Čo vieme povedať o genetickej štruktúre slovenského strakatého dobytka?
napísal Jozef Polák
Čo vieme povedať o genetickej štruktúre slovenského strakatého dobytka?
Genomická selekcia je ešte stále fenoménom, ktorý šľachtenie dobytka na Slovensku, mierne povedané obchádza. Aj keď sa pri výbere riadime „nejakými“ genomickými plemennými hodnotami, nikto sa nepozastavuje nad tým, odkiaľ sa berú aká je báza – na akých dátach sú vyjadrené odchýlky a nakoniec asi to asi aj tak nikto ani nechce vedieť. Občas som prekvapený, že aj v časti odbornej verejnosti prevláda názor typu: „...načo im je genomika, keď ich nevedia nakŕmiť a podojiť...“. Nerád by som sa uberal týmto smerom, pretože to už je na svedomí každého farmára a pravdou je, že pokrok sa nedá zastaviť.
Na tomto mieste by som rád prezentoval výsledky dosiahnuté na našom pracovisku, ktoré ako jediné na Slovensku rieši výskum v oblasti analýzy celogenómovej informácie, a ktorého výsledky sú akceptované na medzinárodnej úrovni, o čom svedčia mnohé zahraničné publikácie. Nemôžeme sa porovnávať s komerčnými laboratóriami v objeme spracovaných vzoriek, ktoré robia služby v oblasti šľachtenia hovädzieho dobytka, pretože to je ich podnikateľský zámer a služba, ktorú predávajú chovateľom. My s nimi spolupracujeme, pretože na Slovensku nie je laboratórium vybavené potrebnou technológiou potrebnou na rutinné spracovanie. Naším cieľom je výskum, ktorým chceme poukázať najmä na mieru jedinečnosti našich populácií (tak ako aj mnoho zahraničných tímov) v kontexte globalizácie, pretože čo je doma, to sa počíta. Popri tom spolupracujeme s takými partnermi v zahraničí, ktorí sa podieľajú na vývoji nových technológií a metodík analýzy celogenómových dát. V posledných rokoch sme postupne realizovali analýzy pinzgauského dobytka na Slovensku najmä s cieľom detailne popísať genetickú štruktúru plemenného jadra populácie, o čom sme informovali aj na stránkach Slovenského CHOVu.
V súčasnosti sme vo fáze, keď máme dostupné výsledky aj o štruktúre slovenského strakatého plemena. Pričom sme sa zamerali na populáciu plemenných býkov v inseminácii (vrátane génovej banky); posledný bol z roku 2005. Výber reprezentatívnej vzorky matiek býkov realizoval Zväz chovateľov slovenského strakatého dobytka na Slovensku.
Slovenský strakatý dobytok tradične zaraďuje sa do fylogenetickej skupiny čelnatého dobytka, resp. skupiny tzv. simentalizovaných plemien. História plemena je medzi chovateľmi dobre známa. Šľachtenie plemena po roku 1990 bolo realizované na základe čistokrvnej plemenitby, s cieľom potlačiť holštajnské plemeno v rodokmeňoch aj vo fenotype. To sa dosiahlo aj dovozom jalovíc, inseminačných dávok preverených býkov a embryí zo zahraničia, čo malo za následok zvýšenie produkcie mlieka.
V súčasnosti je chovný cieľ stanovený primárne pre čistokrvnú populáciu slovenského strakatého dobytka s cieľom udržať kombinovaný úžitkový typ s vysokou produkciou mlieka a mäsa. Avšak kvôli znižujúcim sa stavom hospodárskych zvierat na území Slovenska je realizácia šľachtiteľských prác spojená s viacerými problémami. Jedným z problémov je obmedzená miera testovania mladých býkov, najmä kvôli nízkej početnosti populácie a preferovaní vysokokvalitných preverených býkov v plemenitbe (od roku 2005 z dovozu). Na tomto mieste je potrebné poznamenať, že zohľadnením genomickej informácie je možné tieto nedostatky odstrániť, a že aj pri nižšej spoľahlivosti odhadnutej genomickej plemennej hodnoty (vyššom riziku) to vieme eliminovať vysokým počtom opakovaní, ktoré prvotné riziko eliminuje na dostačujúcu úroveň (pre úžitkové chovy). Vývojom štatistických analýz genomických dát je možné optimalizovať šľachtiteľské stratégie so zámerom zlepšenia úžitkovosti plemien, do akej miery je však cieľom zachovanie súčasného stavu genetickej diverzity?
Genomická selekcia je forma založená na princípoch MAS (markerovo asistovaná selekcia), kde v prípade SNP čipov markery pokrývajú celú DNA, pričom medzi markermi a QTL (lokusmi asociovanými so znakmi a vlastnosťami) existuje genetická väzba. Jednonukleotidové polymorfizmy SNP sú takýmito markermi, získavame ich sekvenovaním genómu. Výsledky štatistických analýz na základe experimentálnych výsledkov (výskum) poukazujú na fakt, že je možné získať plemenné hodnoty s vysokou spoľahlivosťou aj s použitím iba informácií o markeroch, v reálnych podmienkach sa však ukazuje, že najmä v populáciách, ktoré sa líšia svojim genetickým založením od tých, v ktorých boli efekty markerov odhadnuté potrebuje ďalšiu validáciu, resp. je potrebné medzinárodnú bázu upraviť pre jej univerzálne použitie. V praxi to znamená, že je dôležitejšie (poznať) sa zamerať na frekvencie SNP markerov ako na frekvencie genotypov (QTL), čo je ale možné len vyšším počtom genotypovaných zvierat a, samozrejme, dát z kontroly úžitkovosti. Je nespornou výhodou, že genomická selekcia má v súčasnosti hlavný význam v genetickom hodnotení, odhade plemenných hodnôt a na dosahovanom genetickom zisku.
V tomto kontexte sme sa zamerali na využitie genomických nástrojov na zhodnotenie genetickej štruktúry plemena v porovnaní s využitím genealogických informácií, pričom moderné metódy majú jednu základnú prednosť: Nie sú náchylné na chýbajúce, neúplné alebo nepresné záznamy.
V globálnom kontexte je populácia unikátna
Vychádzajúc z histórie vzniku plemena sme sa zamerali na zhodnotenie miery jedinečnosti slovenského strakatého dobytka v kontexte možného podielu (historického) plemien: holštajnského, švajčiarskeho simentálskeho a ayrshire v genóme. Na tomto mieste je potrebné povedať, že sme na našej katedre vyvinuli metodiku na spoľahlivé odlíšenie geneticky blízkych populácií, ktorú sme potvrdili na populáciách slovenského a rakúskeho pinzgauského dobytka, ale aj pri voľne žijúcej zveri (jelene, kamzíky). Analýza zameraná na admixiu (genetické premiešanie) predstavuje dôležitý nástroj, pri ktorej možno úspešne použiť genomické údaje s cieľom zistiť genetické pozadie súčasnej populácie. Okrem toho je možné pomocou tohto ukazovateľa vysvetliť historický alebo geografický pôvod zvierat. Pri použití tejto analýzy sme boli schopní oddeliť od seba aj fylogeneticky úzko príbuzné plemená, ktoré sa podieľali na historickom vývoji plemena ako naznačuje obrázok 1.
Štatisticky bolo v súbore preukazne identifikovaných 5 zhlukov (množín dát, ktoré sú odlíšené rôznymi farbami), ktoré možno pripísať existencii jedinečných úsekov DNA v rámci jednotlivých plemien. Je zrejmé, že prevládajúca farba znamená genetickú informáciu jedinečnú pre dané plemeno. Reprezentatívne genetické informácie o švajčiarskom simentálskom, holštajnskom a ayrshirskom plemene sme získali z medzinárodnej spolupráce.
Medzi hodnotenými plemenami sa zistila určitá miera genetického premiešania. Najnižšia miera bola pozorovaná pri slovenskom strakatom dobytku, pri ostatných bola miera admixie výraznejšia. Na základe historického formovania plemena sme pri slovenskom strakatom dobytku očakávali vyššiu variabilitu spôsobenú plemenami švajčiarsky simentál a ayrshire. V našej štúdii sa to čiastočne potvrdilo prítomnosťou krátkych zhodných úsekov týchto dvoch plemien, aj keď s individuálnymi rozdielmi, miestami až v zanedbateľných pomeroch (zhodná farba na obrázku naznačuje zhodu s úsekmi v prípade porovnávaných plemien). Toto malé zastúpenie vyplýva z riadenia šľachtiteľského programu v minulosti, keď bol zámer chovateľov upriamený na zvýšenie mliekovej úžitkovosti a upevnenie plemenného typu čistokrvnou plemenitbou. Slovenský strakatý dobytok patrí do skupiny simentalizovaných plemien na základe fylogenetického pôvodu. Výsledky na základe analýzy admixie (genetického premiešania) poukazujú v jeho prípade na vytvorenie geneticky uzatvorenej populácie, ktorá vznikla riadenou selekciou a šľachtiteľskou prácou, t.j. populáciu, ktorá je v globálnom kontexte unikátna. Podotýkam, že výsledky môžu byť čiastočne ovplyvnené tým, že sme analyzovali iba slovenské plemenné býky v inseminačných dávkach, vrátane banky býkov.
Stopy selekcie
Práve toto zistenie nás viedlo k následnému výskumu, pričom sme chceli vedieť, či v DNA slovenského strakatého dobytka existujú nejaké typické úseky (stopy, resp. signály selekcie) t.j. či sa niektoré vyskytujú typicky (dedia sa) pri veľkom počte zvierat a vytvárajú akýsi vzorec. Analýza genómu nám poskytuje možnosť rozdeliť tieto signály podľa pôvodu, t.j. či sú výsledkom prírodnej alebo umelej selekcie. Prírodná a umelá selekcia sú príčinou biologickej rozmanitosti (biodiverzity) a v relatívne krátkom časovom období (domestikácia) vyústili do širokej fenotypovej rozmanitosti a do genetickej diferenciácie mnohých rôznych plemien hovädzieho dobytka. Mnohé plemená tak ako ich dnes poznáme, sú výsledkom šľachtenia s cieľom zlepšiť konkrétne fenotypové znaky. Takéto šľachtenie viedlo k špecializácii konkrétnych populácií z hľadiska úžitkovosti a nakoniec vyústilo do vytvorenia formálnych plemien, tvoriacich prevažne uzavreté populácie s vysokou genetickou uniformitou jedincov v rámci plemien. Prírodná a umelá selekcia vedie v genóme k zmenám vo frekvencii alel medzi populáciami a postupom času sa rôzne genetické varianty fixujú (haplotypy). Prístup k sekvencii genómu hovädzieho dobytka a genotypových panelov s vysokou hustotou poskytuje pozoruhodné zdroje na štúdium účinkov domestikácie a selekcie na štruktúru genómu hovädzieho dobytka. Jedným s možných prístupov, ktorý sa s veľkým úspechom používajú na detekciu stôp selekcie je distribúcia homozygotných úsekov (ROH – runs of homozygosity), ktorá môže poskytnúť pohľad na vývoj histórie, štruktúry a demografie populácie. Vieme, že selekcia v chove v smere zachovania plemenného štandardu a naplnenia chovného cieľa vedie z dlhodobého hľadiska k zužovaniu vzdialeností medzi predkami v rodokmeni v podobe výskytu spoločných predkov v bližších alebo vzdialenejších generáciách. V dôsledku toho sa zvyšuje pravdepodobnosť, že potomkovia zdedia rovnaké úseky DNA po niektorom spoločnom predkovi a tým dôjde k zvýšeniu homozygotnosti v určitých oblastiach genómu, a teda prejaví sa zvýšením frekvencie selektovaných alel v populácii. Z genetiky je dobre známy predpoklad, že použitím čistokrvnej (a ešte rýchlejšie príbuzenskou) plemenitby sa zvyšuje homozygotnosť, čo sa prejaví v genóme v podobe dlhým radom alel, ktoré sú v homozygotnom stave t. j. dedí sa iba jeden genetický variant, čiže ide o plemenný znak, ktorý je geneticky fixovaný.
Bežne používaný prístup na detekciu stôp selekcie je založený na miere diferenciácie populácie v dôsledku kolísania frekvencií alel medzi jednotlivými populáciami, ktoré sa potom kvantifikujú. Analýzou homozygotných úsekov genómu slovenského strakatého dobytka (obrázok 2), bol zistený vplyv umelej selekcie najmä na chromozóme 5 a 6 a tieto chromozómy nesú znaky mliekovej produkcie a reprodukcie.
Pohľad na homozygotné úseky a ich podrobné preskúmanie naznačuje možný genetický vzorec, existenciu spoločného haplotypu, ktorý nesie prospešné alely potencionálne pod riadenou selekciou (chovný cieľ). Najvýraznejšie stopy selekcie boli pozorované pomocou prístupu ROH a identifikované gény zodpovedné za sfarbenie (KIT), gén nevyhnutný pre rast folikulov a ovuláciu (BMPR1B), gén podieľajúci sa pri diferenciácií pohlavia (NR5A1) a gén, ktorý sa zapája do adaptívnej imunitnej odpovede (CSK).
Využitie v šľachtení alebo namiesto záveru...
Tradičná plemenná hodnota je kombinácia informácií o výkone a rodokmeni. Na zabezpečenie genomických plemenných hodnôt je potrebné zohľadniť aj ďalší zdroj, ktorý je založený na informáciách o DNA jedincov. Informácie o DNA uľahčujú sledovanie dedičnosti jednotlivých krátkych chromozomálnych segmentov a tým poskytujú presnejšiu identitu podľa spoločných predkov (IBD), ako pri rodokmeňových informáciách (nie sme obmedzení počtom generácií). Genetickú podobnosť založenú na tisícoch markerov rozmiestnených v genóme je možné merať presnejšie ako podobnosť na základe rodokmeňov. Informácie o DNA vedú k zvýšeniu presnosti odhadu plemenných hodnôt a k skráteniu generačných intervalov, čo uľahčuje selekciu v mladom veku, a čím sa znižujú náklady na testovanie potomstva.
Ako sme naznačili, slovenský strakatý dobytok možno považovať za súčasť národného kultúrneho dedičstva a jeden z vynikajúcich dôkazov uvedomelej riadenej šľachtiteľskej práce. Toto sme potvrdili v reálnych podmienkach na úrovni DNA, pretože sa svojím genetickým založením líši od geneticky príbuzných plemien, ktoré boli použité na jeho vytvorenie. Je otázkou, akým smerom sa v súčasnosti uberá šľachtenie na Slovensku. Na genomickej úrovni budeme vedieť posúdiť výsledok súčasnej šľachtiteľskej práce až o pár generácií, keď sa novopreferevané gény znova ustália v podobe vzorcov v genofonde. Z tohto pohľadu je potrebné pristupovať ku genomickému hodnoteniu v medzinárodnom meradle s rozvahou, v kontexte efektu použitých panelov genetických markerov vzhľadom na populáciu v ktorej boli odhadnuté a použiť ich pre potreby slovenského strakatého dobytka až po ďalšej validácii.
prof. Ing. Radovan Kasarda, PhD., Ing. Nina Moravčíková, PhD., doc. Ing. Juraj Candrák, PhD., Ing. Kristína Lehocká, Ing. Barbora Olšanská
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre
