с его помощью можно определить пространственную и временную подразделенность генетической структуры популяций, а также дифференцировать коммерческие и местные породы (4, 5). При распространении и преобразовании моногенных локусов, контролирующих известные иммунные и биохимические функции, их генотипирование позволяет выявлять формы межпородных взаимодействий.
Второй блок — мониторинг генофонда c помощью ДНК-марке-ров, которые можно разделить на монолокусные (STMS, SNP, SSCP) и мультилокусные (RAPD, AFLP, ISSR). Микросателлиты STMS (sequence tagged microsatellite site) относятся к диспергированным тандемно повторяющимся последовательностям (ди-, три- и тетрануклеотидам). По многочисленным микросателлитным локусам в геномах доместицированных видов выявлен высокий уровень полиморфизма, что позволило ISAG (International Society for Animal Genetics) рекомендовать их для индивидуального генотипирования и паспортизации пород крупного рогатого скота, лошадей и других видов (6).
Выявление мультилокусных маркеров основано на полимеразной цепной реакции (ПЦР — PCR) c применением одного короткого праймера, имеющего произвольную последовательность (метод RAPD — randomly amplified polymorphic DNA, а также его аналоги), праймеров с искусственно добавленными последовательностями (AFLP — amplified fragment length polymorphism) или праймеров, комплементарных повторяющимся элементам генома, таким как микросателлиты (ISSR — inter simple sequence repeats). Из перечисленных наиболее привлекателен метод ISSR-анализа. Для создания ISSR-маркеров не требуется предварительного знания нуклеотидной последовательности исследуемой ДНК, что важно для малоизученных видов. Полученные паттерны ПЦР-продуктов, как правило, видо- и (что очень важно) породоспецифичны. Сравнительные исследования полилокусных спектров фрагментов ДНК, фланкированных участками микросателлитных локусов (ISSR-PCR), выявили группы маркеров, которые могут использоваться для описания «геномного стандарта», «геномного профиля», «породоспецифического паттерна» и «генетического оптимума» сохраняемых in situ пород (7).
Третий блок — мониторинг главных генов количественных признаков (QTL — quantitative trait loci). Он включает поиск и типирование известных и/или ассоциированных с продуктивностью генов. К ним, например, относятся гены k- и b-казеина (CSN1, CSN2), пролактина (PRL), a-лакталь-бумина (LALBA), гормона роста (GH), кальпаинов, определяющих нежность мяса у крупного рогатого скота (КРС) (CAST), гена, связанного с регенерацией мышц у овец(CAPN3), оказывающего влияние на сальные характеристики у свиней(FABP), фактора регуляции транскрипции, участвующего в адипогенезе(CREB), рецептора, контролирующего внутриклеточный липидный метаболизм(PPARA), гена, ассоциированного с содержанием гликогена в мышцах свиней(PKAG3), гена стресс-синдрома (PSS) свиней (RYR-1) и др. Сюда же могут быть причислены гены, контролирующие иммунный ответ (в частности, Bola-DRB3), которые связаны с устойчивостью КРС к определенным заболеваниям и общей резистентностью (8, 9).
Четвертый блок включает мониторинг генных и хромосомных мутаций. Сужение внутрипородной изменчивости у доместицированных видов вследствие доминирования нескольких заводских пород приводит к стремительному распространению мутаций, возникающих у отдельных высокопродуктивных животных. Глобальное перемещение генофондов коммерческих пород (например, КРС), их региональная интродукция вызывают необходимость постоянно отслеживать такие мутации, как BLAD (дефицит лейкоцитарной адгезии), Mulefoot (мулье копыто), Dumps (дефицит уридинмонофосфатсинтазы), CVM (комплексный порок позвоночника), Citrullinaemia (цитрулинэмия) и др., а также осуществлять скрининг классических робертсоновских транслокаций (например, 1/29), связанных с воспроизводительной функцией и жизнеспособностью. В то же время известна мутация гена миостатина — nt821(del11), которая приводит к усиленному формированию мышечной массы (феномен «двойной мускулатуры»). У овец и КРС выявлено несколько мутаций, с которыми коррелирует накопление мышечной массы, в частности аутосомная мутация CLPG (calli pyge — «прекрасные ягодицы»).
Пятый блок (мониторинг ветеринарных и зоотехнических параметров) подразумевает организацию системы наблюдений за заболеваниями, анализ морфометрических характеристик (экстерьера), хозяйственно ценных признаков и их динамики, численности животных и качества поголовья. При этом можно использовать линейные методы оценки производителей по качеству потомства для получения несмещенных оценок и повышения скорости генетического улучшения породы по экономически ценным признакам (BLUP-метод) (10). Основная цель зоотехнического мониторинга — выделение и сохранение в поколениях уникальных свойств продуктивности той или иной породы, ветеринарного — диагностика и отбор устойчивых к эпизоотиям особей на основе тестов, а также выявление причин резистентности местных пород к ряду заболеваний.
Современные математические методы и пакет компьютерных программ позволяют обрабатывать большие объемы данных и показателей, что предоставляет возможность достаточно быстро рассчитывать коэффициенты инбридинга, эффективный размер популяции, проводить кластерный анализ, определять нарушения генетического равновесия, генетические дистанции, дивергенцию, оценивать процесс взаимодействия между генофондами внутри и между породами. Поэтому математический и компьютерный анализы представляют собой неотъемлемую часть мониторинга. Это шестой блок, аккумулирующий собранные данные и объединяющий элементы системы наблюдения и контроля за сохранением пород доместицированных животных in situ.
Седьмой блок — планирование (или моделирование) процесса разведения, а также выбор его оптимальной стратегии. На основе данных комплексного наблюдения за исследуемой популяцией (породой) можно принимать аргументированные решения по статусу животного и породы в целом, разрабатывать научно обоснованные программы сохранения качественного разнообразия с учетом «генофондной ценности» особи, популяции, породы.
Важную роль в генетическом мониторинге играет наличие системы генофондных хозяйств, которая в настоящее время очень медленно, но формируется на территории Российской Федерации. Сегодня около 80 хозяйств имеют федеральный статус генофондных, однако этого явно недостаточно. По нашему мнению, для сохранения собственных генетических ресурсов в животноводстве таких хозяйств должно быть от 600 до 1000. Этот расчет базируется на данных российских селекционных достижений, представленных в Государственном реестре РФ, где на 1 января 2008 года было зарегистрировано 198 отечественных пород 33 одомашненных видов. Для полноценного поддержания и разведения породы необходимы три-пять хозяйств с единой системой сохранения и общим селекционным планом, в которых унифицированными и эффективными методами постоянно выполняется генетический мониторинг. Для осуществляемой и будущей селекции генофонд местных пород — важнейший ресурс, который тесно связан с генетической и продовольственной безопасностью.
Предложенная концепция генетического мониторинга пород доместицированных видов животных аккумулирует основные известные на сегодняшний день генетические инструменты, способные выявлять как генетические аномалии, так и большое число генетических маркеров с различными функциями. Это, безусловно, будет стимулировать развитие так называемой маркер-опосредованной селекции (MAS-селекция — marker-assisted selection) в животноводстве, когда селекционер может отбирать животных не только по фенотипу, но и по генотипу, анализируя молекулы ДНК, их полиморфизм, гены и локусы. Секвенирование геномов основных доместицированных видов позволяет надеяться, что генетический мониторинг обогатится методами относительно нового направления генетики — геномики, изучающей геном, индивидуальные гены и их экспрессию.
Таким образом, предложена схема мониторинга генофондов доместицированных видов, которая дает возможность получать данные по генотипической и фенотипической изменчивости, ее оценке и анализу, сформировать базы данных по породам (стадам) и видам. Комплекс известных методов предоставляет информацию, необходимую для оптимизации селекционных процессов, в том числе процесса сохранения генофондов. Генетический мониторинг позволяет сделать обоснованный выбор и получить так называемую «первичную оценку», а затем определить оптимум и пределы допустимых изменений. В дальнейшем накопленные знания по структурным генам, полилокусным спектрам ампликонов ДНК, мутационной изменчивости и т.п. у редких и исчезающих пород могут стать незаменимыми источниками информации при фундаментальных геногеографических исследованиях и выборе генетических стратегий для программ по сохранению пород и селекции животных с заданными признаками.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Т и м о ф е е в - Р е с о в с к и й Н.В., Я б л о к о в А.В. Фены, фенетика и эволюционная биология. Природа, 1973, 5: 40-51.
2. Фенетика природных популяций /Под ред. А.В. Яблокова. М., 1988.
3. М а к с и м е н к о В.Ф., Л о б к о в В.Ю., З и н о в ь е в а Н.А., С у л и м о в а Г.Е. Система генетического мониторинга ярославской породы крупного рогатого скота. Ярославль, 2005.
4. Г л а з к о В.И., С т о л п о в с к и й Ю.А., Т а р а с ю к С.И., Б у к а р о в Н.Г., П о п о в Н.А. Генетическая структура породы пинцгау в карпатском регионе. Генетика, 1996, 32(5): 676-684.
5. Г л а з к о В.И., С т о л п о в с к и й Ю.А., Д ы м а н ь Т.Н., К у ш н и р А.В. Пространственная и временная подразделенность генетической и фенетической структуры серого украинского скота. Докл. НАН Украины, 2000, 7: 183-187.
6. С у л и м о в а Г.Е. Полиморфизм длин рестрикционных фрагментов ДНК сельскохозяйственных животных: методология, результаты и перспективы. Усп. совр. генетики, 1993, 18: 3-35.
7. С т о л п о в с к и й Ю.А., Ш и м и и т Л.В., К о л Н.В., Е в с ю к о в А.Н., Р у з и-
н а М.Н., Ч у р г у й - о о л О.И., С у л и м о в а Г.Е. Анализ генетической изменчивости и филогенетических связей у популяций тувинской короткожирнохвостой овцы с использованием ISSR-маркеров. С.-х. биол., 2009, 6: 34-43.
8. С у л и м о в а Г.Е., У д и н а И.Г., Ш а й х а е в Г.О., З а х а р о в И.А. ДНК-полиморфизм гена BolA-DRB3 у крупного рогатого скота в связи с устойчивостью и восприимчивостью к лейкозу. Генетика, 1995, 31(9): 1294-1299.
9. М о и с е е в а И.Г., У х а н о в С.В., С т о л п о в с к и й Ю.А. и др. Генофонды сельскохозяйственных животных: генетические ресурсы животноводства России /Под ред. И.А. Захаров. М., 2006.
10. К а т к о в Л.В., С а м о р у к о в Ю.В., Ч у б а р ь Н.М. и др. Программа сохранения и рационального использования генофонда красной горбатовской породы КРС. Дубровицы, 2001.
Yu.A. Stolpovskii
The author discussed the concept of genetic monitoring of gene pool of domestical kinds which based on seven interconnected blocks which accumulates the fenetic, biochemical, cytogenetic, molecular, zootechnical, veterinary, mathematical and computer methods. The proposed scheme of the monitoring of agricultural populations is general multilevel system and satisfies the three basic requirements. In the first, its usage promotes to preservation of a qualitative variety and structure of genofonds of breeds (populations). Secondly, it permits during of genotype selection to use the data of genetic systems variability so, that to achieve their representativeness by the minimum quantity of animals. Thirdly, the monitoring methods have to supplement each other, combine relative simplicity and reproducibility with maximum effectiveness.
Key words: genetic monitoring, gene pool, polymorphism, DNA markers, rare and endangered breeds, preservation of breeds in situ.
Учреждение Российской академии наук |
Поступила редакцию |
