Отбор по генотипу: испытание производителей по потомству и анализ ДНК

Бык не даёт молока, но от него зависит удой десятков тысяч его дочерей. Растение пшеницы выглядит здоровым, но может нести скрытый ген восприимчивости к болезни. Как узнать то, чего не видно, — генотип? Селекционеры давно научились оценивать генотип по потомству, а в XXI в. — читать его прямо в ДНК. Эти два способа и есть отбор по генотипу, о котором говорит кодификатор ЕГЭ.

Это пятая статья серии «Доместикация и селекция». В ней — почему фенотип не всегда отражает генотип; способы оценки генотипа; испытание производителей по потомству и расчёт племенной ценности; выявление скрытых носителей анализирующим скрещиванием; маркеры ДНК и маркер-ориентированная селекция; пирамидирование генов устойчивости; геномная селекция и революция в молочном скотоводстве; тесты на наследственные болезни животных; задания ЕГЭ и олимпиад.

• 1. Зачем отбирать по генотипу
• 2. Способы оценки генотипа
• 3. Как появилась идея судить о родителях по потомкам
• 4. Испытание производителей по потомству
• 5. Искусственное осеменение — основа отбора производителей
• 6. Станции контрольного откорма и испытания у кур и свиней
• 7. Племенная ценность: как её считают
• 8. Как найти скрытого носителя: анализирующее скрещивание
• 9. Отбор с помощью анализа ДНК: молекулярные маркеры
• 10. Типы маркеров: от окраски до SNP
• 11. Как находят гены количественных признаков
• 12. Как работает генотипирующий чип
• 13. Маркер-ориентированная селекция
• 14. Пирамидирование генов устойчивости
• 15. Гены, которые проверяют у животных
• 16. Отбор по ДНК у растений: примеры
• 17. Генотипирование эмбрионов
• 18. ДНК-тесты у собак и лошадей
• 19. Обратная сторона: наследственные дефекты и инбридинг
• 20. Геномная селекция
• 21. Ограничения отбора по ДНК
• 22. Сравнение методов отбора по генотипу
• 23. Отбор и сохранение генетического разнообразия
• 24. Хронология
• 25. Итог: что важно знать
• 26. Частые ошибки
• 27. Интересные факты
• 28. Частые вопросы
• 29. ЕГЭ
• 30. Для олимпиад
• 31. Задания с разбором
• Литература

1. Зачем отбирать по генотипу

Селекционеру нужны особи с ценным генотипом, ведь потомкам передаются гены, а не внешний вид. Но видит он фенотип, а фенотип отражает генотип не всегда.

• Влияние среды. Высокий удой коровы может быть результатом хорошего кормления, а крупный колос — удачного места на поле. Чем ниже наследуемость признака, тем хуже фенотип отражает генотип.
• Скрытые рецессивные аллели. Гетерозигота Aa выглядит так же, как AA, но может передать потомству вредный аллель a.
• Признаки, ограниченные полом. Удой, жирность молока, яйценоскость проявляются только у самок, но гены этих признаков несут и самцы, которые передают их дочерям. Генотип быка или петуха по этим признакам по его собственному фенотипу не определить.
• Поздно проявляющиеся признаки — продолжительность продуктивного использования, долголетие, качество мяса (видно только после убоя), урожай плодовых деревьев через 5–10 лет.
• Признаки, которые трудно или дорого измерить — устойчивость к болезни (надо заражать), качество зерна (нужен анализ).

Во всех этих случаях нужен отбор не по собственному фенотипу особи, а по её генотипу — оценённому по родственникам, по потомству или прямо по ДНК.

2. Способы оценки генотипа

3. Как появилась идея судить о родителях по потомкам

Мысль, что о наследственных задатках животного лучше всего говорят его потомки, старше генетики. В XVIII в. английский скотовод Роберт Бейкуэлл, создатель лестерской породы овец, сдавал своих баранов в аренду соседним фермерам на сезон, а затем смотрел, каких ягнят каждый баран дал. Лучших производителей он оставлял у себя и использовал шире, худших выбраковывал. По сути это и было испытание по потомству, хотя законов наследования тогда никто не знал.

В растениеводстве тот же принцип в середине XIX в. сформулировал французский селекционер Луи де Вильморен, работавший с сахарной свёклой. Он заметил, что корнеплоды с одинаково высоким содержанием сахара дают очень разное потомство: у одних семена дают сахаристые растения, у других — обычные. Вильморен стал высевать семена каждого отобранного корнеплода отдельно и оставлять на семена только те растения, чьё потомство оказалось лучшим. Этот способ получил название «принцип Вильморена», или индивидуальный отбор с оценкой по потомству. Благодаря ему и работе последующих селекционеров содержание сахара в корнях свёклы за несколько десятилетий выросло примерно вдвое — свёкла стала главным источником сахара в Европе.

Научное объяснение принципа дал датский ботаник Вильгельм Иогансен. В 1903 г. он описал опыты с фасолью: из смеси семян разной массы он вывел потомства отдельных самоопыляющихся растений — чистые линии. Между линиями средняя масса семян различалась наследственно. А внутри одной линии отбор крупных и мелких семян ничего не давал: потомство и тех и других имело одинаковую среднюю массу. Значит, различия внутри чистой линии вызваны средой и не наследуются. В 1909 г. Иогансен ввёл слова «ген», «генотип» и «фенотип», чтобы отделить наследственную основу от того, что мы видим. С тех пор задача отбора формулируется именно так: по фенотипу, который зависит и от генов, и от среды, найти особей с лучшим генотипом.

В животноводстве массовая оценка производителей по потомству началась в первой половине XX в. — сначала в Дании и США, затем в СССР, где её закрепили обязательной государственной системой оценки быков-производителей. Следующий шаг сделали в конце XX — начале XXI в., когда стало возможным читать генотип прямо по ДНК.

4. Испытание производителей по потомству

Идея проста: если генотип родителя хорош, его потомки в среднем будут лучше потомков других родителей, выросших в тех же условиях. Потомков много, и случайные влияния среды на отдельных особей взаимно сглаживаются. Поэтому оценка по потомству — самая надёжная оценка генотипа по фенотипу.

История

Принцип оценки по потомству использовал ещё в XVIII в. английский скотовод Роберт Бейкуэлл: он сдавал своих баранов в аренду соседям и смотрел, какое потомство они дают, — и лучших оставлял себе. В XIX в. Вильморены применили этот принцип к сахарной свёкле, в XX в. он стал основой племенной работы во всём мире.

Как проверяют быка

1. Молодых бычков от лучших родителей отбирают по происхождению и собственному развитию.
2. Семенем каждого бычка осеменяют несколько сотен коров в разных хозяйствах.
3. Через 9 месяцев рождаются телята, через ещё 2 года дочери быка приносят первого телёнка и начинают давать молоко.
4. По удою, жирности, белковости молока его дочерей (обычно нескольких десятков — сотни) за первую лактацию рассчитывают племенную ценность быка.
5. За это время семя быка замораживают и хранят. Если бык оказался «улучшателем», его семя используют широко; если «ухудшателем» — бракуют.

Весь цикл занимает около 5 лет, и проверка одного быка стоила десятки тысяч долларов. Зато оценка очень надёжна: при сотне дочерей точность приближается к 90 %.

Улучшатели, нейтральные и ухудшатели

По результатам испытания быков делят на улучшателей (дочери превосходят сверстниц — дочерей других быков в тех же стадах), нейтральных и ухудшателей. Именно сравнение со сверстницами, выросшими в тех же условиях, позволяет исключить влияние кормления и содержания конкретного хозяйства.

Испытание быка по шагам и почему оно долгое

1. Подбор родителей. Будущего быка-производителя получают от лучших быков и коров-рекордисток — это «заказное спаривание».
2. Выращивание. Бычка выращивают на племпредприятии; примерно к году от него начинают получать семя.
3. Пробное осеменение. Несколько сотен доз семени рассылают в разные хозяйства, чтобы им осеменили случайно выбранных коров.
4. Ожидание дочерей. Беременность коровы длится около 9 месяцев; дочери рождаются, когда быку около двух лет.
5. Ожидание продуктивности. Тёлки растут, их осеменяют, и они телятся примерно в два года; затем 305 дней длится первая лактация. Быку к этому времени около пяти лет.
6. Оценка и решение. Удои, жирность и белок молока дочерей сравнивают со сверстницами. Лучших быков объявляют улучшателями, и их семя, хранившееся замороженным, используют широко; остальных выбраковывают.

Получается, что от рождения быка до решения о нём проходит 5–6 лет, а содержание сотен быков, ожидающих оценки, стоит очень дорого. Из 10 испытанных быков в улучшатели обычно попадали лишь один-два. Именно эти годы ожидания и затраты сделали геномную селекцию столь привлекательной.

5. Искусственное осеменение — основа отбора производителей

Испытание производителей по потомству стало массовым только благодаря искусственному осеменению. При естественном спаривании бык может покрыть несколько десятков коров в год, и оценить его по сотне дочерей почти невозможно. При искусственном осеменении семя одного быка разбавляют и делят на тысячи доз, замораживают в жидком азоте и рассылают по хозяйствам. Это дало два результата:

• каждого молодого быка можно испытать на сотнях коров в разных стадах — и оценка становится надёжной;
• лучшего быка можно использовать очень широко — его гены быстро распространяются по породе, обеспечивая генетический прогресс.

Метод искусственного осеменения в практику животноводства внедрил в начале XX в. русский биолог Илья Иванов: он разработал инструменты, разбавители семени и обучал специалистов; к 1930-м гг. в СССР искусственно осеменяли сотни тысяч коров и овец. Замораживание семени стало возможным после 1949 г., когда британские учёные открыли защитное действие глицерина. Сегодня большинство молочных коров в мире получены искусственным осеменением.

Современное развитие — сексированное семя: сперматозоиды с X- и Y-хромосомами разделяют по количеству ДНК (X-хромосома больше Y, и X-сперматозоиды содержат примерно на 4 % больше ДНК), что позволяет получать от лучших коров преимущественно тёлочек.

6. Станции контрольного откорма и испытания у кур и свиней

У свиней и птицы потомков много, и оценивать производителей можно быстрее. Для объективной оценки используют станции контрольного откорма: потомков разных хряков выращивают в одинаковых условиях, на одинаковом корме и измеряют скорость роста, затраты корма, толщину шпика, а после убоя — качество мяса. У кур оценивают яйценоскость дочерей петухов, массу яиц, сохранность. Так отделяют влияние генов от влияния кормления и содержания конкретного хозяйства. Сегодня всё больше измерений делают прижизненно (ультразвуком, компьютерной томографией), а значительную часть оценки берёт на себя геномная селекция.

7. Племенная ценность: как её считают

Племенная ценность животного — это удвоенное ожидаемое превосходство его потомков над средним по популяции (удвоенное, потому что потомок получает от родителя лишь половину генов). Упрощённый пример оценки быка:

• Средний удой его дочерей — 7600 кг за лактацию.
• Средний удой их сверстниц (дочерей других быков) в тех же хозяйствах и в те же годы — 7200 кг.
• Превосходство дочерей — 400 кг. Матери дочерей — случайная выборка коров (в среднем как сверстницы), значит, превосходство создано генами быка, переданными половиной генома.
• Племенная ценность быка ≈ 2 × 400 = 800 кг (с поправкой на число дочерей и наследуемость, которая уменьшает оценку при малом числе дочерей).

Современные расчёты учитывают всех родственников одновременно (метод, называемый BLUP — наилучший линейный несмещённый прогноз): родителей, сибсов, потомство, а теперь и геном. Но смысл тот же: отделить влияние генов от влияния среды.

Оценка по потомству у растений

У растений оценка по потомству — основа индивидуального отбора: потомство каждого отобранного растения выращивают отдельно (семьи, линии) и сравнивают. У перекрёстноопылителей оценивают потомство от свободного опыления (полусибсы) или от скрещивания с тестером — общей для всех линией; так определяют комбинационную способность линий для гибридов.

Оценка по сибсам

Когда признак можно измерить только убив животное (качество мяса, толщина шпика у свиней), оценивают братьев и сестёр кандидата: если сибсы отличного качества, у кандидата высока вероятность хорошего генотипа. Так в свиноводстве и птицеводстве оценивают хряков и петухов.

Пример: как оценивают быка по дочерям

Пусть у двух молодых быков, Арбата и Бурана, по 80 дочерей закончили первую лактацию. Посмотрим на условные данные:

По средней цифре дочерей Арбат выглядит лучше: его дочери надоили больше. Но они росли в лучших хозяйствах, где сверстницы дали ещё больше. Дочери Бурана попали в стада с худшим кормлением, но превзошли соседок на 700 кг. Значит, гены удоя лучше у Бурана. Его семя стоит использовать широко, а Арбата — выбраковать. Этот пример показывает главное: оценка генотипа всегда строится на сравнении в одинаковых условиях.

Половину генов дочь получает от отца, половину — от матери. Поэтому превосходство дочерей над сверстницами — примерно половина племенной ценности быка: если его дочери в среднем превосходят сверстниц на 700 кг, то его собственная племенная ценность по удою — около 1400 кг (при условии, что матери дочерей были средними и оценка надёжна). Эту величину называют передающей способностью: бык «передаёт» дочерям половину своей ценности.

Наследуемость: когда фенотип особи почти бесполезен

Насколько хорошо фенотип самой особи говорит о её генотипе, показывает коэффициент наследуемости h² — доля различий между особями по признаку, вызванная различиями в генах (точнее, в аддитивных эффектах генов). Если h² близок к 1, высокая особь почти наверняка несёт «гены высокого роста», и достаточно массового отбора. Если h² мал, фенотип в основном определяется средой и случаем, и отбор по нему почти бесполезен.

Видна закономерность: чем ниже наследуемость, тем больше родственников нужно оценить, чтобы «отфильтровать» влияние среды. Средняя продуктивность сотни дочерей уже мало зависит от случайностей: удача одной коровы компенсируется неудачей другой, а общая генетическая составляющая — то, что все дочери получили от отца, — остаётся. Это и есть главная математическая причина, по которой испытание по потомству так надёжно.

8. Как найти скрытого носителя: анализирующее скрещивание

Самый простой отбор по генотипу — выявление гетерозигот, несущих рецессивный аллель. Для этого используют анализирующее скрещивание — скрещивание особи с рецессивной гомозиготой (aa). Если особь AA, все потомки будут с доминантным признаком; если Aa — половина потомков проявит рецессивный признак.

Пример: проверка быка на носительство

Рецессивная мутация вызывает у телят наследственный дефект (например, отсутствие шерсти или порок развития). Нужно убедиться, что ценный бык не носитель. Его скрещивают с известными носительницами (Aa) или с гомозиготными aa коровами (если они жизнеспособны).

• При скрещивании с aa: если бык Aa, каждый телёнок с вероятностью 1/2 будет aa. Вероятность получить n здоровых телят подряд от носителя — (1/2)ⁿ. Чтобы с вероятностью 95 % исключить носительство, нужно 5 здоровых телят ((1/2)⁵ ≈ 0,03).
• При скрещивании с носительницами Aa: каждый телёнок от быка-носителя с вероятностью 1/4 будет aa. Вероятность n здоровых телят подряд — (3/4)ⁿ; для 95 % уверенности нужно 11 телят ((3/4)¹¹ ≈ 0,04).
• При скрещивании с собственными дочерями (половина из них — носительницы, если бык Aa): вероятность больного телёнка 1/8; нужно около 23 телят.

Это долго и дорого. Сегодня для многих известных мутаций носительство проверяют за несколько дней анализом ДНК.

У растений

У растений гетерозиготность проверяют по потомству от самоопыления: растение AA даёт однородное потомство, Aa — расщепляющееся (3 : 1). Так отличают гомозиготные устойчивые растения от гетерозиготных при отборе в F₂.

Разбор типовых задач

Задача 1. Чёрный кролик (чёрная окраска A доминирует над белой a) при скрещивании с белой крольчихой дал 6 чёрных крольчат. Можно ли считать его гомозиготным?

Рассуждение. Если бы кролик был гетерозиготой Aa, каждый крольчонок с вероятностью 1/2 был бы белым. Вероятность получить 6 чёрных подряд у гетерозиготы — (1/2)⁶ = 1/64 ≈ 1,6 %. Значит, кролик почти наверняка AA, но строго доказать гомозиготность анализирующим скрещиванием нельзя — можно только сделать ошибку маловероятной. А вот один белый крольчонок сразу и точно доказал бы, что кролик гетерозиготен.

Задача 2. Почему для проверки быка на носительство рецессивной мутации обычно используют не рецессивных гомозиготных коров, а его собственных дочерей?

Рассуждение. Если мутация вызывает тяжёлую болезнь, гомозиготные aa животные погибают или не дают потомства, и подобрать их для скрещивания невозможно. Тогда быка спаривают с его дочерями: если он носитель Aa, каждая дочь с вероятностью 1/2 — тоже носительница. Вероятность больного телёнка в одном таком спаривании — 1/2 × 1/4 = 1/8. Если у быка-носителя 23 телёнка от дочерей, вероятность, что все здоровы, равна (7/8)²³ ≈ 0,05. Такие инцестные спаривания неудобны и затратны, поэтому сегодня носительство известных мутаций проверяют анализом ДНК.

Задача 3. Растение пшеницы из F₂ устойчиво к ржавчине (доминантный признак R). Как определить его генотип у самоопыляющегося растения?

Рассуждение. Собирают семена от самоопыления и высевают их отдельной семьёй. Если все проростки устойчивы — растение было RR; если встречаются восприимчивые (около 1/4), — Rr. Среди устойчивых растений F₂ гомозигот лишь треть (1/3 RR и 2/3 Rr), поэтому без такой проверки или маркера селекционер часто отбирал бы гетерозигот, которые в следующем поколении снова расщепляются.

Носители сцепленных с полом рецессивов

Если рецессивный аллель лежит в X-хромосоме, у самцов млекопитающих (XY) он проявляется всегда: скрытых носителей среди самцов нет. Проверять приходится самок. У самки-носительницы X^AX^a каждый сын с вероятностью 1/2 получает X^a и проявляет признак. Если у самки n здоровых сыновей, вероятность того, что она всё же носительница, уменьшается как (1/2)ⁿ: после 5 здоровых сыновей — около 3 %. Так, например, выявляли носительниц гемофилии в породах собак до появления ДНК-тестов. У птиц всё наоборот: гетерогаметны самки (ZW), и скрытыми носителями сцепленных с полом рецессивов бывают только самцы (Z^AZ^a).

9. Отбор с помощью анализа ДНК: молекулярные маркеры

Самые распространённые маркеры:

• SNP — однонуклеотидные замены, встречающиеся в геноме каждые несколько сотен нуклеотидов; их определяют генотипирующими чипами или ПЦР-анализом.
• Микросателлиты (SSR) — короткие тандемные повторы разной длины, определяемые ПЦР и электрофорезом.
• Функциональные маркеры — сама мутация в гене, определяющем признак.

Если маркер лежит рядом с геном, отвечающим за признак, аллели маркера и гена наследуются вместе (сцепление). Тогда, определив вариант маркера, можно узнать, какой аллель гена несёт растение или животное, — даже если признак ещё не проявился или его трудно измерить. Чем ближе маркер к гену, тем реже кроссинговер разрывает их связь и тем надёжнее прогноз; лучше всего, когда маркер — сама мутация.

10. Типы маркеров: от окраски до SNP

Маркером может служить любое легко определяемое наследственное различие, сцепленное с нужным геном. История маркеров — это путь от признаков, которые видно глазом, к последовательности ДНК.

Сегодня в селекции используют главным образом SNP и, для отдельных задач, микросателлиты. Микросателлиты по-прежнему применяют для подтверждения происхождения: по ним проверяют, действительно ли телёнок или жеребёнок происходит от указанных в документах родителей. Это важно, потому что ошибки в родословных искажают оценку по потомству: если часть «дочерей» быка на самом деле от другого отца, его оценка неверна.

Лучший маркер — сама причинная мутация (например, замена в гене RYR1 у свиней или DGAT1 у коров). Тогда кроссинговер не может разорвать связь маркера и гена: маркер и есть ген. Такие маркеры называют функциональными, или «идеальными».

11. Как находят гены количественных признаков

Чтобы отбирать по ДНК, нужно знать, где в геноме лежат гены, влияющие на признак. Для количественных признаков такие участки называют QTL (локусы количественных признаков). Их ищут двумя путями:

• Анализ сцепления в семьях: в потомстве от скрещивания двух сильно различающихся форм (например, высоко- и низкомасличной) определяют маркеры по всему геному и ищут маркеры, аллели которых связаны со значениями признака.
• Полногеномный поиск ассоциаций в большой популяции — как в генетике человека.

Найдя QTL, ищут в нём сам ген и мутацию — это называют позиционным клонированием. Классический пример — ген DGAT1 у крупного рогатого скота: в 2002 г. бельгийские и новозеландские генетики показали, что одна замена аминокислоты в ферменте синтеза жиров (диацилглицерол-ацилтрансферазе) сильно влияет на содержание жира и количество молока [1]. Один аллель повышает жирность молока, другой — удой при меньшей жирности. Теперь по этому гену можно отбирать быков в зависимости от того, какое молоко нужно.

Другие примеры: ген IGF2 у свиней (мутация в его регуляторном участке увеличивает мышечную массу), ген миостатина (двойная мускулатура), у растений — гены карликовости Rht, гены неосыпаемости, гены устойчивости к болезням. Но для большинства хозяйственных признаков эффекты отдельных генов малы, и тогда на помощь приходит геномная селекция, не требующая знать каждый ген.

12. Как работает генотипирующий чип

Генотипирующий чип — стеклянная пластинка или набор микроскопических шариков, на которых закреплены миллионы коротких зондов, каждый — к своему SNP. ДНК животного (из капли крови, кусочка уха или волосяной луковицы) или растения (из листочка) выделяют, фрагментируют и наносят на чип. Каждый фрагмент связывается со своим зондом; затем специальная реакция присоединяет флуоресцентную метку того или иного цвета в зависимости от нуклеотида в позиции SNP. Сканер считывает цвет каждой точки: например, красная — гомозигота AA, зелёная — GG, жёлтая — гетерозигота AG. За один анализ определяют генотип по десяткам тысяч позиций. Стоимость такого анализа для коровы — несколько десятков долларов, и в США ежегодно генотипируют сотни тысяч молодых животных.

13. Маркер-ориентированная селекция

Отбор особей по маркерам, сцепленным с нужными генами, называют маркер-ориентированной селекцией [2]. Её преимущества:

• Отбор на ранней стадии. ДНК можно взять из листочка проростка или из капли крови новорождённого телёнка и сразу узнать генотип — не ждать цветения, плодоношения или лактации.
• Отбор без заражения и стресса. Гены устойчивости к болезни, засухе, холоду можно определить, не заражая растения и не подвергая их засухе.
• Различение гомозигот и гетерозигот по доминантному признаку — без анализирующего скрещивания.
• Объединение нескольких генов в одном сорте (пирамидирование), когда их эффекты фенотипически неразличимы.
• Ускорение беккроссов: можно отбирать растения не только с нужным геном (отбор «на передний план»), но и с наибольшей долей генома рекуррентного сорта (отбор «на фон») — за 2–3 беккросса вместо 5–6.

Пример: рис, переживающий затопление

Миллионы гектаров рисовых полей в Южной Азии каждый год затапливаются наводнениями, и обычный рис погибает, если проводит под водой больше нескольких дней. В местном индийском сорте нашли ген Sub1A, позволяющий растению «замереть» под водой на две недели и выжить [3]. С помощью маркеров этот ген за несколько лет ввели в популярные высокоурожайные сорта методом беккроссов, отбирая растения с геном и с максимальной долей генома исходного сорта. Новые сорта — так называемые «плавучие» — выращивают миллионы крестьян, и они спасают урожай в годы наводнений.

Маркерный беккросс: три вида отбора на каждом шаге

Когда ген устойчивости переносят из «донора» (дикого вида или старого сорта) в современный сорт-«реципиент», на каждом шаге беккросса маркеры решают три задачи:

1. Отбор по целевому гену (прямой отбор). Оставляют только растения, у которых маркер показывает аллель донора в нужном гене. Заражать растения возбудителем не нужно.
2. Отбор на рекомбинацию рядом с геном. Вместе с нужным геном от донора обычно переходит соседний участок хромосомы, где могут лежать нежелательные гены (например, снижающие качество зерна) — это называют «сцеплённым грузом». Маркеры по обе стороны от гена позволяют найти растения, у которых кроссинговер отрезал лишний участок донора.
3. Отбор по генетическому фону. Сотни маркеров по всему геному показывают, какая доля генома уже принадлежит реципиенту. Отбирают растения с наибольшей его долей.

Без маркеров для восстановления генома реципиента требуется 6 и больше беккроссов: в среднем после n беккроссов доля генома реципиента равна 1 − (1/2)ⁿ⁺¹. С отбором по фону того же результата достигают за 2–3 беккросса. Именно так за несколько лет получили «затопляемые» версии популярных сортов риса с геном Sub1A, неотличимые от исходных по урожаю и качеству зерна.

14. Пирамидирование генов устойчивости

Один ген устойчивости к болезни возбудитель обычно «преодолевает» за несколько лет. Если же в сорте объединены три-четыре гена, возбудителю нужно одновременно приобрести несколько мутаций, что гораздо менее вероятно. Но фенотипически растение с одним и с тремя генами устойчивости выглядит одинаково — оно просто не болеет. Отличить их можно только по ДНК. Поэтому пирамидирование генов стало возможным именно благодаря маркерам. Так создают сорта пшеницы с несколькими генами устойчивости к ржавчине, риса — к бактериальному ожогу и пирикуляриозу, картофеля — к фитофторозу.

15. Гены, которые проверяют у животных

История гена галотана — яркий пример. Мутация в гене кальциевого канала мышц (RYR1) у гомозиготных свиней вызывает смертельный приступ при стрессе (перевозке, драке), а у гетерозигот — ухудшение качества мяса. Раньше носителей выявляли, давая поросятам наркоз галотаном (у гомозигот начинались судороги). После того как в 1991 г. нашли саму мутацию, ДНК-тест позволил быстро выявить всех носителей, и в большинстве пород мутацию практически устранили.

16. Отбор по ДНК у растений: примеры

• Пшеница и фузариоз колоса. Ген Fhb1 из китайского сорта Сумай 3 придаёт устойчивость к фузариозу колоса — опасной болезни, при которой в зерне накапливаются ядовитые для человека и животных вещества (микотоксины). Устойчивость трудно оценить в поле, а маркер к Fhb1 позволяет отбирать растения в лаборатории.
• Пшеница и ржавчина. Ген Lr34 даёт долговременную частичную устойчивость сразу к нескольким видам ржавчины и мучнистой росе и не преодолевается возбудителями уже более 100 лет. Его отслеживают маркером при создании новых сортов.
• Ароматный рис. Аромат сортов басмати и жасминового риса вызывает утрата функции гена BADH2; маркер на эту мутацию позволяет быстро отбирать ароматные растения, не дожидаясь урожая и дегустации.
• Томат. Гены устойчивости к вирусам и нематодам, перенесённые от диких видов, отслеживают маркерами при беккроссах.
• Плодовые деревья. У яблони маркеры позволяют уже у годовалого сеянца предсказать окраску и размер плодов, устойчивость к парше, вкус — и выбросить большинство сеянцев, не дожидаясь первых плодов через 5–7 лет. Это экономит огромные площади и годы работы.

В растениеводстве геномная селекция особенно эффективна для гибридов кукурузы: по генотипам родительских линий предсказывают урожай гибридов, не высаживая тысячи комбинаций в поле.

17. Генотипирование эмбрионов

Метод пересадки эмбрионов позволяет получить от выдающейся коровы десятки телят: её гормонально стимулируют, чтобы созрело много яйцеклеток, осеменяют, а через неделю вымывают эмбрионы и пересаживают их другим коровам. Сегодня от эмбриона на ранней стадии можно отобрать несколько клеток, генотипировать их и переносить только эмбрионы с лучшей геномной оценкой. Это ещё больше ускоряет селекцию, хотя и стоит дорого. Похожий принцип — предимплантационное тестирование у человека, — но в медицине его используют только для предупреждения тяжёлых болезней, а не для «улучшения» признаков.

18. ДНК-тесты у собак и лошадей

Отбор по генотипу с помощью ДНК давно вышел за пределы сельского хозяйства. Заводчики собак и лошадей используют десятки тестов на наследственные болезни, и примеры из этой области хорошо показывают, как работает отбор по генотипу.

• Ген MDR1 (ABCB1) у колли и родственных пород. Мутация, выключающая белок-«насос», который выводит лекарства из мозга, делает собак чувствительными к ряду препаратов, например к ивермектину: обычная для других собак доза может вызвать у гомозиготы тяжёлое отравление. ДНК-тест позволяет и правильно лечить собаку, и подбирать пары так, чтобы снижать частоту мутации.
• Прогрессирующая атрофия сетчатки у многих пород собак вызывает слепоту в зрелом возрасте — уже после того, как собака дала потомство. Без ДНК-теста носителей нельзя было выявить вовремя; теперь собак проверяют до вязки.
• Гиперкалиемический периодический паралич (HYPP) у лошадей американской породы квотерхорс вызывает мутация в гене натриевого канала мышц. Её проследили до знаменитого жеребца Импрессив, имевшего очень много потомков: его ценили за мощную мускулатуру, которую отчасти обеспечивала та же мутация. Теперь в документах лошадей указывают результат теста.
• Миостатин у скаковых лошадей. Вариант гена миостатина у чистокровных верховых связан с дистанцией, на которой лошадь сильнее: одни генотипы характерны для спринтеров, другие — для лошадей, бегущих на длинные дистанции. Тест используют при выборе стратегии подготовки и подбора пар.

Общий урок тот же, что и у коров: если широко используемый производитель несёт рецессивный дефект, он распространяется по породе, а ДНК-тест позволяет выявлять носителей без многолетних испытаний и не жертвовать ценными животными.

19. Обратная сторона: наследственные дефекты и инбридинг

Чем сильнее отбор по генотипу, тем шире используются немногие лучшие производители. Один выдающийся бык при искусственном осеменении может иметь десятки тысяч дочерей и сотни тысяч внучек. Если он несёт скрытую рецессивную мутацию, она быстро распространяется по породе, а когда его потомки начинают спариваться между собой, появляются больные гомозиготы.

Голштинская порода — самая распространённая молочная порода мира — дала классические примеры:

• BLAD — наследственный дефицит адгезии лейкоцитов. Лейкоциты телят-гомозигот не могут выйти из сосудов в ткани, и телята погибают от инфекций в первые месяцы жизни. Мутацию в гене белка лейкоцитов (интегрина) проследили до знаменитого быка Осборндейла Айвенго, родившегося в 1950-х гг.: в начале 1990-х носителями были многие элитные быки породы. После создания ДНК-теста носителей перестали использовать, и частота мутации резко упала.
• CVM — комплексный порок развития позвоночника: телята-гомозиготы гибнут ещё до рождения или рождаются с искривлённым позвоночником. Мутацию проследили до быка Карлин-М Айвенго Белл — одного из самых использовавшихся производителей породы.
• Гаплотипы фертильности. После 2009 г., когда сотни тысяч голштинов были генотипированы, генетики заметили участки генома, которые встречаются у многих животных в гетерозиготном состоянии, но почти никогда — в гомозиготном. Так обнаружили рецессивные летальные мутации, вызывающие гибель эмбрионов на ранних стадиях: корова просто «не беременеет», и никакой внешне заметной болезни нет. Без ДНК их выявить было невозможно.

Другая проблема — инбридинг. Хотя голштинов в мире десятки миллионов, почти все они происходят от небольшого числа знаменитых быков. Генетики оценивают эффективную численность породы — число особей в «идеальной» популяции с таким же темпом потери разнообразия — всего в несколько десятков — около сотни. Это меньше, чем у многих редких диких видов. Инбредные коровы чаще болеют, хуже воспроизводятся и живут меньше (инбредная депрессия).

Поэтому современная селекция по ДНК решает сразу три задачи: отбирает лучших по продуктивности, исключает носителей известных дефектов и следит за родством — при подборе пар программы рассчитывают будущий коэффициент инбридинга телёнка и избегают близкородственных спариваний. Подробнее о последствиях близкородственного скрещивания — в статье серии об инбридинге, аутбридинге и гетерозисе.

20. Геномная селекция

Маркер-ориентированная селекция хорошо работает для признаков, определяемых немногими генами с сильным эффектом. Но урожай, удой, привес, плодовитость определяются тысячами генов с малыми эффектами. Как отбирать по ним с помощью ДНК?

В 2001 г. генетики Тео Мойвиссен, Бен Хейс и Майк Годдард предложили решение — геномную селекцию [4]. Вместо поиска отдельных генов нужно:

1. Взять большую референсную популяцию — тысячи животных или растений, у которых известны и фенотипы (продуктивность), и генотипы по десяткам тысяч SNP, равномерно покрывающих весь геном.
2. Статистически оценить вклад каждого из этих SNP в признак — сразу всех одновременно. Каждый SNP «представляет» соседние гены, с которыми он сцеплен.
3. У молодой особи определить генотип по тем же SNP и сложить вклады — получится геномная оценка племенной ценности.

Так можно оценить племенную ценность новорождённого телёнка или проростка, не дожидаясь проявления признака и потомства, с точностью, сравнимой с оценкой по нескольким десяткам потомков.

Революция в молочном скотоводстве

Геномная селекция появилась в практике раньше всего у молочного скота — около 2009 г. [5]. Причины: высокая ценность быков, огромные базы данных о продуктивности дочерей (готовая референсная популяция) и дешевеющие генотипирующие чипы. Результаты оказались поразительными [6] [7]:

• быков стали оценивать сразу после рождения, а использовать — в 1–2 года, а не в 5–6 лет;
• интервал между поколениями быков сократился примерно вдвое;
• генетический прогресс по удою и особенно по признакам с низкой наследуемостью (плодовитость, здоровье, продолжительность жизни) вырос в 1,5–2 раза и больше;
• дорогое испытание по потомству для большинства быков стало не нужно.

Сегодня геномную селекцию используют также в свиноводстве, птицеводстве, разведении рыб и в селекции кукурузы, пшеницы, риса, древесных культур.

Как считают геномную оценку — по шагам

1. Создают референсную популяцию. Берут несколько тысяч (у молочного скота — десятки тысяч) животных, у которых известны и генотипы по десяткам тысяч SNP, и надёжные фенотипы: для быков — оценки по дочерям, для коров — собственная продуктивность.
2. Оценивают эффекты маркеров. Статистическая модель одновременно подбирает вклад каждого SNP так, чтобы сумма вкладов как можно лучше объясняла различия в продуктивности. Большинство эффектов крошечные, несколько — заметные (например, вблизи DGAT1).
3. Генотипируют молодых кандидатов. Телёнка, ягнёнка или проросток генотипируют на том же чипе.
4. Складывают эффекты. Для каждого кандидата суммируют вклады его аллелей по всем SNP. Получается геномная оценка племенной ценности.
5. Обновляют модель. Когда у генотипированных животных появляются собственные фенотипы и дочери, их добавляют в референсную популяцию — точность оценки растёт с каждым годом.

Важное условие: кандидаты должны быть родственны референсной популяции. Модель, обученная на голштинах, плохо предсказывает ценность джерсейских коров, а модель, обученная в одной стране, хуже работает в другой с иными условиями. Поэтому страны объединяют данные: обмен генотипами между селекционными центрами сильно увеличил точность оценок.

Геномная селекция у птицы, свиней и растений

У кур-несушек главное ограничение — интервал между поколениями и признаки, проявляющиеся поздно (яйценоскость к концу продуктивного периода, прочность скорлупы старых кур). Геномные оценки позволяют отбирать петухов в возрасте нескольких недель. У свиней по геному предсказывают плодовитость свиноматок, качество мяса и устойчивость к болезням — признаки, которые у самого хряка не измерить.

У растений геномная селекция особенно выгодна там, где полевое испытание дорого: у кукурузы (тысячи гибридных комбинаций), пшеницы (оценка в разные годы и в разных регионах), у деревьев (ель, эвкалипт), где первые результаты появляются через десятилетия. Селекционер испытывает в поле только часть линий, а для остальных доверяется предсказанию по ДНК и высевает лишь самые перспективные.

21. Ограничения отбора по ДНК

• Нужна референсная популяция с надёжными фенотипами, и она должна быть генетически близка к оцениваемым особям; для малочисленных пород и культур создать её трудно.
• Точность падает со временем: с каждым поколением связь маркеров и генов ослабевает из-за кроссинговера, поэтому референсную популяцию постоянно обновляют.
• Генотип — не судьба: геномная оценка — вероятностная, а условия выращивания по-прежнему важны.
• Риск сужения разнообразия. Быстрый отбор немногих лучших генотипов может увеличить инбридинг; поэтому в программах учитывают родство и ограничивают использование одного производителя.
• Стоимость: генотипирование подешевело до десятков долларов за образец, но для массового применения в растениеводстве всё ещё требует затрат.

Поэтому ДНК-методы не отменили классическую селекцию, а дополнили её: фенотипы, полевые испытания и оценка по потомству по-прежнему нужны, хотя бы для обновления референсных популяций.

22. Сравнение методов отбора по генотипу

23. Отбор и сохранение генетического разнообразия

Эффективный отбор по генотипу делает популяции всё более однородными: распространяются гены немногих лучших производителей, а редкие аллели теряются. Сегодня это кажется неважным, но в будущем может понадобиться ген, который сейчас не ценится: устойчивость к новой болезни, к жаре, к грубым кормам. Поэтому селекция по генотипу сопровождается сохранением разнообразия:

• Криобанки хранят замороженное семя, эмбрионы и клетки животных разных пород, в том числе исчезающих. Из семени быка, замороженного полвека назад, и сегодня можно получить телёнка.
• Генетические банки семян растений — продолжатели дела Н. И. Вавилова — хранят местные сорта и дикие родичи культурных растений; из них берут гены устойчивости для маркер-ориентированной селекции (как Sub1A из старого индийского сорта риса).
• Аборигенные породы — местные, малочисленные, но приспособленные к своим условиям (например, якутский скот, выносящий сильные морозы), — поддерживают специальными программами.
• Контроль инбридинга при подборе пар по геномным данным позволяет точнее, чем по родословной, учитывать реальное родство и не допускать потери разнообразия.

Анализ ДНК помогает и здесь: по маркерам можно найти в редкой породе уникальные аллели и выбрать для сохранения тех животных, которые несут больше всего генетического разнообразия.

24. Хронология

25. Итог: что важно знать

• Фенотип не всегда отражает генотип из-за влияния среды, скрытых рецессивных аллелей, признаков, ограниченных полом, и позднего проявления признаков; поэтому нужен отбор по генотипу.
• Генотип оценивают по происхождению, сибсам, потомству и ДНК.
• Испытание производителей по потомству — оценка генотипа самца по продуктивности его потомков (у быков — по удою дочерей в сравнении со сверстницами); самый надёжный способ оценки по фенотипу; медленный и дорогой.
• Анализирующее скрещивание выявляет скрытых носителей рецессивных аллелей.
• Молекулярные маркеры — участки ДНК, сцепленные с генами признаков; маркер-ориентированная селекция позволяет отбирать особей с нужными генами на ранней стадии и объединять несколько генов (пирамидирование).
• Геномная селекция — оценка племенной ценности по тысячам маркеров всего генома с помощью референсной популяции; в молочном скотоводстве она удвоила генетический прогресс.
• ДНК-методы дополняют, но не отменяют полевые испытания и оценку фенотипов.

Если свести всю статью к одной мысли: отбор по генотипу — это способ увидеть то, что фенотип скрывает. Потомки показывают, какие аллели особь передаёт; анализирующее скрещивание выявляет скрытые рецессивные аллели; ДНК показывает генотип напрямую — уже у зародыша. Все три способа дополняют друг друга. Анализ ДНК не отменил испытания по потомству — он перенёс его на уровень популяции: фенотипы тысяч потомков теперь служат для обучения моделей, которые затем предсказывают ценность молодых животных и растений. Без надёжных измерений продуктивности, без родословных и без сохранённого разнообразия никакая геномная селекция работать не будет.

26. Частые ошибки

• «Быка оценивают по его собственному удою». Бык молока не даёт; его генотип по удою оценивают по дочерям или по ДНК.
• «Испытание по потомству — это то же, что массовый отбор». Нет, это индивидуальная оценка генотипа особи по её потомкам.
• «Анализирующее скрещивание проводят с доминантной гомозиготой». Анализирующее скрещивание — с рецессивной гомозиготой.
• «Маркер — это сам ген признака». Обычно маркер — соседний участок ДНК, сцепленный с геном; надёжность зависит от расстояния до гена.
• «Геномная селекция — это генная инженерия». Геномная селекция ничего не меняет в ДНК — она лишь использует ДНК для выбора особей.
• «ДНК-тест полностью заменяет испытания». Он вероятностный; нужны фенотипы для референсной популяции и проверки сортов в поле.
• «Отбор по генотипу возможен только с помощью ДНК». Генотип можно оценить и по фенотипу потомства — так делали с XVIII в.
• «Если отец — рекордсмен, его потомки тоже будут рекордсменами». Рекорд — сочетание удачных генов и удачных условий; потомок получает только половину генов отца, а сочетания генов перестраиваются. Поэтому и нужна оценка по потомству.
• «Анализирующее скрещивание проводят с доминантной гомозиготой». Нет — с рецессивной гомозиготой aa: только тогда в фенотипе потомков виден аллель, полученный от проверяемой особи.
• «Маркер — это сам ген признака». Обычно маркер лишь сцеплен с геном и может отделиться от него кроссинговером; совпадает с геном только функциональный маркер.
• «Удой быка можно измерить у его матери». Мать даёт только половину генов, и её собственный удой зависит от её условий; оценка по матери (по родословной) намного менее точна, чем по дочерям или по геному.
• «Отбор внутри чистой линии самоопылителя эффективен». Внутри чистой линии генотипы одинаковы, различия вызваны средой — отбор не даёт результата (опыты Иогансена).
• «Испытание по потомству нужно только для признаков, ограниченных полом». Оно нужно для любых признаков с низкой наследуемостью и для признаков, которые нельзя измерить у живого производителя (качество мяса после убоя), — например, у хряков и петухов.

27. Интересные факты

• Знаменитый голштинский бык Раунд Оук Рэг Эппл Элевейшн, родившийся в 1965 г., имел более 80 тысяч дочерей; гены нескольких таких «звёздных» быков есть почти у каждой голштинской коровы в мире.
• Семя быка, замороженное в жидком азоте при −196 °C, сохраняет оплодотворяющую способность десятилетиями: телят получают от быков, умерших 30–40 лет назад.
• Первые геномные оценки быков в США начали официально публиковать в январе 2009 г.; уже через несколько лет большинство быков в искусственном осеменении отбиралось по геному.
• Ген безрогости у коров возник как естественная мутация; с помощью ДНК-тестов фермеры отбирают гомозиготных безрогих быков, и телятам не приходится удалять рога.
• Генотипирующий чип для коров, широко используемый в геномной селекции, определяет более 50 тысяч SNP за один анализ.
• Маркер-ориентированная селекция позволила внедрить ген устойчивости к затоплению в сорта риса за 2–3 года вместо 6–10 лет обычного беккросса.
• У собак продаются ДНК-тесты, определяющие носительство более чем сотни наследственных болезней и окраску будущих щенков.
• Лучшие быки-производители при искусственном осеменении оставляют сотни тысяч потомков — больше, чем любое другое животное в истории своего вида.
• Сахарная свёкла — одно из первых растений, у которых сознательно применили индивидуальный отбор с оценкой по потомству; именно ему она обязана высокой сахаристостью.
• Для генотипирования быка достаточно волоса с луковицей или кусочка ткани уха, которую берут одновременно с установкой бирки.
• Наследственные летальные мутации, которые вызывают гибель эмбрионов, нашли не по больным животным, а по «пропавшим» гомозиготам в базе данных генотипов.
• У яблони отбор сеянцев по ДНК позволяет выбросить большую часть из них ещё в теплице и не занимать гектары сада сеянцами, которые никогда не дадут хороших плодов.
• Чистые линии фасоли Иогансена получили от сорта «Принцесса»: внутри каждой линии он отбирал самые крупные и самые мелкие семена несколько поколений подряд — и средняя масса семян потомства не менялась.
• Сексированное семя позволяет получать до 90 % телят нужного пола: разница в содержании ДНК между X- и Y-сперматозоидами быка — всего около 4 %, но её надёжно улавливает сортировщик клеток по флуоресценции.
• Племенная ценность выражается в тех же единицах, что и признак: «+800 кг удоя» означает, что дочери быка в среднем дадут примерно на 400 кг больше сверстниц — половину передаёт мать.

28. Частые вопросы

29. ЕГЭ

Тема входит в элемент 3.6 кодификатора [8]: «Испытание производителей по потомству. Отбор по генотипу с помощью оценки фенотипа потомства и отбор по генотипу с помощью анализа ДНК». На экзамене спрашивают, зачем и как проводят испытание производителей по потомству, почему быков оценивают по дочерям, как можно определить генотип особи с доминантным фенотипом, какие преимущества даёт анализ ДНК.

Что обязательно знать к экзамену

• Почему фенотип не всегда отражает генотип.
• Суть испытания производителей по потомству и пример.
• Анализирующее скрещивание как способ определить генотип.
• Преимущества отбора с помощью анализа ДНК.

Разбор заданий части 1

Задание. Как называют метод оценки генотипа производителя по продуктивности его потомков? Ответ: испытание производителей по потомству.

Задание. Выберите три верных утверждения: 1) удой — признак, ограниченный полом; 2) быка оценивают по собственному удою; 3) генотип быка по удою оценивают по дочерям; 4) анализ ДНК позволяет оценить генотип телёнка сразу после рождения; 5) анализирующее скрещивание проводят с доминантной гомозиготой; 6) отбор по потомству быстрее отбора по ДНК. Ответ: 134.

Разбор заданий части 2

Задание. Почему для оценки племенной ценности быков-производителей используют испытание по потомству? Ответ. 1) Удой и жирность молока проявляются только у самок, а бык несёт гены этих признаков и передаёт их дочерям. 2) Генотип быка по этим признакам нельзя определить по его собственному фенотипу. 3) Его оценивают по продуктивности дочерей в сравнении со сверстницами, выращенными в тех же условиях. 4) Лучших быков (улучшателей) используют для искусственного осеменения.

Задание. Какие преимущества имеет отбор по генотипу с помощью анализа ДНК? Ответ. 1) Генотип можно определить на ранней стадии (у зародыша, проростка, новорождённого). 2) Можно выявить скрытых носителей рецессивных аллелей без скрещиваний. 3) Не нужно ждать проявления признака или потомства — сокращается время селекции. 4) Можно отбирать по признакам, которые трудно или дорого измерить (устойчивость к болезням).

Задание. Почему для выявления гетерозиготного носителя рецессивного аллеля используют анализирующее скрещивание? Какой результат укажет на гетерозиготность? Ответ. 1) У гетерозиготы рецессивный аллель не проявляется в фенотипе. 2) При скрещивании с рецессивной гомозиготой (aa) фенотип потомков определяется аллелем, полученным от проверяемой особи. 3) Если особь Aa, около половины потомков будут иметь рецессивный признак. 4) Появление хотя бы одного потомка с рецессивным признаком доказывает гетерозиготность; если все потомки (при достаточном их числе) с доминантным признаком, особь, скорее всего, AA.

Задание. Объясните, почему селекционеры сравнивают дочерей быка не со средним по породе, а со сверстницами. Ответ. 1) Продуктивность зависит не только от генотипа, но и от условий (кормления, содержания). 2) Сверстницы содержатся в тех же хозяйствах, в тот же сезон и год. 3) Разница между дочерьми и сверстницами отражает генетическое влияние отца, а не условий. 4) Это повышает точность оценки генотипа быка.

30. Для олимпиад

Точность оценки по потомству

Надёжность оценки племенной ценности по n потомкам-полусибсам при наследуемости h² приблизительно равна r = n / (n + k), где k = (4 − h²)/h². Для удоя (h² = 0,3) k ≈ 12,3: при 20 дочерях r ≈ 0,62; при 100 — 0,89; при 500 — 0,98. Поэтому для надёжной оценки быка нужны десятки и сотни дочерей, а для признаков с низкой наследуемостью (плодовитость, h² ≈ 0,05; k ≈ 79) — сотни и тысячи.

Генетический прогресс и интервал между поколениями

Годовой генетический прогресс ΔG = (i × r × σ_A) / L, где i — интенсивность отбора, r — точность оценки, σ_A — генетическое стандартное отклонение, L — интервал между поколениями. Геномная селекция у быков почти не изменила r (около 0,7–0,8 вместо 0,9 при оценке по потомству), но сократила L с 6–7 до 2–3 лет и позволила оценивать гораздо больше кандидатов (рост i). Итог — прогресс выше в 1,5–2 раза.

Ошибка маркера из-за кроссинговера

Если маркер находится на расстоянии 5 сантиморган от гена, то у потомков гетерозиготного родителя связь маркера и гена нарушается в 5 % случаев. Отбирая по маркеру, селекционер ошибётся примерно у каждого двадцатого потомка. Использование двух маркеров по обе стороны от гена (по 5 сМ) снижает ошибку: оба кроссинговера одновременно произойдут лишь примерно в 0,25 % случаев.

Сколько потомков нужно, чтобы исключить носительство

Для быка, скрещиваемого с носительницами (Aa), вероятность n здоровых телят у носителя — (3/4)ⁿ. Чтобы она стала меньше 0,01, нужно n ≥ ln 0,01 / ln 0,75 ≈ 16 телят.

Сравниваем две схемы отбора: расчёт

Сравним испытание быков по потомству и геномную селекцию по формуле ΔG = i × r × σ_A / L. Пусть σ_A = 600 кг удоя.

• По потомству: испытывают немного быков, отбирают лучших 10 % (i ≈ 1,75), точность r = 0,9, интервал между поколениями L = 6 лет. ΔG = 1,75 × 0,9 × 600 / 6 ≈ 158 кг в год.
• Геномная: генотипируют много телят и отбирают лучшие 2 % (i ≈ 2,4), точность r = 0,7, L = 2,5 года. ΔG = 2,4 × 0,7 × 600 / 2,5 ≈ 403 кг в год.

Это только путь «отец — сын», и реальный прогресс по всей популяции меньше, но соотношение показательно: даже при меньшей точности геномная схема выигрывает за счёт короткого интервала и высокой интенсивности отбора. Именно так и произошло на практике: после 2009 г. годовой генетический прогресс по удою и особенно по признакам здоровья и плодовитости у голштинов резко ускорился.

Почему точность маркерного отбора падает с поколениями

Если маркер отстоит от гена на r = 0,05 (5 сМ), то через одно поколение связь сохраняется у 95 % потомков, а через n поколений отбора только по маркеру — у примерно (1 − r)ⁿ исходных сочетаний: через 10 поколений — 0,95¹⁰ ≈ 0,60. Поэтому эффекты маркеров приходится периодически переоценивать по новым фенотипам — та же причина, по которой обновляют референсную популяцию в геномной селекции.

Сколько беккроссов нужно без маркеров

В F₁ от скрещивания донора и реципиента доля генома реципиента — 1/2. Каждый беккросс с реципиентом уменьшает долю донора вдвое: после n беккроссов в среднем доля реципиента 1 − (1/2)ⁿ⁺¹. После первого беккросса — 75 %, после второго — 87,5 %, после третьего — 93,75 %, после шестого — около 99,2 %. Но это среднее: у отдельных растений после второго беккросса доля реципиента колеблется примерно от 80 до 95 %, и отбор по фоновым маркерам выбирает растения из «правого хвоста» распределения, экономя несколько поколений. Участок рядом с целевым геном исключение: он уходит медленно, потому что отбор по гену удерживает и сцепленные с ним гены донора.

31. Задания с разбором

Задание 1

Почему фенотип не всегда отражает генотип? Назовите две причины.

Задание 2

Что такое испытание производителей по потомству?

Задание 3

Почему генотип быка по удою оценивают по дочерям?

Задание 4

Как определить, является ли растение с доминантным признаком гомо- или гетерозиготным?

Задание 5

Что такое молекулярный маркер?

Задание 6

Назовите преимущества маркер-ориентированной селекции.

Задание 7

Найдите ошибки. 1) Быков оценивают по собственному удою. 2) Анализирующее скрещивание проводят с рецессивной гомозиготой. 3) Анализ ДНК позволяет выявить носителей рецессивных аллелей. 4) Оценка по потомству занимает несколько дней. 5) Геномная селекция использует тысячи маркеров.

Задание 8

Что такое геномная селекция?

Задание 9

Почему геномная селекция ускорила генетический прогресс у молочного скота?

Задание 10

Как называют быков, дочери которых превосходят сверстниц по удою?

Задание 11

Зачем сравнивать дочерей быка со сверстницами, а не со средним по стране?

Задание 12

Что такое пирамидирование генов и зачем оно нужно?

Задание 13

Как с помощью ДНК устранили у свиней мутацию гена галотана?

Задание 14

Почему точность маркерного отбора зависит от расстояния между маркером и геном?

Задание 15

Чем оценка по сибсам отличается от оценки по потомству?

Задание 16

Назовите два гена, которые проверяют у крупного рогатого скота по ДНК.

Задание 17

Как с помощью маркеров ускорили создание риса, устойчивого к затоплению?

Задание 18

Почему ДНК-методы не заменяют полностью полевые испытания?

Задание 19 (олимпиадное)

Наследуемость удоя 0,25. Какова надёжность оценки быка по 50 дочерям (r = n / (n + k), k = (4 − h²)/h²)?

Задание 20 (олимпиадное)

Маркеры расположены по обе стороны гена на расстоянии 4 и 6 сантиморган. Оцените долю ошибочных прогнозов при отборе по обоим маркерам (двойной кроссинговер без интерференции).

Литература

1. Grisart B., Coppieters W., Farnir F. et al. Positional candidate cloning of a QTL in dairy cattle: identification of a missense mutation in the bovine DGAT1 gene with major effect on milk yield and composition // Genome Research. 2002. Vol. 12, № 2. P. 222–231. DOI: 10.1101/gr.224202.
2. Collard B. C. Y., Mackill D. J. Marker-assisted selection: an approach for precision plant breeding in the twenty-first century // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2008. Vol. 363, № 1491. P. 557–572. DOI: 10.1098/rstb.2007.2170.
3. Xu K., Xu X., Fukao T. et al. Sub1A is an ethylene-response-factor-like gene that confers submergence tolerance to rice // Nature. 2006. Vol. 442, № 7103. P. 705–708. DOI: 10.1038/nature04920.
4. Meuwissen T. H. E., Hayes B. J., Goddard M. E. Prediction of total genetic value using genome-wide dense marker maps // Genetics. 2001. Vol. 157, № 4. P. 1819–1829. DOI: 10.1093/genetics/157.4.1819.
5. Hayes B. J., Bowman P. J., Chamberlain A. J., Goddard M. E. Invited review: Genomic selection in dairy cattle: progress and challenges // Journal of Dairy Science. 2009. Vol. 92, № 2. P. 433–443. DOI: 10.3168/jds.2008-1646.
6. Wiggans G. R., Cole J. B., Hubbard S. M., Sonstegard T. S. Genomic selection in dairy cattle: the USDA experience // Annual Review of Animal Biosciences. 2017. Vol. 5. P. 309–327. DOI: 10.1146/annurev-animal-021815-111422.
7. García-Ruiz A., Cole J. B., VanRaden P. M. et al. Changes in genetic selection differentials and generation intervals in US Holstein dairy cattle as a result of genomic selection // PNAS. 2016. Vol. 113, № 28. P. E3995–E4004. DOI: 10.1073/pnas.1519061113.
8. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.