Оценка современного состояния генофонда холмогорской и чернопестрой пород крупного рогатого скота на основе полногеномного SNP-анализа

Сохранение генофонда отечественных пород крупного рогатого скота является важной задачей для обеспечения продовольственной безопасности населения. В последние годы в Российской Федерации местные популяции скота либо замещаются высокопродуктивными импортными породами, либо происходит их метизация, в результате которой от исходной породы остается лишь незначительная часть генов. Целью нашей рабо ты было выявление генетических различий между популяциями холмогорского и черно-пестрого скота с разной степенью кровности по голштинской породе. Нами выполнен анализ полногеномных SNP-профилей (SNP – однонуклеотидный полиморфизм) животных вышеуказанных пород. Холмогорская была подразделена на три группы: чистопородные (KHLM, n = 3), голштинизированные (KHLM-HLST, n = 4) и представители старого типа (KHLM-INTA, n = 15); черно-пестрая – на четыре группы: чистопородные (BLWT, n = 9), с долей кров ности голштинского скота от 6 до 25 % (BLWT-75, n = 8), от 80 до 99 % (BLWT-HLST, n = 10) и представленные архивными об разцами 1970–1980-х гг. (BLWT-OLD, n = 15). В качестве группы сравнения были использованы животные голштинской породы (HLST, n = 27). Обработку данных и расчеты проводили в программах PLINK 1.07, Admixture 1.3, SplitsTree 4.14.6 и R пакет StAMMP. После проведения контроля качества для анализа были отобраны 29 688 SNP. Многомерное шкалирование (MDS), кластерный анализ и дендрограмма, построенная по методу «сеть соседей» (Neighbor-Net), выявили наличие трех кластеров, относящихся к холмогорской, черно-пестрой и голштинской породам. В первый попали KHLM и KHLM-INTA, во второй – BLWT и BLWT-OLD, в третий – HLST, KHLM-HLST и BLWT-HLST. Образцы, относящиеся к группе BLWT-75, заняли промежуточное положение между HLST и BLWT. Таким образом, наши результаты показали, что в настоящее время сохранились популяции с уникальными генотипами отечественных пород, которые необходимо сохранять. Популяции животных, голштинизированные на 80 % и более, нельзя рассматривать в качестве холмогорской и черно-пестрой пород, правильнее их относить к голштинской породе отечественной селекции. 

1. Alexander D.H., Novembre J., Lange K. Fast model-based estimation of ancestry in unrelated individuals. Genome Res. 2009;19:1655-1664. https://doi.org/10.1101/gr.094052.109.

2. Baranov A.V. Problems of biodiversity conservation in animal husbandry. Dostizheniya Nauki i Tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AIC. 2011;9:21-22. (in Russian)

3. Decker J.E., Pires J.C., Contant G.C., McKay S.D., Heaton M.P., Chen K., Cooper A., Vilkki J., Seabury C.M., Caetano A.R., Johnson G.S., Brenneman R.A., Hanotte O., Eggert L.S., Wiener P., Kim J.-J., Kim K.S., Sonstegard T.S., VanTassell C.P., Neibergs H.L., McEwan J.C., Brauning R., Coutinho L.L., Babar M.E., Wilson G.A., McClure M.C., Rolf M.M., Kim J.W., Schnabel R.D., Taylor J.F. Resolving the evolution of extant and extinct ruminants with high-throughput phylogenomics. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009;106(44):18644-18649. https://doi.org/10.1073/pnas.0904691106.

4. Dmitriev N.G. Cattle Breeds in the World. Leningrad: Spra vochnaya Kniga Publ., 1978. (in Russian) Dmitriev N.G., Paronyan I.A. Genetic Resources of Farm Animals in Russia and Neighboring Countries. St. Petersburg, 1994. (in Russian)

5. Elsik C.G., Bovine Genome Sequencing and Analysis Consortium. The genome sequence of taurine cattle: A window to ruminant biology and evolution. Science. 2009;324(5926):522-528. https://doi.org/10.1126/science.1169588.

6. Ernst L.K., Beguchev A.P., Levantin D.L. Livestock Husbandry. Moscow: Kolos Publ., 1977. (in Russian)

7. Francis R.M. POPHELPER: an R package and web app to analyse and visualize population structure. Mol. Ecol. Resour. 2017;17:27-32. https://doi.org/10.1111/1755-0998.12509.

8. Huson D.H., Bryant D. Application of phylogenetic networks in evolutionary studies. Mol. Biol. Evol. 2006;23:254-267. https://doi.org/10.1093/molbev/msj030.

9. Kalantar A.A. The fate of the “Russian” cattle. Puti Sel’skogo Hozyajstva = Paths of Farming. 1927a;10:181-190. (in Russian)

10. Kalantar A.A. The fate of the “Russian” cattle. Puti Sel’skogo Hozyajstva = Paths of Farming. 1927b;11:100-108. (in Russian)

11. Kuehn L.A., Keele J.W., Bennett G.L., McDaneld T.G., Smith T.P., Snelling W.M., Sonstegard T.S., Thallman R.M. Predicting breed composition using breed frequencies of 50,000 markers from the US Meat Animal Research Center 2,000 Bull Project. J. Anim. Sci. 2011;89(6):1742-1750. https://doi.org/10.2527/jas.2010-3530.

12. Kuznetsov A.F. (Ed.) Cattle: Maintenance, Feeding, Diseases: Diagnosis and Treatment. St. Petersburg: Lan’ Publ., 2016. (in Russian)

13. Matyukov V.S., Tyrina Yu.O., Kantanen Yu., Stolpovskiy Yu.A. On features and the selective value of the gene pool in local cattle by the example of the Kholmogory breed. Selskokhozyaystvennaya Biologiya = Agricultural Biology. 2013;2:19-30. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2013.2.19eng (in Russian)

14. Matyukov V.S., Zharikov Ya.A. Methods of Modern Breeding and Preservation of the Gene Pool of Dairy Cattle in the Komi Republic (Recommendations for optimizing the use and conservation of the gene pool of Kholmogor cattle). Syktyvkar, 2012. (in Russian)

15. Matyukov V.S., Zharikov Ya.A., Zinovieva N.A. The genetic history and value of the gene pool of the endangered Kholmogory breed. Molochnoe i Myasnoe Skotovodstvo = Dairy and Beef Cattle Farming. 2018;2:2-8. https://doi.org/10.25632/MMS.2018.2.13747. (in Russian)

16. McTavish E.J., Decker J.E., Schnabel R.D., Taylor J.F., Hillis D.M. New World cattle show ancestry from multiple independent domestication events. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013;110(15):E1398-E1406. https://doi.org/10.1073/pnas.1303367110.

17. Pembleton L.W., Cogan N.O., Forster J.W. StAMPP: an R package for calculation of genetic differentiation and structure of mixedploidy level populations. Mol. Ecol. Resour. 2013;13:946-952. https://doi.org/10.1111/1755-0998.12129.

18. Purcell S., Neale B., Todd-Brown K., Thomas L., Ferreira M.A., Ben der D., Maller J., Sklar P., de Bakker P.I.W., Daly M.J., Sham P.C. PLINK: a tool set for whole-genome association and population-based linkage analyses. Am. J. Hum. Genet. 2007;81:559-575. https://doi.org/10.1086/519795.

19. R Core Team. R: a language and environment for statistical computing. R Foundation for statistical computing. Vienna, Austria, 2012. http://www.Rproject.org.

20. Rukhlova T.A., Yaluga V.L., Prozherin V.P. The “Northern” intrabreed type of Kholmogory cattle. Farm Animals. 2014;2(6):4855. (in Russian)

21. Saksa E.I., Barsukova O.E. Breeding and genetic characterization of highly productive holsteinized black-and-white cattle in the Leningrad region. Molochnoe i Myasnoe Skotovod - stvo = Dairy and Beef Cattle Farming. 2013;6:11-15. (in Russian)

22. Sermyagin A.A., Dotsev A.V., Gladyr E.A., Traspov A.A., Deniskova T.E., Kostyunina O.V., Reyer H., Wimmers K., Barbato M., Paronyan I.A., Plemyashov K.V., Sölkner J., Popov R.G., Brem G., Zi novieva N.A. Whole-genome SNP analysis elucidates the genetic structure of Russian cattle and its relationship with Eurasian taurine breeds. Genet. Sel. Evol. 2018;50:37. https://doi.org/10.1186/s12711-018-0408-8.

23. Vereshchagin N. Reply to Mr. Polto ra tskiy’s story “On the improvement of cattle breeding in Russia”. Vestnik Russkogo Sel’skogo Khozyaystva = Herald of Russian Farming. 1889;8:657-662. (in Russian)

24. Wickham H. ggplot2: Elegant Graphics for Data Analysis. New York: Springer-Verlag, 2009. Yurchenko A., Yudin N., Aitnazarov R., Plyusnina A., Brukhin V., Soloshenko V., Lhasaranov B., Popov R., Paronyan I.A., Plemyashov K.V., Larkin D.M. Genome-wide genotyping uncovers genetic profiles and history of the Russian cattle breeds. Heredity. 2018; 120(2):125-137. https://doi.org/10.1038/s41437-017-0024-3.

25. Zimin A.V., Delcher A.L., Florea L., Kelley D.R., Schatz M.C., Puiu D., Hanrahan F., Pertea G., VanTassell C.P., Sonstegard T.S., Marçais G., Roberts M., Subramanian P., Yorke J.A., Salzberg S.L. A whole-genome assembly of the domestic cow, Bos taurus. Genome Biol. 2009;10(4):R42. https://doi.org/10.1186/gb-200910-4-r42.

26. Zinovieva N.A., Dotsev A.V., Sermyagin A.A., Wimmers K., Reyer H., Sölkner J., Deniskova T.E., Brem G. Study of the genetic diversity and population structure of five Russian cattle breeds by genome-wide SNP analysis. Selskokho zyaystvennaya Biologiya = Agricultural Biology. 2016;51(2):788-800. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2016.6.788eng.