Андрей Юрченко: Российские породы имеют уникальные генотипы
Научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН на практической конференции KSIDAY, организованной компанией Ksitest, отметил особенности тауриновых пород скота, рассказал о секвенировании генома турано-монгольских пород и оценил преимущества якутской породы.
Вначале спикер напомнил об основных генетических линиях и путях доместикации крупного рогатого скота. Наиболее общепринятая теория гласит, что около 500 тыс. лет назад предковые евразийские популяции тура, предка всех коров, разделились на европейскую и азиатскую части. Затем, около 8,5 тыс. лет назад, из азиатской части была проведена доместикация части животных, и в результате получились азиатские индициновые породы скота — в России они мало представлены, но в Индии и в Азии они играют огромную роль.
Примерно в то же время около 10 тыс. лет назад в районе Ближнего Востока был доместицирован европейский тур, который дал начало основным породам европейского тауринового скота, к которому относятся большинство европейских пород, в том числе российские породы.
Также существует интересная линия — африканский тауриновый скот. Эта линия отделилась от европейских тауринов около 6 тыс. лет назад и затем развивалась в основном в Африке, на ее основе было создано огромное количество пород. Около 700 лет назад африканские тауриновые породы стали скрещиваться с завезенными индициновыми породами, и сейчас в Африке большое разнообразие пород такого типа.
— Наша работа начиналась с того, — рассказывает Андрей Юрченко, — что 3 года назад мы собрали 297 животных, которые принадлежали к основным 18 породам российского скота, генотипировали их на основе 40 000 снипов на панели, и затем сравнили эти породы с огромной коллекцией из 2000 животных и 130 пород мирового генофонда, которые были опубликованы до нас. Как и ожидалось, если мы производим кластеризацию особей на основе генотипов (на слайде 2000 линий, одна маленькая линия — это одно животное), мы можем тестировать на основе генетической кластеризации, относятся те или иные животные к тем или иным породам, группам.
Например, если мы разделим все эти 2000 животных на два кластера, на какие основные кластеры они генетически распадутся? На слайде мы видим, что они распадаются, в основном, в соответствии с географией. В Азии в основном индициновые породы, в Европе — тауриновые. В Африке много разных гибридов, поэтому окрашено и в синий, и в красный. Фиолетового цвета нет нигде, кроме России, — это породы, относящиеся к другой ветви — монгольский скот (якутская и бурятская породы).
— Также мы интересовались вопросом локальной структуры российских пород крупного рогатого скота, — продолжает спикер. — Особенно интересно было найти породы, которые могут быть уникальны для России. На протяжении 18-20 вв. завозилось разное количество пород, которые смешивались с нашими автохтонными, древними породами. Например, если мы посмотрим на генетический состав костромской породы, то увидим, что эта порода и европейская порода бурая швицкая окрашены в почти одинаковые цвета. Если сравнить эти две породы, то они крайне близки генетически — очевидно, потому что проводились частые скрещивания костромской породы с бурой швицкой для улучшения костромской породы. Та же история у казахской белоголовой породы. Она сильно смешана с герефордской породой и генетически эти породы очень близки.
Красно-пестрая порода очень похожа на голштинскую, и в целом кластер пород, включающий бестужевскую, красную горбатовскую, черно-пеструю очень подвержен влиянию голштинов, которые специально завозились для улучшения характеристик этих особенных российских пород, дополнил спикер.
— Тем не менее, нам удалось найти две породы из тауриновых российских — холмогорская и ярославская — эти породы практически не были подвержены влиянию завезенных европейских пород, развивались в России, по всей видимости, с начала раннего Средневековья, и являют собой остатки уникального генофонда, который когда-то присутствовал, — уточнил Андрей Юрченко.
Якутская порода, по словам эксперта, не кластеризуется ни с одной из этих пород. Бурятская порода считалась вымершей, но несколько лет назад было найдено стадо в Монголии — они были завезены в Россию и сейчас разводятся. Бурятская порода группируется рядом с калмыцкой и ханву (корейской породой скота, которая относится к другому направлению).
— Чем же уникальны бурятская, калмыцкая и якутская породы? Я проводил анализ гаплотипов, и якутская порода скота имеет наибольшее количество гаплотипов с такими породами, как ханву, бурятская, супердорогая порода вагу, а также другие азиатские породы. Увидев это, мы решили более плотно провести анализ турано-монгольских пород. Для этого в нашей дальнейшей работе мы собрали около 2 700 животных, которые представляли собой 198 пород, и из них 513 животных представляли 23 турано-монгольские породы. Эти породы — якутская, японская мишима, китайская янбьян — очень интересны. Некоторые китайские ученые считают, что они были доместифицированы отдельно примерно 10 000 лет назад. Далеко не все ученые поддерживают эту теорию, но, если мы построим филогенетическое дерево основных известных пород, то можно увидеть, что на слайде турано-монгольский скот группируется ближе к корню этого дерева, то есть он действительно находится отдельно от европейских тауринов, — отмечает Андрей Юрченко.
Спикер объясняет, что, если проводить генетическую кластеризацию на основе генотипов, то ситуация получается еще более еще более интересной. Если мы кластеризуем все наше разнообразие на две группы, то это будет индициновый и тауриновый скот, третья группа — африканский тауриновый скот, а четвертая часть описывается разнообразием породы турано-монгольского скота.
То есть породы из России — якутская, бурятская, целый набор пород из Китая, в том числе тибетские, действительно имеют под собой мощный генетический компонент, который делает их уникальным и выделяет из многих других пород скота. При этом полностью фиолетового кластера у нас нет. Все остальные имеют ту или иную степень смешения с европейскими тауринами или индициновым скотом. Это подтверждается записями и наблюдениями о том, что в 20 веке большая часть уникальных турано-монгольских коров была случайно или неслучайно смешана с европейскими и другими азиатскими породами.
— Мы решили оценить чистоту турано-монгольского скота, — рассказывает эксперт. Если мы строим модель, в которой сможем оценить фракцию турано-монгольского генофонда в той или иной породе, получается достаточно интересно. Вначале на слайде показаны наиболее «чистые» породы. Синим выделены те породы, которые имеют примесь турано-монгольской породы, но ими не являются.
Единственной по-настоящему чистой породой является якутская, которая разводится только в России, и она представляет собой реликт важного азиатского турано-монгольского генофонда. Следом идет японская порода мишима, которая разводится на изолированном японском острове, и она тоже на 90% представлена фракцией древнего турано-монгольского генофонда. Бурятская порода примерно на 60% определяется этим генофондом.
— Мы секвенировали полные геномы турано-монгольского скота, и можно сказать, что турано-монгольская, по крайней мере, якутская ветвь, отделилась от остального тауринового евразийского скота около 5000 лет назад и изолированно развивалась в районе Азии, Китая, современной республики Якутия, — продолжил спикер.
Андрей Юрченко обращает внимание на среднее число гомозиготности на животное и среднюю длину регионов гомозиготности на животное, — в этом аспекте якутская корова среди российских пород, к сожалению, лидирует, то есть она является достаточно сильно инбридной.
По всей видимости, это связано с событиями Великой Отечественной войны, когда огромное количество якутского скота было отправлено на мясо, и тогда, а потом в 90-х годах, количество сильно упало. Но сейчас их снова пытаются развивать.
— Думаю, генетическая селекция здесь как нельзя кстати, — заметил спикер, — если мы будем отбирать животных достаточно разнообразных по генотипам и скрещивать их, то уровень крайней гомозиготности якутской породы можно будет со временем опустить и повысить разнообразие этих животных.
Эксперт также рассказал о преимуществах якутской и бурятской пород:
— Якутская порода — это единственная порода, которая, по сути, живет за полярным кругом и легко выдерживает морозы до 50 градусов. Это крайне устойчивое животное, к тому же эти коровы нетребовательны к кормам и, естественно, у нее должны быть адаптации, которые позволили добиться такой невероятной устойчивости. Бурятская порода также из линии турано-монгольского скота, но, если мы сравним регионы, которые находятся под отбором и в той, и в другой породе, мы увидим, что гены, которые находятся под отбором, — разные. Это говорит о том, что каждая порода уникальна и имеет свои отобранные генетические варианты, которые являются уникальной частью генофонда — их надо сохранять, изучать, понимать. К сожалению, для многих этих генов мы не знаем точных функций, какие именно варианты вызывают адаптации к тем или иным условиям, но эта важная работа сейчас проводится.
На примере сибирских герефордов Андрей Юрченко рассказал о работе в еще одном направлении. Зимой, на пике морозов, у 197 животных замеряли на протяжении нескольких дней температуру тела и разделяли животных на тех, которые хорошо переносят мороз, и на тех, кто хуже, — у них скачет температура, им труднее адаптироваться к холоду. Затем их генотипировали и попытались найти те регионы генома, которые могли бы объяснять устойчивость к низким температурам.
Был найден один из регионов генома на основе гаплотипов (на слайде — MSANTD4 и GRIA4), и задались вопросом, не находятся ли эти регионы под отбором. Важно, что мутации, которые там находятся, не фиксированы в этой популяции, часть животных их имеет, а часть не имеет. Но именно в этом регионе были найдены значимые следы отбора, то есть, по всей видимости, отбор либо проходил в особо суровые зимы, либо он до сих пор постепенно идет. Потом секвенировали еще 12 животных, которые представляли собой контрастирующие фенотипы, устойчивые и неустойчивые к холоду, секвенировали полные геномы и нашли мутацию в гене GRIA4, которая наиболее сильно ассоциирована с устойчивостью к холоду. У животных, которые были чувствительны к холоду, в основном присутствует аллель А, а у нечувствительных — аллель С. То есть такие генетические варианты могут быть использованы для геномной селекции, и их генотипирование может проводиться намного проще — достаточно будет смотреть отдельные замены, а не секвенировать полный геном.
— Также мы публиковали результаты секвенирования генома якутской коровы и обнаружили, что у нее в гене NRAP у нее присутствует с высокой частотой специфический гаплотип (обозначен на слайде зеленым цветом). В других породах, таких как холмогорская, голштины, ханву этого гаплотипа почти нет. Этот гаплотип всегда находился вместе с одной несинонимичной мутацией, и эта мутация была крайне необычна тем, что она встречалась с очень высокой частотой у якутской коровы. Среди 5000 проверенных геномов из проекта «Геномы быков» мы больше ни у кого не нашли этой мутации, кроме якутской коровы, и также, если мы посмотрим на человека и других животных, — мышь, свинья, полярный медведь — то у них эта мутация тоже крайне редка, — дополнил Андрей Юрченко.
— Мы поискали информацию об этом гене, провели эволюционные сравнения и оказалось, что мутация в этом гене находится в основном у животных, которые впадают в спячку. Спячка относится не только ко сну — прежде всего это сокращение активности метаболизма, специальное понижение температуры тела, сокращение нагрузки на сердце и т. д. По всей видимости, эта уникальная мутация помогает якутской корове адаптироваться к холоду и в целом к суровым зимним условиям. Сейчас проводятся дополнительные молекулярные исследования, чтобы лучше понять функцию этой мутации. Этот ген работает, в основном, в сердце, и у людей, которые имеют поломки в этом гене, возникает аритмия, проблемы с давлением, продолжил эксперт.
В заключение спикер отметил, что, несмотря на долгую историю гибридизации с европейскими породами, российские обладают специфическими гаплотипами, приобретенными в процессе селекции на территории России. Даже если наши породы смешаны с какими-то европейскими представителями, во многих породах уже есть уникальные гаплотипы, которые были отобраны на территории России.
Так, холмогорская и ярославская породы являются генетически уникальными породами российского происхождения и должны охраняться. Якутская порода представляет собой наиболее чистый пример азиатского турано-монгольского скота, который был подвержен сильному влиянию коммерческих пород в 20 веке и по сути является реликтом древней азиатской линии. Следы адаптации к холодному климату прослеживаются у многих российских пород и могут быть полезны для улучшения коммерческих пород на территории России.
