Новый подход к селекции семей темной лесной пчелы A. m. mellifera по генетическим характеристикам

Авторы:
Ильясов Р.А. , Поскряков А.В. , Николенко А.Г.
Название:
Новый подход к селекции семей темной лесной пчелы A. m. mellifera по генетическим характеристикам
Страницы:
208-214
скачано
26 раз(а)


В статье нами представлен молекулярно-генетический анализ популяций и семей темной лесной пчелы A. m. mellifera Урала и Поволжья в сравнении с популяциями пчел «южных» подвидов A. m. caucasica и A. m. carpatica Кавказа и Карпат на основе полиморфизма 9 микросателлитных локусов яДHK. Нами получены генетические характеристики для популяции (Ho=0,24, Hs=0,23, Ht=0,28, Fis=0,06, Fit=0,14, Fst=0,17) и семьи (Ho=0,20, Hs=0,16, Ht=0,15, Fis=0,23, Fit=0,35, Fst=0,11) темной лесной пчелы A. m. mellifera и предложена методика селекции семей темной лесной пчелы с интрогрессией “южных” генов не более 5%, и генетическими показателями, характерными для чистопородных семей A. m. mellifera (Ho ≤ 0,30, Hs ≤ 0,30, Ht ≤ 0,30, Fis ≤ │0,45│, Fit ≤ │0,55│, Fst ≥ │0,11│).
ВВЕДЕНИЕ Медоносная пчела играет важнейшую роль в поддержании биологического и таксономического разнообразия природных и антропогенных экосистем и обеспечении человека пищей и биологически активными и лекарственными веществами [Pinto et al., 2012]. Экосистемы северных регионов России, а также Урала и Поволжья особенно сильно зависят от опылительной деятельности пчел. Пчела подвида A. m. mellifera, называемая темной лесной пчелой, является аборигенной для этого региона, максимально приспособленной к местным факторам окружающей среды и экономически выгодной для разведения в этих условиях. Угроза потери генофонда A. m. mellifera, в первую очередь, обусловлена гибридизацией с подвидами из южных регионов России в результате их массовой интродукции. Сохранение генофонда местных пчел становится возможным только при наличии методов, дифференцирующих подвиды [Nedic et al., 2014]. Отсюда идентификация сохранившихся популяций и селекция семей темной лесной пчелы в условиях массовой гибридизации и повышенной смертности становятся актуальными [Ильясов и др., 2015а]. Деятельность человека оказывает существенное влияние на распространение медоносной пчелы Apis mellifera. Из 30 известных подвидов пчел, распространенных на всей территории Старого Света, 24 аллопатрических подвида населяют Европу [Ruttner 1988; Hepburn, Radloff, 1998; Engel, 1999; Sheppard, Meixner, 2003; Meixner et al., 2011; Ильясов и др., 2015б]. Из всех европейских пчел только темная лесная пчела Apis mellifera mellifera приспособлена к обитанию в условиях резкоконтинентального климата Северной Европы с длительными морозными зимами. Межрегиональные транспортировки пчел привели к фрагментации, сокращению численности аборигенных популяций пчел и смешению подвидов [Ruttner 1988; Garnery et al., 1998; Franck et al., 2001; De la Rua et al., 2002; Schneider et al., 2004; Jensen et al., 2005].  За последние 100 лет, в результате массовых транспортировок подвидов пчел, таких как A.m.ligustica, A.m.carnica, A.m.carpatica, A.m.caucasica, A.m.cecropia, относящихся к эволюционной ветви С, из Восточной и Южной Европы в Северную и Западную, аборигенный генофонд популяции темной лесной пчелы был значительно поврежден [Bouga et al., 2005; Uzunov et al., 2009; Stevanovic et al., 2010; Uzunov et al., 2014].  Темная лесная пчела A.m.mellifera, представитель эволюционной ветви М [Jensen et al., 2005; Whitfield et al., 2006; Soland-Reckeweg et al., 2009; Oleksa et al., 2011; Pinto et al., 2014; Wallberg et al., 2014], на сегодняшний день признана подвидом, находящимся под угрозой вымирания в результате массовой интрогрессии генофонда подвидов пчел эволюционной ветви С [Jensen et al., 2005; Muñoz et al., 2009; Soland-Reckeweg et al., 2009; Oleksa et al., 2011; Nedić et al., 2014; Pinto et al., 2014; Uzunov et al., 2014]. Исследования последних лет показали, что в Европе сохранились небольшие изоляты темной лесной пчелы с той или иной степенью интрогрессии южных генов. A. Oleksa et al. [2011] на основе анализа полиморфизма микросателлитных локусов A7, A24, A28, A88, A113, Ap43, Ap55, Ap66, Ap81 показали до 30% интрогрессии аллелей южных подвидов в популяциях темной лесной пчелы A.m.mellifera в Восточной Польше. A.B. Jensen et al. [2005] на основе анализа полиморфизма микросателлитных локусов A7, A8, A24, A28, A43, A88, A113, Ap36, Ap43, B124, A79 обнаружили в популяциях северного экотипа «Brown» темной лесной пчелы в Скандинавских странах до 10% интрогрессии аллелей южных подвидов. G. Soland-Reckeweg et al. [2009] на основе анализа полиморфизма микросателлитных локусов A007, A28, A43, Ac306, Ap33, Ap273, Ap226, Ap289, B24, A29, A76, Ap1 показали до 70% интрогрессии аллелей южных подвидов в популяциях альпийского экотипа «Nigra» темной лесной пчелы. J.P. Strange et al. [2008] на основе анализа полиморфизма микросателлитных локусов A7, A24, A28, A88, A113, B124, Ap43, Ap55, Ap66, Ap81 показали до 20% интрогрессии аллелей южных подвидов в популяциях экотипа «Landes» темной лесной пчелы во Франции. А.Г. Николенко, А.В. Поскряков [2002] и Р.А. Ильясов с соавт. [2007] на основе анализа полиморфизма локуса COI-COII мтДНК показали до 2% интрогрессии в популяции «Бурзянского» экотипа темной лесной пчелы в Республике Башкортостан. Оценка уровня интрогрессии южных генов в популяции «Бурзянского» экотипа темной лесной пчелы по ядерному геному ранее не проводилась. Таким образом, все сохранившиеся изоляты темной лесной пчелы в Европе содержат следы интрогрессии южных подвидов эволюционной ветви С. Риск загрязнения аборигенного генофонда темной лесной пчелы постоянно растет как в России, так и в Европе по причине интенсификации сельского хозяйства и отсутствия эффективного законодательного регулирования пчеловодства. В результате бесконтрольных перемещений пчел из южных регионов на северные территории аборигенного обитания темной лесной пчелы происходит интрогрессия генов завезенных пчел в аборигенный генофонд темной лесной пчелы в результате миграции трутней. В итоге аборигенная популяция темной лесной пчелы постепенно теряет адаптированность к местным условиям среды, коорая была сформирована в течение длительной эволюции [Jensen et al., 2005; Soland-Reckeweg et al., 2009; Rortais et al., 2011; De la Rua et al., 2013; Ильясов и др., 2015в]. Риску генетического загрязнения подвержена и популяция «Бурзянского» экотипа темной лесной пчелы, генетическая изоляция и эффективная численность которой поддерживается небольшим количеством людей в условиях дефицита финансового обеспечения [Николенко, Поскряков, 2002; Ильясов и др., 2007; Ильясов и др., 2015а]. Для успешного сохранения популяции темной лесной пчелы необходимо проводить генетическую стандартизацию с целью идентификации пчелиных семей с минимальным уровнем интрогрессии генов южных подвидов и оптимальным генетическим разнообразием. Генетическое разнообразие в популяции пчел является материалом для естественного отбора и генетического дрейфа и служит основой для протекания микроэволюционных процессов [Jensen et al., 2005; Soland-Reckeweg et al., 2009; Oleksa et al., 2011; Muñoz et al., 2012]. Генетическое разнообразие пчелиных семей является основой экологической пластичности, которая характеризует приспособленность популяции пчел к изменяющимся условиям окружающей среды [De la Rúa et al., 2009; Dietemann et al., 2009; Meixner et al., 2010; Ильясов и др., 2015б]. Поддержание генетического разнообразия является основой сохранения генофонда темной лесной пчелы [Pinto et al., 2014]. Таксономическое разнообразие пчел в Европе является важнейшим компонентом общего генетического разнообразия вида Apis mellifera. Генетическое разнообразие медоносной пчелы также является материалом для естественного и искусственного отбора и показателем сохранения генетической стабильной и высокой продуктивности. В популяционно-генетических исследованиях медоносной пчелы микросателлитные локусы приобретают все большую популярность во всем мире. В России на основе анализа полиморфизма микросателлитных локусов были получены генетические характеристики для популяций пчел Республики Башкортостан и Пермского края [Ильясов и др., 2015б; Каскинова и др., 2016], Республики Татарстан, Республики Адыгея, Красноярского края, Архангельской области и Новосибирской области [Зиновьева и др., 2011; Форнара, 2012], Республики Адыгея, Татарстан и Краснодарского края [Калашников и др., 2011; Калашников, 2013], Томской области [Островерхова и др., 2015]. Оценка генетического разнообразия имеет важное значение при разработке стратегий сохранения и рационального использования генофонда медоносной пчелы [van Engelsdorp, Meixner, 2010; Harpur et al., 2012; De la Rúa et al., 2013; Harpur et al., 2013; Pinto et al., 2014]. В 1995 году в Европе был запущен международный проект по оценке и поддержанию генетического разнообразия домашних животных MoDAD [The Maintenance of Domestic Animal Genetic Diversity]. Проект предусматривал количественную оценку генетического разнообразия популяций домашних животных на основе микросателлитных локусов [Weigend et al., 2002]. В 2014 году в Европе был запущен международный проект SmartBees по оценке и сохранению генетического разнообразия в популяциях темной лесной пчелы A.m.mellifera в Европе.  Большой интерес для пчеловодства представляет темная лесная пчела A. m. mellifera на территории Урала и Поволжья, которая только частично изучена морфометрическими молекулярно-генетическими методами. Морфометрические методы исследования предполагают сохранение популяций темной лесной пчелы в этом регионе. Для точной оценки современного состояния темной лесной пчелы Урала и Поволжья необходимо провести молекулярно-генетические исследования с использованием микросателлитных маркеров ядерной ДНК. Микросателлитные локусы являются современными уникальными информативными ядерными маркерами, позволяющими выявлять популяционно-генетическую структуру, генетическое разнообразие и уровень интрогрессии подвидов пчел в популяции [Clarke et al., 2002]. Российские популяции темной лесной пчелы не входили в европейские и российские проекты по изучению и сохранению биоразнообразия, поэтому стратегия сохранения генетического разнообразия этой популяции еще не разработана. В России еще не приняты генетические стандарты для популяции и отдельной семьи пчел A. m. mellifera. В статье представлены генетические характеристики популяции и семьи пчел темной лесной пчелы, полученные на основе анализа полиморфизма 9 микросателлитных локусов, которые можно принять за генетический стандарт A. m. mellifera. Цель наших исследований - генетическая стандартизация пчелиных семей темной лесной пчелы и идентификация пчелиных семей с лучшим генетическим потенциалом на основе полиморфизма 9 микросателлитных локусов.   МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ В работе были изучены рабочие особи из 3059 семей пчел Урала и Поволжья (темная лесная пчела A. m. mellifera) и из 64 семей Кавказа и Карпат, использованных для сравнения в качестве маркера генофонда популяций южных пчел (A. m. caucasica, A. m. carpatica, A. m. carnica). В Республике Башкортостан были изучены пчелы из 2309 семей, в Пермском крае - из 362 семей, в Республике Удмуртия - из 200 семей, в Республике Татарстан - из 52 семей, в Кировской области - из 64 семей, в Свердловской области - из 58 семей, в Республике Чувашия - из 14 семей, в Краснодарском крае - из 32 семей, в Республике Адыгея - из 15 семей, в Закарпатской области Украины - из 17 семей. Для оценки генетических характеристик семей темной лесной пчелы были использованы по 4 рабочие особи из 13 семей Бурзянского района Республики Башкортостан. Рабочих особей пчел фиксировали в 96% этаноле и хранили при температуре -20оС до выделения ДНК. Выделение ДНК из мышц торакса рабочих особей пчел проводили набором ДНК-ЭКСТРАН-2 по протоколу СИНТОЛ (Москва) (www.syntol.ru). Качество и количество выделенной тотальной ДНК (около 500 нг) анализировали на спектрофотометре NanoDrop 1000 (Thermo, США). Полимеразная цепная реакция выполнялась в термоциклере BIO-RAD T100 (США) в 15 мкл общего объема смеси по протоколу СИЛЕКС (Москва) (www. sileks.com/ru) с 10 нг тотальной ДНК при оптимальной температуре отжига для каждого набора праймеров. В исследованиях проводился анализ полиморфизма микросателлитных локусов AP243, 4A110, A24, A8, A43, A113, A88, AP049, A28 яДНК. Продукты амплификации при силе тока 40мА разделяли по размерам в 8% ПААГ, окрашивали бромистым этидием и визуализировали в гель-документирующей системе DocPrint Vilber Lourmat (Франция). Фрагментарный анализ и определение нуклеотидной последовательности продуктов ПЦР выполняли на автоматическом секвенаторе Applied Biosystem Genetic Analiser (США) по протоколу СИНТОЛ (Москва). Все генетические характеристики для популяций и семей темной лесной пчелы были получены только на основе анализа популяций и семей, содержащих минимальный (менее 5%) уровень интрогрессии генов южных подвидов. Уровень интрогрессии генов южных подвидов пчел эволюционной ветви C (A.m.caucasica) в популяциях и семьях темной лесной пчелы были рассчитаны на основе полиморфизма 9 микросателлитных локусов с использованием программы STRUCTURE 2.3.4. Статистический анализ полученных результатов полиморфизма ДНК проводился с использованием программ FSTAT 2.9.3.2, GENEPOP 4.2.2, POPULATIONS 1.2.28, STATISTICA 8.0, STATGRAFICS Plus 3.0, MICROSOFT EXCEL 2010.  РЕЗУЛЬТАТЫ На основе анализа полиморфизма 9 микросателлитных локусов были рассчитаны генетические характеристики для популяции и семьи темной лесной пчелы A. m. mellifera. Под генетическими характеристиками принимаются такие показатели, как гетерозиготность (наблюдаемая - Ho, ожидаемая - Hs (также обозначается как He), общая ожидаемая - Ht), коэффициенты инбридинга (субпопуляционный - Fis, общий - Fit) и коэффициент генетической подразделенности Fst. Гетерозиготность показывает долю особей в популяции, гетерозиготных по изучаемым локусам. Для популяции каждого вида существует оптимальный уровень гетерозиготности. Коэффициенты инбридинга - показывают вероятность того, что аллели изучаемых локусов идентичны по происхождению. Положительные значения коэффициента инбридинга характеризуют преобладание близкородственного скрещивания в популяции, а отрицательные значения - отдаленного. Коэффициент генетической подразделенности показывает наличие подразделенности на группы. Значение 0 коэффициента генетической подразделенности показывает отсутствие генетических структур в популяции, а значение 1 - показывает наличие структур, не имеющих между собой родства. На основе анализа полиморфизма 9 микросателлитных локусов яДНК были рассчитаны следующие генетические характеристики для популяции (Ho=0,24, Hs=0,23, Ht=0,28, Fis=0,06, Fit=0,14, Fst=0,17) и семьи (Ho=0,20, Hs=0,16, Ht=0,15, Fis=0,23, Fit=0,35, Fst=0,11) темной лесной пчелы A. m. mellifera.  ОБСУЖДЕНИЕ Значения гетерозиготности в популяциях местных пчел Урала и Поволжья были сходны с европейскими популяциями пчел подвида A. m. mellifera эволюционной ветви М [Soland-Reckeweg et al., 2009], и выше, по сравнению с локальными популяциями пчел южных подвидов с Кавказа и Карпат. Гетерозиготность в популяциях чистопородной темной лесной пчелы оказалась ниже (Ho=0,24, Hs=0,23, Ht=0,28), чем в популяциях гибридного происхождения (Ho=0,35, Hs=0,36, Ht=0,40). Такие же низкие значения гетерозиготности характерны для чистопородных популяций пчел южных подвидов с Кавказа и Карпат (Ho=0,21, Hs=0,21, Ht=0,26). Следовательно, значения гетерозиготности менее 0,3 характерны, в основном, для интактных чистопородных популяций пчел, тогда как процесс гибридизации в результате интродукции пчел из других популяций приводит к росту значения. Коэффициенты инбридинга в локальных популяциях местных пчел Урала и Поволжья сходны с европейскими популяциями пчел подвида A. m. mellifera эволюционной ветви М [Franck et al., 1998; Soland-Reckeweg et al., 2009], и ниже, по сравнению с локальными популяциями пчел южных подвидов с Кавказа и Карпат. Значения коэффициентов инбридинга в популяции темной лесной пчелы были ниже (Fis=0,06, Fit=0,14), чем в популяциях гибридного происхождения (Fis=0,08, Fit=0,15). Значение коэффициента подразделенности в популяции темной лесной пчелы (Fst=0,17) было выше, чем в популяциях гибридного происхождения (Fst=0,11). Более высокие значения коэффициентов инбридинга (Fis =0,13, Fit =0,29), а также коэффициента подразделенности (Fst=0,23) отмечаются для чистопородных популяций пчел южных подвидов. Таким образом, чистопородные популяции темной лесной пчелы характеризуются незначительным отклонением распределения генотипов от равновесного распределения по Харди-Вайнбергу, высокими уровнями генетической подразделенности. Сходство генетических характеристик популяциий пчел Урала и Поволжья с европейскими популяциями A. m. mellifera эволюционной ветви М свидетельствует об одинаковости протекающих в них микроэволюционных процессов и подтверждает гипотезу о единстве их происхождения. Небольшие различия генетических показателей между разными локальными популяциями вызваны микроклиматическими факторами и особенностями разведения пчел. Сильные отклонения генетических показателей от стандартных значений, вероятно, вызваны процессами гибридизации с южными подвидами пчел эволюционной ветви С. Уровень гетерозиготности семей темной лесной пчелы бурзянской популяции (Ho=0,20, Hs=0,16, Ht=0,15) оказался ниже, чем в популяциях пчел других регионов. При сравнении наблюдаемой гетерозиготности Ho со значениями ожидаемой гетерозиготности Hs в большинстве семей отмечается небольшой избыток гетерозигот. Избыток гетерозигот также находит отражение в отрицательных значениях коэффициентов инбридинга Fis и Fit. Возможно, что в условиях длительной изоляции в горно-лесной зоне Бурзянского района эволюция семей темной лесной пчелы привела к установлению оптимального уровня генетического разнообразия, обеспечивающего максимальную приспособленность к условиям среды обитания. Более высокие значения гетерозиготности наблюдались в семьях с интрогрессией “южных” генов (Ho=0,30, Hs=0,21, Ht=0,20). Следовательно, более высокий уровень гетерозиготности в семьях темной лесной пчелы, возможно, является результатом интрогрессии “южных” генов. Значения коэффициентов инбридинга и подразделенности в семьях темной лесной пчелы бурзянской популяции (Fis=│-0,23│, Fit=│-0,35│, Fst=│-0,11│) оказались ниже, чем в семьях, содержащих интрогрессию “южных” генов (Fis=│-0,45│, Fit=│-0,56│, Fst=│-0,07│). Отрицательный знак коэффициентов инбридинга указывает на избыток гетерозигот, тогда как само значение характеризует величину отклонения от равновесного распределения. Подобные значения коэффициентов инбридинга и подразделенности в семьях темной лесной пчелы бурзянской популяции, возможно, являются результатом адаптивной эволюции, которая привела к формированию оптимальных уровней генетических характеристик. Возможно, что интрогрессия «южных» генов приводит к значительному отклонению генотипов от равновесного распределения и снижает генетическую подразделенность. Вероятно, что для селекции необходимо отбирать семьи темной лесной пчелы с интрогрессией “южных” генов не более 5%, гетерозиготностью и коэффициентами инбридинга меньшими, чем у семей пчел с интрогрессией Ho ≤ 0,30, Hs ≤ 0,30, Ht ≤ 0,30, Fis ≤ │0,45│, Fit ≤ │0,55│, коэффициентом подразделенности большим, чем у семей пчел с интрогрессией Fst ≥ │0,11│. Качество селектируемого материала будет определяться числом показателей, которым соответствует анализируемая семья пчел. Такая селекция позволит поддерживать генетическое и генотипическое разнообразие в рамках генетического стандарта подвида A. m. mellifera. Данный подход селективного предпочтения заключается в отборе максимально чистопородных семей темной лесной пчелы с оптимальным уровнем гетерозиготности, минимальным уровнем отклонения распределения генотипов от равновесного значения по Харди-Вайнбергу и максимальным уровнем генетической подразделенности. Такие семьи будут формировать популяции пчел с высоким адаптивным потенциалом и стабильностью генофонда во времени. Генетические стандарты популяции и семьи темной лесной пчелы будут полезны для последующих популяционных исследований медоносной пчелы в качестве материала для сравнения, а методика селекции семей темной лесной пчелы позволит подойти к пчеловодству и контролю генофонда на молекулярно-генетическом уровне. Такой подход позволит повысить рентабельность отрасли за счет повышения продуктивности и снижения смертности в популяции благодаря селекции семей с оптимальными генетическими характеристиками.
Заказ
Оформите заказ, наш сотрудник свяжется с вами для уточнения деталей.
Ваша заявка успешно отправлена!
Необходимо принять условия соглашения
Вы заполнили не все обязательные поля
Произошла ошибка, попробуйте ещё раз

Обратный звонок
Представьтесь, мы вам перезвоним.
Ваша заявка успешно отправлена!
Необходимо принять условия соглашения
Вы заполнили не все обязательные поля
Произошла ошибка, попробуйте ещё раз