КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-16-00079

НазваниеПолногеномный анализ ассоциаций показателей роста, развития и частоты рекомбинации в ресурсных популяциях рода Ovis, полученных при межвидовом и межпородном скрещивании

РуководительБородин Павел Михайлович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр животноводства - ВИЖ имени академика Л.К. Эрнста", Московская обл

Года выполнения при поддержке РНФ2018 - 2020

КонкурсКонкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-204 - Животноводство

Ключевые словаовцеводство, геномная селекция, полногеномный анализ ассоциаций, гены количественных признаков, отдаленная гибридизация, рекомбинация, неравновесие по сцеплению, комбинативная изменчивость

Код ГРНТИ68.39.31


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Овцеводство является одной из важнейших отраслей сельского хозяйства. Наиболее востребованным продуктом овцеводства в настоящее время является баранина. В этой связи, требования современного рынка обуславливают преимущество тех пород или породных типов овец, которые характеризуются хорошей жизнеспособностью, высокой скоростью роста, хорошими мясными качествами, способностью эффективно использовать корма. Растущие потребности рынка в мясной баранине обусловили увеличение доли животных мясных пород в общем поголовье овец в РФ с 10% в 1990 году до 44% в 2014, в то время как доля шерстных пород, напротив, уменьшилась с 56 до 9%. Вместе с тем, следует признать, что отечественные породы овец уступают лучшим мировым аналогам по ряду показателей продуктивных качеств, интенсивности роста и развития. Решение проблемы создания конкурентоспособного племенного материала овец (как на внутреннем, так и на мировом рынке) может быть достигнуто только посредством перевода селекционно-племенной работы на качественно новый уровень – от селекции по фенотипу к селекции на генном и геномном уровне. Для внедрения геномных технологий в практическое овцеводство необходимо изучение молекулярно-генетических механизмов, лежащих в основе формирования хозяйственно-полезных признаков. Ответ на отбор в процессе селекции зависит от точности идентификации наиболее продуктивных генотипов и размаха генетической вариации, доступной для отбора. Поэтому точная идентификация перспективных генотипов является актуальной задачей для решения проблем практической селекции. Она возможна только на основе выявления и картирования генов, оказывающих влияние на фенотипическую изменчивость по хозяйственно-полезным количественным признакам, определяющим рост, развитие и репродуктивный потенциал животных (QTL). Расширить размах доступной для отбора генетической изменчивости можно как за счет генно-инженерных манипуляций с такими генами, так и за счет использования генетического потенциала диких сородичей домашних животных. Крайне важной задачей является управление комбинативной изменчивостью: фиксация неравновесия по сцеплению между благоприятными аллелями генов хозяйственно-полезных количественных признаков и рекомбинационное разделение антагонистических комбинаций аллелей. Целью настоящей работы является выявление и картирование генов, оказывающих влияние на фенотипическую изменчивость по хозяйственно-полезным количественным признакам и по частоте рекомбинации, выявление ценных аллельных сочетаний, которые в последующем могут быть использованы в селекции. Данный проект предлагает новый подход к достижению поставленной цели на основе создания F2 ресурсной популяции посредством межвидового и межпородного скрещивания (гибридизации) представителей домашних и диких видов рода Ovis. Целесообразность такого подхода обусловлена тем, что в процессе доместикации у домашних овец произошло существенное снижение изменчивости, обусловленное направленной селекцией по ограниченному числу признаков. Низкая вариабельность является одной из причин относительно низкой достоверности полногеномных ассоциативных исследований (ПГАА), и, как следствие, ошибок при идентификации локусов количественных признаков (QTL). Создание F2 ресурсной популяции с использованием в качестве исходных родительских форм домашних и диких Ovis, различающихся по генотипам и кариотипам, позволит получить существенно больший размах изменчивости по целому ряду фенотипических признаков, интересных с точки зрения селекции. В сочетании с проведением полногеномного высокоплотного SNP генотипирования (>600 тыс. SNP) это существенно повысит точность идентификации генов, ассоциированных с желательными фенотипами. Кроме того, поскольку геномы родителей пройдут лишь через один цикл рекомбинации, то они будут представлены у потомков F2 достаточно крупными блоками, частично перекрывающимися между собой. Такая структура геномной изменчивости позволит осуществить эффективное картирование. Наличие разных кариотипов среди F2 потомков даст важную информацию о рекомбинационном ландшафте генома овец. Предлагаемый подход обладает рядом существенных преимуществ перед традиционными подходами, основанными на сравнительном анализе различных пород. В рамках данного проекта он будет применен для выявления и картирования генов овец впервые в мире. Создание F2 ресурсной популяции важно не только для решения фундаментальных проблем частной генетики овец и теории селекции, но и для практической селекции овец. Дикие виды обладают набором ценных фенотипов, которые были утеряны в процессе доместикации, но могут оказаться полезными для овцеводства будущего (например, высокая жизнеспособность, повышенная интенсивность роста в первые месяцы жизни, способность эффективно использовать грубые корма и др.). Результаты проекта позволят получить фундаментальные знания о генах и геномных механизмах, определяющих хозяйственно-полезные признаки овец и размах комбинативной изменчивости и создадут основу для геномной селекции овец с заданными параметрами продуктивности.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены результаты, соответствующие мировому уровню исследований в данной области науки. С использованием современных методов молекулярной и статистической генетики на основе уникальной генетических модели – F2 ресурсных популяций, полученных при межвидовом и межпородном скрещивании особей рода Ovis будут картированы, идентифицированы и аннотированы гены, контролирующие признаки роста, развития и уровня рекомбинации у овец. Эти результаты позволят ответить и на ряд фундаментальных вопросов, касающихся генетической архитектуры указанных выше признаков, и ее перестройки в ходе эволюции и селекции в разных направлениях. Результаты анализа мейотических хромосом у межвидовых гибридов и межпородных помесей позволят оценить влияние различных схем скрещивания на синапсис хромосом, частоту и распределение рекомбинации по хромосомам. Многие межвидовые гибриды млекопитающих как различающихся по кариотипам, так и имеющих идентичные кариотипы, обычно демонстрируют значительные нарушения синапсиса и рекомбинации хромосом, ведущие к полной или частичной стерильности. Гибриды овец, имеющие нормальную фертильность, в этом отношении особенно интересны. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, являются востребованными и могут быть опубликованы в ведущих международных журналах, таких как Animal Genetics (ИФ=1.8), Genes (ИФ=3.9), Genetica (ИФ=1.2), Genetics Selection Evolution (BMC, ИФ 2. 96) и отечественных журналах, входящих в базы WOS и Scopus (Генетика, Вавиловский журнал генетики и селекции и др.) Научные результаты данного исследования и созданные в ходе его выполнения ресурсные популяции крайне важны для решения задач выбранного научного направления из Стратегии НТР РФ. Они позволят выявить гены, контролирующие важнейшие признаки мясной продуктивности овец, создать средства для диагностики желательных аллелей и их комбинаций. Это в свою очередь создаст научную основу для геномной селекции, Ресурсные популяции, созданные в ходе выполнения проекта станут ценным ресурсом генетического материала для создания новых пород и совершенствования существующих пород. Таком образом результаты данного исследования внесут важный вклад в эффективный переход к высокопродуктивному овцеводству.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках выполнения проекта в 2018 годы получены следующие важные научные результаты. 1) Выполнено полногеномное генотипирование исходных родительских форм (домашних и диких видов рода Ovis) и проведен сравнительный анализ аутосомальной изменчивости. На основе результатов генотипирования 34 животных - 18 романовских овец, 6 овец породы катадин и 10 архаров - получены оценки частот аллелей для 89 SNP, ассоциированных с признаками роста и мясной продуктивности у овец. Было обнаружено довольно высокое разнообразие в частотах аллелей даже в ограниченных выборках романовских овец и катадинов. Можно предположить, что в этих популяциях по-прежнему имеется достаточная генетическая изменчивость для отбора по признакам роста и качества мяса. Напротив, в выборке архаров средняя частота минорного аллеля была близка к нулю, при этом большинство маркеров оказалось мономорфным. 2) Изучены рекомбинационные характеристики пород домашних овец разного направления продуктивности. На препаратах мейотических хромосом половозрелых баранов романовской породы, породы катадин на стадии пахитены проведена иммунолокализация ключевых белков мейоза с использованием антител: - к белкам бокового элемента синаптонемного комплекса (СК) SYCP3, - к белкам мисматч репарации MLH1, маркирующим сайты рекомбинации, - к фосфорилированной форме гистона H2A.X, маркирующей транскрипционно инактивированные участки хроматина, - к центромерным белкам. Установлено, что сперматоциты баранов романовской породы содержали в среднем несколько меньшее число сайтов MLH1 на геном, чем сперматоциты баранов породы катадин. Эти различия были незначительными (около 3% от видовой средней), но статистически достоверными (p<0.001). Внутри исследованных пород было обнаружено значительное индивидуальное разнообразие по обоим признакам (p<0.001). Впервые оценено распределение сайтов MLH1 по СК баранов. На СК метацентрических хромосом наблюдались пики по частоте сайтов MLH1 в дистальных районах хромосом. Снижение частоты MLH1 в перицентромерных районах было выражено слабо и ограничено лишь коротким (1-2 мкм) интервалом. На акроцентрических хромосомах наблюдались выраженные пики частоты MLH1 в проксимальных районах хромосом. Распределение сайтов MLH1 по всем СК было практически одинаковым для обеих пород. 3) Проведен анализ синапсиса и рекомбинации хромосом в мейозе у возвратных кроссов, полученных от скрещивания домашних овец с дикими Ovis с различной долей кровности по исходным видам. Были исследованы синапсис, рекомбинация и эпигенетическая модификация хромосом, вовлеченных в робертсоновскую транслокацию, различающую кариотипы овцы и архара, В большинстве клеток у гетерозигот обнаружен полный синапсис между метацентрической хромосомой овцы и двумя акроцентрическими хромосомами архара с образованием тривалента. В небольшой доле клеток на стадии ранней пахитены наблюдалась задержка синапсиса в перицентромерных районах тривалента. Неспаренные участки подвергались эпигенетической модификации: фосфорилированию гистона H2A.X. Однако к концу пахитены эти нарушения полностью устранялись. Асинапсис замещался негомологичным синапсисом между прицентромерными районами акроцентрических хромосом. По числу и распределению рекомбинационных сайтов, степени центромерной и кроссоверной интерференции транслокационный тривалент не отличался от нормальных бивалентов метацентрических хромосом (p<0.01). Таким образом, впервые показано, что гетерозиготность по хромосоме 3 домашней овцы и хромосомам 5 и 11 архара не вызывает существенных изменений в ключевых процессах профазы мейоза и, следовательно, не должна приводить к снижению плодовитости у потомков от межвидовой гибридизации овец. По результатам цитогенетического анализа подготовлена и принята к печати статья Т.И. Бикчуриной, Е.К. Томгорова, А.А. Торгашевой, В.А. Багирова, Н.А. Волковой, П.М. Бородина «Синапсис, рекомбинация и эпигенетическая модификация хромосом у баранов, гетерозиготных по метацентрической хромосоме 3 домашней овцы Ovis aries и акроцентрическим гомологам архара Ovis ammon», Вавиловский журнал генетики и селекции. 4) Получено потомство F1 от межвидового скрещивания домашних овец с дикими видами Ovis. Получены межвидовые гибриды F1 от овец романовской породы и архара. Количество ягнят в помете варьировало от 1 до 4 при сохранности молодняка 53.3%. Живая масса полученных гибридных животных в возрасте 6 дней варьировала от 1.7 до 3.6 кг и составила в среднем 2.98±0.25 кг. Средняя высота в холке данных животных достигала 34.8±0.9 см, высота в крестце – 33.8±1.0 см, высота спины – 30.8±0.9 см, косая длина туловища – 25.5±1.5 см, длина тела – 30.9±0.9 см, обхват пясти – 4.7±0.1 см, ширина груди – 6.8±0.5 см, ширина крестца – 7.4±0.4 см, глубина груди – 12.5±0.7 см. Полученные гибридные ягнята в дальнейшем будут использованы для получения биоресурсной популяции гибридных животных второго поколения. 5) Создана база данных SNP, ассоциированных с показателями интенсивности роста и развития овец Был проведен наиболее полный поиск QTL и генов, ассоциированных с мясными признаками и признаками роста у овец. В результате вдвое увеличен список ассоциированных генов и QTL. Эта информация может быть полезна для дальнейших исследований связанных с полногеномным анализом ассоциацией признаков и для предварительной оценки генетической изменчивости у разных пород. Созданная база данных свободно доступна по ссылке https://github.com/Defrag1236/Ovines_2018 Усовершенствованы подходы к картированию генов с использованием регионального анализа ассоциаций, который учитывает совместный эффект всех генетических вариантов в регионе. Большим преимуществом последнего метода является то, что материалом для его проведения являются результаты полногеномного анализа ассоциаций (суммарные статистики), доступные в базах данных и не требующие проведения специальных скрещиваний. До сих пор доступными для практического использования суммарных статистик были только два метода регионального анализа ассоциаций. Мы расширили этот набор шестью новыми методами, реализованными в пакете программ sumFREGAT (https://CRAN.R-project.org/package=sumFREGAT). По результатам данного раздела работы подготовлены и направлены в печать две статьи: Alexander S. Zlobin, Natalia A. Volkova, Pavel M. Borodin, Natalia Z. Zinovieva, Tatiana I. Axenovich, Yakov A. Tsepilov. Recent advances in understanding genetic variants associated with growth, carcass and meat productivity traits in sheep (Ovis aries): an update. Archives Animal Breeding. Svishcheva GR, Belonogova NM, Zorkoltseva IV, Kirichenko AV, Axenovich TI. Gene-based association tests using GWAS summary statistics. Bioinformatics.

 

Публикации

1. Багиров В.А., Иолчиев Б.С., Волкова Н.А., Зиновьева Н.А., Кленовицкий П.М., Жилинский М.А. Использование генетических ресурсов дикой фауны для повышения генетического разнообразия Актуальная биотехнология, № 3(26), с.210-213 (год публикации - 2018).

2. Бикчурина Т.И., Тишакова К.В., Томгорова Е.К., Торгашева А.А., Волкова Н.А., Бородин П.М. Синапсис, рекомбинация и эпигенетическая модификация хромосом у баранов гетерозиготных по Робертсоновской транслокации различающей домашнюю овцу Ovis aries и архара O. ammon Вавиловский журнал генетики и селекции, - (год публикации - 2019).

3. Тишакова К. В., Бикчурина Т. И., Томгорова Е. К., Торгашева А. А., Волкова Н. А., Бородин П. М. Temporal progression of recombination nodules in male sheep 22nd International Chromosome Conference 2 - 5 September 2018, Prague, Czech Republic: On-line-abstract-book, - (год публикации - 2018).