Изучение генетического разнообразия и дифференциации региональных популяций романовских овец по микросателлитным маркерам

ЗООТЕХНИЯ

УДК 636.32.38 doi: 10.30766/2072-9081.2018.64.3.75-80

Изучение генетического разнообразия и дифференциации региональных популяций романовских овец по микросателлитным маркерам*

Т.Б. Денискова, О.В. Костюнина, А.Д. Соловьева, H.A. Зиновьева

ФГБНУ «Федеральный научный центр животноводства - ВИЖ имени академика Л. К. Эрнста», п. Дубровицы, Московская область, Российская Федерация

Романовская порода оеец - это наиболее интересная локальная порода России, обладающая уникальными биологическими особенностями (полиэстричность, многоплодие). Сохранение генетических ресурсов данной породы требует постоянного тщательного мониторинга по ДНК-маркерам В связи с этим, целью работы было провести сравнение параметров аллелофонда и генетического разнообразия, а также оценить генетическое сходство региональных популяций романовской породы с архетипичными животными. Образцы ткани овец были отобраны в разных регионах России (Ярославской, Рязанской, Тульской областях, республиках Хакасия и Коми). Полиморфизм 11 микросателлитов был изучен на генетическом анализаторе ABI3130x1 В ходе выполнения работы были рассчитаны: среднее число аллелей (Na), эффективное число аллелей (Ne), число информативных аллелей (Na>5%), наблюдаемая (Но) и ожидаемая гетерозиготность (Не), индекс фиксации (F¡J, а также построены генетические сети, проведены РСоА и кластерный анализы. Хакасская популяция характеризовалась наибольшим аллельным разнообразием: Na = 11,30; Ne = 5,99 и Na>5% = 5,50 аллелей, тогда как минимальные Ne (3,95) и Na>5% (4,30) были детектированы для первой и второй ярославских популяций соответственно. Дефицит гетерозигот от 6,0 до 19,5% был отмечен во всех группах, за исключением тульской популяции. На основании результатов построения генетических сетей, РСоА и кластерного анализа была показана генетическая обособленность трех ярославских популяций, следует также отметить некоторую отдаленность рязанской популяции (I st от 0,038 до 0,059). Таким образом, нами было продемонстрировано, что параметры аллелофонда и показатели генетического разнообразия могут сильно различаться внутри одной породы. Кроме того, было установлено, что ярославские популяции романовской породы до сих пор представляют собой обособленный массив животных.

Ключевые слова: генетическое разнообразие, микросателлиты, полиморфизм, овцы, романовская порода, генетика популяций

Среди овец России романовская порода занимает особенное место и является национальным достоянием нашей страны. Порода была выведена на основе независимого отродья северных короткохвостых овец в Ярославской губернии в 18 веке путем отбора лучших животных [1, 2]. С момента создания и до настоящего времени порода разводится в чистоте и не улучшается импортными животными, в связи с чем представляет собой резервуар ценных аллелей. Уникальные биологические особенности романовских овец (многоплодие и полиэстричность) широко известны и за пределами России, а именно: во Франции, Польше, Канаде и США, где романовских маток скрещивают с баранами скороспелых мясных пород (например, дорпер, катадин) для получения большого числа выносливого товарного молодняка [3].

В России романовская порода распространена во многих регионах с умеренно-холодным климатом. Тем не менее, наиболее типичные животные до сих пор происходят

из племенных хозяйств Ярославской области. Как было установлено ранее, показатели аллелофонда и генетического разнообразия могут значительно изменяться даже в одной популяции в зависимости от системы отбора и селекционной программы в динамике нескольких лет [4].

Цель исследований - провести сравнительную характеристику параметров аллелофонда и генетического разнообразия, а также установить генетические взаимосвязи региональных популяций романовской породы и оценить их генетическое сходство (или отдаленность) с архетипичными животными из места выведения породы.

Материал и методы. Исследования были проведены в лаборатории молекулярных основ селекции отдела биотехнологии и молекулярной диагностики животных ФГБНУ ФНЦ ВИЖ имени Л.К. Эрнста. Выборка включала образцы ткани (фрагмент ушной раковины) овец романовской породы (п = 298). Животные

*Работа проведена в рамках выполнения задания Федерального агентства научных организаций (ФАНО России) № АААА-А18-118021590138-1 в 2018 году.

были представлены семью региональными популяциями: тульской (TulR, п = 32), тремя ярославскими из трех разных хозяйств (YarRl, п = 39; YarR2, п = 46; YarR3, п = 40), хакасской (HakR, п = 54), рязанской (RyaR, п = 29) и из Республики Коми (KomiR, п = 58). Геномную ДНК выделяли набором «ДНК-Экстран» (ЗАО «Синтол», Россия). Полиморфизм 11 микросателлитов определяли на генетическом анализаторе ABI3130x1. Основные показатели, характеризующие состояние аллелофонда и генетическое разнообразие, в том числе среднее число аллелей на локус (Na), эффективное число аллелей на локус (Ne), число информативных аллелей, т.е. встречающиеся с частотой от 5% и выше (Na>5%), наблюдаемая гетерозиготность (Но), ожидаемая гетерозиготность (Не), индекс фиксации (FIS) были рассчитаны в программе GenAIEx 6.503 [5]. Генетические связи между изучаемыми популяциями были визуализированы в виде сетей Neighbour Net в программе SplitsTree 4.14.5 [6] и на основе анализа главных координат РСоА в программе GenAIEx 6.503. Кластерный анализ проводили в программе Structure 2.3.4 [7] с наиболее вероятным числом популяций (к), равным семи.

Результаты и их обсуждение. Локальные породы сельскохозяйственных животных с каждым годом привлекают к себе повышенный научный интерес, так как они являются носителями уникального генетического материала, обеспечивающего высокую приспособленность к определенным условиям разведения и содержания [8, 9, 10]. В России одной из наиболее интересных локальных пород является романовская, для сохранения ценного генофонда которой необходимо проводить детальные генетические исследования.

В своей работе мы использовали 11 ми-кросателлитных локусов, рекомендованных Международным обществом по генетике животных (КАО). Было показано, что популяция Нак^ характеризовалась наибольшим аллель-ным разнообразием, что выражалось в максимальных значениях среднего числа аллелей, эффективного числа аллелей и количества информативных аллелей на локус 11,30, 5,99 и 5,50 аллелей на локус соответственно (табл.). Минимальное эффективное число аллелей на локус было зафиксировано в УаЛ1 (3,95), тогда как наименьшее число информативных аллелей было выявлено в YarR2 (4,30).

Таблица

Характеристика аллелофонда и генетического разнообразия семи региональных популяций романовской породы по 11 микросателлитным локусам

Региональная популяция Na Ne Na>5% Но Не FIS

Тульская 8,20 4,68 4,90 0,831 0,768 - 0,092

Ярославская 1 8,20 3,95 4,80 0,628 0,696 0,113

Ярославская 2 8,40 4,192 4,30 0,600 0,705 0,133

Ярославская 3 8,90 4,69 5,30 0,582 0,734 0,206

Хакасская 11,30 5,99 5,50 0,683 0,797 0,137

Рязанская 7,10 3,97 4,80 0,488 0,683 0,296

Республика Коми 8,40 4,62 4,90 0,677 0,737 0,078

В среднем 8,64 4,58 4,93 0,641 0,731 -

Примечание: Расчет количества аллелей произведен на 1 локус. Ыа - среднее число аллелей на локус; N6 - эффективное число аллелей на локус; Ыа>5% - число информативных аллелей, т.е. встречающиеся с частотой от 5% и выше; Но - наблюдаемая гетерозиготность; Не - ожидаемая гетерозиготность; Б - индекс фиксации.

Анализ уровня генетического разнообразия показал, что шесть региональных популяций характеризовались превышением количества гомозигот над гетерозиготами от 6% в Когг^ до 19,5% в RyaR, о чем свидетельствуют позитивные значения коэффициента инбридинга (Б от 0,078 до 0,296 для перечисленных групп соответственно). Исключение составила Ти1Я. для которой был зафиксирован умерен-

ный избыток гетерозигот (6,3%, F = -0,092).

При изучении генетических взаимосвязей региональных групп романовских овец на основе сети Neighbour Net (рис. 1), построенной на базе матрицы генетических дистанций по Нею [11], было выявлено, что YarRl, YarR2 и YarR3 формируют отдельный кластер. Популяции RyaR, TulR и HakR образуют группу, в то время как KomiR представлена отдельной ветвью.

М>1

RyaR

Рис. 1. Генетические взаимосвязи семи региональных популяций романовской породы на основе матрицы генетических дистанций Нея

Генетическая обособленность группы ЯуаЯ также подтверждается результатами анализа главных координат (рис. 2) и значениями Бе! от 0,038 с Ти1Я и НакЯ до максимального 0,059 с УагЯ 1. Первая главная координата четко отделяет УагЯ 1. УагЯ2. УагЯЗ и Кот ¡Я от ЯуаЯ.

Ти1Я и НакЯ. Вторая главная координата отсоединяет УагЯ 1. УагЯ2. УагЯЗ и ЯуаЯ от остальных популяций. Это вероятно может объясняться тем, что овцы для этих групп были отобраны из хозяйств с более длительной историей разведения по сравнению с другими популяциями.

ч: а о о

а

№ «

х

M

«

а

О YarR2 Д YarRl П YarR RyaR + 5

Ко] niR HakR О AtuIR

Главная координата 1

Рис. 2. Генетическая дифференциация семи региональных популяций романовской породы в пространстве первых двух главных координат, рассчитанных по показателю Р , на основании РСоА-а-нализа при парном сравнении для 11 локусов микросателлитов

В результате проведенного кластерного анализа в программе STRUCTURE (рис. 3) было выявлено, что группы овец не являются высококонсолидированными и не полностью дифференцированы. Данный генетический паттерн, вероятно, объясняется тем, что изучаемые группы - это, прежде всего, популяции внутри одной локальной породы. Внутри HakR и RyaR наблюдается некоторая разнородность животных, в то время как TulR и KomiR, наоборот, характеризуются высокой степенью членства в своих кластерах. В отношении ярославских групп отмечается схожая тенденция, выявленная при анализе генетической сети, а именно: популяции YarRl и YarR2 являются генетичес-

ки близкими (один кластер в сети) и имеют сходную структуру, что, возможно, свидетельствует об общем генофонде. YarRЗ выделяется ярко выраженной отличной структурой и формирует отдельную ветвь на генетической сети.

Романовские овцы в силу своего чистопородного происхождения и биологических особенностей становились объектами генетических исследований с помощью различных типов ДНК-маркеров - микросателлитов [12, 13] и ISSR-фингepпpинтингa [14, 15]. ISSR-мapкepы являются недорогим и популярным методом изучения филогенетических связей, однако полученные на их основе данные генетических дистанций по

Нею (от 0,022 до 0,065) значительно меньше полученных в нашем исследовании (от 0,101 до 0,263). В то же время параметры генетического сходства по 188Я-маркерам составили от 0,908 до 0,985, тогда как в нашей рабо-

те по микросателлитам - от 0,769 до 0,906. Такие отличия, вероятно, объясняются тем, что 188К-маркеры в силу своей «анонимности» больше подвержены ошибкам отжига праймеров.

Тульская Ярославская i Ярославская 2 Ярославская 3

Хакасская Рязанская Республика Коми

Рис. 3. Результаты кластерного анализа семи региональных популяций романовской породы

При сравнении результатов исследований на основе микросателлитов для популяции романовских овец из Московской области [13] было детектировано большее среднее число аллелей, чем в настоящей работе: Na = 9,73 и 8,64 аллелей соответственно. Значения уровней гетерозиготно сти, рассчитанных в нашем исследовании (Но = 0,641; Не = 0,731), в целом согласуются с данными других авторов: Но = 0,707; Не = 0,779 [13] и Не = 0,720 [12]. Для большего числа групп в нашей работе было характерно отклонение от равновесия Харди-Вайнберга в сторону дефицита гете-розигот (FIS = 0,078-0,296). Это согласуется с FIS = 0,059, характерным для популяции романовских овец из Московской области [13], тогда как в работе Tapio и сотрудников [12] для ярославской популяции романовских овец было зафиксировано значение FIS = 0,007, близкое к генетическому равновесию. Животные для данного исследования были отобраны из более ранних генераций, что, возможно, является причиной такого расхождения в значениях индекса фиксации по сравнению с данными, полученными в настоящей работе.

Выводы. Нами было продемонстрировано, что параметры аллелофонда и показатели генетического разнообразия могут сильно различаться внутри одной породы. Кроме того, было установлено, что ярославские популяции романовской породы до сих пор представляют собой обособленный массив животных.

Список литературы

1. Справочник пород и типов сельскохозяйственных животных, разводимых в Российской Федерации. Словарь терминов по разведению, генетике, селекции и биотехнологии размножения сельскохозяйственных животных. Перечень российских и международных организаций в сфере животноводства / Дунин И.М., Данкверт А.Г. [и др.]. М.: ВНИИплем, 2013.551 с.

2. Эрнст J1.K., Дмитриев Н.Г., Паронян И.А. Генетические ресурсы сельскохозяйственных животных в России и сопредельных странах. СПб.: Изд-во ВНИИГРЖ, 1994. 469 с.

3. Shackelford S.D., Ley master К. A., Wheeler T.L., Koohmaraie М. Effects of breed of sire on carcass composition and sensory traits of lamb. J Anim Sci. 2012. Vol. 90.no. 11. P. 4131.

4. Денискова Т.Е., Соловьева А.Д., Костю-нина О.В., Зиновьева Н.А. Динамика аллелофонда овец романовской породы на основании анализа микросателлитов // Овцы, козы, шерстяное дело. 2017. №3. С. 5-6.

5. Peakall R., Smouse РЕ. GenAlEx 6.5: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research-an update. Bioinformatics. 2012. Vol. 28. P. 2537-2539.

6. Huson D.H., Bryant D. Application of Phylo-genetic Networks in Evolutionary Studies. Molecular Biology and Evolution. 2006. Vol.23, no. 2. P. 254-267.

7. Pritchard J. K., Stephens M., Donnelly P. Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics. 2000. Vol. 155. P. 945-959.

8. Tapio M., Tapio I., Grislis Z., Holm L-E., Jeppsson S., Kantanen J., Miceikiene I., Olsaker I.,

Viinalass H., Eythorsdottir E. Native breeds demonstrate high contributions to the molecular variation in northern European sheep. Mol Ecol. 2005. no. 14. P. 3951-3963.

9. Ferrando A., Goyache E, Parés P.-M., Carrion C. Genetic relationships between six eastern Pyrenean sheep breeds assessed using microsatellites. Spanish Journal of Agricultural Research. 2014. Vol.12, no. 4. P. 1029-1037.

10. Beynon S.E., Slavov G.T., Farre M., Sunduim-ijid B., Waddams K., Davies B., Haresign W., Kijas J., MacLeod I.M., Newbold C.J., Davies L., Larkin D.M. Population structure and history of the Welsh sheep breeds determined by whole genome genotyping. BMC Genet. 2015. №16. P. 65.

11. Nei M. Genetic distance between populations. American Naturalist. 1972. no. 106. P. 283-392.

12. Tapio M., Ozerov M., Viinalass H., Kiseliova T., Kantanen Yu. Molecular genetic variation in sheep of

central Volga area inhabited by Finno-Ugric peoples. Agr. Food Sci. 2007. no. 16. P. 157-169.

13. Zinovieva N.A., Selionova M.I., GladyrE.A., Petrovic M.P, Petrovic V.C., Muslik D.R., Petro-vic M.M. Investigation of gene pool and genealogical links between sheep breeds of southern Russia by blood groups and DNA microsatellites. Genetika. 2015. Vol. 47. no. 2. P. 395-404.

14. Nesteruk L.V., Makarova N.N., Svishcheva G.R., Stolpovsky Yu.A. Estimation of genetic diversity of Romanov sheep by the coefficient of genetic originality based on ISSR-fingerprinting data. Russian Journal of Genetics.2015. V 51. P. 725-729.

15. Макарова H.H., Нестерук Jl.B., Столпо-вский Ю.А., Москаленко Л.П., Николаева Е.А. Перспективы использования мультилокусных маркеров ДНК при сохранении и разведении генофонда романовской породы овец // Вестник АПК Верхневолжья. 2013. Т.2. №22. С. 75-80.

Благодарим ЛЛ. Каневу и Н.Н. Макарову за образцы ткани овец романовской породы. При выполнении исследований было использовано оборудование Центра коллективного пользования научным оборудованием «Биоресурсы и биоинженерия сельскохозяйственных животных» ФГБНУ ФНЦ ВИЖ им. JI.K. Эрнста.

Сведения об авторах:

Денискова Татьяна Евгеньевна, кандидат биол. наук, старший научный сотрудник, Костюнина Ольга Васильевна, доктор биол. наук, руководитель лаборатории, Соловьева Анастасия Дмитриевна, младший научный сотрудник,

Зиновьева Наталия Анатольевна, доктор биол. наук, профессор, академик РАН, директор

ФГБНУ «Федеральный научный центр животноводства - ВИЖ имени академика JT.K. Эрнста», Городской округ Подольск, п. Дубровицы, д.60, Московская область, Российская Федерация, 142132, e-mail: priemnaya-vij@mail.ra

Agrarnava nauka Evro-Severo-Vostoka. 2018. Vol. 64. no. 3. pp. 75-80.

doi: 10.30766/2072-9081.2018.64.3.75-80 Study of genetic diversity and differentiation of regional populations of Romanov sheep using microsatellite markers

Т.Е. Deniskova, O.V. Kostyunina, A.D. Solovieva, N.A. Zinovieva

L.K. Ernst Federal Science Center for Animal Husbandry, s. Dubrouitsy, Moscow region, Russia

The Romanov breed is the most interesting local Russian sheep breed with unique biological traits (out-of-season breeding ability, prolificacy). Conservation of genetic resources of the breed requires constant careful monitoring using DNA markers. In this regard, the aim of our work was to compare the parameters of the allele pool and genetic diversity, as well as to assess genetic similarity of regional populations of the Romanov breed in comparison with archetypal animals. Tissue samples were selected in different regions of Russia (Yaroslavl, Ryazan and Tula regions, Republics of Khakassia and Komi). Polymorphism of 11 microsatellites was studied with the genetic analyzer ABI3130x1. We estimated an average number of alleles (Na), effective number of alleles (Ne), number of informative alleles (Na>5%), observed (Ho) and expected heterozygosity (He), fixation index (FIS), constructed Neighbour-Net and carried out PCoA and cluster analyzes. The Khakass population was characterized by the greatest allelic diversity: Na = 11.30; Ne = 5.99 and Na>5% = 5.50 alleles, while minimal Ne (3.95) and Na>5% (4.30) were detected for the first and second Yaroslavl populations, respectively. Deficiency of heterozygotes from 6 to 19.5% was observed in all groups, except for the Tula population. Based on the results of Neighbour-Net, PCoA and cluster analysis, genetic isolation of three Yaroslavl populations was found. Also, a certain genetic detachment of the Ryazan population (Fst from 0.038 to 0.059) was revealed. Thus, we demonstrated that the parameters of allele pool and the indices of genetic diversity can vary greatly within the breed. In addition, it has been established that the Yaroslavl populations of the Romanov breed still represent a separate group.

Key words: genetic diversity, microsatellites, polymorphism, sheep, Romanov breed, population genetics

References

1. Dunin I.M., Dankvert A.G. Spravochnik po-rod i tipov sel 'skokhozyaystvennykh zhivotnykh, razvod-imykh v Rossiyskoy Federatsii. [Directory of breeds and types of farm animals bred in the Russian Federation], Moscow: VNIIPLEM, 2013. 551 p.

2. Ernst L.K., Dmitriev N.G., Paronyan I.A. Ge-neticheskie resursy sel 'skokhozyaystvennykh zhivotnykh v Rossii i sopredel 'nykh stranakh. [Genetic resources of agricultural animals in Russia and neighboring countries], Saint Petersburg: Izd-vo VNIIGRZh, 1994. 469 p.

3. Shackelford S.D., Leymaster K.A., Wheeler T.L., Koohmaraie M. Effects of breed of sire on carcass composition and sensory traits of lamb. J Anim Sci. 2012.Vol.90.no. 11. pp. 4131.

4. Deniskova T.E., Solov'eva A.D., Kostyunina O.V, Zinov'eva N.A. Dinamika allelofonda ovets ro-manovskoy porody na osnovanii analiza mikrosatellitov. [Dynamics of allele pool of the Romanov sheep based on microsatellites analysis]. Ovtsy, kozy, sherstyanoe delo. 2017. no. 3. pp. 5-6.

5. Peakall R., Smouse PE. GenAlEx 6.5: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research-an update. Bioinformatics. 2012. Vol. 28. pp. 2537-2539.

6. Huson D.H., Bryant D. Application of Phy-logenetic Networks in Evolutionary Studies. Molecular Biology and Evolution. 2006. Vol.23, no. 2. pp.254 - 267.

7. Pritchard J. K., Stephens M., Donnelly P. Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics. 2000. Vol. 155. pp. 945-959.

8. Tapio M., Tapio I., Grislis Z., Holm L-E., Jeppsson S., Kantanen J., Miceikiene I., Olsaker I., Vi-inalass H., Eythorsdottir E. Native breeds demonstrate high contributions to the molecular variation in northern European sheep. MolEcol. 2005. no.14. P. 3951-3963.

9. Ferrando A., Goyache F., Parés P.-M., Carrion C. Genetic relationships between six eastern Pyre-nean sheep breeds assessed using microsatellites. Spanish Journal of Agricultural Research. 2014. Vol.12, no. 4. pp. 1029-1037.

10. Beynon S.E., Slavov G.T., Farre M., Sundui-mijid B., Waddams K., Davies B., Haresign W., Kijas J., MacLeod I.M., Newbold C.J., Davies L., Larkin D.M. Population structure and history of the Welsh sheep breeds determined by whole genome genotyping. BMC Genet. 2015. №16. P.65.

11. Nei M. Genetic distance between populations. American Naturalist. 1972. no.106. pp.283-392.

12. Tapio M., Ozerov M., Viinalass H., Kiseliova T., Kantanen Yu. Molecular genetic variation in sheep of central Volga area inhabited by Finno-Ugric peoples. Agr. Food Sci. 2007. no. 16. P. 157-169.

13. Zinovieva N.A., Selionova M.I., GladyrE.A., Petrovic M.P, Petrovic V.C., Muslik D.R., Petro-vic M.M. Investigation of gene pool and genealogical links between sheep breeds of southern Russia by blood groups and DNA microsatellites. Genetika. 2015. Vol. 47. no. 2. P. 395 - 404.

14. Nesteruk L.V., Makarova N.N., Svishche-va G.R., Stolpovsky Yu.A. Estimation of genetic diversity of Romanov sheep by the coefficient of genetic originality based on ISSR-fingerprinting data. Russian Journal of Genetics.2015. Vol. 51. pp. 725-729.

15. Makarova N.N., Nesteruk L.V., Stolpov-skiy Yu.A., Moskalenko L.P., Nikolaeva E.A. Per-spektivy ispol 'zovaniya mul'tilokusnykh markerov DNK pri sokhranenii i razvedenii genofonda roma-novskoy porody ovets. [Prospects of using multilocus DNA markers for preserving and breeding of the Romanov sheep gene pool] . Vestnik APK Verkhnevolzh'ya. 2013. Vol. 2. no. 22. pp. 75-80.

Information about the authors:

T.E. Deniskova, PhD in Biology, senior researcher,

O.V Kostyunina, DSc in Biology, Head of the Laboratory

A.D. Solovieva, junior researcher

N.A. Zinovieva, DSc in Biology, professor, academician of RAS, Director

Federal Science Center for Animal Husbandry named after Academy Member L.K.Ernst, Dubrovitsy, 60, Podolsk Municipal District, Moscow region, Russian Federation, 142132, e-mail: priemnaya-vij@mail.ru