Геномная селекция

The basis for the G-Genomic bulls of GGI is genomic selection. In the points below, you will learn a lot more about the aims, background and technique of genomic selection.

1. Что появилось нового?

Целью племенной работы в скотоводстве является изменение генетического фонда животных и улучшение их признаков. При этом речь идет не о манипуляциях с генами непосредственно самого животного. Средством изменения генофонда выступает селекция, которая использует фенотипическую (видимую) продуктивность в качестве главного индикатора для изменения этого признака на генетическом уровне. Идеальным вариантом была бы возможность «считывать» генетически заложенную продуктивность из соответствующей наследственной информации животного, без обходного пути учета второстепенных признаков фенотипа. Именно за счет использования геномного анализа для определения племенной ценности и благодаря селекции мы вплотную приближаемся к воплощению этой давней мечты.

Несмотря на то, что уже удалось расшифровать геном крупного рогатого скота, мы еще очень мало знаем об ответственности отдельных генов и механизме их воздействия на ряд изменяемых в рамках племенной работы признаков. При этом геномный анализ с целью определения племенной ценности проводится не на основе имеющейся информации о генах, а на основе генетических маркëров.

Усовершенствование этой новой технологии геномного анализа и использование его для определения племенной ценности крупного рогатого скота осуществлялись при поддержке Федерального Министерства образования и исследований (БМБФ) на финансовые средства фонда «ФУГАТО» 1 .


1 FUGATO (нем. Funktionelle Genomanalyse im Tierischen Organismus) – Функциональный геномный анализ организма животного

2. SNP-маркëр

В отношении используемых маркëров речь идет о так называемых SNP2 -маркëрах. Они состоят только из одного нуклеотида, и для каждого маркëра есть лишь два различных варианта последовательности в геноме представителей всей популяции. Каждое животное несет генетическую информацию в виде двойного набора хромосом - один от отца, другой от матери.

Следовательно, каждый маркëр одного животного может иметь три различных состояния: гомозиготное – аллели АА, гомозиготное – аллели ВВ и гетерозиготное АВ. Гетерозиготность означает, что животное унаследовало от отца и от матери различные аллели (варианты гена).


2 SNP (англ. Single Nucleotide Polymorphism) - однонуклеотидный полиморфизм

3. Маркëр-тест, типизация

В организме крупного рогатого скота обнаружены сотни тысяч подобных SNP-маркëров. Из них 54.001 равномерно распределены по всему геному, по всем хромосомам – именно с этих маркëров можно считывать генетическую информацию в рамках достаточно недорогого лабораторного исследования за один рабочий ход. Этот процесс называется «типизация». Единицу лабораторно-технического исследования, за которую тестируется 54.001 маркëр, называют «чип» или «54К-чип», чтобы указать число исследуемых маркëров.

Для типизации используется совсем небольшая доля генетического материала животного. Так как все клетки животного располагают наследственной информацией, для типизации можно использовать кровь (около 2 мл) или сперму (около 2 порций) животного. Из 30 корней волосков шерсти животного можно также получить достаточно генного материала для типизации. Однако, при использовании волосков шерсти повышается опасность примеси генетического материала других животных, что может исказить результаты теста.

В результате типизации образуется 54.001 маркëр с сочетанием аллелей АА, ВВ или АВ. 

4. От маркëра к геномной племенной ценности. «Учебная выборочная проба»

Как уже упоминалось, очень большое количество маркëров распределено по всему геному. В связи с этим исходят из предположения, что вблизи каждого гена, который влияет на выраженность /характеристики обрабатываемого в рамках племенной работы признака, находится как минимум один из тестируемых 54.001 маркëра. Это означает, что маркëр наследуется почти всегда вместе с соответствующим вариантом гена. Проблема состоит в том, что сами гены и их влияния нам неизвестны. Поэтому на первоначальном этапе для совершенствования технологии оценки племенной ценности животного с помощью его генетических маркëров необходимо привлекать данные по продуктивности животных предыдущих поколений.

Рисунок 1: Происхождение свыше 17.000 быков голштинской породы, участвующих в немецкой учебной выборочной пробе (март 2010). Проводимая в Германии «учебная выборочная проба» – самая широкомасштабная во всем мире и наилучшим образом структурирована:

DFS = Denmark Finland Sweden
DEU = Germany

Чтобы выяснить, какой SNP, другими словами какой маркëр, за какой признак отвечает, необходимо сначала сравнить образцы SNP с известными и достоверными генетическими характеристиками признака «продуктивность» отдельных животных. Этими животными с известной генетической продуктивностью и являются быки-производители, оцененные по качеству потомства. Сравнивая образцы SNP с генетическими характеристиками продуктивности у этих быков удается определить, какой SNP и в какой степени на какой признак влияет. Таким образом и выводятся рассчетные формулы геномной племенной ценности. Чем больше проверенных по качеству потомства быков используется для выведения конечной формулы, тем легче установить принадлежность отдельного SNP к определенному признаку и степень его влияния на изменение этого признака. Проверенные быки, генный материал которых используется в ходе геномного анализа, являются участниками так называемой «учебной выборочной пробы». Выведенные на основе данных этих быков геномные рассчетные формулы используются в дальнейшем для вычисления геномной племенной ценности других (более молодых) животных, по которым еще нет достоверной общепринятой информации по племенной ценности.

5. Достоверность

Достоверность геномных показателей племенной ценности зависит в первую очередь от масштабов и структуры «учебной выборочной пробы», а также от достоверности информации по племенной ценности оцененных по качеству потомства быков. Германия является ведущей страной по объему данных и достоверности систематически регистрируемых показателей племенной ценности по всем – в том числе функциональным – признакам животных. Кроме того, проводимая в Германии «учебная выборочная проба» является уникальной за счет обмена данными с тремя зарубежными партнерами – Францией, Скандинавией и Нидерландами. Ни одна «учебная выборочная проба» в мире не сравнится с немецкой по структуре, так как в ней используются данные всей современной генетики голштинской породы из Европы и Северной Америки. Геномные формулы способны с высокой достоверностью рассчитать племенную ценность молодых животных только в том случае, если их генетика (образцы SNP) наиболее широко представлена в «учебной выборочной пробе» с наибольшим количеством родственных животных (отец, отец матери, единокровные сестры и братья по отцовской линии). Следовательно, в ходе развития популяции животных «учебная выборочная проба» геномного анализа должна постоянно расширяться и обновляться.

Достоверность конечных показателей племенной ценности молодых животных, выведенных на основе геномных данных (типизация SNP), приведены в среднем столбце таблицы. При этом указанная достоверность является и реальной, так как по всем геномным расчетам уже была произведена корректировка на погрешность.

Рисунок 2: Достоверность геномных индексов племенной ценности в сравнении с достоверностью показателей племенной ценности по родословной

CEpat. = calving ease paternal
CEmat. = calving ease maternal 

6. Комбинированные (улучшенные) геномные индексы племенной ценности

Из ряда типизаций (образцов SNP) потом вычисляются прямые геномные индексы (пГИ) по всем признакам. Для всех животных с известным происхождением есть также дополнительная общепринятая информация по племенной ценности, т.е. как минимум – племенная ценность по родословной. Для того, чтобы в будущем по каждому животному имелся только один вид показателей племенной ценности с максимальным объемом и достоверностью информации – в конечном итоге публикуются не прямые геномные индексы, а улучшенные геномные индексы (уГИ). Эти показатели представляют собой комбинацию прямых геномных индексов и общепринятых индексов племенной ценности (по родословной).

Соотношение индексов (по родословной и геномного) при вычислении уГИ зависит от степени достоверности каждого из них. Например, для молодых животных учитываются следующие данные: из общепринятой информации берется только племенная ценность по родословной и в большей степени учитывается более достоверный прямой геномный индекс племенной ценности – в итоге ненадежные данные из родословной могут повысить достоверность улучшенного геномного индекса лишь на 3-5% (последний столбец таблицы). В случаях, когда общепринятый индекс племенной ценности достовернее за счет наличия информации о потомстве, он учитывается в большей степени при вычислении комбинированного улучшенного геномного индекса (уГИ). Поэтому комбинированные улучшенные геномные индексы проверенных по качеству потомства быков почти не отличаются от общепринятых (по родословной) индексов племенной ценности.

7. Какую информацию могут нам дать геномные показатели племенной ценности?

Реальная достоверность улучшенных геномных индексов племенной ценности молодых быков (75% достоверности по признаку «молочная продуктивность» и 50% по признаку «плодовитость дочерей») значительно выше достоверности, рассчитываемых ранее (по родословной) индексов племенной ценности проверяемых быков. Поэтому, с точки зрения геномного анализа, молодые быки с их официальными улучшенными геномными индексами (уГИ) племенной ценности сейчас формально классифицируются как оцененные быки, а проверяемых быков в их общепринятом смысле больше не существует.

Сравнение достоверности геномной племенной ценности с достоверностью показателей проверенных по качеству потомства быков-производителей дало следующие результаты: по высоконаследуемым признакам (продуктивность, экстерьер и здоровье вымени) лишь показатели быков, у которых проверялись только дочери по результатам первой лактации, демонстрируют более высокую достоверность, чем данные геномного анализа (рис. 3).

Рисунок 3: Достоверность улучшенных геномных индексов (уГИ) молодых быков в сравнении с достоверностью показателей по быкам, проверенным по качеству потомства

Несмотря на то, что рассчитываемая в Германии геномная племенная ценность за счет широкомасштабной «учебной выборочной пробы» (17.000 быков-участников), является самой надëжной в мире – в целом, по всему ряду признаков, геномные индексы племенной ценности все же менее надëжны, чем индексы быков, оцененных по качеству потомства. В связи с особым акцентом на функциональные признаки в последние годы выросло значение популярных быков-производителей с тысячами дочерей, так как эти быки демонстрируют достоверные показатели и по таким признакам, как «длительность хозяйствен¬ного использования» и «плодовитость дочерей». Реальная достоверность геномных индексов племенной ценности по этим функциональным признакам составляет пока около 50%, что является достаточно низким показателем. Следовательно, кому была недостаточной опубликованная информация по индексам племенной ценности, рассчитанной по первичным данным дочерей нового быка-производителя, тем не может быть альтернативой и оценка молодых быков только по геномному анализу.

С другой стороны молодое поколение быков, оцененных только по геномному анализу, открывает новые перспективы в племенной работе. При использовании этих молодых быков степень достоверности генетической информации всегда известна (хоть и не всегда высока), а риски можно снизить за счет использования большего количества этих быков. На данный момент еще нет международных стандартов и данных по расчетам достоверности геномных индексов племенной ценности. Несмотря на это, данные немецких геномных индексов племенной ценности реальны и по качеству расчетов являются ведущими в мире. Для верной оценки индексов племенной ценности в дальнейшем, наряду с немецкими геномными индексами племенной ценности будет предоставляться информация по продуктивности дочерей быков-производителей. Таким образом, у каждого клиента будет возможность объективного выбора подходящего быка-производителя – среди молодых бычков, проверенных только в рамках геномного анализа, проверяемых быков, по которым имеются актуальные данные по продуктивности потомства, и уже проверенных быков-производителей с большим количеством дочерей.