Геномный суверенитет: как в России спасают исчезающие породы и зачем создали Наццентр генетики

Сегодня генетики используют технологии, которые не только радикально ускоряют селекцию, но и помогают сохранить редкие породы сельскохозяйственных животных. Эту работу ведут в лабораториях Федерального исследовательского центра животноводства — ВИЖ имени академика Л. К. Эрнста, а также в его филиале — Всероссийском научно-исследовательском институте генетики и разведения сельскохозяйственных животных. Директор института, кандидат сельскохозяйственных наук Александр Сермягин рассказал Наука.рф, как Президент России помог создать Национальный центр генетических ресурсов сельскохозяйственных животных, поделился деталями использования искусственного интеллекта в анализе состава молока и объяснил, зачем генетикам нужны криобанки.

 — Александр, расскажите, пожалуйста, какие исследования в приоритете у Вашего научного коллектива?

 — По большей части это поиск молекулярных маркеров, связанных с хозяйственно-полезными и биологическими качествами животных. Использование генетической информации на уровне молекулярной организации генома позволяет ускорить селекционный процесс. Еще в период роста животного, в первые годы его жизни, мы исследуем геном, сразу определяя, насколько этот организм будет востребован в селекционной работе. И, используя репродуктивные технологии, отбор и подбор родительских пар, мы оцениваем животных с позиции их ценности и возможности многократного тиражирования лучших генотипов. В первую очередь для этого проводим исследования по поиску однонуклеотидных полиморфизмов, которые, например, детерминируют количественные и качественные свойства состава молока у крупного рогатого скота. Дальше в работу вступает так называемая геномная селекция, объединяющая в себе генетическую и фенотипическую информацию.

 — С какими характеристиками Вы работаете?

 — Мы пытаемся найти животных, которые продуцируют наиболее полезное молоко с оптимальными показателями ненасыщенных жирных кислот, не оказывающих негативного влияния на здоровье человека. Чтобы на основе этого сырья можно было производить продукты питания, приносящие человеку максимальную пользу. Параллельно проводим популяционно-генетические исследования, разрабатываем генетико-математические модели, которые позволяют получать животных с высокой племенной ценностью или экономически полезных для сельского хозяйства. В приоритете изначально у нас крупный рогатый скот, голштинская, симментальская, красная горбатовская породы. Был также научный проект по разработке геномных методов селекции в свиноводстве. Применяли методы популяционной генетики, исследуя генетическую изменчивость у животных. Методы поиска однонуклеотидных полиморфизмов позволяют определить локусы количественных признаков, связанные, например, с конверсией корма у свиней.

 — Что дает такая детализация?

 — Мы получаем данные о том, как потребленная животными пища влияет на приращение живой массы и, соответственно, мясной продуктивности. Ищем также маркеры состояния здоровья особей. В проектах по овцеводству исследуем параметры роста и интенсивность развития молодняка. А, работая с крупным рогатым скотом, с помощью методов молекулярной генетики мы пытались идентифицировать определенные маркеры, чтобы найти гены долголетия коров. В настоящее время ускорить анализ данных помогают современные технологии. Так, в молочном скотоводстве использование искусственного интеллекта (ИИ) дает широчайшие возможности для прогнозирования продуктивных качеств животных и продукции, например, состава молока. Мы использовали методы нейронных сетей для повышения прогностической точности, в том числе для определения тестовой генетической племенной ценности молочного скота. ИИ помогает более точно определять процент жира и белка в молоке, дает прогноз для маркеров здоровья у самих животных. Технология помогает анализировать метаболиты, продукты обмена веществ, отражающие биохимические процессы организма, определяет количество соматических клеток в молоке или подверженность животного заболеванию.

 — Какие сведения помогает проанализировать этот параметр?

 — Эти данные позволяют оценить, как функционирует молочная железа у коров, и дают возможность определять показатели состояния функции воспроизводства по содержанию ряда жирных кислот в молоке, а также полноценность кормления животных. Используя нейронные сети, мы исследовали состав молока голштинской породы коров, опираясь на результаты почти 30 тысяч наблюдений, полученных в ходе анализа образцов. Повысить точность прогноза модели нам удалось на 11-14%, но мы планируем улучшить этот показатель. Из ключевых применяемых нами технологий назову генетическую оценку, позволяющую определять генетический потенциал животного и его ценность для селекции, а также геномную оценку. Последняя позволяет сократить так называемый генерационный интервал (интервал между поколениями), чтобы повысить экономическую эффективность от разведения скота. В частности, геномная селекция обусловлена использованием до десятков тысяч однонуклеотидных полиморфизмов, или снипов — вариаций замены ДНК нуклеотидов, позволяющих на ранней стадии прогнозировать племенное достоинство животного. Кстати, некоторые племенные предприятия или станции по искусственному осеменению сельскохозяйственных животных, которые содержат быков-производителей, уже взяли себе за основу иметь наш геномный прогноз.

— А есть еще примеры успешно внедренных разработок?

 — Конечно, исследования, которые мы начинали еще 12 лет назад, постепенно пришли в производство. Директор Федерального исследовательского центра животноводства — ВИЖ имени академика Л. К. Эрнста, академик РАН Наталия Анатольевна Зиновьева разработала метод геномной селекции в свиноводстве. В Воронежской области уже создан Селекционно-гибридный центр. Параллельно мы работали и для улучшения бройлерного птицеводства, оказывали содействие в работе по поиску генетических механизмов для отбора птицы. Эту работу курирует ФНЦ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт птицеводства». А сейчас в Селекционно-племенном центре, созданном в ФИЦ ВИЖ им. Л. К. Эрнста, мы работаем над получением нового генотипа линяющих овец, имеющих хорошие показатели мясной продуктивности и воспроизводительной функции. Наши ученые занимаются и выведением новой мясной породы коз.

 — Вы работаете со вспомогательными репродуктивными технологиями?

 — Под научно-методическим руководством Наталии Анатольевны Зиновьевой ФИЦ ВИЖ им. Л.К Эрнста ведет работу над технологией ускоренного воспроизведения генотипов животных, позволяющей еще на этапе роста животного получать определенное количество женских половых клеток — ооцитов. Эти клетки используют в дальнейшем процессе культивирования, где генетики на основе метода оплодотворения in vitro, иначе говоря, в пробирке, получают эмбрионы, а потом закладывают их на долгосрочное гарантированное хранение. Один из драйверов развития молочного и мясного скотоводства — эмбриотрансплантация. У нас есть комплексный научно-технический проект с крупным российским агрохолдингом, с которым мы ведем работу по улучшению генетического потенциала мясного скота и по внедрению элементов геномной селекции. Также мне довелось работать с еще одной ключевой технологией — сохранением генофонда крупного рогатого скота.

 — В чем ее актуальность?

 — Дело в том, что многие редкие породы сегодня находятся на грани исчезновения, иногда остаются всего лишь десятки-сотни особей. Среди таких пород крупного рогатого скота можно назвать суксунскую — с высокой молочной продуктивностью, тагильскую, для которой характерно долголетие и хорошая репродуктивная функция, печорский тип холмогорской породы, отличающийся высокой адаптивностью к северным условиям, бестужевскую — продуктивную породу как в молочном, так и в мясном направлении. Одним из наших достижений стало получение в 2024–2025 годах учеными ВИЖ эмбрионов якутского скота, ярославской, холмогорской, красной горбатовской, истобенской, серой украинской и других редких пород коров, которые уже успешно используются для поддержания и сохранения генетического разнообразия отечественного скота.

 — Почему так важна работа с генетическим материалом серой украинской и ряда других пород?

 — Старт работ по сохранению генофонда пород был дан еще в 70-е годы ХХ века, когда генетические образцы ряда пород крупного рогатого скота собирались в экспедиции, организованной Академией наук СССР. Было принято решение хранить собранные образцы в ВНИИГРЖ. Генетический материал сохранялся более 50 лет в криобанке нашего института, то есть был подвержен глубокой заморозке в жидком азоте при температуре -196 °С. Банк данных включал образцы спермы быков-производителей многих пород скота, разводимых в нашей стране, что позволило нам спустя такое долгое время получить жизнеспособное потомство серой украинской, истобенской и красной горбатовской пород. Некоторые из этих редких пород почти или совсем исчезли в живом разведении. Благодаря работе с технологией сохранения генофонда мы получили жизнеспособных быков и телок. Особую ценность, конечно, представляют быки, биоматериал которых мы успешно используем на станциях искусственного осеменения. На долговременное хранение отправляется порядка 1000-3000 образцов семени, но также закупается и определенное количество семени новых генотипов быков, то есть полученных от новых пород. Также в научной коллекции ВИЖ и ВНИИГРЖ, наравне с криобанками семени, хранятся уникальные генетические банки ДНК практически всех видов сельскохозяйственных животных, включая и кур различных пород.

 — А где территориально находится криобанк?

 — В Санкт-Петербурге, в городе Пушкине, на базе ВНИИГРЖ, где более 50 лет ученые не только сохраняют эти биоматериалы, но и успешно работают над расширением «коллекции» генетических ресурсов. Функционирует криобанк по программе Национального центра генетических ресурсов сельскохозяйственных животных, созданный на базе ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л. К. Эрнста. Таким образом, мы переводим технологию хранения генофондных пород в производство. Кроме хранения в криоформе под глубокой заморозкой, часть образцов мы сохраняем для живого разведения. Сейчас на базе ВИЖ содержится более 150 голов редких и исчезающих пород крупного рогатого скота, то есть это уже живое разведение. Другая часть этой уникальной генетической коллекции находится в ВНИИГРЖ и состоит из 26 генофондных пород кур. Мы ежегодно воспроизводим их, сохраняя в живой форме. Замороженное семя петухов также хранится в криобанке, в дальнейшем его тоже можно будет использовать.

 — Как ученые работают с птицей в случае живого разведения?

 — В рамках мониторинга коллекции генофондных пород кур учеными и исследователями снимаются фенотипические параметры особей — экстерьерные, весовые характеристики, параметры оценки яйценоскости и качества яйца. То есть мы не только сохраняем, но и собираем большое количество фенотипической информации, характеризующей хозяйственно-биологические особенности птицы. В дальнейшем это позволит нам перейти к элементам геномной селекции, генетической оценке параметров кур. Россия примерно на 95% зависит от поставок инкубационного яйца для бройлеров, их мясо очень востребовано в питании людей. И мы надеемся, что исследования наших ученых на генофондных породах позволят раскрыть генетические механизмы, которые мы могли бы использовать в методах геномной селекции. Допустим, для получения более тяжеловесных и среднеспелых гибридов кур для целей фермерского разведения.

 — Работа с генофондом была инициирована Вашим институтом?

 — Этот глобальный проект координирует Национальный центр генетических ресурсов сельскохозяйственных животных, созданный при содействии Президента России Владимира Путина. Несколько лет назад участвуя в Конгрессе молодых ученых, была определена приоритетная задача — обратиться за содействием к Президенту в вопросе создания такого центра на базе ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л. К. Эрнста. Поэтому нашим институтом были представлены наработки примерно за последние 10 лет. Мы показали, насколько актуально сегодня сохранять генофонд пород животных, поскольку это уникальное достояние народов России. Конечно, с точки зрения экономики, эти редкие породы не могут сейчас конкурировать по продуктивности с импортными породами, однако они являются уникальным примером сохранения в своем геноме полиморфизмов, генетических маркеров, связанных с получением более качественного молока для детского питания и для переработки. К тому же редкие породы крупного рогатого скота имеют высокие адаптационные качества к тем регионам, где они выводились. Это Поволжье, Урал, Сибирь и южные регионы нашей страны. Важный момент, что на базе Национального центра создают Национальный каталог особо ценных образцов генетических ресурсов сельскохозяйственных видов животных с точным фенотипическим и генетическим описанием наследственных единиц хранения.

 — Насколько быстро Вам удалось получить поддержку Президента?

 — Конгресс молодых ученых проходил в ноябре, и Владимир Владимирович сразу дал поручение о создании такого национального центра. Указ вышел уже в марте следующего года, и было направлено необходимое финансирование. Такая быстрая реакция доказывает, что наш Президент не просто заинтересован в развитии науки, но еще и прикладывает максимум усилий, чтобы работа была выстроена максимально эффективно. В условиях актуальности технологического суверенитета направления геномной селекции, вспомогательных репродуктивных технологий, сохранения генофондов редких исчезающих пород животных находятся на пике своего развития в нашей стране. Думаю, что в дальнейшем это позволит нам не только сохранить уникальный генетический материал, но и привнести определенный вклад в экономику страны.

 — Открытия ученых Вашего института конкурентоспособны на международной арене?

 — Мы регулярно публикуем материалы о наших исследованиях не только в российских, но и в международных научных журналах, что подтверждает востребованность и интерес к нашим открытиям иностранных коллег. Отмечу, что наши научные лаборатории оснащены современным отечественным и зарубежным оборудованием. Например, молоко мы исследуем с помощью инфракрасного анализатора, приобретенного по Программе обновления приборной базы. С помощью этого прибора мы генерировали много полезной информации, которую впоследствии использовали в геномной селекции. Нейронные сети мы применяли для обработки спектральных данных, чтобы уточнить прогностические модели уравнений определения состава молока. Исследования по направлению молекулярной генетики мы проводим, используя современные генетические анализаторы. Мы стараемся использовать все мировые достижения, чтобы наши результаты были релевантны исследованиям наших зарубежных коллег. Если мы анализируем достоверность происхождения генетического материала, то используем генетические панели по микросателлитным локусам либо по однонуклеотидным полиморфизмам, одобренным Международным обществом генетики животных.

 — Александр, а что побудило Вас выбрать карьеру ученого?

—– С детства меня интересовала ветеринария, но после окончания школы я поступил на зооинженерный факультет Мичуринского государственного аграрного университета. Кроме зоотехнии и селекции в процессе учебы меня увлекли генетические технологии. Окончив университет с красным дипломом, я поступил в аспирантуру ВИЖ. Там я сосредоточил свое внимание на вопросах разведения и селекции животных. Впоследствии меня вдохновили также исследования и личный пример доктора биологических наук Наталии Анатольевны Зиновьевой, которая была инициатором работы по молекулярной генетике животных в нашей стране. Со временем я постарался соединить практические подходы работы с животными, такими как селекция, разведение, воспроизводство с генетическими методами. Новым стартом для меня стало предложение Наталии Анатольевны возглавить в 2015 году группу геномных методов в селекции животных.

 — Каким любимым занятиям Вы посвящаете свободное время?

 — Предпочитаю активный отдых: езду на велосипеде, пребывание на свежем воздухе и физический труд. Одно из моих любимых занятий — пчеловодство, это позволяет мне быть ближе к селекции и разведению животных. Ничего интереснее, чем работа с животными, наверное, просто нет. Как говорил Иван Владимирович Мичурин, «мы не можем ждать милостей от природы, взять их у нее — наша задача!» Поэтому я всегда стараюсь очень внимательно работать с теми объектами, которым посвящаю свою жизнь. Всегда стремлюсь лучше что-то понять, изучить нечто новое. Хотя, конечно, мы, ученые, полностью себе не принадлежим. Поэтому в свободное время я стараюсь также работать с аспирантами на базе аспирантуры и докторантуры нашего института. Люблю заниматься и преподавательской деятельностью. В этом году я читал лекции и проводил семинары для студентов Института аграрных исследований НИУ «Высшая школа экономики». Мне всегда очень интересно общаться с молодежью, так как именно они сейчас генерируют большое количество идей, связанных с освоением и использованием инновационных технологий. Наше общение и учебный процесс можно назвать взаимополезным!

Беседовала Светлана Минеева