что такое геномная селекция
Геномная селекция в разведении КРС
Оценка племенных качеств животных по генотипу (+ аудио)
В рамках выставки «Агроферма»-2013 прошел научный семинар «Геномная селекция в разведении крупного рогатого скота. Мировой опыт и использование в России». Сегодня мы расскажем о нем чуть подробнее.
Геном коровы расшифрован
В Голландии уже давно разработана система раннего прогнозирования генетических возможностей быков. И хоть в России о ней стало известно пять лет назад, сегодня еще мало кто действительно владеет этим вопросом в полной мере.
Быки, которых завозит Россия из Канады, Голландии и других стран Европы уже имеют геномную оценку, но грамотно воспользоваться этой информацией могут в нашей стране лишь единицы.
Ромейн Дассонневиль (Romain Dassonneville) – кандидат с/х наук, специалист по геномной селекции, генетическому моделированию, оценке и статистике выступил на семинаре с докладом об основных принципах геномной оценки бычков. Приводим здесь наиболее интересные фрагменты его выступления:
Методы оценки селекционного материала
Если говорить о геномной оценке, стоит сначала упомянуть о других методах, используемых в селекции КРС.
Сначала нам необходимо было решить, как выбрать тех животных, которые нам интересны. Ведь для выбора необходимо сравнить их.
Например, у нас два быка, дочери одного с продуктивностью 7,5 тысяч кг, другого – с продуктивностью 2 тысячи. На первый взгляд кажется, что тут все очевидно – следует выбрать быка, чьи дочери более продуктивны.
Но если мы будем ориентироваться только на производство молока, мы можем ошибиться. Поскольку как ни смотри на быков, не найти таких, все потомство которых дает молоко одинаково.
Когда же мы рассмотрим условия, в которых эти дочери содержались, то можем делать дальнейшие выводы. К примеру, дочери быка «А» живут на ферме с отличными условиями и высококачественным кормом. Здесь продуктивность может зависеть от условий содержания. Если условия разные, сделать выбор в пользу какого-нибудь быка уже не так просто.
Немаловажно также учитывать влияние коровы. Мы используем быков, дочери которых дают 9 тысяч кг, но один был использован на корове, дающей в среднем 8 тысяч, а другой – 11 тысяч.
Так что, если смотреть только на продуктивность дочерей – сделать действительно правильный выбор очень сложно.
Поэтому, для комплексной достоверной оценки нам необходима статистическая модель, объясняющая влияние окружающей среды и всех индивидуальных родственных связей. Сейчас во всем мире для этого используется метод BLUP.
Геномная оценка
Американская компания разработала чип, доступный для генотипирования у животных. Это позволяет определять генотип животного при исследовании его крови В чипе – 54 тыс маркеров, охватывающих все хозяйственно-полезные признаки животных, необходимые для селекционной работы. Метод позволяет прогнозировать необходимые признаки у животных даже при отсутствии информации о их предках.
Традиционная схема селекционного отбора по потомству выглядит следующим образом: Мы выбирали быков по хорошим родителям, когда они рождались, выращивали их до двухлетнего возраста, после чего брали у них спермодозы для получения потомства в хозяйствах. И только после того, как их дочери начинали производить молоко, быку-производителю можно было дать оценку. Продолжительность цикла составляла пять лет. Разумеется, в эффективности этого метода никто не сомневается, но он слишком длительный и очень затратный.
Геномный отбор все значительно упрощает. Уже после рождения у бычков можно взять кровь и сделать полную геномную оценку. И использовать такого быка можно сразу, как только он начнет производить семя. Геномный отбор намного дешевле, не нужно ждать 5 лет, а значит можно сэкономить на содержании быка все это время.
Чтобы делать генетическое улучшение популяции, необходима надежная оценка, высокая степень наследования и небольшой интервал между поколениями. Если сравнить геномный отбор и традиционную селекцию, по уровню качества потомства он практически такой же надежный, но более быстрый – здесь меньше интервал между поколениями. Геномный отбор может ускорить генетический прогресс.
У быков, которые оценивались по потомству, достоверность характеристик 80% и более, если смотреть достоверность индексов молодого бычка, у которого оценка только геномная, здесь достоверность 65-70% в зависимости от характеристик.
При оценке только по селекции и родословной достоверность не более 30%.
Чтобы создать геномную оценку необходимо:
Прежде всего – стандартная популяция животных – это популяция, у которой уже есть хорошая оценка по потомству. Быки, имеющие поколение дочерей, генотип которых также уже изучен. Такая популяция служит для создания таблицы сравнительных характеристик по маркерам. Когда есть и таблица и популяция, можно произвести генотипирование или геномную оценку у кандидатов и искать гены, которые приносит узкая геномная селекция.
Итак, оценка состоит из следующих этапов:
1. Хороший контроль продуктивности коров;
2. Оценка быков по потомству методом BLUP;
3. Информация о геномной оценке стандартной популяции – самый важный этап, позволяющий посмотреть влияние маркеров на хозяйственно-полезные признаки популяции;
4. Геномная оценка кандидатов в популяции;
5. Считывание индексов и отбор лучших быков для селекции.
Необходима информация о родословной, о фенотипе (по дочерям) и информацию по маркерам (из анализа крови), после этого идет отбор и тестирование различных моделей, существующих в мире.
Стандартные популяции мира
Стандартная популяция необходима для создания сравнительной таблицы. Чем она больше, тем информация по геномной оценке достовернее. К примеру, если мы рассматриваем только 4 тысячи животных, достоверность будет 40-50%, если 5 тысяч – достоверность приближается к 70%. Это самая важная задача – создать большую стандартную популяцию.
В Европе мы это сделали совместно с другими странами – у нас есть информация о животных совместной европейской популяции. В нее входят Германия, Франция, Скандинавия, Дания, Швеция, Испания, Польша и многие другие. В популяцию входят 25 тысяч быков с оценкой по потомству и геномной оценкой. А все новые геномные быки, которые есть в Европе, оцениваются и сравниваются с этой популяцией.
Северо-Американская популяция животных объединяет всех быков из США и Канады. Сегодня их стандартная популяция – 18,5 тысяч быков.
Romain Dassonneville – кандидат с/х наук, специалист по геномной селекции, генетическому моделированию, оценке и статистике
А знаете ли вы, что коров можно приучить есть сорняки? Читаем здесь
Что такое геномная селекция
1. Референтная группа (популяция) должна состоять из животных, для которых доступна следующая информация:
— Родословная
— Собственная продуктивность
— Продуктивность потомства
— Фенотип
— Генотип
2. Для этой группы проводится подтверждение родства по генотипу
3. Каждое животное проходит систему геномной оценки по системе BLUP, Sire Model, Animal Model, GBlup
4. Составляется база данных для оценки молодого поголовья
Геномная оценка племенной ценности (Genomic Estimated Breeding Value, GEBV) – прогноз среднего отклонения степени проявления хозяйственно-полезного признака у потомков данного животного по сравнению со средним показателем этого признака в популяции.
Особенности расчета GEBV:
— основан на информации о геноме животного,
— рассчитывается отдельно для каждого признака,
— измеряется в единицах оцениваемого признака.
Положительная GEBV означает, что потомки анализируемого животного будут лучше животных в популяции, отрицательная – хуже.
1. Проверка достоверности данных (о происхождении и фенотипических)
2. Создание IT-системы для геномной оценки
3. Определение предрасположенности к генетическим заболеваниям
Геномная селекция
Геномная селекция
Одним из самых сложных этапов разведения животных, в том числе, молочного скота, является оценка их племенной ценности. Сложность заключается в том, что для ее определения необходимо сравнение и анализ селекционных характеристик у предков, боковых родственников, потомков, а также самих оцениваемых животных.
Начиная с середины прошлого столетия, в странах Северной Америки – пионера в области генетической селекции – активно велись научные исследования, позволявшие анализировать наследование количественных и качественных признаков, прогнозировать генетические качества животных и оценивать эффективность их разведения.
Прорывом в области генетической селекции стало внедрение в селекционные программы данных о геноме животных. С 2009 г. в США, Канаде и ряде других стран геномная селекция стала официальной системой оценки племенных качеств крупного рогатого скота.
Сегодня в мировой практике активно ведется селекция молочного скота с помощью SNP – полиморфизма единичного нуклеотидного сайта, представленного двухаллельной системой однонуклеотидного сайта ДНК-последовательности. От последовательности расположения четырех нуклеотидов зависят различия генетических признаков животных — как количественных, так и качественных. Отбор животных по генетическим маркерам SNP получил название геномной селекции.
Благодаря разработке технологии определения последовательности нуклеотидов ДНК всего генома, стало возможным выявление ее корреляции с показателями продуктивности и племенными качествами молочного скота.
Для геномной оценки племенной ценности животных проводится исследование взятого от них биологического материала (крови, спермы, волос, выщипов) путем выделения ДНК, генотипирования на чипах и последующего статистического анализа полученных данных.
Геномная селекция молочного скота предполагает отбор животных путем прогнозирования племенной ценности быков-производителей с использованием единичных полиморфизмов (SNP), коррелирующих с хозяйственно полезными признаками.
Для оценки корреляции SNP с показателями продуктивности молочного скота используются математические модели, создаваемые путем оценки референтных групп животных. Определение геномных профилей проводится с помощью специально разработанных панелей, отображающих перечень распределенных по геному полиморфизмов.
Заказать геномную оценку стада можно в нашей компании. Подробно про эту услугу рассказано здесь>>>
Главными преимуществами геномной селекции перед традиционной является возможность оценки животных уже при рождении, а также возможность проводить их отбор по признакам, измерение которых проблематично. По данным Канадской ассоциации молокопроизводителей, точность геномной оценки превосходит традиционную на 35%. Геномная селекция обеспечивает высокую экономию финансовых затрат на оценку быков по качеству потомства, позволяя выбраковывать часть выборки еще до постановки животных на проверку.
Благодаря внедрению в мировую практику геномной селекции, увеличилось количество проверяемых ежегодно племенных быков — это способствует ускорению темпов развития продуктивного потенциала молочных стад. На 2016 год в Канаде 69,2% всех осеменений делается с применением семени молодых, только генетически оцененных быков.
Новая система отбора животных существенно расширяет предложение быков-производителей для фермеров за счет увеличения количества отцов молодых быков, ежегодно поступающих на станции по искусственному осеменению.
Сегодня с целью усовершенствования геномной селекции разработана программа EuroGenomics, в которой участвуют пять ведущих племенных организаций Европы. Ее деятельность направлена, главным образом, на увеличение референтной популяции животных и повышение точности их геномной оценки.
На сегодняшний день наибольших успехов в геномной селекции животных достигли США и Канада. Быстрые темпы генетического прогресса обеспечивают два главных фактора: максимальная достоверность геномного прогнозирования и высокая интенсивность использования молодых быков.
С 2010 г. в Канаде, благодаря применению панелей с низкой плотностью SNP, геномная оценка животных стала доступной и для обычных животноводов, так как стоимость ее снизилась более чем в 5 раз. Использование для селекции молодых, генетически оцененных бычков значительно сокращает интервал между поколениями и обеспечивает неуклонный ежегодный рост генетической ценности животных. Однако не стоит забывать, что на уровень продуктивности скота огромное влияние оказывают качество его кормления и условия содержания.
На сегодняшний день в России остро назрела необходимость внедрения национального индекса комплексной племенной ценности. Интенсификация отечественного молочного скотоводства должна предполагать эффективное сочетание геномной селекции, импортирования в хозяйства высокоценных племенных животных с непрерывным совершенствованием качества кормовой базы и условий содержания скота. А кооперация на национальном уровне, создание собственной национальной референсной популяции значительно ускорит и сделает более масштабным внедрение геномной селекции в практику российских животноводческих хозяйств. Это позволит отечественным с/х производителям на равных конкурировать с зарубежными племенными организациями и успешно экспортировать племенных животных на мировые рынки.
Маркерная технология и геномная селекция
Обзор
Краткая информация
С помощью молекулярных маркеров проверяются признаки растений.
Преимущества
Быстрый отбор требуемых характеристик растений, независимо от влияния окружающей среды.
Начало использования
Применение в практической селекции растений с 1990-х годов.
Применение в KWS
Для разработки молекулярных маркеров (также известных как селекция с помощью маркеров, MAS), рутинная для всех культур.
Без этой современной технологии нам пришлось бы ждать взрослого состояния растения, чтобы увидеть желаемые характерные признаки. Например, селекционеры скрещивают две родительские линии друг с другом, полученные семена проращивают. Из маленького проростка можно взять небольшой образец листа, выделить из него ДНК и проанализировать её. Если в образце присутствует искомая ДНК, это означает, что у потомства присутствует необходимый признак. С помощью молекулярных маркеров мы можем в течение 48 часов определить наличие признака в культивируемом сорте. Это позволяет осуществлять предварительный отбор потомства и определить наиболее перспективные растения.
Результаты лабораторных испытаний проверяются в полевых условиях с гораздо меньшим количеством растений-кандидатов, что делает процесс селекции более эффективным.
Еще быстрее с геномной селекцией
Геномная селекция представляет собой дальнейшее развитие традиционной маркерной технологии (MAS) и позволяет проводить ещё лучший и более надежный отбор при выборе подходящих партнеров для скрещивания при создании будущих сортов. Поскольку стоимость детектирования генетическими маркерами значительно снизилась, одно растение может быть проанализировано на наличие различных маркеров одновременно.
Для этого селекционеры создают маркерный профиль с несколькими тысячами маркеров для каждого отдельного растения. Каждое растение имеет специфический маркерный профиль, сравнимый с отпечатком пальца. С помощью высокоэффективных маркерных технологий, уже внедренных в KWS, маркерные профили могут быть созданы быстро и экономично.
Тысячи маркерных профилей из одной популяции растений затем сопоставляются с измеренными полевыми данными. На основе этого разрабатываются статистические и математические модели, которые могут быть использованы для прогнозирования селекционной ценности растений и их пригодности для последующего возделывания сортов, базирующиеся на маркерных профилях семян или молодых растений. Затем компьютерная программа берет на себя задачу определения на основании маркерных профилей других отдельных растений, не прошедших полевые испытания, выбор тех растений, которые наиболее перспективны для скрещиваний. Благодаря этому процессу предварительного отбора не требуются многие полевые испытания, в то время как селекционный процесс продолжается.
Тесное сотрудничество между сотрудниками маркерной лаборатории и селекциионерами способствует повышению эффективности селекции и ее прогрессу.
Обзор наших методов селекции
Скрещивание и отбор
Скрещивание родительских растений, обладающих необходимыми характеристиками. Для последующего высева отбирают семена наиболее крупных и продуктивных растений.
Линейная селекция
Скрещивание родительских линий, которые дополняют друг друга по желаемым характеристикам. Далее происходит отбор лучших растений и их повторное скрещивание.
Селекция гибридов
Скрещивание двух генетически разных родительских линий.
Культура клеток и тканей
Регенерация целых клеток из отдельных клеток растения в лабораторных условиях с использованием питательной среды.
Маркеры
Молекулярные маркеры помогают определить наличие у растений необходимых характеристик.
Фенотипирование
Изучение характеристик выращиваемого растения в полевых условиях с использованием современных технологий автоматического анализа.
Генная инженерия
Введение отдельных генов или участков ДНК в геном культуры.
Исследование генома
Изучение общей структуры и биологической функции генома растения.
Редактирование генома
Термин «редактирование генома» является общим для целого ряда методик, позволяющих целенаправленно и точно изменять отдельные участки ДНК.
Что такое геномная селекция
В племенном свиноводстве в Европе и Америке начинают применять геномную селекцию. Ее технологии позволяют расшифровать генотип свиней уже при рождении и отбирать для разведения лучших животных. Эта новейшая технология призвана в дальнейшем увеличивать селекционную точность и надежность племенной ценности свиней.
Родоначальником геномной селекции является маркерная селекция.
Маркерная селекция – это использование маркеров для маркирования генов количественного признака, что дает возможность установить наличие или отсутствие в геноме определенных генов (аллелей генов).
Гены, представленные в популяции несколькими формами – аллелями – это полиморфные гены. Аллели генов разделяются на доминантные и рецессивные. Полиморфизм генов обеспечивает разнообразие признаков внутри вида.
Первоначально в качестве генетических маркеров использовались морфологические (фенотипические) признаки. Однако очень часто количественные признаки имеют сложный характер наследования, их проявление детерминируется условиями среды и количество маркеров, в качестве которых используются фенотипические признаки, ограниченно. Затем в качестве маркеров использовались продукты генов (белки). Но наиболее эффективно тестировать генетический полиморфизм не на уровне продуктов генов, а непосредственно на уровне генов, то есть использовать в качестве маркеров полиморфные нуклеотидные последовательности ДНК.
Обычно фрагменты ДНК, которые лежат близко друг к другу на хромосоме, передаются по наследству вместе. Это свойство позволяет использовать маркер для определения точной картины наследования гена, который еще не был точно локализован.
Таким образом, маркеры – это полиморфные участки ДНК с известной позицией на хромосоме, но неизвестными функциями, по которым можно выявлять другие гены. Генетические маркеры должны быть легко идентифицируемы, связаны с конкретным локусом и очень полиморфны, потому что гомозиготы не дают никакой информации.
Широкое применение вариантов полиморфизма ДНК в качестве генетических маркеров началось с 1980 г. Молекулярно-генетические маркеры использовались для программ сохранения генофондов пород сельскохозяйственных животных, с их помощью решались задачи происхождения и распространения пород, установления родства, картирования основных локусов количественных признаков, изучения генетических причин наследственных заболеваний, ускорения селекции по отдельным признакам – устойчивости к определенным факторам, по продуктивным показателям. В Европе генетические маркеры начали применяться в селекции свиней еще с начала 1990 гг. для освобождения популяции от гена галотана, который вызывает синдром стресса у свиней.
10-8) в отличие от микросателлит, что делает их удобными маркерами для популяционно-генетического анализа. Основным достоинством SNP является возможность использования автоматических методов их детекции, например, использование ДНК-матриц.
Для увеличения количества SNP-маркеров в последнее время ряд зарубежных компаний объединяют свои усилия, создавая единую базу данных, чтобы иметь возможность, протестировав большое количество животных, проверенных по продуктивности на полиморфизм, выявить наличие связей между известными точечными мутациями и продуктивностью.
В настоящее время определено большое количество полиморфных вариантов генов и их взаимовлияние на продуктивные признаки свиней. Некоторые генетические тесты с использованием маркеров, определяющих продуктивные качества, публично доступны и используются в программах разведения. Используя такие маркеры, можно улучшить некоторые продуктивные показатели.
Примеры маркеров продуктивности:
Также маркеры позволяют тестировать генотип хряков на признаки, ограниченные полом, проявляющиеся только у свиноматок. Это, к примеру, плодовитость (количество поросят на опорос), которые хряк передает потомству. Например, тестирование генотипа хряка по маркерам эстрогенового рецептора (ESR) позволит отбирать тех хряков для разведения, которые передадут дочерям более высокие воспроизводительные качества.
С помощью результатов маркерной селекции можно оценить частоту встречаемости желательных и нежелательных аллелей для породы или линии, проводить в дальнейшем селекцию, чтобы все животные в породе имели только предпочтительные аллели генов.
Перечень маркеров, рекомендованных к использованию, постоянно расширяется.
Рис. 1. Принцип действия олигонуклеотидного биочипа
В 2009 году был расшифрован геном свиньи. Разработан SNP чип ( вариант ДНК-микрочипа ), содержащий 60 000 генетических маркеров генома. Для ускорения исследований были даже созданы специальные роботы для считывания снипов. Образец ДНК свиньи можно тестировать на наличие или отсутствие практически всех важных точечных мутаций, определяющих продуктивные признаки. Таким образом, отбор лучших животных может быть основан на генетических маркерах без измерения фенотипических показателей.
Впервые термин «геномная селекция» был введен Хейли и Вишером в 1998 году. Meuwissen с соавторами в 2001 году разработал и представил методологию аналитической оценки племенной ценности с помощью карты маркеров, охватывающих весь геном.
Практическое применение геномной селекции началось с 2009 года.
С 2009 года крупнейшие компании США (Cooperative Resources International), Нидерландов, Германии, Австралии начали внедрять геномную селекцию в программы разведения КРС. Быки разных пород были генотипированы по более 50 000 SNP.
Генетическая компания Hypor начала использовать геномную селекцию с 2010 года, действуя в тесном сотрудничестве с Центром научных исследований и новых технологий группы Hendrix Genetics (Хендрикс Дженетикс). Hendrix Genetics тестирует более 60 000 SNP маркеров и использует эту информацию для исследования ДНК. Геномный индекс генетического потенциала свиней рассчитывается после анализа 60 000 маркеров генов (снипов) по животному. В теории, если достаточно генетических маркеров, чтобы охватить все ДНК свиньи (ее генома), возможно описать все генетические вариации для всех измеряемых признаков. Готовится современное математико-генетическое программное обеспечение для обработки данных.
Геномная селекция – это мощный инструмент для использования в будущем. В настоящее время эффективность геномной селекции ограниченна различным характером взаимодействия между локусами количественных признаков, изменчивостью количественных признаков у разных пород, влиянием на проявление признака факторов внешней среды. Но результаты исследований во многих странах подтвердили, что использование статистических методов совместно с геномным сканированием увеличивает надежность прогноза племенной ценности.
Селекция свиней с помощью статистических методов по некоторым показателям (например сопротивляемости заболеваниям, качеству мяса, плодовитости) характеризуется низкой эффективностью. Это происходит вследствие следующих факторов:
Например, такой порок свиней как стресс-чувствительность трудно поддается диагностике и проявляется в повышенной смертности поросят под воздействием стресса (перевозки и др.) и ухудшении качества мяса. ДНК-тестирование с использованием маркеров генов дает возможность выявить всех носителей этого порока, в том числе скрытых, и с учетом этого проводить селекцию.
Для оценки показателей продуктивности трудно поддающихся прогнозу статистическими методами для более достоверной их оценки нужен анализ потомства, то есть необходимо дождаться приплода и проанализировать его племенною ценность. А использование ДНК-маркеров дает возможность проанализировать генотип сразу при рождении, не дожидаясь проявления признака или появления потомства, что значительно ускоряет селекцию.
Индексная оценка животных осуществляется по экстерьеру и по продуктивным качествам (скороспелость поросят и т.д.). В обоих случаях пользуются фенотипическими показателями, поэтому для использования этих признаков в расчётах необходимо знать их коэффициент наследуемости. Однако даже в таком случае мы будем иметь дело с вероятностью генетического обоснования любого признака, усредненными показателями его предков и потомков (нет возможности определить, какие гены унаследовало молодое животное: лучшие или худшие этого среднего). С помощью анализа генотипа можно точно установить факт наследования определенных генов уже при рождении, оценивать генотипы напрямую, а не через фенотипические проявления.
Однако если отбор свиней идет по показателям, характеризующимся высокой наследуемостью, как например, легко исчисляемое количество сосков, геномная селекция не принесет существенной выгоды.
Геномная селекция – это возможность сделать свиноводство точным производством. Использование технологий геномной селекции позволит производить разнообразные мясные продукты, соответствующие запросу потребителей.