Оценка генетических взаимосвязей пород крупного рогатого скота черно-пестрого корня с предковыми популяциями на основе полногеномного SNP-генотипирования современных и музейных образцов

Промышленная революция XVIII-XIX века стимулировала процессы урбанизации и роста населения (1), в результате чего вырос спрос на продукты питания, который не мог удовлетворяться за счет бессистемного разведения малопродуктивных животных. В этот период началось формирование основных отечественных пород молочного скота — холмогорской и ярославской (2). В конце XIX века было организовано несколько экспедиций с целью систематизации и описания скота, разводимого в центральных и северных областях России (3). Однако точное происхождение холмогорской и ярославской пород остается предметом дискуссий. Так, предком ярославского скота считается северный великоросский скот. Он был хорошо приспособлен к холодным зимам и выживанию в условиях недостатка кормов. Предком холмогорской породы, вероятно, был скот, распространенный в верховьях Северной Двины (4).

Некоторые авторы указывают, что на формирование русских пород черно-пестрого корня (холмогорской, ярославской, черно-пестрой, исто-бенской, тагильской) мог оказать влияние голландский крупный рогатый скот (5). Другие исследователи полагают, что голландский скот внес незначительный вклад в генофонд вышеупомянутых пород (4, 6). В пользу последней гипотезы говорят данные о том, что хотя завоз иностранного скота с 1752 по 1819 год и имел место, крестьяне, получившие завезенных животных для разведения, стремились скорее избавиться от них из-за плохих воспроизводительных качеств. Кроме того, есть сведения, что продукция животноводства и живой скот вывозились с низовьев Северной Двины еще во времена Ивана Грозного (7). Исходя из записей таможенных книг, в начале XVIII века Поморье экспортировало сотни подвод с различными товарами, в числе которых упоминаются крупный рогатый скот, кожи и говяжье сало. По данным подворной переписи Архангельской губернии за 1785 год, в переписных книгах Холмогорской округи есть сведения, что крестьяне занимались откормом и продажей скота, а также о том, что в этой местности не было зарегистрировано потомков от гибридизации с иностранными породами (8). Изложенные факты позволяют предполагать малозначительный вклад зарубежных пород на ранних этапах формирования холмогорского скота. Тем не менее нельзя отрицать тот факт, что и холмогорский, и ярославский северный скот был достаточно разнотипным по экстерьерным показателям (упоминаются животные пестрой, красной, черной масти с различными отметинами) (3, 7, 9).

Работа по консолидации пород стала более эффективной в начале XX века с учреждением племенных книг. Однако с конца 1970-х годов в нашей стране проводились масштабные селекционные мероприятия по улучшению стад молочного скота посредством скрещивания с голштинской породой, что могло привести к существенному изменению аллелофонда локальных пород (10). В сложившейся ситуации включение в анализ музейных образцов позволяет прояснить историю создания и развития пород, а также оценить, сохранились ли в современных холмогорской и ярославской породах предковые компоненты. Сравнительные исследования современных 606

и предковых популяций черно-пестрого скота с использованием микроса-теллитных маркеров показали сохранение в геноме современных животных компонентов, свойственных музейным образцам (11). Однако микросателлиты обладают меньшей разрешающей способностью по сравнению с другими инструментами анализа. Согласно результатам молекулярно-генетических исследований с использованием разных типов ДНК-маркеров, современные российские локальные породы генетически отличаются от зарубежных пород крупного рогатого скота; а холмогорская и ярославская выделяются среди других российских пород (12, 13). С использованием ДНК-чипов высокой плотности было показано, что в холмогорской и ярославской породах обнаружена минимальная интрогрессия голштинских генетических компонентов (14).

В настоящей работе впервые описаны результаты анализа генетического разнообразия и структуры современного черно-пестрого скота в сравнении с предковыми популяциями с использованием ДНК-чипа высокой плотности, дана оценка влияния импортных пород на формирование генофонда холмогорского и ярославского скота в конце XIX—начале XX века.

Нашей целью был анализ генетических взаимосвязей между предковыми и современными популяциями крупного рогатого скота черно-пестрого корня, оценка доли предковых компонентов в современных породах, уточнение истории происхождения и развития холмогорской и ярославской пород крупного рогатого скота на основании данных генотипирования с использованием ДНК-чипа высокой плотности.

Методика. Материалом для исследования предковых популяций служили музейные экспонаты черепов крупного рогатого скота ( Bos taurus taurus ), датированные концом XIX—первой половиной XX века, из краниологической коллекции Музея животноводства им. Е.Ф. Лискуна (РГАУ—МСХА им. К.А. Тимирязева, г. Москва). В качестве групп сравнения использовали образцы современных пород, биологический материал которых депонирован в генетическом банке ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста.

Выделение и оценку качества ДНК музейных образцов проводили в лаборатории, оборудованной для работы с древней ДНК (15), с использованием набора COrDIS Extract DECALCINE (ООО «ГОРДИЗ», Россия) с некоторыми модификациями протокола выделения ДНК, рекомендуемого производителем (увеличено время лизиса и объем реактивов на один образец).

С помощью системы iScan («Illumina, Inc.», США) было проведено полногеномное генотипирование 68 музейных образцов черно-пестрого скота с использованием ДНК-чипа высокой плотности (Bovine GGP HD BeadChip, «Illumina, Inc.», США), содержащего около 150 тыс. SNPs. В связи с постмортальными изменениями качество ДНК для этих образцов было ниже, чем для современных. По этой причине часть музейных образцов, показавших низкие значения call-rate (доля генотипированных SNPs из всех, представленных на чипе), GenCall и GenTrain, характеризующих соответственно точность определения генетическим анализатором каждого аллеля в SNP и гомо- или гетерозиготность по каждому аллелю, были исключены из дальнейшего анализа.

Полученные SNP-генотипы использовали для формирования объединенного набора данных, включающего SNP-генотипы 31 музейного (холмогорская порода, H_KHLM, n = 17; ярославская порода, H_YRSL, n = 12; великоросский скот, H_GRUS, n = 1; остфризский скот, H_OFRZ, n = 1) и 132 современных образцов (ярославская порода, YRSL, n = 53; холмогорская порода, KHLM, n = 26; голштинская порода, HLST, n = 54).

С использованием программы PLINK (16) из общего набора данных последовательно были удалены образцы, имевшие менее 30 % успешно геноти-пированных SNPs (--mind 0,7), а также локусы, генотипированные менее чем у 90 % животных (--geno 0,1) или показавшие частоту минорного аллеля менее 5 % (--maf 0,05). Для некоторых типов анализа (оценка генетического разнообразия и структуры популяций) была проведена дополнительная фильтрация SNPs по параметру неравновесия по сцеплению (linkage disequilibrium, LD). Были удалены SNPs, для которых квадрат коэффициента корреляции (r2) между двумя соседними SNPs внутри скользящего окна из 50 SNP с шагом перекрытия в 5 SNP превышал 0,5 (--indep-pairwise 50 5 0.5). Кроме того, исключали SNPs, локализованные на половых хромосомах, а также с неизвестной локализацией в геноме (сборка генома крупного рогатого скота ARS_UMD 3.1.1, . В итоговый набор данных после всех фильтров вошло 67046 SNPs.

Для оценки генетического разнообразия в каждой породе были рассчитаны наблюдаемая (H O ) и несмещенная ожидаемая ( U H E ) гетерозиготность (17), коэффициент инбридинга ( U F IS ) (18), основанный на несмещенной ожидаемой гетерозиготности, и показатель аллельного разнообразия, скорректированный на размер выборки (A R ) (19) с использованием R-пакета diveRsity (20).

Генетические различия между изученными породами оценивали в PLINK v1.90 методом анализа главных компонент (PCA) с визуализацией с помощью R-пакета ggplot2 (21). Попарные дистанции для идентичных по состоянию (identical-by-state, IBS) фрагментов были использованы для построения дендрограммы «сеть соседей» в программе SplitsTree 4.14.5 (22). Попарные значения F ST (18) были рассчитаны в R-пакете diveRsity (20) и использовались для построения дендрограмм «сеть соседей» в программе SplitsTree 4.14.5 (22). Кластерную структуру популяций исследовали в программе ADMIXTURE v1.23 (23). Оптимальное число кластеров К было определено на основании наименьшей ошибки при процедуре перекрестной проверки, рассчитанной для значений К от 1 до 9. Визуализация результатов анализа была выполнена с использованием R пакета BIT» (24).

Для оценки наличия и степени интрогрессии между исследованными породами проводили расчет показателей D-статистики (25) и F4-статистики (26) с использованием R пакета admixr (27).

Для оценки D-статистики в группе популяций W, X и Y, соответствующих филогении (((W, X), Y) О), где О — аутгруппа, было рассчитано отношение предковых (аллель А ) и производных (аллель В ) аллелей, общих для W и Y ( BABA ) или X и Y ( ABBA ). Значительный избыток BABA или ABBA указывал на наличие адмиксии между популяциями соответственно W и Y или X и Y. В качестве аутгруппы использовали современные образцы якутской породы как группы, генетически удаленной от черно-пестрого скота. Мы провели несколько итераций расчетов, изменяя породу, принимаемую за Y. Все остальные породы последовательно принимались за W и X. На достоверное наличие адмиксии между парами пород указывало значение Z > |3|.

Для оценки доли предков в адмиксированных популяциях рассчитывали отношения F4 (26). Были протестированы варианты, когда в качестве интрогрессированной породы (Х), источника интрогрессии (B) и сестринских для них (С для Х и А для В) пород принимались разные сочетания современных и предковых популяций. Значения показателя α , отражающего долю предковых компонентов породы В в породе Х, считались достоверными при Z > |3|.

Для оценки степени дивергенции популяций и обмена генами между изученными породами применили программное обеспечение TreeMix 1.12 (28). В качестве аутгруппы при построении TreeMix дерева максимального правдоподобия (maximum likelihood, ML) использовали якутскую породу.

Результаты. Из 68 генотипированных музейных образцов только 31 прошел контроль качества и был пригоден для дальнейшего анализа (табл. 1). Возможной причиной «выпадения» значительного числа образцов может быть так называемая post mortem 5´-концевая деградация ДНК, описанная для археологических образцов возрастом 4000 лет и старше, которая обусловлена гидролитическим дезаминированием цитозина в урацил (29, 30). Принимая во внимание, что черепа в процессе подготовки к депонированию подвергались действию высоких температур и агрессивных растворов, процесс деградации ДНК мог происходить существенно быстрее. То есть невозможность включения образца в анализ при относительно высокой доле успешно генотипированных SNPs в нем связана с ошибочным определением системой iScan («Illumina, Inc.», США) генотипа в некоторых SNPs (цитозин, дезаминированный до урацила, определен как аденин) и избытком гомозигот в большом числе локусов.

• 1.    Результативность полногеномного генотипирования ДНК, выделенной из музейных образцов крупного рогатого скота ( Bos taurus taurus ) черно-пестрого корня, с использованием ДНК-чипа высокой плотности Bovine GGP HD BeadChip

• 2.    Параметры генетического разнообразия предковых и современных популяций крупного рогатого скота ( Bos taurus taurus ) черно-пестрого корня на основании данных полногеномного SNP-генотипирования с использованием ДНК-чипа Bovine GGP HD BeadChip

• 4.    Результаты анализа показателей D-статистики для предковых и современных популяций крупного рогатого скота ( Bos taurus taurus ) черно-пестрого корня на основании данных полногеномного SNP-генотипирования с использованием ДНК-чипа Bovine GGP HD BeadChip

  Итерация	W	X 1	Y	O	Z-score	BABA	ABBA
  I	H_YRSL	YRSL	H_GRUS	YAKUT	8,424	1055	960
  	H_YRSL	KHLM	H_GRUS	YAKUT	8,161	1057	968
  	H_YRSL	HLST	H_GRUS	YAKUT	7,756	1093	993
  	H_KHLM	KHLM	H_GRUS	YAKUT	6,792	989	935
  	H_KHLM	YRSL	H_GRUS	YAKUT	5,668	1027	966
  	H_KHLM	HLST	H_GRUS	YAKUT	5,581	1054	988
  	H_YRSL	H_KHLM	H_GRUS	YAKUT	3,862	977	943
  	H_OFRZ	HLST	H_GRUS	YAKUT	3,692	1169	1095
  	H_OFRZ	YRSL	H_GRUS	YAKUT	3,494	1151	1081
  	H_OFRZ	KHLM	H_GRUS	YAKUT	3,203	1142	1079
  II	H_YRSL	YRSL	H_OFRZ	YAKUT	34,277	1717	1276
  	H_YRSL	KHLM	H_OFRZ	YAKUT	28,952	1699	1309
  	H_YRSL	HLST	H_OFRZ	YAKUT	23,326	1729	1377
  	H_KHLM	KHLM	H_OFRZ	YAKUT	19,245	1503	1311
  	H_KHLM	YRSL	H_OFRZ	YAKUT	18,941	1579	1336
  	H_YRSL	H_KHLM	H_OFRZ	YAKUT	18,935	1534	1335
  	H_KHLM	HLST	H_OFRZ	YAKUT	11,638	1577	1424
  	H_YRSL	H_GRUS	H_OFRZ	YAKUT	10,907	1199	989
  	HLST	YRSL	H_OFRZ	YAKUT	6,608	1540	1451
  	H_GRUS	YRSL	H_OFRZ	YAKUT	4,461	1151	1062
  	H_KHLM	H_GRUS	H_OFRZ	YAKUT	4,056	1129	1052
  	KHLM	YRSL	H_OFRZ	YAKUT	4,053	1472	1421
  	HLST	KHLM	H_OFRZ	YAKUT	3,191	1500	1462

  				Продолжение таблицы 4
  III	H_OFRZ	YRSL	H_YRSL	YAKUT	24,702	1717	1319
  	H_OFRZ	HLST	H_YRSL	YAKUT	24,031	1729	1331
  	H_OFRZ	KHLM	H_YRSL	YAKUT	24,025	1699	1314
  	H_KHLM	KHLM	H_YRSL	YAKUT	21,988	1353	1195
  	H_KHLM	YRSL	H_YRSL	YAKUT	18,248	1408	1237
  	H_KHLM	HLST	H_YRSL	YAKUT	16,779	1438	1267
  	H_OFRZ	H_KHLM	H_YRSL	YAKUT	15,026	1534	1307
  	H_OFRZ	H_GRUS	H_YRSL	YAKUT	11,001	1199	1015
  	H_GRUS	HLST	H_YRSL	YAKUT	5,969	1093	1004
  	H_GRUS	YRSL	H_YRSL	YAKUT	5,806	1055	972
  	H_GRUS	KHLM	H_YRSL	YAKUT	5,593	1057	982
  IV	H_YRSL	YRSL	H_KHLM	YAKUT	17,331	1408	1241
  	KHLM	YRSL	H_KHLM	YAKUT	14,941	1376	1242
  	H_YRSL	HLST	H_KHLM	YAKUT	12,111	1438	1301
  	H_OFRZ	YRSL	H_KHLM	YAKUT	12,015	1579	1383
  	KHLM	HLST	H_KHLM	YAKUT	11,614	1382	1277
  	H_OFRZ	HLST	H_KHLM	YAKUT	10,482	1577	1412
  	H_OFRZ	H_GRUS	H_KHLM	YAKUT	5,396	1129	1043
  	H_YRSL	H_GRUS	H_KHLM	YAKUT	4,937	1006	943
  	KHLM	H_GRUS	H_KHLM	YAKUT	4,182	1045	989
  	H_OFRZ	KHLM	H_KHLM	YAKUT	3,944	1503	1442
  	H_YRSL	KHLM	H_KHLM	YAKUT	3,256	1353	1321
  	H_GRUS	YRSL	H_KHLM	YAKUT	3,145	1027	982
  	HLST	YRSL	H_KHLM	YAKUT	3,067	1354	1324
  V	KHLM	YRSL	HLST	YAKUT	5,99	1372	1312
  	KHLM	H_YRSL	HLST	YAKUT	5,367	1388	1333
  	H_KHLM	H_YRSL	HLST	YAKUT	4,33	1301	1267
  	H_KHLM	YRSL	HLST	YAKUT	4,187	1354	1314
  	KHLM	H_GRUS	HLST	YAKUT	3,996	1071	1013
  	H_OFRZ	H_YRSL	HLST	YAKUT	3,381	1377	1331
  	H_OFRZ	YRSL	HLST	YAKUT	3,096	1540	1488
  Примечани е. Предковые популяции:			H_KHLM —	холмогорская порода, H_YRSL — ярославская по-
  рода, H_	GRUS — великоросский скот, H		OFRZ — остфризский скот; современные популяции: HLST —

	Популяция	Всего генотипировано	Call-rate	Число гол. после QC
H_	KHLM	28	0,682-0,969	17
H_	YRSL	32	0,711-0,972	12
H_	GRUS	7	0,746-0,977	1
H_	OFRZ	1	0,718	1

Пр им еч ан и е. H_KHLM — холмогорская порода, H_YRSL — ярославская порода, H_GRUS — вели-коросский скот, H_OFRZ — остфризский скот; call rate — доля генотипированных SNP от общего числа SNP до оценки контроля качества генотипирования, QC — quality control, образцы, прошедшие контроль качества и отобранные для дальнейшего анализа.

Необходимо отметить, что с целью сохранения как можно большего числа образцов предковых популяций для дальнейшего анализа были использованы менее жесткие фильтры контроля качества по сравнению с теми, что применяются для наборов данных современных образцов.

Популяция	]     n	H o ( M ±SEM)	u H e ( M ±SEM) 1 A r ( M ±SEM)т		U F IS (CI)
H_KHLM	17	0,360±0,001*	0,378±0,001*	1,959±0,001*	0,041 (0,039; 0,043)
H_YRSL	12	0,380±0,001*	0,395±0,001*	1,981±0,001*	0,036 (0,033; 0,039)
HLST	54	0,373±0,001	0,374±0,001	1,947±0,001	0,003 (0,002; 0,004)
KHLM	26	0,378±0,001	0,370±0,001	1,936±0,001	- 0,021 ( - 0,023; - 0,019)
YRSL	53	0,360±0,001	0,357±0,001	1,917±0,001	- 0,009

( - 0,010; - 0,008)

Пр им еч ан и е. Предковые популяции: H_KHLM — холмогорская порода, H_YRSL — ярославская порода (параметры генетического разнообразия для великоросского и остфризского скота не рассчитывали, поскольку эти группы были представлены одним образцом); современные популяции: KHLM — холмогорская порода, YRSL — ярославская порода, HLST — голштинская порода.

* Различия с современными популяциями статистически значимы при p < 0,001.

Аллельное разнообразие (AR) в H_KHLM и H_YRSL было достоверно выше (p < 0,001) по сравнению с современными популяциями аналогичных пород (табл. 2). Значения показателя наблюдаемой (HО) гетерозиготности в KHLM оказалось достоверно (p < 0,001) выше, а в YRSL — ниже, чем в предковых популяциях. Это может быть связано с использованием голштинского скота для улучшения современной популяции холмогорской породы, а также со снижением численности популяции YRSL. В обеих предковых популяциях отмечался достоверный дефицит гетерозигот. Вероятно, это объясняется тем, что подбор родительских пар осуществлялся внутри одного помещичьего хозяйства или населенного пункта, а обмен племенным материалом был нерегулярным, что постепенно приводило к росту инбридинга.

Рис. 1. Межпородные взаимосвязи и генетическая структура предковых и современных популяций крупного рогатого скота ( Bos taurus taurus ) черно-пестрого корня на основании данных полногеномного SNP-генотипирования с использованием ДНК-чипа Bovine GGP HD BeadChip: А — результаты анализа главных компонент, Б — дендрограмма Neighbor-Net, построенная на основании генетических дистанций IBS (dentical-by-state), В — результаты анализа структуры популяций (каждый образец представлен отдельным столбцом на гистограмме); предковые популяции: H_KHLM — холмогорская порода, H_YRSL — ярославская порода, H_GRUS — великоросский скот, H_OFRZ — остфризский скот; современные популяции: HLST — голштинская, KHLM — холмогорская, YRSL — ярославская порода.

Современные породы были гораздо более консолидированы, чем предковые (рис. 1). Большинство образцов H_KHLM оказались наиболее близки к современной холмогорской породе, о чем свидетельствовало формирование перекрывающегося массива при анализе PCA и расположение ветвей на индивидуальном дереве Neighbor-Net (см. рис. 1, А, Б). Современная ярославская порода достаточно сильно отличалась от предковой популяции, о чем свидетельствовало формирование обособленного породоспецифичного кластера (см. рис. 1, А, Б). Формирование общей ветви на инди- видуальном дереве Neighbor-Net (см. рис. 1, Б) между H_YRSL, H_GRUS и H_OFRZ указывало на их большую генетическую близость по отношению друг к другу по сравнению с холмогорским скотом. Некоторые образцы H_KHLM демонстрировали генетическую близость к предковым популяциям ярославского, остфризского и великоросского скота, формируя с ними единую ветвь, что может свидетельствовать о меньшей специализации пород в начале XX века по сравнению с современными.

Анализ структуры популяций указывает на участие четырех предковых популяций в формировании аллелофонда исследуемых групп скота (см. рис. 1, В). Три современные породы формировали четко дифференцированные кластеры. Предковые популяции несли значительную долю общих компонентов, позволивших объединить их в четвертый кластер. При этом в современных породах были компоненты, общие с предковыми. В наибольшей степени это проявлялось в холмогорской породе. У великоросского скота были обнаружены компоненты, характерные для всех четырех кластеров. Популяция H_YRSL представляла собой неоднородную группу, несущую компоненты холмогорского, остфризского и великоросского скота. В современной ярославской породе под давлением отбора закрепилась и сохранилась лишь некоторая часть предковых генетических компонентов. Образцы H_KHLM в большинстве случаев несли значительную долю компонентов, характерных для современных животных холмогорской породы. В образцах H_YRSL были выявлены компоненты, свойственные современным популяциям YRSL и KHLM, а также компоненты специфического кластера, общего для музейных образцов, в том числе остфризского и велико-росского скота.

Расчет генетических дистанций выявил наибольшую близость H_KHLM с современной породой и H_YRSL как по F ST , так и по J. Reynolds (табл. 3). Особи H_GRUS и H_OFRZ показали наименьшее генетическое расхождение с H_KHLM и H_YRSL, демонстрируя в то же время максимальную генетическую удаленность от других групп.

3. Генетические дистанции между предковыми и современными популяциями крупного рогатого скота ( Bos taurus taurus ) черно-пестрого корня на основании данных полногеномного SNP-генотипирования с использованием ДНК-чипа Bovine GGP HD BeadChip

Популяция \ H_GRUS		\ H_KHLM	H_OFRZ \	H_YRSL \	HLST	\ KHLM	\ YRSL
H_GRUS		0,517	0,561	0,516	0,538	0,525	0,534
H_KHLM	0,084		0,407	0,291	0,333	0,257	0,335
H_OFRZ	0,000	0,119		0,396	0,441	0,431	0,447
H_YRSL	0,058	0,039	0,059		0,364	0,342	0,353
HLST	0,138	0,091	0,189	0,105		0,321	0,350
KHLM	0,121	0,040	0,191	0,084	0,090		0,326
YRSL	0,138	0,094	0,216	0,099	0,114	0,094

Пр им еч ан и е. Предковые популяции: H_KHLM — холмогорская порода, H_YRSL — ярославская порода, H_GRUS — великоросский скот, H_OFRZ — остфризский скот; современные популяции: HLST — голштинская, KHLM — холмогорская, YRSL — ярославская порода. Над диагональю указаны генетические дистанции, рассчитанные по методике, предложенной J. Reynolds; под диагональю указаны генетические дистанции, рассчитанные по F ST .

На дендрограмме, построенной на основании генетических дистанций FST (рис. 2), предковые популяции великоросского, остфризского и ярославского скота сформировали общий кластер, удаленный от современных популяций. Популяция KHLM имела существенно большее генетическое сходство с H_KHLM (FST = 0,040; D = 0,257) по сравнению со степенью генетического сходства между H_YRSL и YRSL (FST = 0,099; D = 0,353). H_KHLM и KHLM сформировали общую ветвь, в то время как H_YRSL и YRSL локализовались на различных ветвях. Это позволяет пред- положить, что в современной ярославской породе действуют иные факторы отбора, чем в предковых популяциях.

Рис. 2. Дендрограмма Neighbor-Net, построенная на основании генетических дистанций F ST и демонстрирующая взаимосвязи предковых и современных популяций крупного рогатого скота ( Bos taurus taurus ) черно-пестрого корня: предковые популяции: H_KHLM — холмогорская порода, H_YRSL — ярославская порода, H_GRUS — великоросский скот, H_OFRZ — остфризский скот; современные популяции: HLST — голштинская, KHLM — холмогорская, YRSL — ярославская порода.

Между H_KHLM и KHLM были обнаружены существенно меньшие генетические дистанции F ST по сравнению с H_YRSL и YRSL. Великорос-ский скот демонстрировал наибольшую генетическую близость к H_YRSL и YRSL, что свидетельствует об использовании северного великоросского скота на начальных этапах формирования породы. Локализация современных популяций на отдельных ветвях, выявленная при построении дендрограммы на основании дистанций F ST , свидетельствует о генетическом расхождении пород в результате селекционной работы, при этом видно, что холмогорская порода менее всех отошла от предковой популяции.

Результаты анализа показателей D-статистики для исследуемых пород, в котором за источник интрогрессии последовательно принимались предковые популяции скота, а также голштинская порода, представлены в таблице 4.

голштинская, KHLM — холмогорская, YRSL — ярославская порода; W и X — исследуемые популяции,

Y — источник интрогрессии, О — аутгруппа, Z-score — показатель достоверности наличия адмиксии между парами пород; BABA — число аллелей, общих для популяций W и Y, ABBA — число аллелей, общих для популяций X и Y.

В первой итерации в качестве источника интрогрессии (популяция Y) мы определили великоросский скот на основании предположения о его вкладе в формирование холмогорской и ярославской пород (см. табл. 4). Был обнаружен избыток общих аллелей для H_GRUS и других предковых популяций по сравнению с современными, что указывает на его отдаленность от современных пород. Однако при сравнении между предковыми популяциями достоверный избыток общих аллелей обнаружен только для H_YRSL при сравнении с H_KHLM. Это указывает на то, что между H_GRUS и H_YRSL существовала более тесная связь, чем с H_KHLM.

Во второй итерации в качестве Y был выбран остфризский скот с целью уточнения его возможного вклада в развитие изучаемых пород. Наибольшая доля генетических компонентов H_OFRZ наблюдалась в популяциях H_YRSL и H_KHLM. Великоросский скот показал наименьшее число общих с остфризским скотом SNPs среди предковых популяций. KHLM и YRSL несли меньше общих SNPs с остфризским скотом, чем H_KHLM и H_YRSL, что свидетельствует об элиминации аллелей, характерных для остфризского скота, в процессе селекционной работы. Среди современных популяций к остфризскому скоту наиболее близка голштинская порода, что не противоречит истории происхождения и развития породы.

В третьей и четвертой итерациях за Y принимали H_YRSL и H_KHLM как предковые группы для современных одноименных пород. Выявлен поток генов между H_YRSL и популяциями H_OFRZ, H_KHLM и H_GRUS, что свидетельствует о продолжавшемся процессе формирования ярославской породы в конце XIX—начале XX века. Тестирование в качестве Y популяции H_KHLM показало ее близость к H_YRSL и H_YRSL, чем под- тверждается использование остфризских производителей на поголовье холмогорской породы, а быков холмогорской породы для улучшения ярославского скота. Кроме того, были выявлены генетические компоненты, общие с современной популяцией холмогорской породы.

В пятой итерации мы определили как Y голштинскую породу вследствие ее интенсивного использования при улучшении изучаемых пород. Общие генетические компоненты были выявлены как для H_KHLM, так и для KHLM, а также для H_OFRZ. Интрогрессии голштинских генетических компонентов в ярославский скот мы не обнаружили.

Оценку доли предковых компонентов в популяциях с выявленной адмиксией осуществляли на основании расчета соотношения F4 (табл. 5). Были протестированы все возможные варианты, когда за источник интро-грессии/интрогрессированную породу последовательно принималась каждая из исследуемых групп. Комбинации пород, не показавшие достоверных значений показателя α , в таблицу включены не были.

5. Соотношение F4 при попарном сравнении предковых и современных популяций крупного рогатого скота ( Bos taurus taurus ) черно-пестрого корня на основании данных полногеномного SNP-генотипирования с использованием ДНК-чипа Bovine GGP HD BeadChip

	A	B	X	C	O	α	±SE	Z-score
H_	OFRZ	H_YRSL	KHLM	YRSL	YAKUT	0,1160	0,027258	4,256
H_	OFRZ	H_KHLM	KHLM	YRSL	YAKUT	0,2121	0,044976	4,715
H_	OFRZ	H_GRUS	KHLM	YRSL	YAKUT	0,4280	0,129216	3,312
H_	GRUS	H_OFRZ	H_KHLM	KHLM	YAKUT	0,7857	0,242678	3,238

Пр и м еч ани е. X — интрогрессированная популяция, C — сестринская популяция для популяции X, B — источник интрогрессии, A — сестринская популяция для популяции B, O — аутгруппа, α — доля предковых компонентов B в X, SE — стандартная ошибка показателя α , Z-score — число стандартных ошибок α , отклоняющихся от нуля; предковые популяции: H_KHLM — холмогорская порода, H_YRSL — ярославская порода, H_GRUS — великоросский скот, H_OFRZ — остфризский скот; современные популяции: HLST — голштинская, KHLM — холмогорская, YRSL — ярославская порода.

Расчет соотношения F4 (см. табл. 5) показал, что KHLM несет 21,2 % предковых компонентов H_KHLM, 11,6 % компонентов H_YRSL и 42,8 % предковых компонентов H_GRUS. При исследовании в качестве ин-трогрессированной группы H_KHLM в ней было выявлено 78,6 % предковых компонентов, источником которых послужил остфризский скот, что, вероятно, связано с использованием импортного скота при развитии породы в XIX веке.

Рис. 3. Оценка взаимоотношений между исследуемыми популяциями на основании анализа

TreeMix: A — дерево максимального правдоподобия для предковых и современных популяций крупного рогатого скота (Bos taurus taurus) черно-пестрого корня на основании данных SNP- генотипирования с использованием ДНК-чипа Bovine GGP HD BeadChip. Шкала показывает 10-кратную среднюю стандартную ошибку (SE) записей в ковариационной матрице выборки (размер шкалы 10 s.e. соответствует значению 10-кратной стандартной ошибки, standard error, SE), Б — матрица остатков, построенная на основе анализа TreeMix и выраженная как число отклонений SE (положительные значения SE между парами популяций указывают на то, что популяции более тесно связаны друг с другом, чем в смоделированном дереве, отрицательные значения SE показывают, что наблюдаемая ковариация завышена). Предковые популяции: H_KHLM — холмогорская порода, H_YRSL — ярославская порода, H_GRUS — великорос-ский скот, H_OFRZ — остфризский скот; современные популяции: HLST — голштинская, KHLM — холмогорская, YRSL — ярославская, YAKUT — якутская порода.

Степень дивергенции исследуемых популяций и обмена генами между ними оценивали посредством анализа TreeMix на основании данных о частотах аллелей по всему геному. На основании результатов расчета TreeMix было построено дерево максимального правдоподобия, отражающее взаимоотношения исследуемых популяций (рис. 3, А). Из тридцати итераций на основании анализа регрессионных остатков модели (см. рис. 3, Б) была выбрана конфигурация дендрограммы, наилучшим образом отражающая оцененные взаимоотношения пород.

На дендрограмме были сформированы две крупные ветви: одна из них объединила все предковые популяции, причем H_GRUS образовал ветвь, отдельную от H_YRSL, H_OFRZ и H_GRUS; вторая крупная ветвь, объединившая все современные популяции, в свою очередь разделилась на более мелкие градации, выделив YRSL в отдельную ветвь.

Результаты D-, F-статистики и анализа TreeMix подтвердили генетические связи между H_GRUS и H_YRSL. Кроме того, было выявлено наличие общих предковых компонентов у ярославского скота с H_KHLM, что подтверждает историю формирования породы. Подтверждено использование остфризского скота на поголовье холмогорского и ярославского скота в конце XIX—начале ХХ века.

С момента начала исследований палеоДНК и до недавнего времени большинство работ с вовлечением древних образцов проводилось на основании анализа полиморфизмов митохондриальной ДНК (31-33) или микро-сателлитных маркеров (34, 35). Тенденции, выявленные при помощи этих инструментов анализа генома, неоднозначны. Так, M. Gargani с соавт. (35) сообщают о меньшей по сравнению с современными образцами наблюдаемой гетерозиготности в средневековых образцах крупного рогатого скота из Центральной Италии. Средневековые образцы крупного рогатого скота из Ирландии, описанные C.J. Edwards с соавт. (34), также показали несколько меньшую гетерозиготность по сравнению с современными породами различного происхождения. В предыдущих исследованиях локальных российских пород было показано, что предковые популяции холмогорского и ярославского скота превосходили современные одноименные породы по показателям генетического разнообразия (11). Статистически значимый избыток гетерозигот при оценке по микросателлитным маркерам был обнаружен только для предковой популяции холмогорской породы, в то время как в настоящей работе анализ по SNP-маркерам выявил недостаток гетерозигот в обеих предковых популяциях.

Некоторое расхождение оценки коэффициента инбридинга для разных типов маркеров (SNP-маркеры в настоящем исследовании и микроса-теллитные маркеры в упомянутых выше работах) могло быть следствием нескольких причин: многообразия микросателлитных аллелей из-за недостаточной по сравнению с современными образцами консолидированности холмогорской породы в конце XIX—начале XX веков, формирования участков гомозиготности в результате давления отбора на локусы, связанные с продуктивными и адаптационными качествами, а также постепенного нарастания инбридинга по причине подбора родительских пар внутри одного хозяйства или общины. Кроме того, определенную роль в расхождении результатов оценки по разным типам маркеров могут играть неодинаковая разрешающая способность используемых инструментов и разное селекционное воздействие (селекционно нейтральные микросателлитные локусы против находящихся под давлением отбора SNPs, локализованных вблизи или внутри генов), связанное с молекулярно-генетической структурой маркеров разного типа (36).

Таким образом, результаты полногеномного SNP-генотипирования с помощью ДНК-чипа высокой плотности указывают на более существенные изменения в генофонде ярославской породы за XX век по сравнению с холмогорской как за счет селекционной работы, так и вследствие использования ограниченного числа производителей в связи со значительным снижением поголовья. Показано присутствие в исторических образцах холмогорской и ярославской пород некоторой доли геномных компонентов, характерных для остфризского скота, что подтверждает использование импортного племенного материала в работе с российскими породами на рубеже XIX-XX веков. В то же время современные популяции холмогорской и ярославской пород обладают собственными уникальными породоспецифичными компонентами, в них практически отсутствует интрогрессия голштинской породы, однако сохранились геномные компоненты предковых популяций. Выявлен более заметный вклад великоросского скота в генофонд предкового ярославского скота по сравнению с холмогорским, что подтверждает гипотезу об общих предках ярославской породы и северного великоросского скота. Получить более полную информацию о том, использовались ли зарубежные породы на начальных этапах формирования российских локальных пород в XVII-XVIII веках или же гибридизация с иностранными породами пришлась на вторую половину XIX века, когда основные типы локального скота были уже относительно оформлены, вероятно, поможет исследование более древних образцов с использованием полногеномного секвенирования.