Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 7
1.1. Эволюция понятия о гене, генетике и сохранении биоразнообразия животных 7
1.2. Генетические методы в селекции молочного скотоводства 10
1.3.Селекция стада на повышение белковомолочности молока 28
1.3.1. Генетические методы повышения белковомолочности 33
1.3.2.Биохимический полиморфизм белков молока 35
1.3.3.Оценка быков-производителей по содержанию фракций казеина в молоке дочерей 36
1.3.4.Технологические свойства молока 37
1.4. Дефицит лейкоцитарной адгезии у человека и собак (LAD, CLAD -синдром) 40
1.4.1. Дефицит лейкоцитарной адгезии у человека (LAD -синдром) 40
1.4.2. Дефицит лейкоцитарной адгезии у собак (CLAD-синдром) 43
1.5. Дефицит лейкоцитарной адгезии (BLAD-синдром) у голштинизированного скота 43
1.5.1. Исторические аспекты по изучению дефицита лейкоцитарной адгезии (BLAD-синдром) 43
1.5.2. Этиология дефицита лейкоцитарной адгезии крупного рогатого скота 45
1.5.3. Патогенез и клинические признаки дефицита лейкоцитарной адгезии у крупного рогатого скота 46
1.5.4. Наследование и геногеография BLAD y голштинизированного черно-пестрого скота 48
ГЛАВА 2. Материал и методы исследований 50
ГЛАВА 3. Результаты собственных исследований 51
3.1. Распространение BLAD в популяциях голштинизированного скота Российской Федерации и различных стран мира 51
3.2. Характеристика родословных быков-производителей, носителей гена BLAD-синдрома 55
3.3. Встречаемость гена сложного уродства позвоночника (CVM) у быков-производителей черно- и красно-пестрого голштинского скота 70
3.4. Оценка быков-производителей различных пород по локусу каппа-казеина 76
3.5. Характеристика быков-производителей 9 пород по системам группам крови 80
Обсуждение 89
Выводы 94
Сведения о практическом использовании научных результатов 96
Рекомендации по использованию научных выводов 96
Список использованной литературы
- Эволюция понятия о гене, генетике и сохранении биоразнообразия животных
- Генетические методы повышения белковомолочности
- Распространение BLAD в популяциях голштинизированного скота Российской Федерации и различных стран мира
- Характеристика родословных быков-производителей, носителей гена BLAD-синдрома
Введение к работе
использование метода искусственного осеменения и МОЭТ существенно
изменило соотношение между самцами и самками, участвующими в
размножении, а также влияние на генофонд стада. Среднее соотношение
между самцами и самками при искусственном осеменении для быков
исключительно высокого качества достигает 1:100 000 и больше (Бонадонна
Т., 1969; Винничук Д.Т., 1994).
Реализация племенного материала привела к глобальному распространению «коммерческих пород» с высокой продуктивностью, созданию интенсивных технологий по содержанию и выращиванию животных, заготовке качественных кормов, жесткому контролю окружающей среды и дорогому ветеринарному обслуживанию. Доминирование «коммерческих пород» в мире до сих пор остается практически по всем отраслям в животноводстве. В этой связи важно при оценке быков по ряду продуктивных признаков учитывать «чистоту» быка на носительство наследственных болезней, его устойчивость к различным заболеваниям. Подобные исследования имеют фундаментальное значение для сохранения биоразнообразия пород, предотвращению распространения наследственных дефектов и оценке молочного скота по генам хозяйственно-полезных признаков (Амерханов Х.А., Марзанов Н.С., 1999; Жигачёв А.И., Суллер И.Л., 2002; Eggen A. et al., 2004; Ohba Y. et al., 2004; Oguni T. et al., 2004; Марзанов H.C. и др., 2005). В настоящее время выдающихся производителей и ремонтный молодняк проверяют на носительство хозяйственно-полезных и мутантных генов, а результаты регулярно публикуют в каталогах по племенным быкам (Шапочкин В.В., Ескин Г.В., 2004; Попов Н.А. и др., 2004; Бошляков В.Н. и др., 2004-2005).
Цель и задачи исследований. Целью данной работы является характеристика аллелофонда у быков-производителей 9 пород по
генетическим маркерам (BLAD, CVM, группы крови и каппа-казеин). В связи с этим решали следующие задачи:
Дать характеристику родословным быков-производителей чёрно-пёстрого голштинизированного скота, носителей рецессивного аллеля BLAD.
Определить частоту встречаемости аллеля CVM у голштинизированных быков-производителей.
Изучить встречаемость аллелей и генотипов по локусу каппа-казеина у быков-производителей 9 пород.
Дать оценку аллелофонда по ЕАВ-, EAF-V-, EAJ- системам групп крови у быков-производителей различных пород.
Провести анализ с целью оценки быков-производителей носителей BLAD по молочной продуктивности дочерей.
Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые в условиях Российской Федерации изучен аллелофонд у быков 9 пород ФГУП «Центральная станцая искусственного осеменения сельскохозяйственных животных» (ФГУП ЦСИО) по 4-м типам генетических маркеров (BLAD, CVM, группы крови и каппа-казеин). Показаны пути поступления мутантного гена в популяцию животных на базе ЦСИО. Носителями оказались производители, поступившие в нашу страну из Германии, Канады, США и Голландии, а также племенной материал отечественной селекции, прямые потомки лидеров голштинской породы Осборндэйл Айвенго 1189879 и Карлин М. Айвенго Белл 1667366.
Положения, выносимые на защиту: - оценка аллелофонда у быков-производителей 9 пород по 4-м типам генетических маркеров (BLAD, CVM, группы крови и каппа-казеин); - анализ родословных выдающихся быков-производителей носителей аллеля BLAD и продуктивности их дочерей.
Публикация материалов. По материалам диссертации опубликовано 4 научные работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались при рассмотрении годовых отчетов на заседаниях кафедры племенного дела в животноводстве ФГОУ РАМЖ (2004-2006). Часть полученных материалов диссертации были представлены на 54-й ежегодной конференции ЕАЖ (Rome, Italy, 2003); материалах III международной научной конференции «Биотехнология в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии» (Москва, 2004); в трудах ВНИИ плема (2004) и журнале «Сельскохозяйственная биология» (2003).
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, обсуждения, выводов, практических предложений, списка использованной литературы. Материал изложен на 112 страницах компьютерного текста, содержит 24 таблицы, 3 рисунка, 7 схем и 3 диаграммы. Список литературы включает 154 источника, в том числе 83 на иностранных языках.
Эволюция понятия о гене, генетике и сохранении биоразнообразия животных
Стремительно завершившему XX веку, в котором нам посчастливилось жить, по всей вероятности, уготовлено место Века Биологии, а может быть, и Века Генетики. После переоткрытия законов Г. Менделя генетика прошла триумфальный путь от натурфилософского понимания законов наследственности и изменчивости через экспериментальное накопление фактов формальной генетики к молекулярно-биологическому пониманию сущности гена, его структуры и функции. От теоретических построений о гене как абстрактной единице наследственности - к пониманию его материальной природы как фрагмента молекулы ДНК, кодирующего аминокислотную структуру белка, до клонирования индивидуальных генов, создания генетических карт человека и ряда видов животных, идентификации генов, мутации которых сопряжены с наследственными болезнями. Благодаря успехам генетики начато решение таких глобальных проблем человечества, связанных с охраной генофонда животных и растений; разработкой законов по биобезопасности, т.е. защите человека от потенциальных негативных последствий интродукции живых измененных организмов (ЖИО) и произведенной от них продукции (Горбунова В.Н., Баранов B.C., 1997; Амерханов Х.А., Марзанов Н.С., 1999; Алтухов Ю.П., 2004).
Особое значение приобретает охрана от генетической эрозии центров зарождения животных и растений; сохранение экосистем и биоразнообразия в мире; прогноз возможных нарушений сложившихся систем в использовании биоресурсов и т.д. В этой связи, пожалуй, одним из знамениев нашего времени является сокращение видового разнообразия жизни. За последнее столетие человеческая деятельность привела к тому, что с лица Земли исчезли или близки к исчезновению до 25 тыс. видов высших растений и более 1 тыс. видов позвоночных животных. На грани вымирания находятся сотни уникальных пород домашних животных. По оценкам известных специалистов, к 2015 году биосфера может утратить до 10-15% составляющих ее видов. Вызванный антропогенным воздействием темп вымирания превышает все, что известно на этот счет из палеонтологической летописи. Предотвратить, точнее, смягчить разыгрывающуюся на наших глазах экологическую катастрофу возможно лишь на путях коренного пересмотра и решительного изменения всей стратегии взаимодействия человека с природой. Однако, предпринимая соответствующие усилия, надо ясно осознавать, что помимо самоочевидных неблагоприятных воздействий, таких, как загрязнение среды и разрушение мест обитания, имеется по крайней мере еще один, не столь явный, фактор ответствененный за сокращение биоразнообразия — нерациональная хозяйственная деятельность человека, игнорирующая генетическую подразделенность видов и структуру видовых генофондов животных, т.е. той совокупной наследственной информации, которая в поколениях передается от родителей потомкам и определяют такие их важнейшие свойства, как численность, продуктивность, скорость роста и развития, продолжительность индивидуальной жизни, устойчивость к заболеваниям и неблагоприятным факторам среды (Алтухов Ю.П., 2004).
Генетическое биоразнообразие всегда являлось основным критерием оценки животных. Ограничение биоразнообразия внутри вида или породы приводило к ограничению ее использования или к возникновению новых мутаций, что позволяло и дальше применение данной популяции. Каждая из ныне существующих пород России представляет собой продукт мутации, дрейфа генов, эволюции в течение многих десятков, а то и сотен лет, со своим механизмом адаптации к окружающей среде, устойчивостью к эндемичным паразитарным и инфекционным болезням, со своим ареалом продуктов питания и соответствующим определенным критериям человеческого общества, в недрах которого она создавалась (Марзанов Н., Саморуков Ю., 2003).
Следует отметить, что любая порода обладает своеобразным, уникальным набором генов - генофондом породы. Сохранение полного набора генов - задача, имеющая практическое значение для животноводства любого государства, в том числе и нашей страны. Впервые проблему сохранения и рационального использования генетического фонда животных поднял в 1927 году А.С. Серебровский, который сказал, что "... в лице генофонда мы имеем такое же национальное богатство, как в виде запасов нефти, запасов золота, угля, скрытых в наших недрах".
В настоящее время для решения этой проблемы требуется комплексный подход к социальным, экономическим, научным и организационным аспектам сохранения генетических ресурсов животных. Как показывает опыт, финансирование, организационные меры, социальные факторы зачастую имеют первостепенное значение в данной области. Крайне важна и законодательная база. Обобщающим законодательным актом был закон СССР "Об охране и использовании животного мира", принятый в 1980 году, однако он касался только диких видов животных. В последние годы в России приняты два Федеральных закона: "О селекционных достижениях" (Москва, 1993) и "О племенном животноводстве" (Москва, 1995).
Наличие юридической силы в виде двух Федеральных законов может обеспечить правильное планирование породного районирования с учетом исторически сложившихся условий ведения животноводства в отдельных регионах страны, проводить четкую специализацию отрасли по главному продукту: молоку, мясу или шерсти, устранить шаблон в селекционной работе, дифференцируя подход в проводимой племенной работе с зональными типами, исключать необоснованный завоз в те или иные регионы новых пород животных. Отсюда широкое использование лучшего мирового генофонда должно быть отрегулировано планом селекционной работы, с учетом генотипа каждого животного.
Генетические методы повышения белковомолочности
Генетический метод повышения белковомолочности, предложенный Р.А. Хаертдиновым и A.M. Гатауллиным (2000), целесообразно использовать. Метод основан на отборе и подборе коров и быков-производителей, имеющих желательные генотипы по белкам молока на получении потомства с аналогичными генотипами, обеспечивающими повышенную белковомолочность. Метод базируется на научных достижениях последних лет в области генетики белков молока.
Гены, ответственные за синтез молекулярных форм (вариантов) asp, Р", к - казеинов и р - лактоглобулина оказывают большое влияние на количественное содержание белка в молоке. Поэтому благоприятное сочетание в молоке генетических вариантов, которым соответствует повышенное содержание белка, приводит к улучшению количества общего белка.
С этой позиции в селекционном процессе на повышение белковости молока без разделения (3-казеина А на Ai и А2 наиболее желательными сложными генотипами являются: ВС АВ АВ АА; ВС АВ АВ АВ; ВВ АВ АВ АА; ВВ АВ АВ АВ; ВВ АА АА АА.
Отбор и подбор в стаде должны быть направлены на увеличение доли животных с такими генотипами. Это будет способствовать повышению содержанию белка в молоке коров.
Работу по селекции начинают с того, что определяют генотипы коров племенной группы стада методом электрофореза белков молока, а быков -путем анализа типов белков молока 10-15 их коров-дочерей. Далее выявляют коров и быков-производителей с желательными генотипами и осуществляют вариант подбора по предлагаемой схеме 2 (Хаертдинов Р.А., 1991).
Схема 2 Варианты подбора родительских пар по их генотипам в локусах asb - [3 -, X -Сп, Р - Lg с целью повышения белковости молока потомства (Хаертдинов Р.А., патент № 1825298, 1991)
Большое число использованных быков в стаде и еще большее число сочетаний позволяют при генетическом анализе маточного поголовья выбрать наиболее эффективные, нужные для дальнейшей селекции генетические комплексы. Имеющиеся данные по быкам ЦСИО в настоящее время позволяют выбрать генотипы ВВ или АВ по каппа-казеину.
Повышенный интерес к биохимическому полиморфизму белков молока обусловлен тем, что исследованиями многих ученых установлена взаимосвязь между биохимическим полиморфизмом и хозяйственно-полезными признаками животных.
Прямой опыт по оценке быков-производителей и содержанию фракций казеина в молоке дочерей проведен Иолчиевым Б.С. (1994) в племенном заводе «Первомайское» Наро-Фоминского района Московской области (табл. 9).
Была изучена частота распределения аллелей и генотипов белков молока. Полиморфными оказались фракции а, (3, X, j-Cn и P-Lg. Локус Х-Сп является диаллельным с аллелями А и В. По стаду численное преимущество имеют гетерозиготные особи с генотипом Х-СпАВ. Значительные различия имеются между быками-производителями по распространению генотипа.
Большой интерес для селекции представляет содержание в молоке фракции белка Х-Cn и j-Cn. Молоко с высоким содержанием j-Cn малопригодно для приготовления сыра и творога. Более ценным с технологической точки зрения является молоко с высоким содержанием каппа-казеина (Иолчиев Б.С., 1994).
Содержание фракций казеина в молоке дочерей разных быков-производителей определяли четыре раза в течении второй лактации. Улучшателями по содержанию бета-казеина (+0,09,+0,003/100 мл) и каппа-казеина (+0,09 и +0,020 г/100 мл) оказались Фогт 377405 и Апофеоз 585. Большую ценность представляет молоко дочерей Апофеоза 585. Они превосходили своих сверстниц по содержанию каппа-казеина и имели более низкое содержание j-Cn в молоке. Этот опыт имеет важное практическое значение при проверке быков-производителей по качеству потомства. Связь хозяйственно-полезных признаков и технологических свойств молока коров с биохимическим полиморфизмом в локусе каппа-казеина представлена в табл. 10.
Распространение BLAD в популяциях голштинизированного скота Российской Федерации и различных стран мира
Любая мутация - это внезапное наследственное изменение, вызванное резким структурным и функциональным изменением генетического материал а(рис.З).
Точковые мутации можно разделить на несколько типов, в зависимости от характера молекулярного изменения в гене. В случае с аллелем BLAD мы имеем дело с Missens-мутацией по классификации В. Гранта (1991). К этому типу принадлежат мутации, когда в одном из триплетов происходит замена одного основания другим. При наличии BLAD у животного-носителя в триплете ГАЦ происходит замена аденина на гуанин, в результате образуется новый триплет (ГГЦ), после чего измененный триплет участвует в синтезе аминокислоты глицина, вместо аспарагиновой кислоты.
Известно, что мутации генов обеспечивают возможность быстрой генотипической адаптации при резких изменениях условий среды. Возобновление популяций происходит за счет отдельных генотипов-носителей благоприятных мутаций. Вместе с тем, в природе не бывает так, чтобы мутант просто объединился с нормальным аллелем в одной из особей потомков и оказался в половине его гамет. В естественных условиях мутация, появившаяся в одном из организмов, не остается в пределах родословной одной семьи, а входит в состав генофонда данной популяции. Классическим примером такого явления как раз является аллель BLAD-синдрома у черно-пестрых и отчасти красно-пестрых голштинов и их помесей. В последнем случае, частота его встречаемости в мире составляет очень низкую величину (3,8%).
Частота встречаемости различных генотипов исследованной нами популяции черно-пёстрого скота выглядела следующим образом: 367 животных оказались гомозиготами (D128/D128) по нормальному D128 аллелю (неносители), а 10, или 2,7% особей - гетерозиготами и имели генотип D128/D128G (носители). По всей исследованной популяции черно-пестрого голштинизированного скота (п=377), частота встречаемости нормального аллеля (N) составила 0,9867, тогда как мутантного аллеля BLAD по исследованной популяции (п) - 0,0133 или 1,33% (табл. 15).
Изучение соответствия фактического ожидаемому распределению генотипов в локусе BLAD показало наличие генетического равновесия ((%2 = 0,3; df = 1; р 0,05). Гомозиготные особи по гену D128G у исследованной популяции отсутствовали, что, возможно связано с тем, что анализировали только взрослых животных. Гомозиготы погибают полностью в молодом возрасте. Таким образом, своевременное выявление носителей позволит избежать спаривания двух гетерозиготных особей или, наоборот, использовать их в разведении под особым контролем в случае их высокой препотентности. И самое главное, можно локализовать животных, несущих мутацию, без значительного сужения генетического разнообразия той популяции, за которым закрепляется гетерозиготный бык-производитель.
При искусственном осеменении, когда от одного быка можно получить несколько тысяч телят в год, опасность распространения вредных генов очень велика. Производитель, гетерозиготный по летальному гену, передает этот ген половине своих потомков. У двух сводимых гетерозиготных особей 25% потомства будут гомозиготами по рецессивному гену, т.е. возможно фенотипическое проявление мутантного гена. Потомство, которое является носителем этого гена, погибает в раннем возрасте. Поэтому потенциальным распространителем вредного гена можно считать только гетерозигот, а они, как правило, фенотипически не проявляются. И лишь благодаря применению молекулярно-генетических методов позволяет своевременно выявить гетерозиготных животных-носителей летального гена (Forster М., 1992; Игнатьев В.М., 1998; Boichard D., Amigue Y., 1995; Benedixen С. et al., 2004).
Летальные гены мигрируют из одного стада в другое и даже из одной страны в другую. Так, быка голштинской породы Осборндэйл Айвенго 1189870, голландского происхождения, родившегося в 1952 году, считали выдающимся производителем.
Спустя 40 лет, когда стало известно, что он является носителем аллеля BLAD-синдрома, его наследственный материал оказался широко распространенным среди черно-пестрых и красно-пестрых пород голштинов крупного рогатого скота.
В настоящее время аллель BLAD диагностирован во многих развитых странах мира, где широко используются черно - и красно-пестрые популяции высокомолочного скота: США (Hagemoser W.A. et al., 1983; Kehrli M.E.Jr. et al., 1990; Gilbert R.O. et al., 1993); в Японии (Tajama M. et al., 1993); в ФРГ (Stuber M. et al., 1991; Treviranus A., 1993; Tammen I., 1994); в Бельгии (Cox E. et al., 1993); в Голландии (Muller К. et al., 1993); в Дании (Agerholm J.S. et al., 1993; Jorgensen C.B. et al., 1993) и в ЮАР (Stadler P.M. et al., 1993).
Характеристика родословных быков-производителей, носителей гена BLAD-синдрома
Впервые данная аномалия была выявлена у человека и известна в человеческой тератологии с 18 века под названием Perosomus elumbis (Jones C.J., 1999). О заболевании Perosomus elumbis у телят впервые было опубликовано в ветеринарной литературе в 1832 г. немецким анатомом и патологоанатомом Эрнстом Гурлтом (Ernst Gurlt) в его книге об уродствах домашних животных (Gurlt Е., 1832). Сорок пять лет спустя, он же опубликовал некоторые дополнительные случаи, но недостаточно подробно (GurltE., 1877).
Столетие спустя, американский ученый Вильяме (Williams W.L.) написал работу, основанную на тщательном анализе восьми случаев этого уродства у телят. Кроме Вильямса, много материалов по этому вопросу было накоплено в Германии.
В октябре 2000 года датские исследователи объявили международному сообществу голштинского скота об открытии нового летального генетического дефекта, который они назвали Complex vertebral malformation (CVM) - комплексное уродство позвоночника. Сотрудники датской программы генетических болезней крупного рогатого скота обнаружили, что с октября 1999 года возросло количество телят с похожими уродствами (Agerholm J.S. et al., 2001).
Из всех видов и пород крупного рогатого скота наиболее часто болезнь устанавливается у голштинской породы, поскольку носителем рецессивного гена оказался знаменитый бык Карлин М. Айвенго Белл 1667366, один из родоначальников группы производителей от которых пошла по всему миру, в том числе и в Россию, эта высокомолочная популяция животных.
К сведению, многие CVM-пораженные телята в Дании были потомками датского голштинского быка KOL Nixon (ДК 2340452). KOL Nixon использовался примерно для 127 тысяч осеменений в этой стране начиная с 1994 года. Бык Т. Burma (ДК 230104) приходился дедом ряду телят, и при оценке родословной стало ясно, что Т. Burma должен быть носителем того же самого мутантного гена. Больше чем 340 тыс. осеменений спермой Т Burma было произведено в Дании с 1994 г. Лабораторная экспертиза выявила общего предка этих быков. Им оказался американский голштинский бык Карлин М. Айвенго Белл 1667366 (Новикова Л.Ф., 2002). Предполагается, то мутация возникла у Пенстейта Айвенго Стар 1441440, отца Карлина М. Айвенго Белл 1667366, или по его материнской линии в США, и благодаря применению искусственного осеменения, распространилась по всему миру, где использовались американские голштины и их потомки (Petersen А.Н. et al., 2002).
Сотрудниками Датского института сельскохозяйственных наук вначале был предложен тест, который по косвенным генетическим маркерам позволял идентифицировать CVM-мутантный аллель. Однако данный тест ограничивался анализом потомков быка Карлин М. Айвенго Белла 1667366, поскольку молекулярная основа CVM-синдрома не была достаточно изучена. При использовании этого метода диагностирования брали ДНК, выделенную из мышечной ткани пораженного теленка, крови матери и семени отца и сравнивали альтернативные гены. Позже датская группа объявила, что они клонировали ген, вызывающий эту аномалию и разработали уже молекулярно-генетический тест, предоставляющий возможность аттестации всех животных, независимо от происхождения. Оба эти метода были ими запатентованы и в 2001 г. тестирование выполнялось только лабораториями Дании и в Нидерландах. Начиная с 2002 года и позже были приобретены лицензии рядом стран мира, в том числе и Российской Федерацией (ВИЖ) от федерации Датского общества по искусственному осеменению и Датского института сельскохозяйственных наук для проведения исследований на CVM. Стоимость данного теста составляет 65 долларов или 600 датских крон (Duncan R.B. et al., 2001; Peterson А.Н. et al., 2002; Новикова Л.Ф., 2002).
При искусственном осеменении, когда от одного быка можно получить несколько тысяч телят в год, при отсутствии генетического контроля, опасность распространения вредных генов очень велика. Производитель, гетерозиготный по летальному аллелю, передаст этот ген половине своих потомков. У двух сводимых гетерозиготных особей 25% потомства будут гомозиготами по рецессивному аллелю - т.е. возможно фенотипическое проявление мутантного аллеля. Потомок-носитель данного гена либо реабсорбируется на стадии эмбрионов, или абортируется на стадии плодов до наступления 260-го дня стельности, что составляет 70-80%.
