Популяционно-генетические основы сохранения ресурсов генофондов доместицированных видов животных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.07, доктор биологических наук Столповский, Юрий Анатольевич

• Столповский, Юрий Анатольевич
• доктор биологических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор биологических наук Столповский, Юрий Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Общие аспекты проблемы сохранения биологичес-кого разнообразия домашних животных.

1.2. Основные аргументы в пользу сохранения генофонда локальных пород.

1.3. Общие принципы сохранения генетического разнообразия.

1.4. Сохранение генофондов сельскохозяйственных животных.

1.4.1. Селекция и сохранение пород.

1.5. Генетическая изменчивость, методы ее контроля.

1.5.1. Электрофоретические варианты белков.

1.5.2 ДНК маркеры.

1.6. Способы сохранения «культурного» биоразнообразия.

1.6.1. Единица сохранения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

ГЛАВА 3. СОСТОЯНИЕ «КУЛЬТУРНОГО» БИОРАЗНООБРАЗИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ.

3.1. Оценка качественных и количественных характеристик породного разнообразия России.

3.2. Динамика численности и породного разнообразия основных сельскохозяйственных видов России.

3.3. Породное разнообразие сельскохозяйственных видов как основной показатель генетических ресурсов животноводства России на примере крупного рогатого скота.

3.4. Сравнительный анализ породного состава эколого-географи-ческих регионов России для выявления отечественных центров породного богатства.

3.5. Оценка направлений поисков новых организационных систем и принципов сохранения генетических ресурсов животноводства России.

ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПОРОДНОГО ГЕНОФОНДА.

4.1. Краткая характеристика серой степной (украинской) породы (модельного объекта).

4.2. Популяционно-фенетический анализ генофондного разнообразия серой степной (украинской) породы.

4.3. Популяционно-генетический анализ внутрипородного разнообразия серого степного скота с использованием оценок полиморфизма электрофоретических вариантов белков плазмы крови.

4.4. Внутрипородное разнообразие серого степного скота по электрофоретическим вариантам эритроцитарных белков и ферментов.

4.5. Пространственная и временная подразделенность генетической структуры серой степной породы, оцененные по фенетическим и молекулярно-генетическим характеристикам.

4.6. Распределение фрагментов ДНК, фланкированных инвертированными повторами ди- и тринуклеотидных микросателлитов, в геномах серого степного (украинского) скота.

4.7. Эффективность использования для оценок внутрипородной дифференциации электрофоретических вариантов белков и ДНК маркеров (188К-РСК маркеров) у овец романовской породы.

ГЛАВА 5. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВНУТРИПОРОДНОЙ

И МЕЖПОРОДНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ

ПО ISSR-PCR МАРКЕРАМ.

5.1. Генетический мониторинг пространственной дифференциации тувинской короткожирнохвостой овцы с использованием ISSR-PCR маркеров.

5.2. Оценка генофондной дифференциации пород крупного рогатого скота с использованием ISSR-PCR маркеров

5.3. Сравнительный анализ полиморфизма ISSR-маркеров в иопуляциях яка (Bos mutus) саяно-алтайского региона и гибридов F( между яком и КРС.

5.4. Оценка дифференциации генофондов видов сельскохозяйственных животных с использованием метода ISSR-PCR.

ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ISSR-PCR ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОПУЛЯЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ, ИДЕНТИФИКАЦИИ И СХОДСТВА ГЕНОФОНДОВ ПОРОД И ВИДОВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Популяционно-генетические основы сохранения ресурсов генофондов доместицированных видов животных»

Основоположником современных представлений о центрах доместикации растений и животных, зарождения аграрной цивилизации, является Н.И. Вавилов. Он же впервые определил как глобальную задачу необходимость мобилизации генетических ресурсов для нужд селекции (Вавилов, 1935,1965). Его работы приобретают особое значение в настоящее время, в период активной глобализации и индустриализации сельского хозяйства. Индустриальные системы характеризуются стандартизацией продукции и высокой степенью контроля условий производства. Они высоко специализированы и разбиваются на блоки, составляющие производственные цепочки, от получения исходного сырья до продажи конечного продукта: в них оптимизируются параметры продукции по одному или ограниченному количеству показателей. Как следствие, в развитых странах, в которых индустриализация животноводства и растениеводства проводилась в течение нескольких десятилетий, обычно возникает существенная эрозия пород и сортов.

Ориентация на мировую тенденцию индустриализации сельского хозяйства несет в себе множество рисков. Один из них — это сокращение национальных генетических ресурсов животных и растений (доктрина продовольственной безопасности РФ, 2010). Так, рыночная потребность расширения производства для уменьшения себестоимости и цены конечной продукции неизбежно будет приводить к тому, что блоки цепочек индустрии, в частности, в животноводстве, будут связаны с увеличением концентрации большого количества животных в ограниченном пространстве. Это создает среду, в которой легко распространяются инфекционные болезни. Следовательно, индустриальные единицы имеют тенденцию к высокому использованию ветеринарных препаратов, которые могут попадать в пищевые цепи и оказывать неблагоприятный эффект на здоровье человека. Гигиенические требования в больших животноводческих хозяйствах влекут за собой использование высоких доз агентов химической очистки и других препаратов, таких как фунгициды, которые, при неправильном применении, становятся дальнейшим потенциальным источником загрязнения окружающей среды. Включение в отечественное сельское хозяйство транснациональных животноводческих индустрии создает опасность сокращения собственных генетических ресурсов сельскохозяйственных видов, зависимость от импорта, а также угрозу глобализации распространения инфекций и скрытых генетических дефек тов. В то же время, создание индустриальных цепочек производства продовольствия уменьшает эффективность использования богатства экологических ниш, особенно разнообразных на территории России, и тормозит развитие биоорганического сельского хозяйства. Устойчивое развитие отечественного производства продовольствия и сырья базируется на том, что в целом по России через 10 лет должно производиться не менее 80 процентов от всех основных видов продуктов питания, потребляемых в стране (доктрина продовольственной безопасности РФ, 2010). Отсюда следует нарастание важности сохранения генофондов отечественных сельскохозяйственных видов животных.

Под сохранением генофондов сельскохозяйственных видов подразумевается, прежде всего, сохранение породного разнообразия, которое за последние 100 лет значительно сократилось. Только в Европе и на Кавказе исчезли 481 порода млекопитающих и 39 пород птиц. Из 7616 пород (включая 6536 местных и 1080 трансграничных) домашнего скота и птицы, зарегистрированных в базе данных ФАО, 190 вымерли за прошлые 15 лет, а 1491 порода находится на грани исчезновения. При этом отсутствуют данные о размерах популяции 36 % пород (FAO, 2009).

Сегодня проблемы контроля и управления породами сельскохозяйственных животных приобретают международное значение, поскольку затрагивают многие страны мира, особенно обладающие большой территорией, различными агроэкологическими и экономическими условиями.

Проблему сохранения генетических ресурсов местных пород и сортов растений мировое сообщество тесно связывает с необходимостью сохранения культурных традиций, для биологизации сельского хозяйства, с продовольственной безопасностью, устойчивым развитием сельского хозяйства и агроэ-коландшафтов в мире и его отдельных регионах, а также качеством жизни в целом (FAO, 2007, 2009; Slow Food, 2006,2010). Изучение и осознание важности сохранения генетических ресурсов, его целей, методов, задач, действий стало прерогативой международной продовольственной и сельскохозяйственной организации ФАО (FAO), созданной при ООН, и многочисленных региональных организаций, например ЕЕАР (Европейская Ассоциация животноводства, ЕАЖ), а также общественных организаций, таких как Slow Food International и др. Наиболее полным источником о генетическом разнообразии доместици-рованных видов на глобальном уровне является Система информации о разнообразии домашних животных (http://dad.fao.org).

Важность сохранения «культурного» биоразнообразия подтверждена в международной конвенции о биологическом разнообразии, принятой на форуме «Повестка дня на XXI век». Понятие биологического разнообразия включает вариабельность живых систем всех иерархических уровней организации от организма до биосферы (Павлов и др.,2009). В конвенции подчеркивается значение сохранения и регионального использования генетических ресурсов для продовольствия и сельского хозяйства, с учетом взаимозависимости стран, обладающих этими ресурсами, для продовольственной безопасности планеты (КБР, 1992, 2002). Исходя из положений Международной конвенции о биологическом разнообразии (статьи 1 и 6) и Национальной стратегии сохранения биоразнообразия России, одной из первоочередных задач, формулируемых данными документами, является «сохранение, устойчивое использование и инвентаризация генетических ресурсов живых организмов». Приоритетными объектами охраны в агробиоценозах должны стать сорта культурных растений и локальные породы одомашненных животных (Концепция национальной стратегии сохранения биоразнообразия России, 2001).

В основном сокращение породного разнообразия связано с интенсификацией животноводства, отсутствием знаний и оценки местных пород, неоправданного их замещения при доминировании на рынке высокопродуктивных пород и репродуктивных биотехнологий (World Watch List, FAO/UNEP 2000). В глобальном масштабе системы индустриального животноводства в настоящее время включают 67 % продукции мяса птиц, 42 % свинины, 50 % производства яиц, 7 % говядины и телятины, и 1 % баранины и козлятины (FAO, 2007, 2009).

Потеря породного разнообразия оказывается не только утратой уникального и бесценного генетического разнообразия, но и сужением генетического потенциала, принципиально ограничивающего возможности селекционной работы, породообразовательного процесса в настоящем и будущем.

Темпы распространения коммерческих пород и связанных с ними новых технологий содержания и разведения животных очень высоки и требуют унификации ряда зоотехнических характеристик животных. Это приводит к двум важным последствиям. Во-первых, к жесткому отбору среди коммерческих пород той части их генофонда, носители которого в принципе совместимы с промышленными технологиями. В результате происходит сужение внутрипородной изменчивости и распространение по всему миру мутаций, вновь возникающих у отдельных выдающихся представителей таких пород. Глобальное перемещение в новые регионы ограниченной части генофонда породы со своим генетическим грузом, с сопровождающим ее специфическим набором патогенов, в конечном итоге, приведут к необходимости ориентации на генофонды локальных пород, менее продуктивных, но более адаптированных к региональным особенностям условий разведения. Во-вторых, глобальное распространение генофондов выдающихся производителей коммерческих пород неизбежно приводит к «генетической» эрозии генофондов доместицированных видов, к вытеснению локальных, более древних пород, что реализуется через прямую замену пород или поглотительные скрещивания локальных с представителями коммерческих. Получение таких помесей далеко не всегда приводит к желательным эффектам и требует дальнейшей длительной селекционной работы.

В 2007 году международное сообщество приняло первый план Глобальных действий и Интерлакенскую Декларацию (ИД) о генетических ресурсах животных. ИД включает в себя 23 стратегических приоритета, направленных на борьбу с эрозией генетического многообразия животных и устойчивое использование их генетических ресурсов (РАО, 2007).

В последнее время в регионах нашей страны начали создаваться ге-нофондные хозяйства, призванные восстанавливать и разводить в чистоте локальные (региональные) породы. В настоящее время на территории Российской Федерации разводится более 400 пород (официально в МСХ РФ на 01.01.2007 зарегистрировано 394), относящихся к 46 видам сельскохозяйственных животных — млекопитающих, птиц, рыб и насекомых. Из них 198 пород среди 33-х доместицированных видов относятся к региональным (отечественным) породам (Государственный реестр селекционных достижений России, 2007). ^

Сегодня в России нет надежной системы (организационной и биологической) сохранения генетических ресурсов доместицированных видов. Современные подходы к сохранению биоразнообразия не дают четкого ответа на вопросы: «какие породы необходимо сохранять и какие должны быть принципы сохранения». При наличии представлений о фенотипическом «стандарте» породы, отсутствуют данные и принципы выявления генетического, гено-фондного «стандарта» породы, нет четкого представления о таких понятиях, как «единица, эффективность и потенциал сохранения, ожидаемое и краевое разнообразие, генетические: уникальность, мониторинг и паспортизация», об оценке генетического разнообразия на молекулярно-генетическом уровне и т.д. Отсутствие фундаментальных знаний, концепций, стратегий, тактик и законов о сохранении генетических ресурсов животных в целях обеспечения продовольственной безопасности препятствует согласованным действиям на региональном, федеральном и международном уровнях, формированию надежных и современных механизмов сохранения и управления породным разнообразием и породообразовательным процессом в Российской Федерации.

Очевидно, что первым этапом в разработке программ по сохранению пород является определение методов и принципов выявления их генетического своеобразия. Исследования генетической структуры локальных пород различных видов сельскохозяйственных животных с помощью популяционно-генетических методов необходимы, прежде всего, для создания генетически обоснованных программ по выявлению генетической изменчивости, ее анализу, в целях дальнейшего сохранения и использования, в том числе для нужд современного агропромышленного комплекса. В этой связи, центральной задачей настоящей работы является анализ имеющихся подходов и разработка концепции создания генетического обоснования в программах по сохранению биоразнообразия доместицированных видов животных.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Цель и задачи исследования.

Основная цель исследования заключалась в разработке концепции и принципов сохранения генофондов аутохтонных пород доместицированных видов, единой организационной системы сохранения и генетического мониторинга на основе популяционно-генетических и статистических методов.

Конкретные задачи нашего исследования сводились к следующему:

• Оценить качественные и количественные характеристики породного разнообразия России. Провести анализ динамики численности пород основных сельскохозяйственных видов и породного разнообразия на примере крупного рогатого скота;

• Определить породообразовательные центры в Российской Федерации;

• Разработать новую организационную схему для сохранения генетических ресуров доместицированных видов на территории РФ;

• Разработать принципы генетического мониторинга и оценок межпородного и видового генетического разнообразия, а также чистопородности пород, сохраняемых в генофондных хозяйствах;

• Провести сравнительный анализ генетической структуры аутохтонных пород доместицированных видов с использованием морфологических признаков, структурных генов, полилокусных спектров последовательностей ДНК;

• Разработать генетические характеристики видов и пород, в том числе ге-нофондный стандарт породы на основе ISSR-фингерпринтинга;

• Разработать принципы создания генетически обоснованных программ по сохранению (управлению) генетическими ресурсами домашних животных, а также стратегии по их сохранению in situ.

Объект исследования. Породы и внутрипородные группы одомашненных видов: крупного рогатого скота, овец, свиней, коз, яков, верблюдов в различных эколого-географических регионах.

Научная новизна полученных результатов: Сопоставление происхождения 198 пород 33-х доместицированных видов впервые позволило локализовать на территории России пять основных центров наиболее интенсивного породообразования. Впервые на основании выявленных породообразовательных центров сформулирована концепция и организационная схема сохранения генофондов доместицированных видов in situ. Предложена система генетического мониторинга, основанная на популяционо-генетическом анализе морфологических признаков, полиморфизма структурных генов и полилокусных маркеров ДНК. Впервые выполнены комплексные популяционно-генетические исследования генофондов целого ряда видов и пород, которые позволили оценить генетическое разнообразие и выявить видо- и породоспецифические характеристики. Сочетания фенов, аллелей структурных генов, полилокусных спектров последовательностей ДНК позволяют надежно дифференцировать породы, выделять породоспецифические признаки, породоспецифические аллели структурных генов, отслеживать изменения генетического разнообразия во времени и пространстве. Впервые разработана общая шкала длин фрагментов ДНК, фланкированных динуклеотидными микросателлитами (GA)9С и (AG)<)C для 6 видов парнокопытных, которая позволяет надежно генотипировать животных одновременно по 38 продуктам ПЦР, выполнять внутри- и межпородные, межвидовые сравнения, проводить мониторинг генофондов, определять параметры генетического разнообразия, контролировать чистопородность животных. Впервые выпол-ненны сравнительные исследования спектров полилокусных фрагментов ДНК, фланкированных участками микросателлитных локусов (ISSR-PCR), ряда пород крупного рогатого скота, овец, коз, свиней, яков, верблюдов, которые позволили выявить консервативные ПЦР-продукты, вариабельные, а также породоспецифические спектры фрагментов. На основании полученных данных впервые сформулированы понятия: «генофондный профиль» вида (породы), «видо- и по-родоспецифического паттерна», «генофондного стандарта породы». Использование мультилокусного межмикросателлитного анализа (ISSR-PCR) совместно с методом к-кластеризации популяционных структур стало основой для создания ряда тестов молекулярно-генетической экспертизы и исследования популя-ционной структуры доместицированных видов животных. Впервые с помощью ISSR-маркеров показаны возможности анализа популяционной структуры доместицированных видов, сходства и различия генофондов пород (внутрипородных групп), их идентификации и наглядной оценки консолидированности, чистопо-родности и генеалогических связей. На основании полученных данных вычислен протогенофонд» крупного рогатого скота, установлены наиболее приближенные к «прапопуляции» породы и филогенетические связи между исследуемыми группами животных, что позволяет устанавливать приоритеты в сохранении породного разнообразия. Анализ параметров генетического разнообразия позволил обосновать предположение, что в популяциях крупного рогатого скота существует некий «оптимум» средней гетерозиготности или благоприятные показатели по определенным генетическим параметрам. Их колебания могут сигнализировать о различных процессах, происходящих в популяции, или стать генетическим инструментом контроля над генофондом породы.

На примере пород КРС предложен метод оценки пород, как генетического объекта сохранения и метод определения вклада конкретной породы в общее разнообразие но ISSR-маркерам, что может стать одним из критериев при выборе пород для сохранения in и ex situ.

Теоретическое и практическое значение полученных результатов.

Разработана новая организационная схема для сохранения генофондов отечественных пород, основанная на международном и отечественном опыте, современных структурных реалиях и географическом расположении породообразовательных центров в Российской Федерации. Предложена концепция генетического мониторинга — комплексный метод анализа и контроля генетической структуры пород доместицированных видов, основанный на популяционно-генетических методах и оценке параметров генетического разнообразия.

Предложен метод оценки консолидации и чистопородности популяций домашних животных, основанный на полиморфизме ISSR-маркеров, который может быть использован в генофондных и племенных хозяйствах РФ. На примере популяций крупного рогатого скота и овец показан алгоритм действий для анализа меж- и внутри- популяционной генетической изменчивости на геномном уровне, который позволяет определить:

• прапопуляцию породы, что важно при сохранении изначальной генетической структуры породы;

• принадлежность популяции (индивидуальной особи) к той или иной породе, виду;

• наиболее типичных для породы популяции (особей) с точки зрения современной сформировавшейся генетической структуры;

• чистопородные и синтетические стада (популяции). Предложенный алгоритм исследования позволяет в зависимости, от поставленных задач выбирать селекционную тактику при разведении и сохранении пород in situ, в том числе контролировать процесс восстановления породы, после интродукции в нее производителей других пород.

На основании разработанных подходов выполнен анализ генетических структур стад 40 хозяйств базовых доместищгрованных видов, претендующих на получение генофондного статуса, позволивший выделить среди них наиболее консолидированные и наиболее гетерогенные.

Полученные материалы могут быть использованы при разработке национальной доктрины развития российского животноводства, в частности его «генофондного» направления.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Разработка концепции сохранения и управления генофондами домести-цированных видов животных требует качественно новых, геномных методов их мониторинга. В связи с этим к основным положениям диссертационной работы, выносимым на защиту, относятся следующие:

1. Предложена универсальная шкала, которая позволяет надежно генотипировать 38 ПЦР-продуктов, полученных методом ISSR-PCR. Использование межмикросателлитного анализа совместно с методом к-кластеризации популяционных структур является основой тестов молекулярно-генетической экспертизы и исследования генофонда доместицированных видов животных.

2. Выявление и одновременная оценка не менее 20-30 независимых локусов в одном геноме с помощью ISSR-маркеров позволяют выявлять генофондные особенности на уровне популяций, пород, помесных групп животных и видов, что может быть использовано как- компонент комплексного генетического мониторинга динамики генофонодов и сохранения разнообразия доместицированных видов.

3. В полученном методом 188К-РСЕ. спектре ПЦР-продуктов выделяются сочетания фрагментов ДНК, ассоциированные с генеалогическими связями между исследованными группами животных, а также эволюционно консервативные у разных видов.

4. С помощью 18811-фингерпринтинга получены оценки, которые позволяют количественно характеризовать ценность каждой породы. На основе молекулярио-генетических данных предложен критерий для выбора пород, подлежащих сохранению.

5. Анализ динамики количественного и качественного состояния доместицированных видов в России за последние 20 лет свидетельствует о значительном сокращении количества аутохтонных (местных) пород, их внутрипородной численности. В основных одомашненных видах доминируют несколько высокопродуктивных пород, что приводит к дисбалансу в породном разнообразии. Генофонд отечественных пород систематически подвергается генетической эрозии благодаря интродукции экзотических пород. Эрозия, истощение и истребление генетических ресурсов сельскохозяйственных животных приводит к ограничению в использовании разнообразных агроэкологических и экономических территорий Российской Федерации.

Апробация работы.

Результаты исследований были представленны и докладывались на Ш-й школе-семинаре по генетике и селекции животных (Новосибирск-Горно-Алтайск, 1989), Российско-украинском совещании по генетике сельскохозяйственных животных (Аскания-Нова, 1992), на I, II международных конференциях «Молекулярно-генетические маркеры животных» (Киев, 1994, 1996); 46-ом конгрессе ЕААР (Прага, 1994); международной конференции «Проблемы сохранения редких пород домашних животных и близкородственных диких видов» (Пущино, 1996); международной конференции «ДНК-технологии» (Киев, 1997), первой научной школе-конференции «Сохранение биоразнообразия и рациональное использование биологических ресурсов» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2000), международном симпозиуме «Молекулярные механизмы генетических процессов и биотехнология» (Москва-Минск, 2001), международном конгрессе по сохранению биологического разнообразия (Неаполь, 2003), I и II международных научно-практических конференциях «Биоразнообразие и сохранение генофонда флоры, фауны и народонаселения Центрально-Азиатского региона» (Кызыл, 2003,2007), международном форуме Terra Madre I, II, Ш (Турин,

2004, 2006, 2008), конференции «Динамика генофондов растений, животных и человека» (Москва, 2005), Всероссийском учредительном съезде-конференции «Сохранение генетических ресурсов» (Москва, 2006), научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития звероводства» ВВЦ «Золотая Осень» (Москва, 2007), международной конференции «Научное наследие Н.И. Вавилова— фундамент развития отечественного и мирового сельского хозяйства» (Москва, 2007), заседании конвивиума «Суздаль-Нива» международной организации «Слоу-Фуд» (Суздаль, 2007), Семинаре ФГОУ ВПО МГВМиБ им. Скрябина и ВННИЖ «Новый порядок аттестации племенных хозяйств, правила определения видов организаций по племенному животноводству. Проблемы, возникающие при работе с импортным скотом, и пути их решения» (Дубровицы, 2008), 59 и 60-ой международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе» (Кострома, 2008,2009), международной конференции «Продуктивность, ветеринария, агроэкономика и продовольственная безопасность» (Черногория, 2008), V всероссийском съезде генетиков и селекционеров (Москва, 2009), семинаре животноводов в республике Алтай (Кош-Агач, 2009). Материалы исследования были использованы в учебном процессе — курсе лекций «Генетика сельскохозяйственных животных» для студентов сельскохозяйственного факультета Российского Университета Дружбы Народов им. Патриса Лумумбы, в рабочей программе «Генофонд сельскохозяйственных животных и его использование в селекции» ГОУВПО «Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого», в учебном процессе Тувинского государственного университета (кафедра зоотехнии).

Публикации.

По материалам работы опубликовано 86 научных работ — 6 монографий, 61 статья в научных и научно-популярных журналах, сборниках трудов,.научных вестниках, международных бюллетенях и 19 сообщений в материалах и тезисах отечественных и международных конференций.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Работа выполнена соответственно тематического плана научных исследований Института Общей Генетики им. Н.И. Вавилова РАН, в рамках следующих программ:

1. «Сохранение и генетический мониторинг генофондов человека, животных, растений и микроорганизмов» 2. «Базы данных о генофондах человека, животных, растений и микроорганизмов» 3. Фундаментальные исследования ОБН РАН «Генетические основы управления биологическими ресурсами». Тема: «Отечественные породы и популяции сельскохозяйственных животных — как ценные генетические ресурсы» 4. Разработка генетических основ сохранения биоразнообразия. Тема: «Генетическое разнообразие сельскохозяйственных животных» 5. Динамика генофондов растений, животных и человека. Тема: «ДНК-мониторинг генофондов и популяций животных в связи с задачами селекции и изучением филогении» 6. «Создание биотехнологических тест-систем для использования в программах по оздоровлению крупного рогатого скота в отношении лейкоза и улучшения качества молока» 7. «Генетический мониторинг аборигенных пород доместицированных животных России». 8. Программы «Старт 06». 9. Подпрограммы «Генофонды и генетическое разнообразие» программы Президиума РАН «Биологические разнообразие». 10. Гранта поддержки ведущих научных школ (школа И.А. Захарова-Гезехуса — НШ-10122.2006.4). 11. Госконтракг № 02.740.11.0281 от 07.07.2009 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Объем и структура работы.

Заключение диссертации по теме «Генетика», Столповский, Юрий Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных исследований предлагается концепция и принципы генетического мониторинга для сохранения отечественных пород сельскохозяйственных видов животных.

Предлагаемая нами концепция генетического мониторинга генофондов доместицированных видов основана на семи взаимосвязанных блоках и включает в себя: фенетический, биохимический, цитогенетический, молекулярный, зоотехнический, ветеринарный и математический методы оценки генофондной изменчивости. Мониторинг генофондов сельскохозяйственных видов должен отвечать трем основным требованиям. Во-первых, способствовать сохранению качественного разнообразия и структуры генофондов пород (популяций). Во-вторых, иметь дело с генетическими системами, данные по изменчивости которых можно использовать при подборе генотипов таким образом, чтобы добиться их репрезентативности при минимальной численности. В-третьих, методы мониторинга должны дополнять друг друга, сочетать в себе относительную простоту и воспроизводимость с наибольшей результативностью.

Мониторинг (от латинского слова monitor — напоминающий, надзирающий) — система наблюдений, оценки и прогноза состояния различного рода процессов, происходящих в разных сферах: от биологии до социологии. В нашем случае речь идет о генетическом мониторинге, который является частью биологического или экологического мониторинга. Основными объектами биологического мониторинга являются популяция, вид, экосистема, биосфера. С помощью генетического мониторинга отслеживают меж- и вну-трипопуляционные генные потоки. Специфика мониторинга при сохранении пород доместицированных видов заключается в том, что объектом долговременного контроля являются внутри- и межпородное генетическое разнообразие, оценка и прогнозирование его динамики, определение оптимума и пределов допустимых изменений. Генетический полиморфизм (фенов, структурных генов, полилокусных последовательностей ДНК, хромосомных и геномных мутаций) маркирует генетическую структуру породы и тем самым становится генетическим ориентиром при сохранении генофонда редких и исчезающих пород.

При общепризнанном мнении, что мониторинг особенно важно проводить в малочисленных стадах или в тех популяциях, где одна порода замещается другой, принципы такого рода исследований нельзя считать достаточно разработанными. На наш взгляд, определение основных положений, элементов, структуры, методов генетического мониторинга должно стать ключевым звеном в программах по сохранению и улучшению генофонда одомашненных животных.

При сохранении пород in situ основная задача состоит в том, чтобы сохранить специфические генные комплексы или сбалансированную систему генов, которые обуславливают фенотипические породные характеристики, связанные с экстерьерными особенностями, продуктивностью, жизнеспособностью, резистентностью животных. Именно вышеперечисленные особенности, отличающие местные породы от широко распространенных импортных пород, необходимо сохранять в генофондных хозяйствах.

Очевидно, что без тщательного контроля, систематического наблюдения, разработки методов прогноза за состоянием генофонда пород невозможно смоделировать процесс разведения и выбрать оптимальную программу сохранения in situ редких исчезающих и малочисленных пород животных. Для этого необходимы четкие критерии и эффективные средства оценки. Генетический мониторинг может носить локальный характер, то есть исследование конкретных стад, популяций в породе, или иметь глобальную задачу, когда контролируется все породное разнообразие региона, страны.

Предлагаемая нами концепция генетического мониторинга для генофондных (редких и исчезающих) пород и породного разнообразия в целом основана на семи блоках, тесно связанных между собой и образующих единую многоуровневую систему контроля, наблюдения, прогнозирования и в дальнейшем на основе полученных данных, управления процессом сохранения (рис. 74).

Рисунок 74. Концепция и принципы генетического мониторинга для гено-фондных животных

Первый блок — это мониторинг фенов и структурных генов. Феиетиче-ский метод подразумевает выявление и контроль за генетически детерминированными дискретными (альтернативными) признаками (фенами) (Тимофеев-Ресовский др., 1973; Яблоков и др., 1988). У сельскохозяйственных животных можно перечислить десятки дискретных вариаций признаков, контролируя которые возможно поддержание уникальности генофонда породы в широком диапазоне морфологической изменчивости, что соответствует решению задачи сохранения и поддержания генетического разнообразия в популяциях домашних животных (Столповский, 1997).

Структурные гены несут информацию о последовательности аминокислот в белковой молекуле. Одомашненные виды обладают достаточно высоким полиморфизмом по структурным генам. Оценка полиморфизма электрофоре-тических вариантов белков и ферментов, а также эритроцитарных антигенов позволяет оценить их распределение и установить вовлеченность в эволюцию пород, проводить индивидуальную паспортизацию, выводить генетически маркированные линии и контролировать происхождение животных. Сочетание им-муногенетической оценки генетического сходства между особями с анализом их генотипов повышает эффективность селекционной работы-(Максименко и др., 2005). Более того, исследования белкового полиморфизма различных пород показало, что с их помощью можно определить пространственную и временную подразделенность генетической структуры популяций, а также ее дифференциацию между коммерческими и местными породами (Глазко и др., 1996, 2000). Генотипирование моногенных локусов, с известной иммунной и биохимической функцией, позволяет выявлять пути межпородных взаимодействий в процессах их распространения и преобразования.

Второй блок — мониторинг генофонда с помощью ДНК-маркеров, которые можно разделить на два класса: монолокусные (STMS, SNP, SSCP) и мультилокусные (RAPD, AFLP, ISSR) маркеры. Микросателлиты STMS (Sequence Tagged Microsatellite Site) относятся к диспергированным тандемно-повторяющимся последовательностям (ди-, три- и тетрануклеотидам). По многочисленным микросателлитным локусам в геномах доместицированных видов выявлен высокий уровень полиморфизма, что позволило ISAG (International Society for Animal Genetics) рекомендовать их для индивидуального генотипи-рования и паспортизации пород крупного рогатого скота, лошадей и т.п. (Сули-мова, 1993).

Мультилокусные маркеры основаны на полимеразной цепной реакции с применением одного короткого праймера с произвольной последовательностью (RAPD — Randomly amplified polymorphic DNA и ее аналогов), праймеров с искусственно добавленными последовательностями (AFLP —Amplified fragment length polymorphism) или праймеров, комплементарных к повторяющимся элементам генома, таким как микросателлиты (ISSR — Inter-simple-sequence-repeats). Среди перечисленных типов маркеров наиболее привлекателен метод ISSR-анализа. Для создания ISSR-маркеров не требуется предварительного знания нуклеотидной последовательности исследуемой ДНК, что важно для малоизученных видов. Полученные паттерны ПЦР-продуктов как правило видо- и (что очень важно) породоспецифичны. Сравнительные исследования полило-кусных спектров фрагментов ДНК, фланкированных участками микросател-литных локусов (ISSR-PCR) привели к выделению групп маркеров, которые могут использоваться для описания «генофондного стандарта», «генофондного профиля», «породоспецифического паттерна» и «генетического оптимума» сохраняемых in situ пород (Столповский и др., 2010). Очевидно, что полилокус-ность маркеров ISSR-PCR удобна и, по-видимому, незаменима при межгеномных сравнениях.

Третий блок — мониторинг главных генов количественных признаков (Quantitive Trait Loci). Поиск генов, ассоциированных с продуктивностью, типирование известных генов, таких как: каппа и бета — казенны {CSN1,2), пролактин (PRL), альфа-лактальбумин (LALBA), гормон роста (GH), CAST (гены кальпаинов, контролирующее нежность мяса у КРС), CAPN3 (ген, связанный с регенерацией мышц у овец), FABP (ген, оказывающий влияние на сальные характеристики у свиней), CREB (фактор регуляции транскрипции, участвующий в адипогенезе), PPARA (рецептор, контролирующий внутриклеточный липидный метаболизм), PKAG3 (ген ассоциирован с содержанием гликогена в мышцах свиней), ген RYR-J — стресс-синдром у свиней (PSS) и др. Сюда же могут быть причислены гены иммунного ответа, такие как Bola DRB3, которые связаны с устойчивостью КРС к конкретным заболеваниям и общей резистентностью организма (Сулимова и др., 1995, Моисеева и др., 2006, FAO, 2007).

Четвертый блок — мониторинг генных и хромосомных мутаций. В международный список летальных дефектов у КРС занесено около 50 аномалий, большинство из которых обусловлены рецессивными мутантными генами. В целом, сужение внутрипородной изменчивости среди доместицированных видов за счет доминирования нескольких заводских пород приводит к стремительному распространению мутаций, возникающих у отдельных высокопродуктивных животных. Глобальное перемещение генофондов коммерческих пород (например, КРС), их интродукция в различные регионы требуют постоянного мониторинга таких мутаций как: BLAD (дефицит лейкоцитарной адгезии), Mulefoot (мулье копыто), Dumps (дефицит уридинмонофосфатсинтазы), С FM (комплексный порок позвоночника), Citrullinaemia (Цитрулинэмия) и др., а также скрининг классических робертсоновских транслокаций (например, 1/29), связанных с воспроизводительными функциями и жизнеспособностью. В то же время, известна мутация гена миостатина — nt821(delll), связанная с формированием мышечной массы, приводящая к феномену «двойной мускулатуры». У овец, также как и у крупного рогатого скота, выявлено несколько мутаций, связанных с увеличением мышечной массы, в частности, аутосомная мутация CLPG (calli pyge в переводе «прекрасные ягодицы»).

Пятый блок — мониторинг ветеринарных и зоотехнических параметров, подразумевает систему наблюдений за заболеваниями, анализ морфометриче-ских характеристик (экстерьера), хозяйственно-ценных признаков и их динамики, численность животных и качество поголовья. Возможно использование линейных методов оценки производителей по качеству потомства для получения несмещенных оценок и повышения темпов генетического улучшения породы по экономически ценным признакам (BLUP — метод) (Катков и др., 2001). Основная цель зоотехнического мониторинга — выделить уникальные свойства продуктивности той или иной породы и сохранять их в поколениях. С точки зрения ветеринарии — диагностика и отбор устойчивых к эпизоотиям особей на основе ветеринарных тестов, а также выявление основ резистентности местных пород к целому ряду заболеваний.

Генетический мониторинг взаимосвязан с математическим и компьютерным методами. Современный пакет компьютерных программ позволяет работать с большим объемом информации (данных, характеристик) и предоставляет возможность достаточно быстро рассчитывать коэффициенты инбридинга, эффективный размер популяции, проводить кластерный анализ, определять нарушения генетического равновесия, генетические дистанции, дивергенцию, оценивать процесс взаимодействия между генофондами внутри и между породами. Поэтому математический и компьютерный анализы являются неотъемлемой частью мониторинга, или шестым блоком, аккумулирующим систему наблюдения и контроля над сохранением in situ пород доместицируемых животных.

Седьмой блок — метод планирования или моделирования процесса разведения, обоснование и выбор оптимальной стратегии сохранения in situ. На основе полученных данных комплексного наблюдения за исследуемой популяцией, породой можно принимать аргументированные решения по статусу, сохранению как отдельных животных, так и породы в целом. И, главное, на научной основе создавать программы сохранения и сформулировать понятия генофондная ценность» особи, популяции, породы.

В генетическом мониторинге важную роль играет наличие системы ге-нофондных хозяйств, которая в настоящее время очень медленно, но формируется на территории Российской Федерации. Сегодня около 80 хозяйств имеют федеральный статус «генофондных», это очень мало для нашей страны. По нашему мнению для того, чтобы решить вопрос сохранения собственных генетических ресурсов в животноводстве, таких хозяйств должно быть от 600 до 1000. Наш расчет базируется на наличии российских селекционных достижений в государственном реестре РФ, где на 1.01.08 г. было зарегистрировано 198 отечественных пород среди 33-х одомашненных видов. Для полноценного сохранения и разведения породы необходимо 3-5 хозяйств, объединенных единой системой сохранения, селекционным планом и находящихся под систематическим контролем с помощью унифицированных и эффективных методов генетического мониторинга. Генофонд местных пород — это важнейший ресурс для настоящей и будущей селекции, который тесно связан с генетической и продовольственной безопасностью.

Предложенная концепция генетического мониторинга для сохранения in situ пород доместицированных видов животных аккумулирует в себе известные на сегодняшний день основные генетические инструменты, способные выявлять как генетические аномалии, так и большое количество генетических маркеров с различными функциями. Это, безусловно, будет стимулировать развитие так называемой «маркер опосредованной селекции» в животноводстве, когда селекционер может отбирать животных не только по фенотипу, но и по генотипу, анализируя молекулы ДНК, их полиморфизм и конкретные гены. Сек-венирование геномов основных доместицируемых видов позволяет надеяться, что генетический мониторинг развивается или скоро обогатится методами относительно нового направления генетики — геномики, которое изучает геном, индивидуальные гены и их экспрессию.

Генетический мониторинг позволяет сделать обоснованный выбор и получить так называемый «первый срез», а затем определить оптимум и пределы допустимых изменений. В дальнейшем накопленные знания по структурным генам, полилокусным спектрам ампликонов ДНК, мутационной изменчивости и т.п. у редких и исчезающих пород могут стать незаменимыми источниками информации для фундаментальных геногеографических исследований и при выборе генетических стратегий как для программ по сохранению пород, так и для создания новых селекционных достижений с определенными признаками.

Выполненные нами исследования позволяют сделать следующее заключение о наиболее важных и приоритетных направлениях действий на федеральном уровне для последовательной реализации стратегии сохранения «культурного биоразнообразия» России.

Сохранение и рациональное использование отечественного генофонда возможно при наличии федеральной политики или национальной стратегии и плана действий по сохранению «культурного» биоразнообразия, которых на сегодняшний день в России нет. Для реализации этой политики необходимы разработка, утверждение и исполнение комплекса научных исследований, организационно-хозяйственных и правовых мер, выделение материально-технических и финансовых средств.

России необходима национальная доктрина по сохранению «культурного» биоразнообразия. Необходима государственная программа, где найдут свое отражение стандартизированные руководящие принципы для каждого вида домашних животных по идентификации, научно-исследовательские проекты, контроль за сохранением ex situ и in situ, системы получения, анализа и хранения данных, создание банка информации, генов, эмбрионов, ДНК, любого другого биологического материала, межрегиональная и межведомственная координация и взаимодействие, пропаганда на местном и федеральном уровнях идеологии сохранения биоразнообразия, источники финансирования.

В связи с этим, возможно, потребуется создание новых государственных и общественных организаций, которые будут поддерживать целевую активность по решению проблем сохранения биоразнообразия. Эти структуры должны осуществлять связь с правительственными и неправительственными организациями так же, как и со сторонними организациями, работающими над проблемой генетических ресурсов животных внутри России и за ее пределами. Новые организации должны включать в себя криогенные банки генетического материала, банки генетических данных по животным, и активно способствовать созданию на территории России региональных историко-культурных центров агропарков) по сохранению агробиоразнообразия, что приведет к развитию эффективной партнерской сети из региональных экспертов, производителей и сформирует устойчивый рынок органических продуктов.

Необходимы программы обучения национальных кадров для выполнения различных задач, включая обучение аспектам генетики и менеджмента в животноводстве, разработку соответствующих планов создания, сохранения, рационального использования пород, приемы размножения, обработку данных, взятия образцов у животных-доноров, обработку спермы и эмбрионов, контроль состояния здоровья животных.

Учитывая вышеизложенное, предстоит решить следующие задачи:

• разработать законодательные акты, обеспечивающие сохранение традиционных методов природопользования, агроландшафтов, пород и сортов растений в историко-экологических центрах земледелия и животноводства;

• разработать и применить принципы комплексной инвентаризации генетического разнообразия ценных локальных пород для выработки стратегии и тактики использования и сохранения их геноресурсов;

• осуществить правильный (объективный) выбор видов, пород для сохранения;

• разработать генетические принципы мобилизации генетических ресурсов и осуществить сбор биологических образцов от наиболее ценных пород, породных групп на территории Российской Федерации;

• разработать комплексные системы наблюдения (мониторинг) или долговременное слежение за состоянием популяционных генофондов (внутри и межпородного и видового генетического разнообразия);

• провести оценку и прогнозирование динамики генофондов доместициро-ванных видов во времени и в пространстве;

• разработать и применить экспресс-методы комплексного изучения фено-типического разнообразия и выявить наиболее значимые центры разведения объектов «культурного» биоразпообразия;

• выявить геногеографические закономерности изменчивости, и характер наследования хозяйственно-полезных признаков;

• провести анализ структуры генофонда домашних животных по основным видам сельскохозяйственных животных;

• разработать программы по сохранению (управлению) генетических ресурсов домашних животных — in situ с учетом их биологических особенностей и зависимости от региональной специфики;

• разработать новые технологии надежного долговременного сохранения генетических ресурсов «культурного» биоразнообразия на основе создания криогенных банков, генотек (клонотек) — ex situ.

• создать федеральный информационный банк о генетических ресурсах «культурного» биоразнообразия (ценного для сельского хозяйства России), создать российскую информационную систему, которая войдет в глобальную информационную систему (Domestic Animal Genetic Diversity — DAD-IS) или сеть уникальных баз данных, охватывающих глобальную инвентаризацию, данные мониторинга ресурсов видов, пород, генобанков, организаций.

Формулируя наши предложения в области сохранения и исследования генофондов домашних животных или «культурного» биоразнообразия, мы понимали, что для их эффективной реализации необходимо решение целого ряда важных вопросов: от источников финансирования, экономического обоснования до создания и оптимизации законодательной базы сохранения генетических ресурсов. В нашей работе мы предложили пути для решения двух фундаментальных задач. Первая — создание научной базы для популяционно-генетического обоснования программ сохранения и мониторинга ресурсами генофондов доме-стицированных видов. Вторая — создание организационных основ для долгосрочной программы по устойчивому использованию и управлению российскими генетическими ресурсами сельскохозяйственных животных.

Список литературы диссертационного исследования доктор биологических наук Столповский, Юрий Анатольевич, 2010 год

1. Адамец Л. Общая зоотехния. Сельхозгиз, Москва-Ленинград, 1933. 531 с.

2. Айала Ф. Введение в популяционную и эволюционную генетику. М.: Изд-во Мир, 1984. 230 с.

3. Алексанян С. М. Агробиоразнообразие и геополитика. СПб.: РАСХН. ВНИИР им. Н. И. Вавилова, 2002. 360 с.

4. Алексанян С. М. Государство и биоресурсы. СПб.: РАСХН. ВНИИР им. Н.И. Вавилова, 2003. 177 с.

5. Алтухов Ю.П. Внутривидовое генетическое разнообразие: мониторинг и принципы сохранения. // Генетика. 1995. Т. 31, № 10. С. 1333-1357.

6. Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях. 2-е изд. М.: Наука, 1989. 328 с.

7. Алтухов Ю.П., Захаров И.А., Столповский Ю.А. и др. Динамика популя-ционных генофондов животных / В кн. «Динамика популяционных генофондов при антропогенных воздействиях» / под ред. академика РАН Ю.П. Алтухова. М.: Наука, 2004. С. 110-294.

8. Алтухов Ю.П., Корочкин Л.И., Рычков Ю.Г. Наследственное биохимическое разнообразие в процессах эволюции и индивидуального развития // Генетика. 1996. Т. 32, № 6. С. 1450-1473

9. Алтухов Ю.П., Рычков Ю.Г. Популяционные системы и их структурные компоненты. Генетическая стабильность и изменчивость // Журнал общей биологии. 1970. Т. XXXI. № 5. С. 507-526.

10. Алтухов Ю.П., Салменкова Е.А. Полиморфизм ДНК в популяционной генетике // Генетика. 2002. Т. 38, № 9. С. 1173-1195.

11. Алтухов Ю.П., Салменкова Е.А., Курбатова О.Л. и др. Динамика популяционных генофондов при антропогенных воздействиях / Под ред. Ю.П. Алтухова. М.: Наука, 2004. 618 с.

12. Алтухов Ю.П., Салменкова Е.А., Рябова Е.А. и др. Факторы дифференциации и интеграции генетической структуры системы субпопуляций нерки в озере Азабачьем (р. Камчатка) // Журн. Обш. Биологии. 1983. Т. 44, № 3. С. 316-331

13. Аржанкова Ю.В. Изучение дерматоглифов носогубного зеркала у молочных пород скота в связи с продуктивностью и происхождением / дисс. Канд. с\х наук. Великие Луки. 2002. 129 с.

14. Банникова Л.В., Зубарева Л.А. Генетическая структура некоторых аборигенных и заводский пород крупного рогатого скота (Воз 1аигиз) Евразии // Генетика. 1995. Т. 31, № 5. С. 697-708

15. Беляев Д.К. Проблемы и перспективы исследований по генетике и селекции животных // Генетика. 1987. Т. 23, № 6. С. 937-946.

16. Бердичевский Н.С., Машуров А.М., Сороковой П.Ф. и др. Проблема учета аллелофонда популяций сельскохозяйственных животных. Сообщ. IV. Генетическая характеристика скота пинцгау СССР по антигенам эритроцитов // Генетика. 1985. Т. 21, № 8. С. 1346-1351.

17. Боголюбский С.Н. Происхождение и преобразование домашних животных. М. Советская наука, 1959. 593 с.

18. Боронникова C.B. Молекулярно-генетический анализ генофондов редких и исчезающих видов растений Пермского края. Афтореф. докт. дисс. Уфа. 2009.

19. Браунер A.A. (ред.) Животноводство: История животноводства в степной Украине. Одесса.: Всеукр. Госиздат, 1922. 341 с.

20. Букаров Н.Г. Использование полиморфизма антигенов эритроцитов и Главного комплекса тканевой совместимости в разведении и совершенствовании крупного рогатого скота // Дис. докт. биол. наук. Дубровицы. 1995. 300 с.

21. Вавилов Н.И. Селекция как наука. Теоретические основы селекции растений. М.-Л:: 1935.

22. Вавилов Н.И. Избранные труды. M.-JL: 1965.

23. Васин Б. Н. Генетика овец. В 4-х кн. М.: 1928-1932.

24. Вепринцев Б.Н., Ротт H.H. Стратегия сохранения животного и растительного мира земли // Консервация генетических ресурсов. Пущино, 1991. С. 5-18

25. Веревочкин П.С., Едренин H.H. РГммуногенетика в селекции КРС. Куйбышев. 1988. 102 с.

26. Габидулин Э.М., Пилипчук Н.И. Лекции по теории информации. М.: МФТИ, 2007. 214 с.

27. Гайдышева В.Д. Эффективность гибридизации яков с шортгорном pi симментальским скотом Горного Алтая. Автореферат дисс. Канд. с.-х. наук. Фрунзе, 1968. 18 с.

28. Глазко В.И. Биохимическая генетика овец. Новосибирск.: Наука, 1985. 167 с.

29. Глазко В.И. Генетика изоферментов сельскохозяйственных животных. М.: ВИНИТИ, 1988. 212 с.

30. Глазко В.И. Амбросьева Е.Д., Подоба Б.Е., Созинов A.A. Сравнительный анализ изменчивости различных генетико-биохимических систем у сельскохозяйственных животных // Цитология pi генетика. 1992. №3. С. 40-48.

31. Глазко В.И., Созинов И.А. Генетика изоферментов животных и растений. Киев: Урожай, 1993. 568 с.34.