Полногеномная оценка межстадного генетического различия крупного рогатого скота

ЗООТЕХНИЯ И ВЕТЕРИНАРИЯ

1

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10411 УДК 575.174.015

ПОЛНОГЕНОМНАЯ ОЦЕНКА МЕЖСТАДНОГО ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗЛИЧИЯ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА

М. Г. СМАРАГДОВ, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

Всероссийский научно-исследовательский институт генетики и разведения сельскохозяйственных животных - филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный центр животноводства ВИЖимени академика Л. К. Эрнста», Московское ш., 55а, Санкт-Петербург, 196601, Российская Федерация

Резюме. С помощью F^-статистики Р. Хадсона выполнен анализ межстадных генетических различий коров из 6 племенных заводов голштинизированного черно-пестрого скота Ленинградской области со средними удоями от8086 до 10166 кг. Из каждого стада случайным образом отбирали от 45 до 75 коров, всего 367 коров. ДНК для генотипирова-ния выделяли из крови с помощью фенол-хлороформного метода. Животные были генотипированы чипом Illumina BovineSNP50 v.2. Редактирование SNPs осуществляли по следующим критериям: минорная частота аллелей MAF < 0,01, доля ошибок при генотипировании SNPs менее 5 %, достоверность соответствия генотипов SNPs распределению Харди - Вайнберга (р < 0,0001). В результате редактирования осталось 41210 SNPs. Генотипированных коров разделили на две выборки. В выборке I сформировали 15 уникальных сочетаний пар стад, включавших всех животных. В выборке II из каждой пары стад удалили коров, рожденных от одних и тех же быков-производителей. При парном сравнении стад в выборке I значения индекса фиксации межстадных генетических различий Fstнаходились в интервале 0,0020-0,0120, в среднем - 0,0057± 0,0001, что, как правило, меньше известных межпородных значений Fst (0,002-0,373). При парном сравнении стад в выборке II значения Fst находились в интервале от 0,0030до 0,0150, в среднем - 0,0069 ± 0,0001. Использование одних и тех же быков-производителей в стадах, как правило, приводит к уменьшению значений Fst и, следовательно, к уменьшению межстадных генетических различий. В среднем уменьшение составило 0,0012 ± 0,0001. SNPs генотипирование коров позволяет на молекулярном уровне выявить межстадные генетические различия, F^-статистика Р. Хадсона может быть использована для оценки генетических различий животных.

Ключевые слова: индекс фиксации С. Райта, F^-статистика Р. Хадсона, генетические различия, стадо, молочный скот.

Для цитирования: Смарагдов М. Г. Полногеномная оценка межстадного генетического различия крупного рогатого скота // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 4. С. 47-49. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10411.

С появлением чиповой технологии с использованием однонуклеотдного полиморфизма (SNP) в ДНК стало возможным получение полногеномную генетическую информацию о геноме животного и её применение в геномной селекции [1]. В молочном животноводстве селекционеры для племенной работы со стадами используют быков-производителей, в родословных которых учитывают до 20 поколений предков (в США) [2]. Информация, полученная с

использованием SNPs чипов, представляет собой сумму всей генетической информации от предков, оставивших свой след в геноме животного. Поэтому молекулярные сведения о межстадном генетическом различии точнее, чем при использовании родословных. Во многих стадах при подборах к маточному поголовью селекционеры широко используют быков-лидеров, что может привести к уменьшению межстадного генетического различия. Для воспроизводства стада селекционеры стремятся соблюдать баланс между достижением наибольших показателей молочной продуктивности и наименьшим инбридингом у коров. При этом следует принимать во внимание необходимость сохранения максимального генетического различия коров между стадами и в популяции в целом. Методы молекулярной генетики дают возможность с наибольшей точностью определять межстадное генетическое различие, основываясь на SNPs-данных в геноме животных. Поэтому представляет практический интерес с помощью SNPs-маркеров сравнить межстадное генетическое различие коров и оценить влияние на него одних и тех же быков-производителей, использованных в этих стадах.

На сегодняшний день существует несколько методов анализа межпопуляционного генетического различия животных на основе SNPs. К их числу принадлежит классический индекс фиксации Fst, разработанный С. Райтом [3]. Он предложил измерять и сравнивать частоты аллелей генов в популяциях, и на основе этого делать выводы о генетическом различии популяций. Существует несколько Fst-статистик, с помощью которых это возможно. Наиболее часто используют статистику на основе микросателлитов Б. Вейера-С. Кокерхама [4] и Нея [5]. Однако результаты вычислений первой зависят от соотношения численности животных в сравниваемых популяциях, а вторая систематически завышает значения Fst [6]. Для полногеномного анализа животных на основе SNPs маркеров создана программа [6], которая использует Fst-статистику Р. Хадсона [7]. Достоинство этого метода в том, что он не зависит от числа сравниваемых животных, не переоценивает значения Fst и относительно устойчив к неслучайным выборкам животных.

Цель исследования - анализ межстадных генетических различий коров с помощью Fst-статистики Р. Хадсона.

Для ее достижения решали следующие задачи:

рассчитать межстадные генетические различия коров;

установить влияние одних и тех же быков-производителей, используемых в разных стадах, на межстадные генетические различия.

Условия, материалы и методы. Объектом исследования послужили 367 кров из 6 стад голшти-

*Работа выполнена при финансовой поддержке ФАНО (Госзадание № АААА-А18-118021590138-1. Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 4 _

Таблица 1. Характеристика продуктивных качеств коров из племенных хозяйств Ленинградской области

Племенное хозяйство Поголовье коров Отобранное число коров, голов (%) Средний удой за 305 дней первой лактации, кг Содержание молочного жира, % Содержание молочного белка, %

1 985 72 (7,3) 9215 3,89 3,14

2 657 45 (6,8) 8664 3,63 3,18

3 698 58 (8,3) 8853 3,82 3,18

4 662 55 (8,3) 9287 3,73 3,22

5 911 75 (8,2) 10166 3,61 3,09

6 1013 62 (6,1) 8086 3,89 3,16

низированного черно-пестрого скота племенных заводов Ленинградской области со средними удоями от 8086 кг до 10166 кг (табл. 1). Из 6 стад в 2015 г. случайно выбрали от 45 до 75 коров 2011-2013 гг. рождения. Из этих животных сформировали 2 выборки. В выборку I вошли 15 уникальных сочетаний пар стад, включающих всех животных; в выборке II из каждой пары стад удалили коров, рожденных от одних и тех же быков.

ДНК для дальнейшего генотипирования выделяли из крови с помощью фенол-хлороформного метода. Коровы были генотипированы чипом Illumina Bovine 50 v.2 (Illumina Inc. USA) в Ирландии (Weatherbys Co. UK). Редактирование SNPs осуществляли в программе Plink 1.9 [8] по следующим критериям: минорная частота аллелей (MAF) SNPs не менее 1 %; ошибка генотипирования SNPs не более 5 %; достоверность соответствия генотипов SNPs равновесию Харди-Вайнберга (р < 0,001).

В результате редактирования осталось 48108 SNPs из 54609. При вычислении Fst статистикой Р. Хадсона использовали программу EIGENSOFT [6], в которой стандартные ошибки оценок Fst определяли методом Jackknife. Ошибки средних парных значений Fst для каждого стада вычисляли по формуле:

MSEj = M п- 1N/Z„_1 se?,

где MSEj - ошибка среднего значения Fst для парных сочетаний стада j с другими пятью стадами; n - число стад, sei - стандартная ошибка для i - пары стад.

Результаты и обсуждение. При парном сравнении коров из 6 стад голштинизированного черно-пестрого скота значения Fst в выборке I находились в интервале 0,0020-0,0120 (табл. 2), в среднем -

0,0057± 0,0001. Таким образом, при отсутствии нулевых значений Fst можно утверждать, что коровы в каждом стаде генетически отличаются от животных в других стадах. В выборке I наибольшее среднее парное значение Fst (0,0960 ± 0,0002) отмечено в стаде № 2, наименьшее - в стаде № 1 (0,0040 ± 0,0001). Такое генетическое отличие коров в стаде № 2 от животных других стад обусловлено использованием в нем быков-производителей преимущественно из Голландии, тогда как в других - из США и Канады.

В выборке II Fst варьировал от 0,0030 до 0,0150 (см. табл. 2), в среднем - 0,0069 ± 0,0001. Таким образом, удаление коров, рожденных от одних и тех же быков, в среднем приводит к увеличению межстадных генетических различий на 0,0012 ± 0,0001. Максимальное генетическое отличие коров в обеих выборках сохранилось за стадом № 2 (выборка I - 0,0096 ± 0,0002, выборка II - 0,0110 ± 0,0002). Минимальные генетические отличия в выборке II имели стада № 4 (0,0052 ± 0,0001) и 5 (0,0052 ± 0,0001), а не стадо № 1, как в выборке I (см. табл. 2). Таким образом, удаление коров, родившихся от одних и тех же быков-производителей, приводит к частичной смене паттерна межстадных генетических различий.

Обращает на себя внимание сохранение значений Fst в выборках I и II для пар стад 4-5 и 5-6. Такой феномен может быть обусловлен тем, что у коров, рожденных от одних и тех же быков-производителей, одинаковая генетическая информация от отцов была компенсирована гетерогенной генетической информацией от коров-матерей. В результате после удаления этих животных из пар стад 4-5 и 5-6 межстадные генетические значения Fst не изменились. Ранее мы использовали для анализа генетического различия в

Таблица 2. Оценки значений F при парных сравнениях стад

Стадо* 1 2 3 4 5 6 Среднее

1 0,0090 ± 0,0050 ± 0,0020 ± 0,0020 ± 0,0020 ± 0,0040 ±

0,0003 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0001

2 0,0130 ± 0,0100 ± 0,0080 ± 0,0090 ± 0,0120 ± 0,0096 ±

0,0004 0,0004 (0,000) 0,0003 (0,218) 0,0004 (0,058) 0,0004 (0,139) 0,0002

3 0,0060 ± 0,0100 ± 0,0040 ± 0,0060 ± 0,0050 ± 0,0060 ±

0,0002 0,0004 0,0002 (0,017) 0,0002 (0,000) 0,0002 (0,156) 0,0001

4 0,0030 ± 0,0090 ± 0,0050 ± 0,0030 ± 0,0040 ± 0,0042 ±

0,0002 0,0003 0,0002 0,0002 (0,189) 0,0002 (0,322) 0,0001

5 0,0030 ± 0,0100 ± 0,0060 ± 0,0030 ± 0,0040 ± 0,0048 ±

0,0002 0,0004 0,0002 0,0002 0,0002 (0,129) 0,0001

6 0,0050 ± 0,0150 ± 0,0060 ± 0,0060 ± 0,0040 ± 0,0054 ±

0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0001

Среднее 0,0060 ± 0,0110 ± 0,0066 ± 0,0052 ± 0,0052 ± 0,0072 ±

значение 0,0001 0,0002 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001

* над диагональю - значения со стандартной ошибкой для выборки I, под диагональю - для выборки II; в скобках - доля коров, рожденных от одних и тех же быков-производителей для указанной пары стад

48 _ Достижения науки и техники АПК. 2018. Т 32. № 4

стадах голштинизированного черно-пестрого скота Ленинградской области Fst -статистику Б. Вейера и С. Кокерхама [4]. Размах варьирования межстадных генетических различий коров составлял от 0,016 до 0,115 [9], что больше значений, полученных в этом исследовании с использованием статистики Р. Хадсона. Установлено, что результаты расчетов с использованием Fst -статистики Б. Вейера и С. Кокерхама зависят от равночисленности сравниваемых популяций [6], что и могло отразиться на более ранних [9] результатах.

За последние 10 лет с помощью Fst были оценены генетические различия между многими породами молочного и мясного крупного рогатого скота. Так, для 47 пород крупного рогатого скота они составили от 0,004 до 0,201 [10]. В другом исследовании для 17 мясных и молочных пород из Европы, США и ряда других стран значения Fst различались от 0,04 до 0,11 [11]. Генетическое различие между голштинской и голландской черно-пестрой породой было равно 0,015, между нелоре и японской черной - 0,373 [12]. При сравнении популяций крупного рогатого скота

породы Напшоо из Эфиопии и Кореи значения Fst изменялись от 0,002 до 0,189 [13]. Таким образом, межпородные генетические различия у крупного рогатого скота больше, чем в нашем исследовании между стадами голштинизированного черно-пестрого скота (см. табл. 2).

Выводы. Установлены межстадные генетические различия коров которые составили от 0,0020 до 0,0120.

Исключение коров, рожденных от одних и тех же быков-производителей, в среднем увеличивало межстадные генетические различия на 0,0012 ± 0,0001. В целом межстадные генетические различия меньше, чем межпородные.

Разрешающая способность Fst-статистики Р. Хадсона оказалась достаточной для обнаружения межстадных генетических различий и влияния на них коров, рожденных от одних и тех же быков-производителей. Предлагаем использовать этот метод для мониторинга межстадных генетических различий, как у крупного рогатого скота, так и других сельскохозяйственных животных.

Литература.

1. Смарагдов М. Г. Геномная селекция молочного скота. Пять лет практического использования // Генетика. 2013. Т. 49. № 11. С. 1251-1260.

2. Sire Summaries. Aprill. [Электронный ресурс]. URL: http://www.holsteinusa.com/services?action=siresumentry (дата обращения: 25.04.2018).

3. Wright S. The interpretation of population structure by F statistics with special regard to system of mating // Evolution. 1965. Vol. 19. Pp. 395-420.

4. Weir B. S., Cockerham C. C. Estimating F_statistics for the analysis of population structure // Evolution. 1984. Vol. 38. № 6. Pp. 1358-1370.

5. Nei M. Defenition and estimation of fixation indices // Evolution. 1986. Vol. 40. Pp. 643-645.

6. Estimating and interpreting Fst: The impact of rare variants / G. Bhatia, N. Patterson, S. Sankararaman, etc. // Genome Research. 2013. Vol. 23. Pp. 1514-1521.

7. Hudson R. R., Slatkin M., Maddison W. P. Estimation of level of gene flow from DNA sequence data // Genetics. 1992. Vol. 132. Pp. 583-589.

8. Pursell S. PLINK: a tool set for whole genome association and population based linkage analyses//Am. J. Hum. Genetics. 2007. Vol. 81. Pp. 559-575.

9. Полногеномный анализ межстадной Fst гетерогенности голштинизированного скота/ М. Г. Смарагдов, Е. И. Сакса, А. А. Кудинов и др. // Генетика. 2016. Т. 52. № 2. С. 198-205.

10. Gautier M., Laloe D., Moazami-Goudarzi K. Insight into the genetic history of French cattle from dense SNP data on 47 worldwide breeds // PLoS One. 2010. Sep 30. No 5 (9). pii: e13038.

11. Evaluation of approaches for identifying population informative markers from high density SNP chips / S. Wilkinson, P. Wiener, A. L. Archibald, etc. // BMC Genetics. 2011. 12:45.

12. An assesment of population structure in eight breeds of cattle using a whole genome SNP panel / S. D. McKay, R. D. Schnabel, B. M., etc. // BMC Genetics. 2008. 9:37.

13. Genetic diversity, population structure and relationships in indigenous cattle populations of Ethiopia and Korean Hanwoo breeds using SNP markers /Z. Edea, H. Dadi, S.W. Kim, etc. // Frontiers in Genetics. 2013. Vol. 4. Article 35. Pp.1-9.

GENOME WIDE ASSESSMENT OF INTER-HERD GENETIC DIFFERENCES

OF CATTLE

M. G. Smaragdov

All-Russian Research Institute of Genetics and Breeding of Farm Animals - the branch of Federal state Budgetary scientific institution "Federal Scientific Center of Animal Husbandry - L. K. Ernst All-Russian Research Institute of Animal Husbandry, Moskovskoe sh., 55a, Sankt-Peterburg, 196601, Russian Federation

Abstract. With the help of Hudson's Fst statistics, an analysis of inter-herd genetic differences of cows of Holsteinized Black-and-White cattle from six breeding farms of Leningrad region was carried out. The average milk yield was from 8086 to 10166 kg. For each herd 45-75 cows were randomly selected, totally there were 367 cows. DNA for genotyping was isolated from the blood using a phenol-chloroform method. The animals were genotyped by Illumina Bovine SNP50 v.2 array. SNPs editing was carried out according to the following criteria: minor alleles frequency (MAF) was less than 0.01, the proportion of errors in genotyped SNPs was less than 5%, the reliability of matching SNPs genotypes with Hardy-Weinberg distribution (p was less than 0.0001). As a result of editing, there are 41210 SNPs. Genotyped cows were divided into two sample groups. In sample I, 15 unique combinations of pairs of herds were formed, included all animals. In sample II cows, born from the same bulls-producers, were removed from each pair of herds. When pairs of herds were compared in sample I, the values of the fixation index for inter-herd genetic differences Fst were in the range of 0.0020-0.0120, on average it was 0.0057 ± 0.0001, which is usually less than the known inter-species Fst values (0.002-0.373). When pairs of herds were compared in sample II, the values of Fst were in the range from 0.0030 to 0.0150, on average it was 0.0069 ± 0.0001. The use of the same bulls in the herds, as a rule, leads to a decrease in the Fst values and, consequently, to a decrease in inter-herd genetic differences. On the average, the decrease was 0.0012 ± 0.0001. SNPs genotyping of the cows makes it possible to identify inter-herd genetic differences at the molecular level; Hudson's statistics can be used to assess genetic differences in other farm animals.

Keywords: Wright's fixation index; Hudson's Fst statistics; genetic diversity; herd; milk cattle.

Author Details: M. G. Smaragdov, Cand. Sc. (Biol.), leading research fellow (e-mail: mik7252@yandex.ru).

For citation: Smaragdov M. G. Genome Wide Assessment of Inter-herd Genetic Differences of Cattle. Dostizheniya naukii tekhniki

APK. 2018. Vol. 32. No. 4. Pp. 47-49 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10411.

Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 4

49