Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1 Возникновение геногеографии, как научной дисциплины 10
1.2 Геногеография кошки 12
1.3 История исследованных областей 33
1.3.1 История Санкт-Петербурга 33
1.3.2 История Карелии 36
1.3.3 История города Армавир 38
1.3.4 История Туниса 39
1.4 Гены окраски и длины шерсти у кошек 40
1.5 Механизм формирования плейотропных эффектов генов окраски 54 ^
1.6 Наследственные аномалии у кошек 57
2. Материал и методы исследования 59
3. Результаты исследования 71
3.1 Частоты генов окраса и длины шерсти у синантропных и домашних кошек 71
3.1.1 Санкт-Петербург 71
3.1.2 Карелия 87
3.1.3 Армавир 89
3.1.4 Тунис 96
3.2 Фены, найденные у домашних и свободноживущих кошек 100
3.3 Влияние генов окраски на структуру волоса кошки 107
3.3.1 Макроскопическое строение волоса кошки 107
3.3.2 Микроскопическое строение волоса, в зависимости от генов окраса 111
3.3.3 Дифференциация спорных окрасов 119
3.4 Экология кошки в условиях города 124
3.4.1 Внешние факторы, действующие на кошку в городе 124
3.4.2 Типы отбора, влияющие на синантропных кошек 126
3.4.3 Группы кошек, обитающих в условиях города 127
4.5 Спектр врожденных аномалий у кошек Санкт-Петербурга 131
4. Обсуждение 152
Выводы и предложения 159
5. Список использованной литературы 162
- Геногеография кошки
- История Санкт-Петербурга
- Фены, найденные у домашних и свободноживущих кошек
- Дифференциация спорных окрасов
Введение к работе
Актуальность темы.
Окраска шерсти в период одомашнивания стала для вида Felis catus мощным приспособительным фактором: Поскольку человек отдавал; предпочтение редким и неординарным окрасам — белому, голубому, коричневому, красному, серебристому или затушеванному. Кошки этих окрасов получали кров и еду от человека, а также преимущество в размножении. Однако даже в урбанистической среде обитания на кошек продолжали действовать факторы естественного отбора: внешне-популяционные - неблагоприятные погодные условия, недостаток мест для выведения потомства, нехватка корма; и внутрипопуляционные - накопление генетического груза, большая плотность особей своего вида и др. Известно, что многие гены окраски обладают плейотропными эффектами, которые могут оказаться приспособительными в различных ситуациях. Например, особи, несущие ген Agouti (А), легче переносят внепопуляционные стрессы, приспосабливаясь к обитанию в дикой природе. Напротив мутантный ген «неагути» (а) дает, своим носителям повышенную резистентность к стрессу внутрипопуляционной природы. Мутация* S? (Piebald White Spotted) сопутствует пониженному уровню гормона стресса и позволяет кошкам лучше уживаться с человеком.
Все эти и возможно множество других плейотропных эффектов генов окраски продолжают играть большую роль в экологии домашней кошки, позволяют ей занять различные экологические ниши в урбанистической среде обитания и оставаться успешным видом на протяжении последних 4 тысяч лет.
Знания по типированию, т. е. определению вероятного генотипа животного по некоторым фенотипическим признакам, в данном случае по окраске и длине шерсти, позволяют проводить исследования популяций свободно скрещивающихся домашних кошек в полевых условиях. Данные геногеографии дают ценный материал о популяционных, исторических, этнографических процессах. Позволяют проводить сравнительные исследования во времени и в пространстве.
На современном этапе развития фелинологии1 большое значение приобретают точные методы определения окраса кошки. В племенной работе с кошками встречаются случаи ошибочного определения окраса при осмотре котят методистами племенных комиссий клубов любителей кошек или выставочной оценке взрослых животных, что влечет за собой неадекватную оценку генотипа и сомнения в генетической чистоте производителей. Наиболее точное определение генотипа родителей позволяет правильно производить отбор и подбор пар по такому важному в разведении кошек признаку, как окраска шерсти. Встает вопрос о влиянии генов, 1 Фелинология - наука о кошках (от лат. Felis — род мелких кошек)
определяющих окраску, длину и структуру шерсти, на морфологию волоса не только на макро-, но и на микроскопическом уровне. Для чего необходимо уточнить строение волоса кошки, поскольку имеющиеся в литературе данные разрозненные и неполные.
Метод микроскопии волоса, описанный в данной работе, может быть использован для изучения шерсти любого вид а і животных, как диких, так и сельскохозяйственных.
Важным становится выявление связи урбанистической среды обитания и живущих в ней синантропных2 видов, в том числе кошек.
Знания о частоте встречаемости врожденных аномалий актуальны для
оценки генетического груза в свободно скрещивающейся популяции и в
4
селекционных породах. '
Цель и задачи исследования. Целью исследований данной работы является изучение частот генов окраса и длины шерсти в современных синантропных популяциях домашней кошки (F. catus), детализация данных о морфологическом проявлении генов, кодирующих окраску шерсти млекопитающих на микроуровне и определение спектра и этиологии врожденных аномалий у кошек.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
2 Синантропний вид — обитающий вблизи человека и обычно тесно связанный с ним пищевой цепью [Незавитин А.Г. и др., 2000]
Провести исследование синантропных популяций кошек, для определения частот генов окраса и длины шерсти.
Выявить пути и степень взаимосвязи генного пула домашних и свободно скрещивающихся кошек.
.3. Определить влияние генов окраса на микроструктуру волоса..
Проанализировать экологические особенности синантропных популяций кошек на примере Санкт-Петербурга.
Изучить спектр и частоту встречаемости врожденных аномалий у кошек в Санкт-Петербурге.
Научная новизна работы. Впервые проведена сегментацияшопуляций синантропных кошек г. Санкт-Петербурга и г. Армавира по экологическому признаку. В группе кошек, обитающих на территории. Государственного Эрмитажа, обнаружены животные с вариантом мраморно-розеточного окраса, не описанного до этой работы у F. catus. Впервые установлена частота гена I (типированные окрасы) в свободно скрещивающихся популяциях кошек Северо-Западного региона и Армавира. Выявлены пути и степень связи домашних (не породистых) кошек, чье размножение ограничено человеком, со свободно скрещивающейся популяцией. На основании исследования микроскопических изменений волоса, обусловленных действием генов окраски^ даны рекомендации по определению спорных окрасов у кошек. Изучен спектр врожденных
аномалий среди кошек Санкт-Петербурга. Обнаружена ранее не описанная аномалия «грушевидный сосок».
Теоретическая и практическая значимость работы. Данные исследований расширяют границы познаний в области популяционной генетики животных. Геногеографическое изучение популяций синантропных кошек дает материал для сравнительного анализа с ранее исследованными популяциями во всем мире. Работа выявляет особенности микропопуляционной структуры видов.
Знания по влиянию отдельных генов на микроструктуру волоса необходимы в племенной работе с кошками разных пород, при проведении популяционных исследований, для уточнения окраса волоса животных разных видов. Результаты работы расширяют знания по структуре генетического груза у кошки. Уровень проявления аномалий осевого развития у кошек может быть использован как маркер экологического неблагополучия обследуемой территории.
Апробация результатов работы.
Результаты исследований выносились на обсуждение на 54-й, 56-й, 57-й и 58-й конференциях молодых ученых СПбГАВМ, на Второй Международной конференции «Ветеринарная генетика, селекция- и экология» (Новосибирск, Россия, 12-14 ноября 2003г.), на Международной конференции в Республике Беларусь (Витебск, 2004).
Прочитаны лекции на курсе специализации по мелким домашним животным на тему: «Частная генетика кошки. Генетика окрасов».
Объем и структура диссертации.
Диссертация изложена на 185 страницах и включает 16 таблиц, 27 рисунков, отражающих варианты окраски, микроструктуры волос и аномалии у кошек. Работа содержит введение, обзор литературы, результаты собственных исследований, обсуждение, выводы и предложения. Список использованной литературы включает 191 источников, в том числе 147 на иностранных языках.
Публикации.
Основные результаты исследований опубликованы в 11 статьях; две работы в журналах рекомендованных ВАК.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
Исследование распределения частот генов влияющих на окраску и длину шерсти в синантропних популяциях кошек. Изучение путей и степени связи домашних кошек со свободно скрещивающейся популяцией. Влияние генов окраски на микроструктуру волоса кошки. Методика определения спорных окрасов с помощью микроскопии волоса. Экология синантропных кошек. Данные по распределению наследственных аномалий среди домашних кошек Санкт-Петербурга.
Геногеография кошки
Группы домашних кошек, вторично одичавших или находящихся на полувольном содержании, по ряду причин представляют собой идеальный объект для изучения географического распределения различных фенотипов и генотипов в популяции. Исследователи отмечают, что «никакой другой вид не может соперничать с кошкой в смысле доступности для популяционно-генетического анализа. В настоящий момент собраны данные по популяциям, населяющим практически весь земной шар. Эти данные представляют собой крупнейшую популяционную выборку для одного вида. Более изучен в этом отношении только человек» [О Брайен С. А. и др., 1993].
Доступность кошки для популяционно-генетических исследований определяется рядом факторов: - генетика многих фенотипических особенностей кошки хорошо изучена. С помощью методов гибридизации картировано около 50 генов кошки; - в большинстве популяций наблюдается полиморфизм по моногенным признакам; - популяции кошек обитают в непосредственной близости от человека и легко доступны для наблюдения. Большие скопления кошек наблюдаются практически во всех человеческих поселениях. Популяционные исследования кошек базируются на анализе экстерьерных особенностей и сводятся к наблюдению и регистрации фенотипов. Поскольку не требуется удалять животных из популяции, эти исследования не влияют на численность и генетический состав популяций и не вызывают протеста со стороны владельцев и любителей кошек; - в популяциях кошек существует высокая степень панмиксии: ассортативныйг (неслучайный) подбор пар по изучаемым фенотипическим признакам не зарегистрирован, а темп размножения кошек достаточно высок [О Браен ..С:и др., 1993]....
Систематически и целенаправленно геногеографией кошек начали: заниматься относительно недавно в конце 40х годов прошлого века: более древних времен, то до нас дошли только отрывочные данные: Так, из книги Бартоломея де Гланвилля «De Proprietatibus Rerum» (1398 г.) [цит. по: Lloyd А. Т., 1983], мьг знаем, что уже в XIII в. в Европе были нередки оранжевые (О), черные (а) и белые (W) кошки». На японских и китайских картинахХШ — XVIII вв. мы видим черепаховых (О/о) и пегих (S/-) кошек. Но какова была частота этих форм — неизвестно.
Впервые частоты генов окраски кошек были определены по предложению выдающегося британского генетика Дж. Б. С. Холдейна исследователем Сйрлом для лондонской популяции в; 1949г. [Searle A. G., 1949]: Опираясь на свои наблюдения, A. G. Searle написал основополагающий труд Comparative Genetics of Goat Golour in Mammals [Searle A. G., 1968].
Большой вклад в изучение генетики кошек, в том числе генов окраски, внес английский исследователь Roy Robinson [Robinson R., 1969, 1971, 1972, 1981a, 1981b, 1987]. В 1971 году он выпустил монографию Genetics for Cat Breeders, которая переиздавалась дважды (в 1973 и 1975гг.) и вышла во второй редакции в4977 году [Robinson R., 1977].
Проблемами, геногеографии кошек занимался американский ученый N. В. Todd, собравший группу сподвижников и изучивший большое количество популяций кошек по всему миру [Todd N. В. et al., 1966, 1969, 1974, 1975, 1976,1977,1978,1979,1982,1984,1988].
Трудами различных исследователей» были собраны данные по популяциям кошек, населяющим практически весь земной шар, за исключением нескольких не исследованных областей (наиболее интересные из них — Южная и Центральная Америка и Китай). В настоящее время изучением популяций кошек Центральной и Южной Америки активно, занимается колумбийский исследователь М. Руис-Гарсия. [М. Ruiz-Garcia, 1988, 1990, 1991,2002]
История Санкт-Петербурга
Для получения ожидаемого соотношения фенотипов локуса Orange, удовлетворяющего равенству m=0.5 , ожидаемое число (а) оранжевых животных (ОО/Оу) принималось равным наблюдаемому; ожидаемое число черепаховых животных (Оо) вычислялось из соотношения: Ъ пфа+п) -(2а + п) ; ожидаемое число неоранжевых (оо/оу) - из соотношения c=n-(a+b) [Robinson R. et al., 1981]
Частоты рецессивных аллелей (q) определялись путем извлечения квадратного корня из частот соответствующих мутантных фенотипов (гомозиготных генотипов) -yjaa/n. Частоты доминантных аллелей (р) вычислялась из соотношения: р= І-q. Ошибки частот подсчитывались по формулам: Jl- q An и ]р(2 - р)/4п, для рецессивных и доминантных аллелей соответственно, где п - общее число исследованных животных, определенное для каждого локуса, с учетом того, что ген W эпистатичен относительно всех генов, влияющих на окраску, ген а - относительно локуса Tabby, ген О - относительно локуса Agouti. Коэффициенты попарных межпопуляционных генетических отличий (dy) определялись из формулы Кидда и Кавалли-Сфорца. [Kidd К.К., Cavalli Sforza L.L., 1974], которая для диаллельных локусов имеет вид: dg = Е (1 -Т/РЛР - (1 - Р Xі - Pjk))» гДе / и / - частоты гомологичных мутантных генов Аг-го локуса в популяциях і и j; п - общее число локусов, на основании которых производится сравнение. При расчетах в локусе, Tabby учитывалась только пара аллелей: tb — мутантный и Т — аллель дикого типа. Аллель Та во внимания не принимался, поскольку он не встретился ни в одной из исследованных популяции кошек. Ген tsp учитывался только в выборках Туниса и Лахденпохьи.
Для подсчета коэффициента % использовалась стандартная методика [Лакин Г.Ф., 1990]. Поскольку частоты генов представляют собой относительные величины, то для сравнения брались абсолютные значения — количество мутантных фенотипов в исследованных выборках. Для унификации выборок с разным числом особей вычислялся коэффициент N1/N2 , где Ni и N2 — количество особей в выборках 1 и 2, соответственно. Количество особей, имеющих мутантный фенотип, в выборке с меньшим числом особей помножалось на коэффициент. За нулевую гипотезу принималось предположение об одинаковом распределении мутантных фенотипов в выборках. Поэтому количество мутантных фенотипов в одной выборке считалось ожидаемым и % для нее - равным 0. Все последующие выборки сравнивались с первой. % вычислялся с уровнем значимости 0.05 и 0.01.
Для изучения распределения генов окраски среди кошек, находящихся на домашнем содержании, применялся метод поквартирного опроса. Опрос проводился по анкете. Анкета включала следующие вопросы: 1.Окрас и длина шерсти животного; 2.Происхождение (взят с улицы или из дома); 3.Наличие котят и их дальнейшая судьба.
Для изучения влияние генов окраски на микроструктуру волоса, волосы брали щипком, т.е. с луковицей. Длинные волосы разрезали на части. Волос или его часть фиксировали в канадском бальзаме и рассматривали под световым микроскопом при увеличении х400. Канадский бальзам позволяет делать постоянные препараты, он имеет меньший коэффициент преломления по сравнению с водной средой и, в отличие от глицерина, не оставляет пузырьков воздуха. Бальзам придает препарату желтоватый оттенок, что необходимо учитывать при определении окраса волоса. После хранения препарата, канадский бальзам способен незначительно обесцвечивать не поврежденный волос и полностью растворять пигмент в месте разреза. Бальзам заполняет сердцевинную полость волоса, поэтому хорошо виден рисунок трабекул в этой зоне.
Фены, найденные у домашних и свободноживущих кошек
При исследовании группы животных всегда обнаруживаются особи, отличающиеся от других по окраске или строению тела. Такие небольшие, но дискретные морфологические изменения называются «фенами». Описание новых фенов - задача каждого популяционного исследования. В нашей работе описание фенов не было основной целью. Тем не менее, мы считаем необходимым изложить наблюдения, сделанные нами в процессе исследования.
Так в Санкт-Петербурге наблюдались две кошки (взрослая и котенок 2-х месяцев), определить генотип которых не представлялось возможным. Территориально они были значительно удаленны друг от друга. Кошка обитала в Калининском районе, котенок — в пригороде в поселке Бугры. Они имели на теле и хвосте удлиненную упругую шерсть теплого коричневого оттенка у основания и высветленную на кончиках до ярко-желтого. На голове и груди волоски были короткие шелковистые темно-коричневого цвета. Шерсть на лапах слегка удлиненная, завивающаяся в мягкие завитки, скорее открытого типа, и имела цвет "кофе с молоком". Обе кошки по своему поведению и внешнему виду были явно свободно живущими и вряд ли являлись представителями какой-либо породы. Кошки не подпустили исследователей близко к себе, что исключило возможность применить микроскопический метод для уточнения окраса.
Осветление кончиков волос у темно-коричневых кошек, можно I рассматривать, как вариант сильно окисленного чёрного окраса «неагути» в результате вольного содержания. Широко известны случаи, когда эумеланин, содержащийся в волосках кошки, например, при окрасе неагути, изменяется в результате действия прямых солнечных лучей. В этом случае кошка, которая зимой выглядит абсолютно черной, летом как бы «выгорает» и может иметь почти рыжую окраску. Однако наши наблюдения показывают, что типинговая часть волоса в любом случае остается более темно окрашенной.
Можно также предположить, что было обнаружено возникновение истинного "золотого" окраса, концевой темный типпинг которого не был определен из-за дистанционного контакта. В этом случае осветление кончиков, волос до ярко-желтого можно рассматривать, как сильно расширенную красную полосу агути-бенда, сформированную под влиянием, гена Wb, ответственного за формирование затушеванных и затененных окрасов совместно с геном I. Также подобный окрас мог стать проявлением гена Ау, наличие которого у кошек еще не доказано, но нахождение которого можно у них ожидать, исходя из закона гомологических рядов, поскольку он выявлен у собак и мышей.
У одной кошки черного окраса наблюдалась аномалия в виде изолированного белого пятна неправильной формы в виде трилистника, расположенного на спине в лопаточной и поясничной области (рис. 8).
Различные варианты изолированного белого пятна были найдены у нескольких кошек Эрмитажа. При осмотре была исключена возможность химического обесцвечивания. Белые волоски в пятне перемешивались с черными — "через волос". Заводчики породистых кошек.и собак, в частности сенбернаров часто сталкиваются с появлением белых пятен на основном
окрасе корпуса и называют его "рваный плащ". Причем они отмечают наследственную предрасположенность к месту расположения разрыва на основном окрасе, как у кошек, так и у собак. Чаще встречается проточина, соединяющая через лопатки или через поясницу белые пятна на груди или на животе [Степанский К., 1974].
В наших наблюдениях зафиксировано несколько кошек, имеющих изолированные белые пятна (рис. 9). Скорее всего, возникновение изолированных белых пятен на плаще связано с влиянием генов-модификаторов на генотип Ss и со слиянием ранее изолированных цветных пятен биколора в пренатальный период. Не исключена возможность возникновения соматической мутации. Хотя, учитывая наследственный характер признака, можно предположить, что скорее существует наследственная предрасположенность к возникновению «разрыва плаща».
Дифференциация спорных окрасов
В рамках данной работы были проведены исследования нескольких проб волос для определения спорных окрасовкошек,
Опыт 1. Кошка, самка породы европейская короткошерстная? представлена на определение окраса. У кошки четко просматривается тигровый рисунок (А-Т-), фон осветлен, волосы у корней белые (I-), красного в окрасе не обнаружилось (оо); имеется концевая белая пятнистость (S-) на всех четырех лапках ш на мордочке. Определен окрас с кодом ns 09 23 черный серебристый тигровый с остаточной белой пятнистостью. Генотип: А- В- С- D- Iiioo Ss Т- ww WbWb. При; отсутствии прокраса мякишей лап и мочки носа., невозможно? определить наличие аллелей в локусе dilution и її К brawn. Под воздействии генов Ii ш WW окрашенная зона волосаі уменьшилась до 1/3, что затрудняет глазомерную оценку указанных генотипов.
При микроскопическом исследовании пробы волос из полосы рисунка, обнаружена крупноглобулярная структура пигмента в корковом слое волос, что вызвало просветление коркового слоя и типпинговой части волоса за счет образовавшихся пустот. Помимо этого наблюдается искривление и слияние трабекул! в? сердцевинной части волоса; Данный микроскопический эффект характерен для действия рецессивной гомозиготы dd. При1 этом не отмечалось просветления пигмента в глыбках до коричневого, что обуславливается гомозиготой bb. Таким образом окрас был уточнен. Код: as 09 23 голубой серебристый тигровый с белыми отметинами. Генотип: А- В-С- ddli оо Ss Т- ww WbWb.
Опыт 2. Кот, самец, породы Курильский бобтейл, рожден от некрасных родителей. Отец окраса черный тигровый без пятен (код п 23), цвет фона сочный интенсивный. Генотип: А- В- С- D- ii оу ss Т- ww Wb-. Мать - окрас: золотистый затушеванный мраморный без пятен (код пу 11 22). Генотип: А- В- С- D- И оо ss tbtb ww WbWb.
Окрас котенка определен как красный тигр (код d 23). Генотип А- (В-) С- D- ii Оу ss Т- ww Wb-. наблюдается затемнение шерсти вдоль спинного ремня и на хвосте. Исходя из схемы скрещивания, котенок с таким генотипом не мог родиться от данной пары: Р с?оу х $оо Fi оу оо
Было выдвинуто предположение, что визуальный красный окрас является крайним проявлением золотого окраса. В этом случае черный пигмент должен сохраняться хотя бы в самых кончиках волос. Взяты пробы волос из наиболее затемненных областей. При просмотре всех волос, не обнаружено ни одного волоска с затемненной типпинговой частью. Сделан вывод, что окрас котенка — красный тигр - определен верно. Выдвинуто предположение о максимальной экспрессии черепахового окраса у матери-(минимальные красные пятна). Внесено предложение о смене окраса у матери на код fy 11 22, генотип: А- В- С- D- И Оо ss tbtb ww WbWb.
По другой версии за формирование золотого окраса у кошек могут отвечать различные, недостаточно изученные гены. Так у кроликов мутантныйтен wb считается рецессивным. Он действует как на фоне агути (А-), так и неагути (аа) или подпалого неагути (agouti tan). Те же окрасы нередко объясняют взаимодействием аллелей локуса Extension, имеющегося у всех млекопитающих, с локусом Agouti. При этом у кроликов в волосах черный пигмент не обнаруживается [Шустрова И.В., не опубликованные данные].
У новых аборигенных пород кошек, какими являются Курильские бобтейли, возможно обнаружение неисследованных генов окраса. Теоретически такой ген может определять, например, строение рецептора меланокортина, или ферментов на пути превращений МСГ, или белков-конкурентов МСГ. В результате синтез эумеланина может быть полностью подавлен (блокирован) за счет повышенной активности мутантного аллеля.
Таким образом, нет достаточных оснований для предположения о том, что окрас вызван именно геном Orange, а не каким-либо другим. Генотипы данного кота и его матери должны быть уточнены методом проверочных скрещиваний.
Опыт 3. Кошка, самка, порода петербургский сфинкс, тип облысения -флоковый. Определен окрас - голубой (код а). Генотип аа В- С- dd ii оо ss (Т-) ww (Wb-). Окрас мочки носа и подушечек лап серо-черный (в отличие от пшферно-серого, положенного по стандарту). Внесено предложение о смене окраса на код п черный, генотип аа В- С- D- ii оо ss (Т-) ww (Wb-).
