Автори: професор Dan Macqueen та професор Sigbjшrn Lien
Короткий зміст: Проєкт AQUA-FAANG , який виконувався у рамках H2020, створив нові великі набори даних функціональної геноміки шести основних видів риб, що вирощуються в європейській аквакультурі. У цій статті представлено ці набори даних, як вони поширюються серед дослідницької та інноваційної спільноти, і як результати AQUA-FAANG надають цінні можливості для розробки стратегій точної селекції для підвищення сталості та прибутковості аквакультури.
Питання:
Аквакультура є життєво важливою для європейської та глобальної харчової безпеки, і ця роль стає все більш важливою з огляду на постійну тенденцію зростання чисельності населення, що зумовлює збільшення попиту на високоякісний харчовий білок, корисні жирні кислоти та мікроелементи. Рибництво стикається з багатьма проблемами на шляху до сталого виробництва та розширення, включаючи постійну загрозу інфекційних захворювань та зміни клімату, які сприяють проникненню нових патогенних мікроорганізмів у системи аквакультури, створюючи додаткові проблеми для здоров’я й добробуту риб. Вирішення таких проблем вимагає багатостороннього підходу, при цьому селекційне відтворення є ключовою стратегією для забезпечення вирощування риби з найбільш бажаними характеристиками зараз і в майбутньому.
Геноміка забезпечує життєво важливий інструментарій для програм комерційного вирощування культивованих тварин. Селективне відтворення з використанням генетичних маркерів, пов’язаних з ознаками (геномна селекція – GS), в даний час широко використовується для розведення риби зі сприятливими характеристиками, наприклад, опірністю до хвороб. Хоча “поточне покоління” селекції ефективне, коли тварини є близькими родичами, воно стає менш ефективним, коли тварини є віддаленими родичами – з різних популяцій або в різних поколіннях. Це пов’язано з тим, що селекція не ґрунтується безпосередньо на генетичних варіантах, які зумовлюють бажані ознаки. Насправді, в межах одного виду існують мільйони генетичних варіантів, але більшість з них не мають жодного впливу на ознаки.
Якби селективна розведення було спрямоване на набагато меншу кількість генетичних варіантів, які дійсно впливають на сприятливі характеристики (причинно-наслідкові варіанти), вона стала б високоефективною для віддалено споріднених тварин. Такий вид точної селекції матиме низку позитивних наслідків, які сприятимуть підвищенню сталості та прибутковості сектору аквакультури. Однак виявлення причинно-наслідкових варіантів є складним завданням і вимагає застосування найсучасніших методів.
Внесок у розв’язання AQUA-FAANG:
AQUA-FAANG створив нові великі набори даних для визначення ділянок генетичного коду (тобто послідовності геному), які впливають на біологічні ознаки основних видів риб, що є об’єктами європейської аквакультури. Ми називаємо ці ділянки “функціональними”, і вони включають елементи ДНК, які контролюють експресію генів у різних умовах, наприклад, під час розвитку або після виклику імунної системи. Генетичні варіанти в таких ділянках геному набагато частіше впливають на ознаки, важливі для аквакультури, ніж випадково вибрані варіанти. Проект AQUA-FAANG є великим досягненням, оскільки цей тип даних про культивованих тварин надзвичайно обмежений, а їх отримання було величезним зусиллям, яке тривало кілька років і вимагало співпраці багатьох партнерських організацій з усієї Європи.
Підхід AQUA-FAANG передбачає функціональну анотацію геному з використанням передових технологій секвенування ДНК для виявлення та опису різних типів функціональних ділянок у геномах. В рамках проекту були отримані дані функціональної анотації геному для різних типів зразків шести видів, включаючи:
- Різні стадії ембріонального розвитку – ці ранні етапи життя відіграють вирішальну роль у визначенні ознак, важливих для аквакультури та здоров’я дорослої риби
- Різні тканини дорослих риб обох статей на двох стадіях статевого дозрівання – ці тканини були відібрані за відповідністю низці ознак об’єктів аквакультури
- Після імунної стимуляції вірусними та бактеріальними молекулярними сигналами – відбір зразків первинного імунного органу риби
Цей комплексний набір зразків був використаний для створення майже 5 000 нових наборів даних секвенування для шести цільових видів риб. Дані AQUA-FAANG фіксують, як експресуються гени і як активуються або пригнічуються елементи ДНК в геномі під час розвитку риби від ембріона до дорослої особини, а також після виклику імунній системі.
Як ці дані можуть бути використані для вдосконалення точної (прецизійної) селекції? Набори даних AQUA-FAANG додають багато нових шарів інформації про генетичну архітектуру характеристик культивованої риби і дозволяють дослідникам вперше визначити пріоритетні генетичні варіанти з підвищеною ймовірністю впливу на ознаки цільового виду (для візуалізації див. рисунок XX). Ця інформація може бути використана в широкому спектрі застосувань, включаючи створення нових генетичних інструментів і підходів до селекції, які мають кращу точність без значних фінансових витрат. Вона також може допомогти зменшити поточну залежність галузі від вимірювання важливих селекційних ознак (наприклад, експерименти з визначенням опірності до хвороб) у різних поколіннях, що є дорогим і проблематичним з точки зору добробуту тварин.
Дані AQUA-FAANG будуть життєво важливими для майбутніх застосувань редагування геному цільових видів риб. Редагування геному є потужним інструментом для індукування точних генетичних змін, які можуть покращити довгострокову сталість аквакультури. Основною перешкодою для впровадження цієї технології є необхідність визначення пріоритетних регіонів для редагування. Дані AQUA-FAANG надають такі цільові регіони і дозволять вченим вносити більш точні зміни в геном, що буде життєво важливим не тільки для досліджень, але й для потенційних майбутніх застосувань в практиці аквакультури.
Проект AQUA-FAANG відкрито ділиться всіма своїми даними через браузер геному Ensembl (Ensembl Genome Browser), який дозволяє дослідникам і промисловцям сканувати геном кожного цільового виду для виявлення функціональних областей, що представляють інтерес. Крім того, Ensembl відкриває можливості для дослідників і селекційних компаній, що займаються розведенням аквакультури, швидко і легко накладати свої набори даних з анотаціями AQUA-FAANG, відкриваючи нові можливості для застосування точної селекції в різних країнах і організаціях по всьому світу.
Застосування та потенційний вплив:
Таким чином, AQUA-FAANG відкрив двері для точної (прецизійної) селекції в аквакультурі, яка відіграє важливу роль у вирішенні вищезазначених проблем та можливостей, сприяючи розвитку сталого, опірного та конкурентоспроможного сектору аквакультури в ЄС.
Набори геномних даних проекту AQUA-FAANG мають значні перспективи для аквакультури:
- Точне (прецизійне) відтворення: AQUA-FAANG визначає генетичні варіанти, пов’язані з бажаними ознаками, що дозволяє проводити точне розведення навіть серед віддалено споріднених риб. Це підвищує сталість за рахунок оптимізації використання ресурсів та зменшення кількості дорогих експериментів з вимірювання ознак.
- Ефективність та прибутковість: Ці дані спрощують комерційну селекцію, прискорюючи розвиток кращих порід риб. Це підвищує прибутковість і знижує витрати ресурсів.
- Опірність до захворювань: Дані AQUA-FAANG допомагають у виведенні опірних до хвороб риб, мінімізуючи потребу в антибіотиках і сприяючи створенню здорових популяцій.
- Редагування геному: Проєкт сприяє точному редагуванню геному для сталого розвитку, орієнтованому на регіони, що покращує використання ресурсів та екологічність..
5. Глобальна колаборація: Відкритий обмін даними AQUA-FAANG сприяє глобальному співробітництву, стимулюючи інновації в методах точної (прецизійної) селекції.
Набори даних AQUA-FAANG підтримують програми точного розведення в рибництві
(угорі- види риб, щодо яких напрацьовано набори даних: сьомга, райдужний пструг, тюрбо, лаврак, звичайний короп, дорада. Відкриті дані для максимізації впливу. Ключові результати: міль’они нових функціонашльних елементів у геномах 6 видів риб. Фіксація біологічних ознак: емібріональний розвиток; різні тканини дорослих риб; різні статі та стадії зрілості; імунологічна стимуляція. Перекриття результатів з наборами даних генетичних варіацій. Застосування точної селекції. Інструменти точної генетики: масиви SNP (однонуклеотидного поліморфізму), включаючи варіанти, вибрані на основі функції; нові стратегії відтворення з підвищеною точністю для різних поколінь і популяцій. Редагування геному: точне визначення цілей для редагування. Більш стала та прибуткова аквакультура: посиленнягенетичного вдлосконалення низки ознак; посилення опірності до захворювань та поліпшення добробуту тварин; менша залежність від експериментів з перехресними захворюваннями в різних поколіннях та інших вимірювань ознак)
Приклад того, як набори даних AQUA-FAANG можна використовувати для визначення пріоритетності генетичних варіацій, які можуть впливати на експресію генів у різних біологічних умовах.
(Cотні генетичних варіантів, що перекривають ген IGF1. Ген, що кодує ключовий гормон росту під назвою IGF1. Ділянки ДНК (регіони), визначені AQUA-FAANG, які, ймовірно, впливають на експресію генів. Пріоритетні генетичні варіанти, що перекривають регуляторні регіони AQUA-FAANG, можуть бути використані для точної селекції
