В огромной популяции американских «голштинов» обнаружено лишь две Y-хромосомы; учёные хотят понять, какие черты были утеряны
В Соединённых Штатах насчитывается более 9 миллионов молочных коров, и подавляющее большинство из них — «голштины». Это крупные животные с характерной чёрно-белой (иногда красно-белой) окраской. Объём молока, который они дают, впечатляет — как и их родословная. Изучив мужские линии голштинов несколько лет назад, учёные Университета Пенсильвании обнаружили, что более 99% быков происходят всего от двух предков, родившихся в 1960-х годах. Это означает, что среди всех голштинских быков в стране сохранилось лишь два варианта Y-хромосомы.
«Мы невероятно сузили генофонд», — говорит один из исследователей, Чад Дечоу.
Для самок голштинской породы складывается не менее тревожная картина. Более того, Дечоу (доцент, специализирующийся на генетике молочного скота) вместе с коллегами отмечает, что уровень генетического сходства между животными настолько высок, что эффективная численность популяции составляет менее 50 особей. Если бы голштины были дикими животными, их бы уже отнесли к числу видов, находящихся под угрозой полного исчезновения. «По сути, это одна большая семья с тесным родственным скрещиванием», — говорит Лесли Хансен, специалист по голштинам и профессор Университета Миннесоты.
Любой школьник знает: генетическое однообразие — не лучший союзник в долгосрочной перспективе. Оно повышает риск наследственных заболеваний и ослабляет способность популяции адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды. Фермеры, которые сегодня с трудом сводят концы с концами, редко задумываются об эволюционном будущем своего скота. Однако Дечоу и его коллеги настолько обеспокоились происходящим, что решили детально изучить, какие ценные черты могли быть утеряны.
В поисках ответов учёные начали выводить небольшую группу новых коров, отчасти используя замороженное семя быков, умерших много лет назад. Они тщательно измеряют целый спектр характеристик: рост, вес, удой, общее состояние здоровья, фертильность и здоровье вымени — и затем сравнивают их с показателями современных выведенных нами голштинов. Учёные надеются, что однажды им удастся вернуть необходимое генетическое разнообразие в эту ключевую для сельского хозяйства породу и, возможно, воскресить черты, утраченные за годы непрекращающегося близкородственного скрещивания.
«Если мы будем продолжать ограничивать долгосрочное генетическое разнообразие — говорит Дечоу, — то мы сведём к минимуму потенциал её будущего генетического развития».
Иными словами, может наступить момент, когда застрянем в одной точке. Производительность молока перестанет расти. Уровень плодовитости останется на прежнем уровне. А при появлении новой болезни большая часть поголовья окажется уязвимой из-за высокой генетической однородности.
Сегодня голштинские коровы обеспечивают нас подавляющим большинством потребляемого молока, а также значительной частью сыров и мороженого. Как минимум в прошлом веке эти животные славились своей выдающейся молочной производительностью. За последние 70 лет было разработано множество способов дальнейшего увеличения надоя. Так, если в 1950 году одна корова в среднем давала около 2 300 литров молока в год, то сегодня этот показатель показатель превышает 10 000 литров. В 2017 году корова-рекордсмен по кличке Селз-Пралле Афтершок 3918 выдала рекордные 34 400 литров — более 88 литров молока в сутки.
«Эти коровы — настоящие атлеты», — отмечает Хансен.
Это приносит пользу потребителям, удерживая цены на продукты питания на доступном уровне. Фермеры выигрывают за счёт снижения затрат — ведь меньшее количество коров производит тот же объём молока. Кроме того, это благоприятно сказывается на окружающей среде, поскольку пищеварительная система коровы выделяет значительное количество метана и отходов. (Хотя высокопродуктивные голштины потребляют больше энергии и выделяют больше отходов на одну голову, учёные считают, что повышение общей эффективности приводит к тому, что экологическое воздействие в целом значительно снижается.)
Часть этого успеха связана с изменением подхода к выращиванию и содержанию голштинских коров. Однако главной переменой стало усовершенствование методов их разведения. Раньше фермеры привозили быков с других хозяйств, чтобы оплодотворить своих коров, — таким образом обеспечивалось генетическое разнообразие, или, как говорит Хансен, «замешивался генофонд». В 1940-х годах начали применять искусственное осеменение, позволяющее одной дозе семени оплодотворять множество тёлок. Вскоре появилась технология замораживания семени, благодаря чему один бык мог оставлять потомство десятилетиями, даже после своей смерти. При этом в молочной отрасли тщательно вели учёт, что позволяло компаниям, продающим семя быков, находить лучшее потомство — то есть коров, дающих наибольшее количество молока.
К тому времени особо ценные производители могли дать тысячи потомков. Так, бык по кличке Карлин-М Айвенго Белл, появившийся на свет в 1974 году, оставил после себя более 80 тысяч отпрысков. У большинства быков потомства было меньше, но счёт всё равно шёл на тысячи. Уже к 1980-м годам стало очевидно, что уровень тесного родственного скрещивания значительно растёт.
В первые годы использования искусственного осеменения быкам приходилось доказывать свою ценность на практике. Обычно от них получали около сотни тёлок, и лишь когда те приносили потомство и начинали давать молоко, можно было судить о продуктивности быков. Чем выше был удой, тем выше ценился сам бык. Этот метод «проверки по потомству» был весьма полезен, однако занимал несколько лет, прежде чем удавалось понять, насколько ценен бык.
В 2009 году пришли новейшие технологии: эпоха больших данных и геномной оценки. Сейчас коммерческий потенциал быка определяет компьютер. Сложный алгоритм анализирует его геном, учитывая здоровье потомства, удои, содержание жира и белка в молоке, а также ряд других признаков. На основе этого формируются показатели, позволяющие сравнивать быков между собой. Ключевой из них — пожизненная чистая ценность, то есть средняя сумма, которую фермер потенциально сможет заработать за всю жизнь потомства, выбрав данного быка.
Хотя эта система позволила фермерам гораздо эффективнее оценивать животных по множеству ключевых признаков, она также ускорила темпы тесного родственного скрещивания. Сегодня «коэффициент тесного родственного скрещивания» у голштинов составляет около 8% — это значит, что в среднем телёнок получает идентичные копии 8% своих генов от обоих родителей. Этот показатель отсчитывается от уровня 1960 года и ежегодно продолжает расти на 0,3%—0,4%.
«Близкородственные скрещивания накапливаются быстрее, чем когда-либо», — заявляет Дечоу.
Но действительно ли 8% — это так много? Специалисты по молочному скоту продолжают спорить на этот счёт. Одни утверждают, что голштины успешно выполняют свою задачу, давая большое количество молока, и при этом остаются относительно здоровыми. Однако Хансен обращает внимание, что при спаривании быка с со своим же прямым потомством коэффициент родственного скрещивания достигает 25%. В этом свете показатель в 8% кажется уже весьма значительным. Эксперты предупреждают, что сейчас последствия близкородственного скрещивания могут казаться несущественными, но в будущем они способны привести к серьёзным проблемам.
От тесного родственного скрещивания страдают и показатели плодородия — уже сейчас у голштинов наблюдается значительное снижение фертильности. Если в 1960-х годах уровень беременности составлял 35-40%, то к 2000 году он снизился до 24%. Кроме того, при спаривании близких родственников увеличивается вероятность того, что у коров появятся две копии нежелательных рецессивных генов, которые могут вызывать серьёзные проблемы со здоровьем.
«Нам необходимы перемены», — подчёркивает Хансен.
Для Дечоу главная проблема — это скорость, с которой сокращается генетическое разнообразие, и то, как это скажется на будущем породы. «Представьте корову, у которой 100 отличных генов и 10 очень плохих. Если исключить эту корову из программы разведения из-за этих 10 плохих генов, вы потеряете и 100 хороших. В долгосрочной перспективе это ведёт к утрате долгосрочного генетического потенциала».
Дечоу вырос на молочной ферме, поэтому задолго до того, как он познакомился с тонкостями генома коров, он уже мог наблюдать некоторые изменения своими глазами.
Сегодняшние голштины выглядят совсем иначе, чем 50 лет назад. Во‑первых, их стали выводить с более длинным и широким выменем, а не глубоким. Глубокое вымя может касаться земли, что значительно увеличивает риск инфекций и других проблем. Так что это однозначно изменение к лучшему. Однако некоторые изменения всё же вызывают обеспокоенность. Например, современных голштинов выводят высокими и худощавыми, порой даже чрезмерно костлявыми. Такая худоба — побочный эффект высокой молочной продуктивности, поскольку, как объясняет Дечоу, «вся энергия, которую они получают с кормом, направляется на производство молока».
Однако это во многом и эстетический выбор. Идеальная голштинская корова, по мнению экспертов, должна выглядеть «женственной и изящной», то есть худой и с заметной костлявостью. Но проблема в том, что высокая и худая корова далеко не всегда бывает самой здоровой. Более того, коровы более низкого роста и округлых форм чаще успешно беременеют.
Несколько лет назад Дечоу и его коллеги задались вопросом: насколько серьёзны последствия снижения генетического разнообразия и повышения степени близкородственного скрещивания? В начале 1950-х годов в поголовье скота насчитывалось около 1 800 быков, но на сегодняшний день их число значительно сократилось. Однако они даже не представляли, насколько сильно. Для ответа на этот вопрос Дечоу совместно с Ваншенем Лью и Сянь-Пенг Юэ проанализировали родословные почти 63 тысяч голштинских быков, рождённых в Северной Америке с 1950-х годов.
«Мы были немного удивлены, когда проследили родословные и выяснили, что всё сводится лишь к двум быкам», — говорит Дечоу. Их звали Раунд Оук Рэг Эппл Элевейшн и Поуни Фарм Арлинда Чиф, и каждый из них — предок примерно половины ныне живущих быков. Они вытеснили всех остальных конкурентов на рынке. Даже компания Select Sires, специализирующаяся на продаже бычьей спермы, была поражена такими результатами. Для Чарльза Саттлера, вице-президента компании, это стало поводом задуматься, но отнюдь не поводом для паники. «Наверное, самый главный вопрос сейчас — не упустили ли мы по пути какие-то действительно ценные гены, которые могли бы пригодиться нам сегодня?» — думает он.
До недавнего времени в популяции голштинов был представлен и третий Y-хромосомный вариант. Его носителем был Пенстейт Айванхо Стар — бык, родившийся в 1960-х годах. Однако его исчезновение хорошо иллюстрирует одну из серьёзных проблем тесного родственного скрещивания. В 1990-х годах фермеры по всему миру начали сталкиваться с тревожным явлением: телята рождались с тяжёлыми патологиями позвоночника и не могли выжить вне утробы. В это же время участились случаи и мертворождённых телят с дефицитом адгезии лейкоцитов. Вскоре выяснилось, что Стар и его чрезвычайно плодовитый потомок по кличке Карлин-Эм Айванхо Белл, передавали рецессивные дефектные гены, которые долгое время оставались незаметными — пока не накопились в результате многократного скрещивания близких родственников.
После этого открытия фермеры прекратили скрещивать коров с потомками Стара, и проблема была устранена. Однако оставался тревожный вопрос: не скрываются ли другие угрозы в хромосомах оставшихся голштинов? Какие ценные черты могли быть утрачены в результате столь интенсивного родственного разведения? Эти сомнения не давали покоя Дечоу и побудили его заняться поиском утраченных генов.
Для этого ему пришлось обратиться к архивам Национальной программы сохранения генетического материала животных в Форт-Коллинсе, Колорадо, — своего рода «семенному банку», только для домашних животных. Там хранятся образцы яичниковой ткани, крови и семени, в том числе около 7 тысяч проб семени быков голштинской породы.
Команда Дечоу обнаружила два образца семени, не связанных по родословной ни с Чифом, ни с Элевейшн. Учёные оплодотворили ими яйцеклетки первоклассных самок и пересадили эмбрионы суррогатным коровам. Идея заключалась в том, чтобы объединить генетику Y-хромосомы полувековой давности с ДНК лучших образцов современного молочного поголовья. В течение 2017 года на свет появилось 15 телят, 7 из которых — бычки.
Каждый аспект развития этого потомства тщательно отслеживается: проводятся всесторонние измерения, ДНК животных анализируется и сопоставляется с генетическим фоном основной популяции. Учитывая, что об Y-хромосоме известно не так много, это редкая возможность глубже изучить её с помощью вновь внесённого генетического разнообразия. Образцы семени быков также были отправлены в Национальный банк генетических ресурсов в Колорадо. Уже сейчас Дечоу отмечает внешние отличия: эти животные чуть ниже ростом, чем обычные голштины, но тяжелее. Кроме того, они менее покладисты по сравнению со среднестатистическими представителями породы.
Компания Select Sires отобрала образцы спермы этих быков и протестировала их по своей системе оценки — результаты оказались весьма средними. Некоторые образцы уже выставлены на продажу фермерам, однако спрос пока остаётся крайне низким. Сегодня молочные фермеры и без того сталкиваются с серьёзными финансовыми трудностями, поэтому убедить их инвестировать в генетический материал от невыдающихся быков — задача не из простых.
Тем не менее, Дечоу сохраняет оптимизм и надеется, что по мере взросления животных исследование принесёт более заметные плоды.
«Моя заветная мечта — доказать, что эти старые гены всё ещё могут принести пользу», — говорит он.
