Оценка генетической структуры чукотской породы северных оленей

Вестник ДВО РАН. 2016. № 2

УДК 636.294:591.471 Г.Я. БРЫЗГАЛОВ

Оценка генетической структуры чукотской породы северных оленей

С использованием метода ISSR изучена генетическая структура чукотской породы северных оленей по полиморфизму межмикросателлитных последовательностей ДНК. Установлено, что в выборке наиболее часто встречаются фрагменты длиной от 180 до 690 п.н. Уровень гетерозиготности межмикросателлитной ДНК составил 0,851—0,876, что свидетельствует о генетическом разнообразии соответствующих локусов генома оленей. Высокий уровень гетерозиготности дает преимущество животным по адаптивным признакам и обеспечивает устойчивость популяций чукотской породы.

Ключевые слова: северные олени, чукотская порода, ISSR-метод, фрагменты ДНК, структура популяции, гетерозиготность.

Estimation of genetic structure of Chukchi reindeer breed. G.Ja. BRIZGALOV (Magadan Research Institute of Agricultural, Magadan).

The genetic .structure of Chukchi reindeer breed has been studied using ISSR-method on polymorphism DNA inter-microsatellite sequence. It is established that in this selection the most frequent fragments have length from 180 to 690 bp. Level of heterozygosity of intermicrosatellite DNA is 0.851—0.876 which shows the genetic diversity of the appropriate locuses of deer genome. The high level of heterozygosity gives animals an advantage on adaptive traits and provides population stability.

Key words: Chukchi reindeer breed, ISSR-method, DNA fragments, population structure, heterozygosity.

Чукотскую породу оленей разводят на севере Дальнего Востока РФ. Она обладает рядом ценных хозяйственно-полезных признаков, таких как скороспелость, удовлетворительные мясные качества, способность к быстрому нагулу, ранний гон и отел [11, 12].

В 1990-е годы численность северных оленей уменьшилась в 5-6 раз, селекционно-племенная работа не проводилась, генофонду чукотской породы нанесен значительный урон. Начиная с 2002 г. приняты существенные меры по восстановлению поголовья и организации племенной работы. Создано генофондное хозяйство и 4 племенных репродуктора по разведению оленей чукотской породы [1].

Большинство селекционных работ в северном оленеводстве выполняется с применением традиционных приемов [9]. В настоящее время осваиваются современные методы разведения животных, опирающиеся на достижения молекулярной генетики [6, 8].

Использование полиморфизма ДНК дает возможность исследовать генетическую структуру, дифференцировать и идентифицировать породы и популяции северных оленей. Так, с помощью мультилокусного ДНК-фингерпринтинга установлены генетические различия отдельных популяций ненецкой и эвенкийской пород, а также дикого северного оленя [3]. По результатам анализа мтДНК обнаружены существенные отличия чукотских оленей от сибирских тундровых и североамериканских карибу [4]. С использованием метода ISSR установлена генетическая структура популяции северных оленей о-ва Колгуев Ненецкого автономного округа [10]. Исследован полиморфизм ISSR-PCR-маркеров в тувинской популяции эвенкийской породы северного оленя [7].

БРЫЗГАЛОВ Георгий Яковлевич - ведущий научный сотрудник (Магаданский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, Магадан). E-mail: agrarian@maglan.ru

Сведения о генофонде оленьих стад представляют практический интерес при отборе исходного материала для селекции на уровне внутрипородной и межпородной генетической дифференциации для подбора родительских пар [3]. Особое место благодаря высокой воспроизводимости, информативности, быстроте анализа и относительно низкой стоимости занимает молекулярный мультилокусный (или ISSR) анализ. Он позволяет использовать любые ткани и органы, независимо от стадии онтогенеза животного [6, 7, 14].

Данных о генетической структуре северных оленей чукотской породы недостаточно.

Цель нашей работы - оценка генетической структуры чукотской породы по полиморфизму межмикросателлитных последовательностей ДНК.

Материалы и методы

Генетическую изменчивость в популяциях оленей чукотской породы выявляли с использованием метода ISSR по праймеру (AG)9С [2, 6, 14]. Материалом для исследования служили образцы ткани 160 животных племенных репродукторов по разведению северных оленей чукотской породы - муниципальных унитарных предприятий сельхозтоваропроизводителей «Амгуэма», «Пионер» и генофондного хозяйства (ГФХ) «Возрождение». Сельхозпредприятия (СХП) расположены в Иультинском районе Чукотского автономного округа. Образцы тканей (кусочки мышц) отбирали от случайно выбранных клинически здоровых животных во время планового убоя на мясо. Анализ проб выполнен в лаборатории ДНК-технологий Всероссийского научно-исследовательского института племенного дела (Королев, Московская область) в 2014 г. по договору о научном сотрудничестве. Для расчетов использовали 10 фрагментов, ясно различимых визуально и формирующих выраженные пики при сканировании гелей. По известным методикам определяли среднее число аллелей на локус, среднее число эффективных аллелей, уровень теоретической, или ожидаемой, гетерозиготности, генетическое сходство между популяциями [5].

Результаты и обсуждение

В ходе исследований установлено, что в пробах ткани оленей из ГФХ «Возрождение» число фрагментов на 1 особь оказалось равным в среднем 5,9. В 78 % исследованных образцов обнаружено по 5-7 фрагментов, в 14 % - от 2 до 4, у 6 % - 8 фрагментов.

В образцах мышц оленей из СХП «Амгуэма» количество фрагментов на особь распределилось в диапазоне 1-8 при среднем значении 6,0. По 5-7 фрагментов обнаружено в 88,5 % исследованных образцов. Свыше 8 фрагментов у животных данного хозяйства во взятых образцах не встречалось.

В пробах ткани оленей из СХП «Пионер» обнаружено в среднем на одну особь 7,7 фрагментов. 45 % животных имели по 5-7 фрагментов. От 5 до 10 фрагментов встречается у 93,9 % исследованных образцов.

Частота встречаемости ISSR-фрагментов ДНК в зависимости от размера ампликона представлена в табл. 1.

В геноме оленей чукотской породы обнаружено 10 ISSR-фрагментов ДНК. В изученной выборке животных СХП «Амгуэма» в геноме встречается 8 из 10 ампликонов. У оленей СХП «Пионер» - 9, у особей ГФХ «Возрождение» представлены все 10 обнаруженных фрагментов ДНК.

С наибольшей частотой (13,0-16,5 %) в геноме животных чукотской породы представлены фрагменты № 1 (180-210 п.н.), № 3 (240-330), № 5 (350-430), № 6 (440-520), № 7 (520-570) и № 8 (650-690 п.н.). У оленей СХП «Амгуэма» и ГФХ «Возрождение» частоты данных фрагментов близки по величине, но отличаются от таковых в СХП «Пионер».

Редко встречающиеся фрагменты ДНК представляют особый интерес. Фрагменты № 2 (220-230 п.н.), № 4 (330-350), № 9 (700-770) и № 10 (850-980 п.н.) отмечены с частотой

Таблица 1

Частота встречаемости ISSR-межмикросателлитов ДНК у оленей чукотской породы в зависимости от длины фрагмента

№ фрагмента Длина фрагмента, п.н.* Частота фрагментов ДНК

«Возрождение» п = 50 «Амгуэма» п = 61 «Пионер» п = 49 среднее N = 160

1 180-210 0,158 ± 0,0364 0,162 ± 0,0333 0,137 ± 0,0347 0,153 ± 0,0201

2 220-230 0,003 ± 0,0054 0 0,039 ± 0,0195 0,014 ± 0,0065

3 240-330 0,152 ± 0,0359 0,154 ± 0,0326 0,134 ± 0,0344 0,147 ± 0,0197

4 330-350 0,073 ± 0,0260 0 0,076 ± 0,0267 0,049 ± 0,0120

5 350-430 0,165 ± 0,0371 0,165 ± 0,0336 0,137 ± 0,0347 0,156 ± 0,0202

6 440-520 0,162 ± 0,0521 0,162 ± 0,0333 0,137 ± 0,0347 0,154 ± 0,0201

7 520-570 0,145 ± 0,0352 0,162 ± 0,0333 0,137 ± 0,0347 0,148 ± 0,0198

8 650-690 0,135 ± 0,0341 0,130 ± 0,0304 0,137 ± 0,0347 0,134 ± 0,0190

9 700-770 0,003 ± 0,0054 0,046 ± 0,0189 0,064 ± 0,0247 0,038 ± 0,0106

10 850-980 0,003 ± 0,0054 0,016 ± 0,0113 0 0,006 ± 0,0043

*п.н. - пар нуклеотидов.

от 0,3 до 7,3 %. Фрагменты № 2 и № 4 не найдены у оленей СХП «Амгуэма», а фрагмент № 10 не обнаружен в выборке животных из СХП «Пионер».

Именно по ним выявлены различия между изученными выборками внутри чукотской породы северных оленей. С их помощью можно идентифицировать структуру популяций. Данные фрагменты могут быть использованы в качестве перспективных маркеров при выполнении селекционных работ в популяциях чукотской породы.

У особей ненецкой породы [10] среднее число фрагментов ДНК на одно животное составляет 4,4 против 5,9-7,7 у оленей чукотской породы. Наиболее часто у оленей ненецкой породы встречаются фрагменты средней длины - от 240 до 500 п.н. У чукотских оленей более распространены фрагменты длиной 180-690 п.н. У оленей эвенкийской породы среднее число фрагментов на особь составляет 13,5 [7].

Приведенные данные показывают, что чукотская порода отличается от других пород северных оленей как по числу фрагментов на особь, так и по частоте встречаемости ам-пликонов различной длины. Это согласуется с ранее выполненными исследованиями по внутривидовой дифференциации северного оленя [4].

Показатели, характеризующие генетическую структуру оленей чукотской породы, представлены в табл. 2.

Наибольшая амплитуда длин ампликонов установлена в выборке оленей СХП «Амгуэма» - 784 п.н. В ГФХ «Возрождение» - 661 п.н., что составляет 84,3 % от показателя в СХП «Амгуэма». Значительно меньшая амплитуда наблюдается в стадах СХП «Пионер» - 563 п.н. (71,8 % от показателя в СХП «Амгуэма»).

Среднее число аллелей на локус характеризует внутрипопуляционное разнообразие. В СХП «Пионер» этот показатель превосходит таковой для ГФХ «Возрождение» на 16,1 %, для СХП «Амгуэма» - на 11,5 %. Наибольшее количество эффективных аллелей

Таблица 2

Показатели генетической структуры оленей чукотской породы в исследованных популяциях

Показатель «Возрождение» «Амгуэма» «Пионер»

Границы длин ампликонов спектра, п.н. Среднее число аллелей на локус, ^ Среднее число эффективных аллелей, № Гомозиготность, у Гетерозиготность ожидаемая, Н 165-949 170-831 178-741 7,3 ± 0,56 7,7 ± 0,59 8,7 ± 0,48 6,7 ± 0, 25 6,8 ± 0,34 8,1 ± 0,31 0,149 0,146 0,123 0,851 0,854 0,876

обнаружено также в выборке оленей СХП «Пионер». Между животными двух других оленеводческих хозяйств заметных различий по данному признаку не установлено. В то же время они существенно уступают особям из СХП «Пионер» - на 16,0-17,3 %.

Значение гомозиготности, характеризующей степень генетического единообразия поголовья оленей, оказалось наименьшим в СХП «Пионер» (у = 0,123). Параметры данного признака в стадах СХП «Амгуэма» (0,146) и ГФХ «Возрождение» (0,149) близки по величине и значительно превосходят таковой в СХП «Пионер».

Уровень теоретической, или ожидаемой, гетерозиготности (Н) - это, в сущности, оценка аллельного разнообразия популяций. Чем больше аллелей и чем с более равными частотами они представлены в популяции, тем выше гетерозиготность (генетическое разнообразие). Это подтверждается данными изученных выборок оленей чукотской породы. Наибольшая величина показателя установлена в СХП «Пионер» - Н = 0,876. У животных этого хозяйства самое большое число аллелей на локус и с относительно равными частотами. В двух других племенных предприятиях - «Возрождении» и «Амгуэме» - значения Н близки по величине: 0,851 и 0,854 соответственно, но существенно ниже, чем в СХП «Пионер». Генофонд оленей этого хозяйства формировался из уникальных популяций чукотской породы о-ва Врангеля, племенных стад совхозов им. Ленина и «Пионер», что находит отражение в его генетических характеристиках (табл. 1, 2). Высокий уровень ге-терозиготности дает преимущество животным по адаптивным признакам и обеспечивает устойчивость популяции [2, 13].

Таким образом, ISSR-фрагменты ДНК северных оленей чукотской породы характеризуются значительным разнообразием, различаются частотой встречаемости и могут рассматриваться как перспективные маркеры для исследования внутрипородной генетической изменчивости, дифференциации отдельных групп животных породы. Все выявленные фрагменты полиморфны, т.е. представлены с разной частотой, меньшей единицы. Наблюдаемый в популяциях уровень гетерозиготности (0,851-0,876) подтверждает их генетический полиморфизм.

Ареал северных оленей чукотской породы находится в суровых природных и климатических условиях Арктики и Субарктики. Поэтому на генетическую дифференциацию ее популяций доминирующее влияние оказывает естественный отбор, действие и направление которого меняются в зависимости от комплекса средовых факторов и системы содержания, кормления и селекционно-племенной работы в стаде. Каждая популяция адаптировалась к местным экологическим условиям, и только в данных условиях животные способны проявлять в среднем максимальную жизнеспособность и продуктивность [11, 13].

Для числового выражения степени генетических различий между популяциями используют показатель генетического сходства (I). Этот параметр рассчитывают по данным популяционных генных частот [5]. Значения I изменяются от 1 - генетическое тождество популяций - до 0 (популяции мономорфны по разным аллелям). Генетическое сходство между выборками «Амгуэма»-«Возрождение» оказалось равным 0,974; «Амгуэма»-«Пионер» - 0,964; «Возрождение»-«Пионер» - 0, 976. Такое генетическое сходство стало результатом обмена аллелофондом между оленеводческими хозяйствами Чукотского автономного округа. В течение 5 лет (2009-2013 гг.) по плану купли-продажи племенных оленей в стада СХП «Амгуэма» влито 9 170 голов неродственных групп оленей чукотской породы. В том числе 5 600 голов из ГФХ «Возрождение» и 3 570 - из СХП «Пионер». Это повлияло на показатели генетического сходства между изучаемыми выборками животных.

Северных оленей чукотской породы разводят 15 сельхозпредприятий Чукотского автономного округа с общим поголовьем оленей основного стада 175 000. Изучением охвачено три оленеводческих хозяйства восточной Чукотки с численностью оленей 48 000. Перспективный для селекционно-племенной работы генофонд имеется в западной части полуострова, в племенном репродукторе «Хатырское» и СХП «Чаунское» на о-ве Айон. С целью более полного изучения генетической структуры чукотской породы научные исследования в данном направлении будут продолжены.

Выводы

Таким образом, генетическая структура северных оленей чукотской породы характеризуется следующими данными.

По изученным выборкам наиболее часто встречаются ампликоны длиной от 180 до 690 п.н. С наибольшей частотой (13,0-16,5 %) в геноме животных чукотской породы представлены фрагменты № 1 (180-210 п.н.), № 3 (240-330), № 5 (350-430), № 6 (440-520), № 7 (520-570) и № 8 (650-690 п.н.). У оленей СХП «Амгуэма» и ГФХ «Возрождение» частоты данных фрагментов близки по величине, но отличаются от таковых в СХП «Пионер».

По редко встречающимся фрагментам установлены различия между изученными выборками внутри чукотской породы северных оленей. Фрагменты № 2 (220-230 п.н.), № 4 (330-350), № 9 (700-770) и № 10 (850-980 п.н.) представлены в геноме оленей с частотой от 0,3 до 7,3 %. У оленей СХП «Амгуэма» не найдены фрагменты № 2 и № 4. А фрагмент № 10 не обнаружен в выборке животных СХП «Пионер».

Данные фрагменты могут быть использованы в качестве перспективных маркеров при разработке плана селекционно-племенной работы для изученного поголовья чукотской породы.

Гетерозиготность межмикросателлитной ДНК в исследованных выборках составила 0,851-0,876, что свидетельствует о генетическом разнообразии соответствующих локусов генома животных, обеспечивающем устойчивость популяций северных оленей.

Данные выборок, использованных в настоящих исследованиях, указывают на то, что чукотская порода отличается от других пород северных оленей как по числу фрагментов на особь, так и по частоте встречаемости ампликонов различной длины. Это согласуется с ранее выполненными исследованиями по внутривидовой дифференциации северного оленя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Брызгалов Г.Я. Племенная работа с чукотской породой северных оленей // Чукотская аборигенная порода северных оленей: Материалы семинара-совещ. «Селекционно-племенная работа с северными оленями аборигенных пород в Чукотском автономном округе». М.: Рос. академия кадрового обеспечения АПК, 2012. С. 22-30.

2. Гладырь Е.А., Зиновьева Н.А., Эрнст Л.К. и др. Оценка степени дифференциации эдильбаевской и калмыцкой пород овец по микросателлитам // Достижения науки и техники АПК. 2013. № 3. С. 68-71.

3. Гончаров В.В., Митрофанова О.В., Дементьева Н.В. и др. Оценка генетического разнообразия северного оленя (Rangifer tarandus К) с помощью мультилокусного ДНК-фингерпринтинга // Докл. РАСХН. 2011. № 5. С. 36-39.

4. Давыдов А.В., Холодова М.В., Мещерский И.Г. и др. Дифференциация диких и домашних форм северного оленя (Rangifer tarandus К) по результатам анализа мтДНК // С.-х. биология. 2007. № 5. С. 48-53.

5. Животовский Л.А. Статистические методы анализа частот генов в природных популяциях // Итоги науки и техники. Т. 8. Общая генетика. М., 1983. С. 77-104.

6. Зиновьева Н.А., Гладырь Е.А. Генетическая экспертиза сельскохозяйственных животных: применение тест-систем на основе микросателлитов // Достижения науки и техники АПК. 2011. № 9. С. 19-20.

7. Кол Н.В., Лазебный О.Е. Полиморфизм ISSR-PCR-маркеров в тувинской популяции северного оленя (Rangifer tarandus К) // Генетика. 2006. Т. 42. С. 1731-1734.

8. Луговой С.И. Характеристика генофонда мясных пород свиней украинского происхождения по локусам микросателлитов ДНК // Вестн. Казан. ГАУ. 2013. Т. 28, № 2. С. 126-129.

9. Племенная работа в северном оленеводстве: метод. рекомендации / СО ВАСХНИЛ. Новосибирск, 1988. 118 с.

10. Романенко Т.М., Калашникова Л.А, Филиппова Г.И. и др. Генетическая структура популяции северных оленей о. Колгуев Ненецкого автономного округа // Достижения науки и техники АПК. 2014. № 4. С. 68-70.

11. Северное оленеводство. М.: Аграр. Россия, 2004. 450 с.

12. Система ведения оленеводства в Магаданской области / П.М. Барсов, Н.Ф. Белый, Г.Я. Брызгалов [и др.]. Новосибирск: СО ВАСХНИЛ, 1986. 252 с.

13. Шубин П.Н., Ефимцева Э.А. Биохимическая и популяционная генетика северного оленя. Л.: Наука, 1988. 103 с.

14. Яковлев А.Ф., Смарагдов М.Г, Матюков В.С. ДНК-технологии в селекции сельскохозяйственных животных // Достижения науки и техники АПК. 2011. № 8. С. 49-50.