doi: 10.15389/agrobiology.2025.6.rus
УДК 636.2:636.082.2:577.2
Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда, проект № 19-76-20012.
ПОИСК ОТПЕЧАТКОВ СЕЛЕКЦИИ В ГЕНОМАХ СОВРЕМЕННОГО СЕВЕРНОГО И СТЕПНОГО СКОТА В СРАВНЕНИИ С ОБРАЗЦАМИ КОНЦА XIX—НАЧАЛА XX ВЕКОВ
А.С. АБДЕЛЬМАНОВА✉, Т.Е. ДЕНИСКОВА, А.В. ШАХИН,
А.А. НИКОЛАЕВ, Г.О. АБРАМОВ, О.И. БОРОНЕЦКАЯ,
В.А. БАГИРОВ, В.И. ТРУХАЧЕВ, Н.А. ЗИНОВЬЕВА
Развитие технологии полногеномного секвенирования (WGS) открывает новые возможности в изучении изменчивости геномов сельскохозяйственных животных под воздействием естественного и искусственного отбора. Анализ WGS-данных позволяет выявлять ключевые гены и геномные регионы, ответственные за формирование адаптационных свойств к специфическим природно-климатическим условиям разведения. Селекция и генетический дрейф — ключевые источники генетической дифференциации между представителями исходных и современных пород. Изучение динамики изменений генофонда местных пород актуально, поскольку именно местные породы — это носители редких и ценных генетических вариантов, которые могут стать приоритетными в случае смены требований рынка и при климатических изменениях. В настоящей работе впервые описаны результаты идентификации участков генома, закрепившихся вследствие отбора у контрастных групп крупного рогатого скота, приспособленных к значительно различающимся условиям внешней среды, проведена структурная и функциональная аннотация локализованных в них генов. Выявлены гены, общие для современных и предковых популяций скота исследуемых групп. Цель исследований состояла в сравнительном анализе геномов музейных и современных образцов крупного рогатого скота разных пород на основании данных полногеномного секвенирования для выявления участков генома, подвергшихся действию естественного и искусственного отбора. Материалом для изучения служили музейные образцы черепов крупного рогатого скота из Музея животноводства им. Е.Ф. Лискуна (РГАУ — МСХА им. К.А. Тимирязева, г. Москва), датированные концом XIX—началом XX века, а также образцы от племенных животных, хранящиеся в биологической коллекции Национального центра генетических ресурсов сельскохозяйственных животных ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста. Группа северного скота была представлена образцами холмогорской и ярославской пород, группа степного скота — образцами калмыцкого скота. Выборку музейных образцов (n = 20) составили 15 образцов от северного скота (холмогорский скот, n = 8; ярославский скот, n = 7) и 5 образцов степного (калмыцкого) скота. Выборка современных образцов включала соответственно 17, 11 и 12 образцов названных выше пород. Итоговый набор данных включал генотипы по 1 615 259 SNPs (Single Nucleotide Polymorphism). Выделение ДНК из музейных образцов проводили с использованием методики, описанной ранее, из современных образцов — с помощью набора ДНК-Экстран 2 (ЗАО «Синтол», г. Москва). Библиотеки для полногеномного секвенирования с использованием технологии NGS готовили с помощью наборов TruSeq DNA Nano Library Prep kit («Illumina, Inc.», США) и Accel-NGS® 2S Plus DNA Library Kit (IDT). Секвенирование выполняли на секвенаторе NovaSeq 6000 (2× 150 bp). Для выявления участков генома, находящихся под давлением отбора, применили три метода: попарное сравнение популяций на основании генетических дистанций FST с использованием скользящего окна, анализ межпопуляционной гомозиготности гаплотипов (XP-EHH) и определение регионов избыточной гомозиготности (островки ROH). Показано отсутствие в геноме изучаемых пород скота перекрывающихся геномных регионов, находящихся под давлением отбора по результатам сравнительного анализа FST и XP-EHH предковых и современных популяций для пар (холмогорская + ярославская)—калмыцкая, что указывает на существенные различия в целях и направлениях селекции в различные периоды формирования пород. Идентифицированы семь островков ROH, перекрывающихся в музейных и современных образцах холмогорского и ярославского скота, которые локализованы в известных QTL удоя, состава молока, энергии роста, размера тела и фертильности, что свидетельствует о длительном использовании этих показателей в качестве целевых параметров отбора при разведении пород. Выявлены гены, общие для современных и предковых популяций скота исследуемых групп. Идентифицированные нами геномные регионы, подверженные действию отбора в предковых популяциях и перекрывающиеся с «отпечатками» селекции в геноме современных представителей пород, могут быть использованы при отборе животных для программ сохранения генетических ресурсов и аутентичных геномных компонентов.
Ключевые слова: крупный рогатый скот, холмогорская порода, ярославская порода, калмыцкая порода, музейные образцы, полногеномное секвенирование, давление отбора, гены-кандидаты.
A.S. Abdelmanova ✉, T.E. Deniskova, A.V. Shakhin,
A.A. Nikolaev, G.O. Abramov, O.I. Boronetskaya, V.A. Bagirov,
V.I. Truchachev, N.A. Zinovieva
The development of whole genome sequencing (WGS) technology opens new opportunities in studying the genomic variability of farm animals under the influence of natural and artificial selection. Analysis of WGS data allows us to identify key genes and genomic regions responsible for the formation of adaptive properties to specific natural and climatic breeding conditions. Selection and genetic drift are key sources of genetic differentiation between representatives of original and modern breeds. Studying the dynamics of changes in the gene pool of local breeds is relevant, since local breeds are carriers of rare and valuable genetic variants that may become a priority in the event of changing market demands and climate change. This paper describes for the first time the results of identifying genomic regions fixed as a result of selection in contrasting groups of cattle adapted to significantly different environmental conditions, and provides a structural and functional annotation of the genes localized in them. Genes common to modern and ancestral cattle populations of the studied groups were identified. The aim of the study was to compare the genomes of historical and modern cattle of different breeds based on WGS data to identifygenomic regions affected by natural and artificial selection. The study material included museum cattle skull specimens from the E.F. Liskun Livestock Museum (Timiryazev Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy, Moscow), dating from the late 19th to early 20th centuries, as well as samples from breeding animals stored in the biological collection of the National Center for Farm Animal Genetic Resources of the L.K. Ernst Federal Research Center for Animal Husbandry. The northern cattle group was represented by samples of the Kholmogor and Yaroslavl breeds, and the steppe cattle group was represented by samples of Kalmyk cattle. The sample of historical specimens (n = 20) included 15 samples of northern cattle (Kholmogor cattle, n = 8; Yaroslavl cattle, n = 7) and 5 samples of steppe (Kalmyk) cattle. The sample of modern specimens included 17, 11 and12 samples of the above-mentioned breeds, respectively. The final data set included the genotypes for 1,615,259 SNPs. DNA extraction from museum specimens was performed using the previously described method, and from modern specimens, using the DNA-Extran 2 kit (Sintol JSC, Moscow). Libraries for whole-genome sequencing using NGS technology were prepared using the TruSeq DNA Nano Library Prep kit (Illumina, Inc., USA) and the Accel-NGS® 2S Plus DNA Library Kit (IDT). Sequencing was performed on a NovaSeq 6000 sequencer (2.5150 bp). Three methods were used to identify genomic regions under selection pressure: pairwise comparison of populations based on FST genetic distances usinga sliding window, analysis of cross-population extended haplotype homozygosity (XP-EHH), and identification of regions of excess homozygosity (ROH islands). The absence of overlapping genomic regions under selection pressure in the genome of the historical and modern populations of studied cattle breeds based on the results of a comparative analysis of FST and XP-EHH for pairs (Kholmogor + Yaroslavl) – Kalmyk indicates significant differences in the breeding goals in different periods of breed formation. Seven ROH islands have been identified, overlapping in museum and modern samples of Kholmogor and Yaroslavl cattle, localized in the known QTL for milk yield, milk composition, growth, body size andfertility, which indicates the long-term use of the above-mentioned indices as target parameters at breeding these breeds. The genes common to modern and historical cattlepopulations of the studied groups have been identified. The identified genomic regions, which are under selection pressure in the historical populations of the studied breeds andoverlap with the signature of selection in the genome of modern representatives of the same breeds, can be used in the selection of animals for inclusion in genetic resourceconservation programs in order to preserve authentic genomic components.
Keywords: cattle, Kholmogor breed, Yaroslavl breed, Kalmyk breed, museum specimens, whole genome sequencing, selection pressure, candidate genes.
ФГБНУ Федеральный исследовательский центр | Поступила в редакцию Принята к публикации |
