Преимущество геномной селекции по сравнению с классическими методами — это возможность прогнозирования племенной ценности животного с высокой точностью еще в раннем возрасте. Такой подход повышает темпы селекционного прогресса и позволяет получить значительный экономический эффект. Кроме того, с помощью науки можно вывести животное с нужными характеристиками, например, высокопродуктивную и устойчивую к холоду корову. Для аграриев Сибири эта тема крайне актуальна.
Исследовательский проект генетиков ФИЦ «ИЦиГ СО РАН» под руководством профессора Королевского ветеринарного колледжа Лондонского университета Дениса Ларкина по изучению генома коренных пород крупного рогатого скота и овец Российской Федерации стартовал в 2016 году, после выделения гранта Российского научного фонда.
По словам участника проекта, старшего научного сотрудника Николая Юдина, конечная цель проекта — изучить генетическое разнообразие отечественных пород по сравнению с мировыми породами и выявить гены, мутации в которых помогают животным адаптироваться к холоду.
Голштинская порода считается одной из самых продуктивных в мире, поэтому рост ее популярности объясним и предсказуем. Однако коровы данной породы с трудом переносят экстремальные для них условия Сибири.
«Импортный скот завозят к нам еще со времен СССР, и мы видим повторение одной и той же ситуации: коров покупают, но приживаются они плохо. В итоге — болезни и быстрое выведение из хозяйственного оборота», — рассказал Николай Юдин.
С другой стороны, есть коренные породы скота, которые веками разводили на территории России (холмогорская, ярославская, костромская, якутская), и к местным условиям они приспособлены хорошо. Проблема — в их недостаточной по современным меркам производительности.
В задачи ученых как раз и входит поиск генетических маркеров, которые помогут сделать импортные породы с высокими удоями или вкусным мясом устойчивыми к холоду с помощью маркер-ориентированной селекции.
В рамках проекта в племенных хозяйствах по всей России были собраны образцы от 18 местных пород, и с помощью современной технологии их геном был проанализирован по 150 тысячам позиций. Как и ожидалось, якутская порода, которая способна жить на открытом воздухе при температуре ниже -50 градусов Цельсия оказалась генетически особенной в сравнении с более чем 150 мировыми породами скота.
«В генах якутской коровы мы обнаружили большое количество специфических мутаций. У человека, например, мутации в этих генах вызывают врожденное отсутствие болевой чувствительности, в том числе к низкой температуре. Похоже, что у коровы якутской породы, благодаря этим мутациям меньше мерзнут», — заметил ученый.
СОВРЕМЕННЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НУЖНОГО РАЗНООБРАЗИЯ
Существует технология под названием CRISPR (также известная как «CRISPR-Cas9»). Это уникальный инструмент, который позволяет редактировать геном путем удаления, добавления или изменения нужных участков ДНК.
Николай Юдин, старший научный сотрудник лаборатории геномики и эволюции млекопитающих ФИЦ «ИЦиГ СО РАН»
Универсальную корову вывести невозможно. Но можно приблизить породу к идеалу. Преимущества зарубежных коров – в хороших удоях и вкусовых качествах мяса при правильных условиях содержания. Однако известно, что они неустойчивы ко многим заболеваниям, страдают их репродуктивные качества. Соответственно, зарубежные породы трудно разводить.
Местные породы, наоборот, разводить проще. Но качество их мяса невысокое, а удои не могут удовлетворить современный спрос. С помощью инновационных методов генетики мы работаем над созданием новых пород, сочетающих лучшие качества зарубежных и неприхотливость отечественных пород.
Технологию CRISPR-Cas9 уже применяют в медицине и сельскохозяйственной науке. На нее возлагают большие надежды при создании новых сортов растений и пород животных. Например, с помощью CRISPR-Cas9 можно вводить в геном голштинской породы мутации, отвечающих за холодоустойчивость в геномах местных российских пород скота. Технология CRISPR-Cas9 позволяет взять ДНК якутской коровы, выделить нужный участок гена и пересадить его в эмбрион голштинской коровы. Затем эмбрион подсаживается к суррогатной матери. В результате получится теленок, который, скорее всего, будет обладать необходимым набором качеств.
Конечно, можно применять и методы традиционной селекции — скрестить якутскую породу с голштинской и отбирать полученных гибридов. Однако это займет слишком много времени. Однако частоту мутаций холодостойкости, которые изредка встречаются у отдельных голштинов, можно повысить путем маркер-ориентированной селекции.
БЕЗ ПОБОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ И С ПЕРСПЕКТИВОЙ РАЗВИТИЯ
Многие инновационные технологии зачастую вызывают страх и недоверие. То же касается и редактирования генома. Не все положительно оценивают процессы вмешательства в природный процесс. Однако в данном случае страхи необоснованы.
Как работает система CRISPR-Cas9?
Она состоит из двух ключевых молекул, которые вводят изменение (мутацию) в последовательность ДНК.
• Фермент Cas9 действует как пара «молекулярных ножниц». Он может вырезать нити ДНК в определенном месте в геноме, чтобы в этом месте можно было добавить или убрать фрагменты ДНК.
• РНК-«гид» (гРНК) — это небольшой фрагмента предварительно синтезированной последовательности РНК, соответствующей последовательности ДНК-«мишени». Этот фрагмент РНК связывается с ДНК и «направляет» Cas9 к нужному участку генома.
«Бывает так, что селекция по одному признаку может привести к ухудшению другого. Например, при селекции на повышение удоя, у животных снижаются репродуктивные способности, — объяснил Николай Юдин. — Но каких-то очевидных вредных последствий от селекции я не знаю. В то же самое время польза от селекции колоссальная. В 2017 г. в промышленно развитых странах средний удой на одну корову составил 9000–12000 кг молока в год (в России — 4300 кг). Безусловно, нам нужно использовать накопленный опыт зарубежных ученых и селекционеров. При этом, необходимо бережно относится и к отечественным породам, которые накопили множество ценных генетических вариантов. Однако этот процесс требует объективной оценки имеющегося генетического разнообразия и проведения предварительных научных экспериментов».
В целом, сегодня более 25 стран ведут геномные исследования разных видов сельскохозяйственных животных, на реализацию которых выделяются значительные средства. Достаточно сказать, что только в США в настоящее время реализуется около 10 проектов, связанных как с использованием фундаментальных основ геномной селекции, так и с практическим освоением этих технологий в животноводстве. При этом бюджет этих проектов составляет сотни миллионов долларов.
Подсчитано, что экономический эффект от использования геномной селекции в расчете на одного быка-производителя составляет около 20 тыс. евро. Он складывается за счет экономии средств на проведение традиционной оценки продуктивности потомков, которая обычно занимает в молочном скотоводстве 4–5 лет.
Для использования геномных технологий в отечественном животноводстве и успешного конкурирования на международном рынке отечественной племенной продукции необходимо создание селекционно-генетических центров с участием академической науки.
Проект генетиков ФИЦ «ИЦиГ СО РАН» продолжит свое развитие. Сейчас ученые собрали банк ДНК и выяснили, какие российские породы удалось сохранить в чистоте. Далее они планируют начать работу по полному геномному секвенированию, которое поможет точно указать — какой генетический маркер отвечает за изменение функции конкретного гена. Далее эти маркеры можно использовать в селекции.
Вторая часть проекта связана с изучением генетической адаптации овец. Далее специалисты будут сравнивать друг с другом оба вида животных и выявлять общие механизмы, которые позволяют млекопитающим адаптироваться к экстремальным условиям среды.
Мария Макнамара
Рина Плеханова