КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 21-76-10038

НазваниеИзучение генетической структуры и идентификация генов, участвующих в процессах регуляции фенотипического проявления мясных, откормочных и воспроизводительных качеств закрытой популяции свиней материнских пород

РуководительВолкова Валерия Владимировна, Кандидат биологических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2024

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

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

Ключевые словасвиньи, крупная белая порода, ландрас, геномные оценки, племенная ценность, достоверность оценки, GWAS, SNP-маркеры, QTL, референтная группа, гомозиготность, эффективный размер популяции, многоплодие, мясные и откормочные качества

Код ГРНТИ68.03.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние годы перспективы развития отрасли свиноводства все в большей степени ассоциируются с созданием наиболее рентабельных стад животных, то есть такого поголовья особей, которое позволит минимизировать затраты на их обслуживание и содержание, при этом обеспечивая стабильную и высокую прибыль от реализации продукции. Селекция на повышение многоплодия свиней сопряжена с довольно серьезными ограничениями, обусловленными как физиологией животных, так и технологическими параметрами производства. Так стратегия совершенствования традиционных «материнских» пород свиней – крупная белая и ландрас, как правило, направлена на получение большего количества жизнеспособного потомства. Однако одностороннее и интенсивное повышение многоплодия неизменно сопровождается увеличением количества мертворожденных поросят в гнездах, что ведет к перерасходу кормов, к прямым затратам на утилизацию погибших поросят, сокращению прибыли хозяйства и повышению экологической нагрузки на окружающую среду. Признаки многоплодия и плодовитости характеризуются низким уровнем наследуемости, что существенно снижает скорость генетических изменений, предполагаемых при проведении селекционных мероприятий. Кроме того, показатели воспроизводительных качеств особей находятся под доминирующим влиянием средовых условий, что сводит генетический прогресс поголовья на основе отбора по фенотипам к минимуму. Наряду с этим, селекция на основе оценок племенной ценности животных по показателям воспроизводства также затруднена, поскольку традиционные оценки племенной ценности характеризуются низкими показателями достоверности, особенно это критично в отношении хряков-производителей, показатели генетического потенциала которых основываются исключительно на результатах опоросов их дочерей. В связи с этим более глубокое понимание механизмов регуляции репродуктивных функций у свиней могло бы ускорить создание более функциональных стад животных, позволило бы управлять изменчивостью многоплодия в пределах границ, оптимальных с точки зрения экономической целесообразности, получать более желательных животных с точки зрения мясных и откормочных качеств. Идентификация локусов количественных признаков (QTL), ассоциированных с репродуктивными функциями у свиней, а также мясными и откормочными показателями даст возможность осуществлять более точный прогноз генетической ценности и хряков, и свиноматок при проведении геномной оценки. Полученные в ходе исследования данные о генотипах чистопородных животных пополнят объем референтной популяции свиней пород крупная белая и ландрас, что увеличит точность геномного прогнозирования по основным селекционным признакам, позволит снизить затраты племенных предприятий на выращивание увеличенного поголовья ремонтного молодняка, даст возможность более раннего отбора особей в основное стадо. Вектор мировых исследований в области свиноводства, направлен на изучение генома животных, поиск значимых ассоциаций между SNP-маркерами и проявлением хозяйственно-полезных признаков, расчет геномных оценок племенной ценности. Основная цель полногеномных ассоциативных исследований состоит в том, чтобы идентифицировать большую часть общей генетической вариации для ассоциации со сложными количественными признаками, что позволяет более четко понимать биологическую основу генетических эффектов, в том числе при разработке новых методов оценки племенной ценности, и повышает эффективность отбора особей. Представляемая исследовательская работа направлена на выявление SNP-маркеров и хромосомных сегментов, маркируемых ими, ассоциированных с фенотипическими проявлениями признаков воспроизводства, мясными и откормочными качествами, а также перепроверку уже открытых и обнаружение новых генов-кандидатов и их функций, регулирующих процессы, ключевые для проявления этих признаков. В нашей работе запланировано проведение прогноза племенной ценности свиней по анализируемым показателям на основе геномных данных и оценок эффектов SNP-маркеров. Одним из особенно информативных аспектов генетической структуры популяции является гомозиготность, при которой в некоторой геномной области отсутствует полиморфизм аллелей. Оценивая генотип локусов, можно идентифицировать геномные области внутри генома индивида, в которых последовательные ДНК-маркеры являются однородно гомозиготными. Они называются областями гомозиготности (ROH). ROH неслучайно распределены по геному, более распространены в областях с низкой рекомбинацией, но также сконцентрированы в небольших областях, называемых островками ROH. Возникновение гомозиготных областей как правило связывают с высоким уровнем родства между особями в популяции из-за постоянного использования небольшого числа высокоценных производителей. Наличие высокого уровня родства в стаде приводит к повышению вероятности того, что потомок может наследовать хромосомные сегменты, которые идентичны по происхождению (IBD) от обоих родителей, что в свою очередь ведет к появлению протяженных ROH. Области гомозиготности увеличивают риск совместной экспрессии рецессивных вредных аллелей, снижая жизнеспособность организма. Второй механизм повышения гомозиготности в популяции - целенаправленный отбор. В этом сценарии частота мутации, которая дает некоторое избирательное преимущество, будет увеличиваться со временем. Важно, что искусственный отбор также действует на нейтральные локусы, находящиеся в неравновесном сцеплении с полезной мутацией. Результаты проведения ROH-анализа могут быть использованы для оценки интенсивности селекции по всем анализируемым фенотипическим признакам, включая ключевые показатели репродуктивной способности животных. Впервые в нашем комплексном исследовании, состоящем из популяционных исследований, анализа геномной структуры закрытой популяции свиней и геномных оценок на их основе будет проведен анализ динамики изменения протяженности и локализации гомозиготных участков в генотипах свиней двух пород в ряду поколений, позволяющий составить представление о действии селекции на геномные изменения в исследуемых чистопородных группах.

Ожидаемые результаты
Запланированные комплексные исследования предполагают изучение генетических механизмов регуляции проявления основных селекционных признаков у свиней материнских пород на более высоком уровне достоверности за счет существенного пополнения референтных групп свиней пород крупная белая и ландрас. Сложность исследуемых признаков заключается в их полигенности и обусловленности не только аддитивным влиянием генов, но и их взаимодействием (эпистатическим и доминантным). Впервые для чистопородных популяций свиней крупной белой породы и ландрас, используемых в качестве материнских пород, будет проведен GWAS-анализ по признакам воспроизводства, мясным и откормочным показателям, направленный на поиск и идентификацию SNP-маркеров, ассоциированных с такими показателями как многоплодие, интенсивность жироотложения, скороспелость. Результаты полногеномного ассоциативного исследования отечественных популяций будут сопоставлены с результатами аналогичных исследований, будет проведено сравнение выявленных SNP-маркеров и генов, расположенных в непосредственной близости от них, с участками, обнаруженными для чистопородных групп особей другого происхождения. Однонуклеотидные варианты (SNP), идентифицированные в GWAS, объясняют лишь небольшую часть наследуемости сложных признаков, а каждый из них в отдельности имеет бесконечно малые размеры эффекта. Однако тот факт, что сложные признаки являются полигенными, не исключает полезности выявленных вариантов. В связи с этим, основной вопрос, на решение которого в том числе будет направлено наше исследование, заключается не в количестве установленных локусов, влияющих на проявление признака, а скорее в том, каким образом выявленные локусы кумулятивно объясняют проявление признака и могут ли они быть использованы для индивидуального прогнозирования, например, при проведении геномной оценки. Анализ ROH участков чистопородных генотипированных групп позволит выявить хромосомные сегменты, находящиеся под давлением отбора, то есть несущие неполиморфные SNP-маркеры. Это в свою очередь даст возможность охарактеризовать целенаправленность и интенсивность селекции в исследуемых группах; выявить задействованные генетические механизмы, ответственные за проявление функций воспроизводства, роста и липидного обмена у свиней двух пород. Кроме того, будет проведено сравнение протяженности и локализации гомозиготных участков у животных отечественной репродукции и завезенных по импорту для сопоставления подписей селекции в разных системах. Анализ динамики изменения ROH-участков в чистопородных группах с течением времени позволит выявить наиболее подверженные воздействию селекции участки хромосом, что в свою очередь поможет скорректировать направление поиска причинных генов в таких сегментах генома. В ходе работы будут оптимизированы уравнения геномного прогноза по основным экономически-значимым признакам, что обеспечит повышение точности оценок племенной ценности хряков и свиноматок основных селекционных групп по всему спектру селекционных признаков, в том числе характеризующихся низкой наследуемостью, на основе сформированной референтной популяции. Это будет способствовать внедрению геномного отбора ремонтного молодняка свиней в раннем возрасте, сократив затраты племенных предприятий на выращивание селекционных кандидатов. Комплексный анализ исследуемых параметров, а также показатели, характеризующие генетическую структуру генотипированных выборок особей позволят сформулировать оптимальные критерии отбора индивидов в референтную популяцию для проведения геномной оценки в рамках породы. Проект будет направлен, в том числе, на развитие научной карьеры сотрудников новой лаборатории, созданной в целях реализации Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, Указа Президента Российской Федерации от 7 мая 2018 г. №204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года», в том числе молодых ученых, являющихся очными аспирантами. Исследования по проекту позволят спланировать перспективы научной работы, сформировать научный задел и задел инструментальной базы для проведения дальнейшего детального изучения особенностей генетической детерминации продуктивных качеств и генетических механизмов регуляции основных селекционных признаков у сельскохозяйственных животных.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Получены коэффициенты, свидетельствующие о существенных различиях в доле изменчивости признаков, обусловленной генотипом животных. Наследуемость признака «толщина шпика над 6-7 грудными позвонками» у свиней крупной белой породы находилась на относительно среднем уровне (0,192) и демонстрировала более существенное значение, чем аналогичный показатель у свиней породы ландрас (0,068); околонулевые значения коэффициента наследуемости были характерны для признака «число мумифицированных поросят» у обеих выборок (0,003 и 0,013, соответственно). Относительно высокий уровень наследуемости продемонстрировали признаки «живая масса свиноматки в день взвешивания» (0,717), «живая масса приплода в день взвешивания» (0,478) и «общее число живых поросят в помёте» (0,450) в выборке свиней породы крупная белая. В выборке свиней породы ландрас, наивысшими значениями коэффициентов наследуемости характеризовались признаки «глубина «мышечного глазка» (0,328), «живая масса свиноматки в день взвешивания» (0,339) и «общее число живых поросят в помёте» (0,204). Для проведения анализа ассоциаций были отобраны 51454 (крупная белая) и 48978 (ландрас) SNP, прошедших фильтрацию по всем параметрам качества. Было идентифицирован 37 SNP, достоверно (p<0,00001) ассоциированных с толщиной шпика над 6-7 грудным позвонком у породы крупная белая, а у свиней породы ландрас – 73 SNP. Выявлены гены-кандидаты, отвечающие за: развитие нервной системы и аксоногенез нейронов периферической нервной системы (ген ATXN1, ген NEFH); развитие почек, внутриклеточный транспорт белка и развитие сердца (ген AP1B1); положительную регуляцию процесса катаболизма клеточных белков (ген TNFAIP3); положительную регуляцию дифференцировки жировых клеток (ген CDS1); процесс метаболизма желчных кислот, развитие ткани (ген NR5A2); развитие эмбриональной скелетной системы (ген KIAA1217); организацию цитоскелета (ген FARP1); сенсорное восприятие вкуса (ген ASIC2); развитие системы кровообращения (ген NXN); развитие памяти (ген GRIA1); мозга (ген MACROD2); гомеостаз глюкозы (ген GCK); сперматогенез (ген SPATA6). Гены TNFAIP3, CDS1, AP1B1, NEFH также выявлены у признака «толщина шпика над 10-12 грудным позвонком», а ген CDS1 – у признака «площадь «мышечного глазка». По признаку «площади «мышечного глазка» у породы крупная белая идентифицировано 37 SNP, а у свиней породы ландрас – 8 SNP. Выявлены 3 гена-кандидаты, отвечающих за прогнозирование и молекулярные функции организма (ген PDE4D, ген TRPA1, ген RUNX2). По количеству мумифицированных поросят у крупной белой породы свиней было идентифицировано 53 SNP. Выявлены гены-кандидаты, отвечающие за: вирусный процесс (ген BICD1); развитие коры головного мозга, дифференцировку нейронов (ген TRAPPC9); положительную регуляцию защитного ответа организма на вирус, регуляцию миграции лейкоцитов (ген PTPN22); морфогенез органов животных, развитие тканей, регуляцию развития проекции нейронов (ген NTNG1); развитие сердца, морфогенез ткани сердечной мышцы желудочка, потенциал действия клеток сердечной мышцы желудочка, межклеточную передачу сигналов, участвующих в сердечной проводимости, регуляцию сердечного ритма посредством проводимости, регуляцию потенциала действия клеток желудочковой сердечной мышцы (ген PKP2). По количеству мертворожденных поросят у породы крупная белая выявлено 15 SNP. Идентифицирован ген ARHGAP12, отвечающий за фагоцитоз. У породы ландрас, по данному признаку, выявлено 12 SNP. По показателю живой массы поросят в день отъема выявлено 27 SNP у породы крупная белая, у свиней породы ландрас – 17 SNP. Выявлены гены-кандидаты, отвечающие за: морфогенез организма (ген TP63 и ген LRP5); образование нервно-мышечной ткани (ген FGF12); сенсорное восприятие слуха и двигательный процесс (ген OTOG). Показатель собственной живой массы животного у крупной белой породы идентифицируется 10 SNP, у породы ландрас – 38 SNP. Выявлены гены-кандидаты, отвечающие за: регуляцию дифференцировки жировых клеток (ген TAF8); процесс иммунной системы (ген IRF7); иммунный ответ организма (ген IGF1R). На основании полученных параметров генетического разнообразия были определены корреляционные взаимосвязи признаков на генетическом уровне. Высокая степень взаимосвязи признаков собственной продуктивности (толщина шпика на разных участках, живая масса, глубина мышечного глазка) представляется обусловленной естественными анатомическими особенностями животных. Интерес же представляет статистически значимая взаимосвязь этих признаков с признаками воспроизводства, такими, как число мумифицированных поросят, число живых поросят в помёте, а также масса помёта при отъёме и число отнятых поросят.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
По результатам работы в конце второго года исследований проведено пополнение базы данных по референтным группам свиней пород крупная белая и ландрас, проведено полногеномное ассоциативное исследование по изучаемым породам, их воспроизводительным и мясным показателям. На основание полученных достоверно-значимых генов, разработаны и апробированы тест-системы. Проведен расчет селекционного индекса по мясным и воспроизводительным показателям свиноматок породы крупная белая. Объём пополнения базы данных по референтным группам составил 1084 записи о свиньях породы крупная белая и 1014 записей – породы ландрас. Количество хряков-производителей породы крупная белая составляло 59 гол., породы ландрас – 52 гол. Массив был пополнен записями о молодых животных, имеющих данные взвешиваний и УЗИ-сканирования. Значимые SNP были обнаружены для показателей: «живорожденные», «количество отнятых поросят», «мертворожденные», «мумии». Общее количество выявленных полиморфизмов по изучаемым показателям составило 55 SNP, из них 36 – по показателю живорожденных поросят, 6 – по количеству отнятых поросят, 9 – по мертворожденным и 4 – по показателю количества мумифицированных плодов, расположенных на SSA1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 12, 15 и 17 (на 11 из 18 SSA). По изучаемым показателям воспроизводства было выявлено 82 гена на 12 из 18 SSA. Больше всего обнаружено генов на SSA6 (22 гена) на SSA2 (13 генов). Наименьшее количество обнаружено на SSA4 (1 ген - EYA1). По результатам проведенных экспериментальных исследований были выявлены 35 генов-кандидатов, по функциональной принадлежности отнесенные к двум кластерам – из них 20 генов были отнесены к кластеру 1 и 15 – к кластеру 2. К первому кластеру были отнесены гены: AFF4, IL13, IL4, IRF1, SHROOM1, IL-5, UQCRQ (SSA2), MRPL13 (SSA3), TTR, ENPEP, NOL4, PCDH7, DSG3 (SSA6), RASSF6, ALB, AFP, ANKRD17 (SSA8) и SOX9 (SSA12), общая биологическая функция – митохондриальный и сопряженный транспорт электронов, синтез АТФ, а также связывание жирных кислот и триптофана. Ко второму кластеру были отнесены гены: YTHDC2, KIF3A (SSA2), EYA1 (SSA4), DSG2, DSG4, PPIH, RNF125, TRAPPC8 (SSA4), PITX2 (SSA8), KIAA1462, MTPAP, JMJD6 (SSA10), METTL23, SRSF2 и U2AF1 (SSA12). Общая биологическая функция связана с ответом на бактериальную и вирусную инфекцию. Была оценена длина, количество и частота ROH у 295 свиней крупной белой породы и 114 – породы ландрас. В общей сложности у 295 свиней было обнаружено 2 474 ROH, а у 114 – 2 449 ROH размером более 1 Мб. Наибольший процент SNP (>75%) выявлен на SSA6, 8 и 14 у свиней крупной белой породы и на SSA1, 11 и 13 – у ландрас. Разработаны тест-системы по потенциальным генам-маркерам продуктивности TNFAIP3 и CDS1, позволяющие четко определять генотипы животных в формате ПЦР-РТ. В зависимости от генотипа по гену TNFAIP3 отмечалось, что у свиней породы крупная белая с генотипом АА показатель толщины шпика на холке был достоверно выше, чем у животных с другими генотипами. У свиней породы ландрас животные с генотипом АА превосходили других по показателю толщины шпика над 6-7 грудным позвонком. Генетическое разнообразие признаков свиней исследуемого поголовья по двум моделям (Animal и Sire Model) находилось на уровне от 0,002 до 257,0% и от 0,0001 до 17,7%, соответственно. Наибольшей изменчивостью характеризовались: живой вес, количество живорожденных поросят, количество хрячков и свинок. Наивысшим значением наследуемости по Animal Model выделился признак живой вес (0,47). Толщина шпика в области холки в Sire Model обладала более высоким значением (0,19) в сравнении с другими признаками. При расчете согласно Animal Model генетическая связь живого веса имела отрицательную корреляцию с количеством живорожденных поросят (r=-0,39) и количеством хрячков, полученных в среднем за опорос (r=-0,52). Количество живорожденных поросят положительно связано с количество хрячков и свинок, полученных при опоросе, и составляет 0,59 и 0,83 по Animal Model, и 0,62 и 0,83 по Sire Model. Признаки качества потомства по Animal Model и Sire Model имеют отрицательную генетическую связь с толщиной шпика в области холки (r=-0,39 и -0,45, соответственно) и между 6-7 спинными позвонками (r=-0,62 и -0,81); фенотипические же корреляции представляют слабо отрицательную или слабо положительную связь, соответственно.

Публикации

1. Белоус А.А., Волкова В.В., Решетникова А.А., Отраднов П.И., Зиновьева Н.А. Генетическая архитектура признаков воспроизводства свиней породы ландрас российской репродукции Аграрная Наука, - (год публикации - 2023)

2. Кабанов А.В., Мельникова Е.Е., Никитин С.А., Сомова М.М., Фоменко О., Волкова В.В., Костюнина О.В., Карпушкина Т.Е., Мартынова Е., Требунских Е.А. Weighted Single-Step Genomic Best Linear Unbiased Prediction Method Application for Assessing Pigs on Meat Productivity and Reproduction Traits Animals, Animals, 2022, 12 (13), 1693 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ani12131693

3. О.С. Романенкова, В.В. Волкова, А.А. Белоус Разработка тест-систем для анализа полиморфизма генов TNFAIP3 и CDS1, ассоциированных с толщиной шпика у свиней Аграрная Наука, Том 368, номер 3, 2023, стр. 58-61 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.32634/0869-8155-2023-368-3-58-61