doi: 10.15389/agrobiology.2024.4.605rus
УДК 636.2:57.082.133:577.2
При выполнении исследований использовали оборудование ЦКП «Биоресурсы и биоинженерия сельскохозяйственных животных» ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 19-76-20012.
ОЦЕНКА ГЕНЕТИЧЕСКИХ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ ПОРОД КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА ЧЕРНО-ПЕСТРОГО КОРНЯ С ПРЕДКОВЫМИ ПОПУЛЯЦИЯМИ НА ОСНОВЕ ПОЛНОГЕНОМНОГО SNP-ГЕНОТИПИРОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ И МУЗЕЙНЫХ ОБРАЗЦОВ
А.С. АБДЕЛЬМАНОВА1 ✉, В.Р. ХАРЗИНОВА1, М.С. ФОРНАРА1,
Р.Ю. ЧИНАРОВ1, О.И. БОРОНЕЦКАЯ2, А.А. СЕРМЯГИН1,
В.И. ТРУХАЧЕВ2, Н.А. ЗИНОВЬЕВА1
Холмогорская и ярославская породы крупного рогатого скота наиболее распространены среди российских локальных пород. Однако история их возникновения и развития до сих пор остается предметом дискуссий и требует уточнений. Масштабное использование голштинских быков в качестве улучшателей могло привести к существенному изменению аллелофонда локальных пород. Включение в анализ музейных образцов позволяет прояснить историю становления пород, а также оценить, сохранились ли в современных холмогорской и ярославской породах предковые компоненты. В настоящем сообщении впервые описаны результаты анализа генетического разнообразия и структуры современного черно-пестрого скота в сравнении с предковыми популяциями с использованием ДНК-чипа высокой плотности, дана оценка влияния зарубежных пород на формирование генофонда холмогорского и ярославского скота в конце XIX—начале XX века. Целью нашей работы был анализ генетических взаимосвязей между предковыми и современными популяциями крупного рогатого скота черно-пестрого корня, оценка доли предковых компонентов в современных породах, уточнение истории происхождения и развития холмогорской и ярославской пород крупного рогатого скота на основании данных генотипирования с использованием ДНК-чипа высокой плотности. Выделение ДНК из музейных образцов проводили с использованием набора COrDIS Extract DECALCINE (ООО «ГОРДИЗ», Россия) с некоторыми модификациями протокола выделения ДНК, рекомендуемого производителем (увеличено время лизиса и объем реактивов на один образец). С помощью системы iScan («Illumina, Inc.», США) было проведено полногеномное генотипирование 68 музейных образцов с использованием ДНК-чипа высокой плотности (Bovine GGP HD BeadChip, «Illumina, Inc.», США), содержащего около 150 тыс. SNPs (single nucleotide polymorphisms). Полученные SNP-генотипы использовали для формирования объединенного набора данных, включающего SNP-генотипы 31 музейного (холмогорская порода, H_KHLM, n = 17; ярославская порода, H_YRSL, n = 12; великоросский скот, H_GRUS, n = 1; остфризский скот, H_OFRZ, n = 1) и 132 современных образцов (ярославская, YRSL, n = 53; холмогорская, KHLM, n = 26; голштинская, HLST, n = 54). Для оценки генетического разнообразия в каждой породе рассчитывали наблюдаемую (HO) и несмещенную ожидаемую (UHE) гетерозиготность, коэффициент инбридинга (UFIS) и показатель аллельного разнообразия, скорректированный на размер выборки (AR) с использованием R-пакета diversity. Генетические различия между породами оценивали в PLINK v1.90 методом анализа главных компонент (PCA) с визуализацией с помощью R-пакета ggplot2. Попарные дистанции для идентичных по состоянию (identical-by-state, IBS) фрагментов использовали для построения дендрограммы «сеть соседей» в программе SplitsTree 4.14.5. Попарные значения FST были рассчитаны в R-пакете diveRsity и использовались для построения дендрограмм «сеть соседей» в программе SplitsTree 4.14.5. Кластерную структуру популяций исследовали в программе ADMIXTURE v1.23. Визуализация результатов анализа была выполнена с помощью R пакета BITE. Для оценки наличия и степени интрогрессии между породами проводили расчет показателей D-статистики и F4-статистики с использованием R пакета admixr. Для оценки степени дивергенции популяций и обмена генами между породами применяли программное обеспечение TreeMix 1.12. Аутгруппой при построении TreeMix дерева максимального правдоподобия (maximum likelihood, ML) послужила якутская порода. Результаты проведенных исследований указывают на более существенные изменения в генофонде ярославской породы за XX век по сравнению с холмогорской как за счет селекционного процесса, так и вследствие использования ограниченного числа производителей в связи со значительным снижением поголовья. Установлено, что аллельное разнообразие (AR) в предковых популяциях холмогорского и ярославского скота было достоверно (p < 0,001) выше по сравнению с современными популяциями аналогичных пород: 1,959 против 1,936 и 1,981 против 1,917 соответственно для холмогорского и ярославского скота. Популяции H_KHLM и KHLM имели большее генетическое сходство между собой (FST = 0,040; D = 0,257) по сравнению с аналогичными показателями для H_YRSL и YRSL (FST = 0,099; D = 0,353). Результаты анализа интрогрессии с помощью D- и F-статистики и анализа TreeMix подтвердили генетические связи между H_GRUS и H_YRSL. Показано присутствие в H_KHLM и H_YRSL некоторой доли геномных компонентов, характерных для остфризского скота, что подтверждает использование импортированного племенного материала в работе с российским локальным скотом на рубеже XIX-XX веков. В то же время в современных популяциях холмогорской и ярославской пород практически отсутствует интрогрессия голштинской породы, но сохранились геномные компоненты предковых популяций.
Ключевые слова: крупный рогатый скот, музейные образцы, ярославская порода, холмогорская порода, SNP-генотипирование, ДНК-чип.
A.S. Abdelmanova1 ✉, V.R. Kharzinova1, M.S. Fornara1,
R.Yu. Chinarov1, O.I. Boronetskaya2, A.A. Sermyagin1,
V.I. Trukhachev2, N.A. Zinovieva1
Kholmogor and Yaroslavl cattle are the most widespread among Russian local breeds. However, the history of their origin and development is still a matter of debate and requires clarification. The large-scale use of Holstein bulls for improvement could lead to a significant alterations in the allele pool of local breeds. The inclusion of museum samples in the analyses allows shed the light on the history of creation and development of the breeds and to assess whether ancestral components are preserved in the modern Kholmogor and Yaroslavl breeds. For the first time in this work describes the results of analyses of genetic diversity and structure of modern Black-and-White cattle in comparison with ancestral populations using high-density DNA microarray, and assesses the influence of imported breeds on the formation of the gene pool of Kholmogor and Yaroslavl cattle in the end XIX—early XX century. The aim of our work was to analyze the genetic relationships between ancestral and modern populations of Black-and-White cattle, to estimate the proportion of ancestral components in modern breeds, to clarify the history of origin and development of the Kholmogor and Yaroslavl breeds of cattle based on genotyping data using a high-density DNA microarray. DNA extraction from museum samples was carried out using the COrDIS Extract Decalcine kit (GORDIZ LLC, Russia) with some modifications (increased lysis time and volume of reagents per sample) of the DNA extraction protocol recommended by the manufacturer. Whole-genome analysis of 68 museum samples using a high-density DNA microarray (Bovine GGP HD BeadChip, Illumina, Inc., USA) containing about 150,000 SNPs was carried out using the iScan system (Illumina, Inc., USA). The obtained SNP-genotypes were used to generate a combined dataset including SNP-genotypes of 31 museum (Kholmogor breed, H_KHLM, n = 17; Yaroslavl breed, H_YRSL, n = 12; Great Russian cattle, H_GRUS, n = 1; East Friesian cattle, H_OFRZ, n = 1) and 132 modern samples (Yaroslavl, YRSL, n = 53; Kholmogor, KHLM, n = 26; Holstein, HLST, n = 54). To estimate genetic diversity in each breed, observed (HO) and unbiased expected (UHE) heterozygosity, inbreeding coefficient (UFIS) and allelic diversity adjusted for sample size (AR) were calculated using the R package ‘diveRsity’. Genetic differences between breeds were estimated in PLINK v1.90 by principal component analysis (PCA) visualised using the R package ‘ggplot2’. Pairwise distances for identical-by-state (identical-by-state, IBS) fragments were used to construct a ‘neighbourhood network’ dendrogram in SplitsTree 4.14.5 software. Pairwise FST values were calculated in the R-package ‘diveRsity’ and used to construct ‘neighbourhood network’ dendrograms in SplitsTree 4.14.5 software. The cluster structure of populations was investigated in ADMIXTURE v1.23 software. Visualisation of the analysis results was performed using the R package ‘BITE’. To assess the presence and degree of introgression between breeds, D-statistics and F4-statistics were calculated using the R package ‘admixr’. To assess the degree of population divergence and extent of gene exchange between breeds, TreeMix 1.12 software was used. Yakut breed was used as an outgroup in the construction of TreeMix maximum likelihood (ML) tree. The results of our studies indicate more significant changes in the gene pool of the Yaroslavl breed over the XX century compared to the Kholmogor breed, both due to the breeding process and using limited number of bull sires because of a decrease in the population. It was found that allelic diversity (AR) in ancestral populations of Kholmogor and Yaroslavl cattle was significantly (p < 0.001) higher compared to modern populations of these breeds: 1.959 vs. 1.936 and 1.981 vs. 1.917 for Kholmogor and Yaroslavl cattle, respectively. The H_KHLM and KHLM populations had greater genetic similarity to each other (FST = 0.040; D = 0.257) compared to their counterparts for H_YRSL and YRSL (FST = 0.099; D = 0.353). The results of introgression analysis using D- and F-statistics and TreeMix analysis confirmed the genetic relationships between H_GRUS and H_YRSL. The presence of some proportion of East Friesian cattle genomic components in historical samples of Kholmogor and Yaroslavl breeds was shown which confirms the use of imported foreign breeds in breeding of Russian local cattle at the turn of the XIX-XX centuries. The modern populations of Kholmogor and Yaroslavl breeds almost have no introgression of Holstein breed, but they retain genomic components of ancestral populations.
Keywords: cattle, museum samples, Yaroslavl breed, Kholmogor breed, SNP-genotyping, DNA-array.
1ФГБНУ Федеральный исследовательский центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста, |
Поступила в редакцию |
