Цели и методы изучения генотипической изменчивости.

Общим и основным свойством популяционной организации животного и растительного мира является присущий каждой популяции специфический уровень генетического разнообразия. Неослабевающий интерес к изучению генетической изменчивости как природных, так и разводимых человеком популяций обусловлен не только возможностью проследить преобразования генетической структуры различных популяций в процессе эволюции; он вызван, несомненно, большой практической значимостью таких исследований для селекции животных и растений. В настоящее время стало очевидным, что эффективность селекционных программ при рыборазведении самым тесным образом связана с рациональным использованием генетических ресурсов природных популяций, что невозможно без детального изучения генетической изменчивости по различным экономически полезным признакам, относящимся к категории количественных.

Изучение фенотипической изменчивости количественных признаков основано на измерении реальных значений признаков (х) и определении их варьирования (о, о?). Информацию о генетической природе мерных признаков можно получить только при сопоставлении этих генетико-популяционных параметров в группах особей, имеющих определенную степень родства. Однако генетический анализ, применяемый для изучения количественных признаков, имеет в этом случае свои особенности, связанные с зависимостью проявления данных признаков от условий среды ис возможной детерминацией их многими генами.

Таким образом, природа этой группы признаков не дает возможности использовать для генетической характеристики популяции соотношение генотипов или частот генов, как это делается для качественных признаков, так как расщепление происходит по большому числу генов, количество которых невозможно точно учесть, а каждый генотипический класс под влиянием среды может принимать разные фенотипические значения. Это обусловливает популяционный характер исследований генетики мерных признаков и определяет единственный на сегодняшний день способ — построения математической модели количественного признака, Введение особых популяционных параметров, которые имеют соответствующую генетическую интерпретацию и могут быть оценены в конкретных популяциях (Животовский, Глотов, 1976). Основная проблема состоит в нахождении фенотипической характеристики генотипа, ее отделения от модифицирующего влияния среды. Для количественных признаков это можно сделать только статистически — путем оценки относительной доли генетической изменчивости в общем разнообразии признаков.

Согласно современным представлениям, первый этап генетического анализа количественных признаков заключается в разложении общей фенотипической вариансы на два компонента: генотипический, отражающий разнообразие генотипов в популяции, и средовой, обусловленный влиянием среды на развитие признака (Рокицкий, 1974; Рокицкий и др., 1977; Гинзбург, Никоро, 1982). В общей форме это разложение описывается следующим выражением:

ор=0°C+0°E На основе разложения фенотипической вариансы можно определить долю генотипической изменчивости в общем разнообразии признака. В простейшем случае она равна о?lo, или о?! (о? +0°). Эта относительная величина была введена Д. Лашем (Luch, 1941) для характеристики доли генотипического разнообразия признака в популяции и получила название коэффициента наследуемости (h?).

Генотипическая варианса также имеет сложную природу, так как отражает результат суммарного действия генов, оказывающих, как известно, различный эффект на развитие признака. В связи с этим она состоит из трех основных компонентов, каждый из которых соответствует определенному типу действия генов: о?o=02A+oo+o2. Аддитивная генетическая варианса (о?) отражает изменчивость средних эффектов генов, доминантная (о?)) измеряет вариабельность, создаваемую за счет взаимодействий внутри многих аллельных пар, а эпистатическая варианса (о?) оценивает эффект межлокусных взаи модействий, причем она представляет собой статистический, но не всегда генный эпистаз.

Следующий этап генетического анализа мерных признаков связан с изучением структуры генотипической вариансы. Разложение генотипической вариансы позволяет определить, какие из ее компонентов и в какой степени обусловливают сходство в проявлении признака у особей определенной степени родства (у родителей и потомков, сибсов или полусибсов). Выделение и оценка различных компонентов генотипической вариансы имеет решающее значение при суждении о степени наследования количественного признака. Связано это с тем, что изменчивость селекционных значений признака (тех, которые передаются потомству) представляет только аддитивная варианса, которая и определяет генетические различия между особями в популяции. Доля аддитивного компонента генотипической вариансы может быть неодинаковой для разных признаков и в разных популяциях, поэтому, помимо генотипического разнообразия признака (о? о?), следует различать генетическое разнообразие, отражающее долю аддитивных характеристик генотипа (о? о?). В соответствии с этим было предложено дифференцировать понятие наследуемости — в первом случае применять термин наследуемости «в широком смысле», а во втором — в «узком смысле» (Lush, 1945,1949; Lerner, 1950). 

Определение относительной доли генетической и средовой варианс в общем разнообразии признака, а также выделение отдельных компонентов генотипической вариансы и вычисление на этом основании селекционно-генетических параметров производятся при проведении специальных экспериментов в соответствии с различными математическими моделями. В зависимости от цели эксперимента и биологических возможностей объекта выбирают определенную схему скрещиваний и получают информацию либо об общей генотипической вариансе, либо об отдельных ее составляющих. Статистическая обработка данных предусматривает использование корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализов. В связи с наличием большого количества методических руководств, мы не будем останавливаться на описании различных методов определения наследуемости. Отметим лишь, что наиболее надежные результаты можно получить при использовании на не оны Андрупопуст на хранителната заКанада спестяване на одном и том же материале нескольких методических приемов (Васильева, 1969,1976; Рокицкий и др., 1977 и др.). а Основные принципы генетического моделирования количественных признаков были разработаны Р. Фишером, который предложил метод дисперсионного анализа, позволяющего разложить общее варьирование признака на компоненты, ввел понятие коэффициента внутриклассовой корреляции и впервые выделил три типа генетической изменчивости (Fisher, 1918,1925; Fisher et al., 1932). Не меньшее значение имели исследования С. Райта. Он разработал некоторые методы корреляционного анализа (метод «коэффициентов путей») и применил его для оценки генетической детерминации между фенотипами и генотипами родственных особей (Wright, 1923,1934,1935). Большое значение для обоснования и построения различных генетических моделей с целью определения компонентов генетической вариансы имели также работы К. Мазера (Mather, 1949). Результаты теоретических исследований, связанных с запросами селекции сельскохозяйственных животных и растений, представлены в ряде монографий (Fisher, 1948; Mather, 1949; Kempthorne, 1957; Lerner, 1958; Фишер, 1958; Falconer, 1960, 1981; Cockerham, 1963; Никоро и др., 1968; Mather, Jinks, 1971,1982; Рокицкий, 1974; Турбин и др., 1974; Рокицкий и др., 1977).

Благодаря глубоким теоретическим разработкам и широкой популяризации показатели наследуемости нашли применение в практической селекции животных и растений как важнейшие параметры генетической структуры популяций. Количество исследований, посвященных изучению наследуемости количественных признаков, исчисляется в настоящее время многими тысячами. По мере накопления фактического материала и разработки отдельных элементов методики их вычисления стали выявляться присущие этим понятиям недостатки, связанные как со сложностью их структуры, так и с неадекватностью используемых моделей (Никоро, Васильева, 1976; Гинзбург, Никоро, 1982). с Здесь необходимо, хотя бы кратко, остановиться на тех требованиях. к экспериментальным исследованиям, которые должны соблюдаться при определении коэффициентов наследуемости. Дело в том, что теоретические разработки Р. Фишера и С. Райта относились к однолокусной модели, которую можно использовать при соблюдении определенных ограничений, налагаемых на структуру популяции и генотипа, а именно: 1) популяция должна быть панмиктической в соответствии с законом Харди-Вайнберга, 2) исключен инбридинг, 3) признак наследуется аддитивно, 4) отсутствует взаимодействие генотип х среда. Экспериментальный анализ применимости этой модели свидетельствует о том, что такой принцип расчета верен и для полигенных признаков и для таких популяций, где отсутствуют отбор и инбридинг (Васильева, 1972,1976). В ряде работ (Falconer, 1960; Никоро и др., 1968; Васильева, 1976; Гинзбург, Никоро, 1982) показано, что решающим фактором для получения несмещенных оценок наследуемости являются наличие панмиксии и отсутствие межлокусных взаимодействий. Последнее ограничение обычно Снимается в связи с малой долей эпистатической вариансы для многих количественных признаков (Животовский, Глотов, 1976; Иоганссон и др., 1979). В то же время следует признать, что до настоящего времени при использовании коэффициентов наследуемости панмиктичность оцениваемых популяций принимается лишь условно. В действительности трудно ожидать равновесия в популяциях сельскохозяйственных животных, разведение которых сопровождается длительным отбором и инбридингом.

Наибольшие нарекания вызывает в настоящее время применение в селекции коэффициента наследуемости в узком смысле (Гинзбург, Никоро, 1982). Объясняется это тем, что отклонение от основных требований применяемой модели (равновесности популяции и аддитивности признака) приводит к несоответствию оценок аддитивного генотипического разнообразия в родительской генерации и разнообразия племенных ценностей, которые определяют возможности селекции. Иными словами, прогноз эффективности отбора в большинстве реальных селекционных ситуаций становится невозможным. Действительно, модельные опыты на дрозофиле показали, что только в первых трех поколениях отбора можно получить совпадение ожидаемых (соответствующих значению h? в исходной равновесной популяции) и фактических ответов на отбор (PoКицкий и др., 1977; Тананко, Добина, 1980). Следует, однако, подчеркнуть, что критические замечания вызывают не методы оценки селекционных ценностей признака («существующие теоретические методы выделения эффектов генов и аддитивной компоненты генотипического значения признака достаточно обоснованы», Гинзбург, Никоро, 1982, с. 153). Возражения вызывает неадекватность используемых методов конкретной селекционной ситуации, которая для сельскохозяйственных животных совершенно явно не соответствует необходимым условиям применения модели Фишера-Райта (Плохинский, 1966; Басовский, 1970). па монон - Показатель наследуемости в широком смысле слова предназначен для оценки доли генотипического разнообразия количественного признака, в связи с чем для его определения нет необходимости производить разложение общей генетической вариансы на составляющие. По мнению Э.Х. Гинзбурга и З. С. Никoрo (1982), наиболее корректное исследование этого популяционного параметра можно произвести при: 1) клонировании генотипов и 2) использовании фонового признака. Другие исследователи считают возможным использовать для этой цели сибсов, полученных при парных скрещиваниях (Becker, 1967; Рокицкий и др., 1977). Верхний предел наследуемости в широком смысле можно определить также при помощи коэффициента повторяемости в том случае, если различия между повторными измерениями признака не обусловлены генетически (Гинзбург, Никоро, 1982). Показатель наследуемости в широком смысле имеет меньшее значение в селекции, чем коэффициент h?А. Его основное назначение – служить в качестве оценки принципиальной возможности селекции в том или ином направлении. - Понятие повторяемости, как и понятие наследуемости в общем смысле, связано с оценкой относительной роли генотипа и среды в формирований признака (Lush, 1945). Основанная на сходстве значений одного и того же неоднократно изменяемого признака эта величина отражает долю генетических и средовых влияний, определяющих постоянство проявления изучаемого признака у разных особей. Генетическое содержание этого популяционного параметра (r=0 to selop) свидетельствует о том, что коэффициент повторяемости является завышенной мерой генотипического разнообразия, в связи с чем он обычно используется для предварительной оценки величины наследуемости (Lush, 1949; Rendel et al., 1957; Рокицкий, 1974). Измеряется повторяемость коэффициентом внутриклассовой корреляции при проведении факторного эксперимента (Снедекор, 1961; Becker, 1967; Васильева, 1969; Рокицкий, 1974; Животовский, 1979). товский, 1979). 

За разлика на карта на Несмотря на все методологические сложности определения и генетической интерпретации показателей наследуемости, они остаются до настоящего времени наиболее важными критериями для оценки генетической структуры популяции (Рокицкий, Добина, 1975; Васильева, 1976; Poкицкий и др., 1977). По мнению Л. А. Животовского и Н. В. Глотова (1976, с. 93), «на сегодня это, пожалуй, единственный путь к генетическому анализу количественных признаков». Это не означает, однако, что их можно абсолютизировать. Значения h? позволяют лишь с некоторой степенью вероятности судить о порядке величины наследуемости. Тем не менее важно знать, каково это значение – большое (>0,5), среднее (0,2-0,5) или малое (<0,2), так как тогда можно получить представление о генетической структуре популяции, оценить потенциальные возможности отбора и выбрать наиболее перспективные методы ведения селекции. Однако ценность получаемой в этом случае информации будет во многом зависеть от знания всего комплекса факторов, определяющих разнообразие данного признака в конкретной ситуации.

Завершая рассмотрение методов изучения генетической изменчивости количественных признаков, необходимо отметить следующее важное обстоятельство. Особенности формирования и состояние генетической структуры популяций рыб, существенно отличающие их от других объектов животноводства, позволяют выявить определенные преимущества Популяций рыб в отношении селекционно-генетических исследований по сравнению со стадами сельскохозяйственных животных. Основным из них нужно считать эволюционно сложившуюся равновесность популяционных систем, которая обеспечивается свободным скрещиванием определенных иерархических структур. Существенное для получения несмещенных оценок наследуемости по количественным признакам отсутствие сцепления между ними обеспечивается в популяциях рыб наличием у большинства видов очень большого числа хромосом — 60-240 (Кирпичников, 1979).

Таким образом, имея возможность использовать для селекции в качестве исходного материала рыб из природных популяций, мы можем вполне корректно исследовать генетическую структуру исходных популяций и оценить перспективы селекции рыбоводных объектов по различным экономически ценным биологическим признакам. В этом видит основную задачу селекционеров-рыбоводов американский ученый Г. Голл: «Мы должны приложить все усилия, чтобы изучить и понять как биологию, так и генетику объекта, прежде чем мы попытаемся переделать важнейший, но уязвимый источник — генетическую изменчивость» (Gall, 1972, p. 159).