Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 7
1.1. Причины абортов и мёртворождений 7
1.2. Генетическая сущность наследственно обусловленных абортов и мёртворождений 10
1.2.1. Мутагены среды 10
1.2.2 Мутации как причина абортов и мёртворождений 12
1.2.3 Генетический груз и методы его оценки 19
1.2.4 Типы наследования генетически обусловленных абортов и мёртворождений 22
1.3. Процессы, приводящие к распространению в популяции наследственных патологий 35
1.3.1 Значение дрейфа, миграции и отбора в распространении летальных рецессивных мутаций 35
1.3.2 Роль инбридинга в распространении летальных и полулетальных наследственных аномалий 39
1.4. Меры борьбы и профилактики наследственных заболеваний с симптомами абортов и мёртворождений 40
1.4.1 Экономическая обоснованность борьбы с наследственно обусловленными абортами и мёртворождениями 40
1.4.2 Понятие и организация эколого-генетического мониторинга 44
1.4.2.1 Общие положения 44
1.4.2.2 Методы определения наследственной природы абортов, мёртворождений и других дефектов 47
1.4.3 Мероприятия по ликвидации гетерозиготных носителей летальных генов 52
1.5. Селекция на искоренение летальных дефектов 53
2. Собственные исследования 58
2.1. Материалы и методы исследования 58
2.2. Определение влияния хозяйства и быков на выход абортированных и мертворожденных плодов 66
2.3. Использование корреляционно-регрессионного метода для анализа данных. 75
2.4. Сравнение групповой средней количества абортов и мёртворождений по быкам со средней величиной по всем производителям 81
2.6. Попарное сравнение групповых средних по быкам по исследуемым показателям 87
2.6. Оценка повторяемости признаков выхода абортированных и мертворожденных плодов 93
3. Обсуждение результатов 94
Выводы 104
Практические предложения 106
Список литературы
- Генетическая сущность наследственно обусловленных абортов и мёртворождений
- Значение дрейфа, миграции и отбора в распространении летальных рецессивных мутаций
- Определение влияния хозяйства и быков на выход абортированных и мертворожденных плодов
- Сравнение групповой средней количества абортов и мёртворождений по быкам со средней величиной по всем производителям
Введение к работе
В настоящее время селекционеры довольно большое внимание уделяют молочной продуктивности и экстерьерным особенностям крупного рогатого скота, порой забывая о повышении воспроизводительной функции [3]. Такую ситуацию в животноводстве можно представить как отбор по продуктивным признакам, непосредственно не затрагивающий «гены жизнеспособности». Однако накопленные данные позволяют заключить, что многие племенные животные имеют нежелательные рецессивные гены и другие нарушения аппарата наследственности, которые, в частности, обуславливают аборты и мёртворождения. Так, результаты испытаний шести быков по потомству, отобранных для этого случайным образом, показали, что каждый из них является носителем 1-4 рецессивных генов, обладающих негативным действием [36]. В природной среде носители вредных мутаций элиминируются естественным образом. В условиях культурного животноводства значение мутаций в преобразовании генетической структуры популяции увеличивается, так как создаётся возможность поддержания жизни даже тех особей, жизнеспособность которых ниже среднего уровня, если они интересны по другим признакахМ. В определённых случаях при отборе может происходить и фиксация вредных мутаций, следствием которых могут стать аборты и мёртворождения. Чаще всего это происходит в случаях сцепления генов, обуславливающих развитие хозяйственно полезного признака с вредным мутантным геном и плейотропией.
Самым слабым местом в нашей системе разведения животных являются селекционные программы, где до сих пор основным критерием селекции остаётся удой и процент жира. Как показывает мировая практика, такой скудный набор селекционных признаков абсолютно недостаточен в современных условиях, когда резко ухудшилась экологическая обстановка в мире и возросла мутагенная нагрузка на животных. Радиационная, химическая и биологическая загрязнённость среды является причиной увеличения уровня мутаций, нестабильности генома, что проявляется в увеличении числа
5 генетически детерминированных абортов и мёртворождений [21]. В этой связи можно говорить о том, что назрела необходимость включения в системы селекции таких показателей, как резистентность к заболеваниям и воспроизводительные качества животных[18].
Для эффективного ведения селекции необходимо располагать достаточной информацией о воспроизводительных качествах животных. Эти данные невозможно получить без организации служб эколого-генетического мониторинга в животноводстве, призванных обеспечить селекционеров объективными селекционными критериями для проведения работ по повышению воспроизводительных качеств молочных стад.
Ярким проявлением степени мутационного процесса в популяции является частота абортов и мёртворождений. Эти патологии отражают реакцию популяции на уровень мутагенной загрязнённости окружающей среды. Аборты и мертворождеїшя являются одним из симптомов многих наследственных болезней. Поэтому Н. П. Дубинин в 1977 г. предлагал использовать частоту мёртворождений в родственных и неродственных подборах родительских пар как показатель величины генетического груза популяций [17].
Цель работы: 1) определение генетических различий между исследуемыми быками по показателям абортов, мёртворождений и суммарному показателю по абортам и мёртворождениям (аномалий); 2) выявление быков, работающих или работавших на базе ЦСИО, которые достоверно давали / дают повышенный или пониженный выход абортированных и/или мертворожденных плодов, обусловленных летальными наследственными факторами, и 3) оценка повторяемости этих признаков.
В этой связи нами были поставлены следующие задачи:
Определить достоверность различий как меду хозяйствами, так и между быками по показателям абортов, мёртворождений и суммарному показателю по абортам и мёртворождениям;
Выявить степень влияния хозяйств и быков на исследуемые показатели;
3) Выявить быков, которые достоверно дают повышенный или
пониженный выход абортов и мёртворождений;
Определить, какую роль играет взаимодействие между хозяйствами и быками по исследуемым признакам:
Определить повторяемость исследуемых нами признаков.
Научная новизна работы: Впервые предложен дешевый и доступный комплексный статистический метод, позволяющий выявлять влияние генотипа быка на показатель выхода абортов и мёртворождений и показана необходимость селекционной работы по этому показателю.
Практическая значимость работы: Предложены статистические методы мониторинга за летальными и полулетальными наследственными факторами абортов и мёртворождений у крупного рогатого скота. Предложены методы выявления быков - носителей летальных наследственных факторов абортов и мёртворождений и мероприятия ло—работе на искоренение данных генетических аномалий из популяций селекционными методами.
Основные положения, выносимые на защиту:
Усовершенствованная методика выявления быков, которые имеют наследственные факторы, обуславливающие аборты и мёртворождения среди получаемого от них потомства;
Рекомендации по проведению селекционной работы с теми быками, которые являются носителями наследственных факторов, обуславливающих появления абортов и мёртворождений.
Апробация работы:
Основные положения диссертации доложены:
на Учёном совете ФГОУ РАМЖ (2005, 2006 гг.);
на международном научно-практическом семинаре по теме: «Генетические маркеры^ селекции животных» в 2005 г.;
на международно^практической конференции на тему: «Повышение і конкурентоспособности животноводства и задачи кадрового обеспечения» в 2006 г.
Генетическая сущность наследственно обусловленных абортов и мёртворождений
Экологическая нагрузка на сельскохозяйственных животных под влиянием антропогенных факторов в настоящее время постоянно возрастает. Радиационная, химическая, а также биологическая загрязнённость среды может быть причиной мутаций, нестабильности генома, что проявляется в патологии различной формы, в том числе и в виде абортов и мёртворождений. Практика ветеринарии свидетельствует о том, что в экологически неблагоприятных хозяйствах отмечается низкое воспроизводство поголовья, большой падёж, различные болезни [21].
Вследствие аварии на Чернобыльской АЭС значительные территории Российской Федерации оказались загрязнёнными радионуклидами. На многих лабораторных объектах установлено, что ионизирующее излучение вызывает аберрации хромосом. Частота и спектр аберраций хромосом определяется видом излучений, их дозой и другими факторами [74].
Особый интерес представляет изучение отдалённых последствий облучений и влияние малых доз ионизирующих излучений на животных. Исследованиями отечественных учёных у животных обнаружены существенные отклонения на клеточно-молекулярном уровне при воздействии малых доз радиации [21]. При анализе спектра аберраций хромосом было обнаружено, что дицентрические и кольцевые хромосомы встречаются у животных АО «Труд» Брянской области с уровнем радиации 40 МКР/ч и АО «Краснянское» Орловской области с уровнем радиации 15 МКР/ч, но отсутствовали у крупного рогатого скота в АО «Всеволожское» Ленинградской области с нормальным радиационным фоном. Этот тип аберрации, согласно исследованиям на человеке и лабораторных животных, служит показателем воздействия излучений на наследственные структуры клеток, что ещё раз подтверждает мутагенное действие малых доз радиации. Важно отметить, что в ряде хозяйств Брянской, Курской и Орловской областей частота аберраций хромосом у крупного рогатого скота достигает 25-44%. Всё это в условиях крупномасштабной селекции может привести к далеко идущим последствиям [57].
Выраженными мутагенными свойствами обладают отдельные химические вещества, используемые в промышленности и сельском хозяйстве. К наиболее сильным из них относятся алкилирующие соединения. Мутагенный эффект алкилирующих соединений связан с введением в ДНК метиловых, этиловых, пропиловых и др. радикалов, в результате чего происходит реакция метилирования и этилирования. Сильновыраженным мутагенным эффектом обладают аналоги азотистых оснований и нуклеиновых кислот (5-бромурацил, кофеин и др.), акридиновые красители (акридин жёлтый и др.), а также азотистая кислота, гидроксиламин, формальдегид, перекиси, уретан и т. д. [77] Мутагенным действием обладают пестициды, гербициды и минеральные удобрения (прежде всего нитраты, которые превращаются сначала в нитриты, а затем в активные нитрозоамины) [94]. Исследования показывают, что многие лекарственные препараты, используемые в медицине и ветеринарии (сульфаниламиды, производные тиазинового ряда, нитрофураны и др.), обладают мутагенными свойствами. Такой же вывод возможен вследствие использования антибиотиков, а так же некоторых кормовых добавок и консервантов, особенно при их передозировке.
Химические мутагены индуцируют как генные, так и хромосомные мутации. Особенности их - аккумуляция и передача при делении клеток в последующей генерации и более высокая частота индуцирования генных мутаций, чем аберраций хромосом. Однако химические мутагены дают и широкий спектр хромосомных аберраций [8]. Возрастание частоты разрывов хромосом и гэпов обнаруживали у животных и человека после контактов с пестицидами [56].
Таким образом, радиация приводит к возникновению в основном хромосомных мутаций, химические вещества - к изменению в структуре ДНК (генные мутации) [17].
Не малую роль в возникновении мутаций играют биологические мутагены. К ним относятся вирусы, микроорганизмы, а также гельминты и актиномицеты. Н. Н. Ильинских, Б. Ф. Бочаров, И. Н. Ильинских [31] показали роль вирусных и других инфекций, а также вакцинации в нарушениях хромосом. Особое место в инфекционном мутагенезе, по данным этих авторов, занимают разрывы хромосом.
Более высокий уровень полиплоидии обнаружен у крупного рогатого скота, больного лейкозом [20]. Эта ассоциация нестабильности клеточного деления может, по мнению авторов, использоваться в качестве одного из диагностических средств для выявления животных, предрасположенных к этому заболеванию. При анализе кариотипа у лейкозных коров было установлено, что 77,7% из них имели повышенный уровень (от 10 до 20%) хромосомных отклонений (гипосомия, полисомия, гиперплоидия, поломки хромосом, центрические слияния) [56].
Наряду с действием мутагенов, особенно биологической природы (инфекции), повреждения в хромосомах могут возникать спонтанно. По мнению I. Gustavsson [79], наследственная предрасположенность к поломкам хромосом в ряде случаев очевидна.
Из сказанного выше следует, что неблагоприятные экологические факторы могут быть причиной нарушения гомеостаза, адаптации животных, вследствие чего проявляются те или иные формы наследственных патологий, сопровождаемые абортами и мёртворождениями, болезни, нарушения плодовитости, снижения продуктивности. Радиация, химические загрязнения, а также биологические агенты могут быть индукторами мутаций.
Значение дрейфа, миграции и отбора в распространении летальных рецессивных мутаций
При интенсификации сельскохозяйственного производства в возрастающих дозах используются стимуляторы роста (удобрения) и пестициды - в растениеводстве, антибиотики, лекарственные и гормональные препараты - в животноводстве. Вступая в непосредственный контакт с организмом животных, они могут аккумулироваться в нём и вызывать мутагенный эффект. Наряду с индуцированными мутациями в популяциях возникают мутации спонтанного происхождения. Характер действия большинства из них, как известно, рецессивный. Такие мутации, обладая летальным и полулетальным эффектом, представляют опасность распространения в гетерозиготном состоянии в породе или крупной популяции. Благоприятствующим факторам для быстрого накопления вредной рецессивной мутации может быть искусственное осеменение. Практически - это использование спермы производителей - носителей вредных генных и хромосомных мутаций в линейном разведении. За год таким способом осеменяют тысячи и даже десятки тысяч маток и, соответственно, получают приплод со сходными генотипами. Распространение генных мутаций может идти тремя путями: за счёт генетического дрейфа, миграции и отбора. Благоприятствует накоплению мутаций - инбридинг на гетерозиготных носителей генных нарушений.
Искусственное осеменение - это величайшее достижение в области зоотехнической науки, без которого невозможно представить современное животноводство. Однако искусственное осеменение не только открыло дверь широкому использованию лучшего генетического материала пород, но и создало условия для распространения вредных и летальных генов. Очевидно, что степень генетического риска при искусственном осеменении существенно возрастает в сравнение с естественным, при котором соотношение полов составляет 1:50-100. При этом полигамное соотношение значительно расширяется. Нет сомнения в целесообразности интенсивного использования быков- производителей, показывающих выдающиеся результаты при оценке по продуктивности потомства. Однако при интенсивном воспроизводстве ограниченного числа быков-производителей генетическая структура или разнообразие генотипов популяции суживается, и, несмотря на своевременную ротацию линий в товарных хозяйствах, производители и маточное поголовье могут иметь не столь уж далёкие связи. В такой ситуации увеличение родства между животными в популяции может существенно повысить частоту гомозиготности по вредным мутациям.
Как было уже отмечено выше, увеличение гомозиготности по нежелательным аллелям происходит тремя путями: за счёт дрейфа генов, отбора и миграции.
Под дрейфом генов понимают изменение частоты генов, вызванных случайными причинами. В скотоводстве дрейф генов может проявляться в малочисленных популяциях и при использовании небольшого числа производителей. В этом случае соотношение частот генов может меняться в результате эффекта родоначальника. Последнее можно определить как частный случай дрейфа генов. С точки зрения генетики популяций дрейф генов, или генетико-автоматический процесс (по Дубинину Н. П.), протекает случайно, независимо от отбора. Н. П. Дубинин [16] указывает, что при быстром протекании генетико-автоматических процессов генетический гомеостаз популяций нарушается. В малой популяции случайные сдвиги в концентрации аллелей по поколениям будет так велики, что приведут к заметным изменениям. В популяции возникает генетическое своеобразие, не имеющее адаптивного значения. Об этом говорил ещё биолог С. Райт. Он соглашался с тем, что естественный отбор является один из важнейших факторов эволюции. Однако генетический дрейф, по его мнению, также является существенным фактором, определяющим длительное эволюционное изменение внутри вида. В этой связи многие признаки, отличающие один вид от другого, возникли путём дрейфа генов и были/есть безразличны и даже вредны по своему влиянию на жизнеспособность организмов [56].
Генетико-автоматические процессы осуществляются только в той части популяции, которая даёт начало новому поколению. Она получила название эффективной части популяции (Ne), для определения которой используют
формулу Ne=4NfNm/Nf+Nm, где Nf - количество самок, a Nm- количество
самцов [28]. Из этой формулы видно, что роль дрейфа вредных мутаций возрастает д. малых популяциях. Но особенно резко частота мутантного аллеля повышается при условии, когда генотип родоначальника - гетерозиготного носителя этого гена продуцируется в неизмеримо большом количестве с использованием инбридинга. Такая картина в недавнем времени наблюдалась в случае BLAD-мутации. Этот генетический дефект с высокой частотой встречается у голштинов в Северной Америке (главным образом, в США) и ряде Европейских стран включая и Россию. Что же касается причин столь быстрого распространения, то это можно объяснить с позиции эффекта родоначальника. Это ни что иное, как генетико-автоматический процесс, когда нет отбора (+ или -) по данному признаку, но шла интенсивная репродукция генотипов Айвенхо Белла, который оказался не только гетерозиготным носителем данной мутации, но и улудшателем продуктивности.
Определение влияния хозяйства и быков на выход абортированных и мертворожденных плодов
Как известно, аборты и мёртворождения являются следствиями многих причин. Все эти причины можно условно разделить на три группы: экзогенные, эндогенные и наследственно-средовые. Поэтому далеко не легко сделать заключение о наследственном характере абортов и мёртворождений. Всё многообразие экзогенных причин возникновения абортов и мёртворождений можно разделить на две составляющие: 1) компоненты средовой вариансы, обусловленные случайным эффектом среды и 2) компоненты средовой вариансы, вызванные действием систематических факторов среды.
В молочном скотоводстве случайные факторы среды чаще всего проявляются при изменении ежедневного распорядка работы на ферме, кормлении животных, их перемещении и др. К систематическим факторам среды относят технологию кормления, содержания, доения и др., природно-климатическую зону, культуру производства и т. д. Многие из указанных факторов действуют совместно и их невозможно отделить друг от друга. Поэтому их лучше объединить в один фактор - «хозяйство», включающий в себя все случайные эффекты среды и систематические факторы.
Поэтому для выявления роли наследственности в возникновении описываемых патологий необходимо исключить фактор «хозяйство». С этой целью необходимо исследовать влияние генотипа быков в стандартных условиях. Но для крупного рогатого скота практически не существует возможности создания стандартизированных условий для устранения влияния этого фактора, поэтому необходимо было найти другие методы определения наследственной природы различных патологий.
В этой связи мы решили использовать статистический подход в решении этой проблемы. Мы воспользовались поэтапным статистическим анализом данных, которые предоставляют в виде отчётов хозяйства на Центральную станцию искусственного осеменения сельскохозяйственных животных. К сожалению, информация, предоставляемая хозяйствами, зачастую очень ограничена и не даёт возможности с высокой точностью анализировать причину абортов и мёртворождений. Тем не менее, во всех отчётах содержатся следующие данные: 1) общее количество потомков от какого-либо быка; 2) количество абортированных плодов; 3) количество мертворожденных плодов. Основываясь на этих данных, нам предстояло оценить влияния как быка, так и хозяйства на причины возникновения абортов и мёртворождений.
С этой целью мы воспользовались двухфакторным и однофакторным дисперсионным анализами.
В начале мы подвергли двухфакторному дисперсионному анализу все хозяйства и быков с целью установления различий между ними по признаку абортов, мёртворождений и суммарному показателю по абортам и мёртворождениям, названного нами «аномалии». Прежде чем приступить к дисперсионному анализу, программа GESTA проводит обычный статистический анализ комплексов. Результаты этого анализа выдаются в виде таблицы. В приложениях 1-4 приводятся сокращённые варианты таблиц, которые выдаёт программа.
Средняя величина абортов по всем быкам в 2003 г. составила 4,9%, по мёртворождениям - 4%, по сумме абортов и мёртворождений - 8,9%. В 2004 г. эти значения были следующими: средняя величина абортов 3,6%, мёртворождений - 4,1%, абортов+мёртворождений - 7,7%.
После предварительной обработки статистического комплекса был проведён двухфакторный дисперсионный анализ (Табл 2.1-2.2). Основная цель этого анализа заключалась в определения влияния хозяйства, быка и взаимного влияния хозяйства и быка на возникновения абортов, мёртворождений и суммарного показателя по этим признакам. Здесь следует подробнее остановиться на факторе взаимодействия хозяйства и быка. В случае выявления подобного влияния нам было бы необходимо при анализе учитывать это обстоятельство. Это бы свидетельствовало, с одной стороны, о высокой доле пороговых признаков в возникновении абортов и мёртворождений, а с другой -о сильном влиянии маточного поголовья хозяйства (их принадлежность к тем или иным линиям, размеры коров, возраст в лактациях и т. д.) на возникновение абортов и мёртворождений. Но в наших исследованиях мы не выявили влияние пороговых признаков на возникновение описываемых патологий.
Сравнение групповой средней количества абортов и мёртворождений по быкам со средней величиной по всем производителям
Для определения достоверности разницы между быками по числу полученных от них абортированных и мертворожденных плодов мы воспользовались критерием достоверности различий Стыодента. Чтобы оценить с помощью этого критерия достоверна ли разность (d) между независимыми средними по быкам, нужно отнести эту разность к её ошибке, определяемой по значению остаточной дисперсии, т. е. по формуле (4.1): о (4.1), где V п - численность вариант в каждой группе. Получается (4.2): t=— (4.2).
Значение t-критерия Стыодента оценивалось путём сравнения с критическими значениями (tst), которые зависят от уровня значимости. При 5% уровне значимости (« о,05), tst = 1,96, при 1% (а 0,01) - 2,58, при 0,1% (а 0,001) - 3,29. Определение достоверности различий в 2003 г. было проведено с учётом и без учёта влияния хозяйства. В 2004 г. мы решили ограничиться только выявлением достоверности различий, сравнивая быков напрямую, без внесения поправок в связи с описанными выше соображениями. Естественно, что в случае, когда мы учитывали влияние хозяйства, мы проводили сравнение регрессионных остатков (Табл. 2.13). - разница достоверна при 5% уровне значимости (t 1,96); - разница достоверна при 1% уровне значимости (/ 2,58); - разница достоверна при 0,1% уровне значимости (/ 3,29); Как видно из табл. 4.1, быки Гармоник и Джурор имеют выскодостоверное генетическое отличие от других быков в сторону повышения показателей абортов и аномалий. Однако при этом было показано, что Джурор давал пониженный выход мертворожденных телят.
Определение достоверности генетических различий между быками без исключения влияния хозяйства (методом прямого сравнения), показано в - разница достоверна при 5% уровне значимости (/ 1,96); - разница достоверна при 1% уровне значимости (/ 2,58); - разница достоверна при 0,1% уровне значимости (г 3,29); - разница близка к достоверности.
Как следует из таблицы 2.14, быки Гармоник и Джурор имели достоверные генетические отличия по выходу абортированных плодов и по суммарному показателю по абортам и мёртворождениям. Что полностью соответствует данным, полученным при сравнении средних регрессионных остатков, при исключении влияния хозяйства. Однако результаты по быку Джурору относительно пониженного выхода мертворожденных телят, полученные с использованием метода регрессионных остатков, не нашли однозначного подтверждения при использовании метода прямого сравнения. Вместе с тем, методом прямого сравнения было также показано, что этот бык даёт пониженное количество мертворожденных телят. Однако разница между общей средней по всем быкам и групповой средней по Джурору была недостоверна, но относительно близка к достоверности (td=l,32). Методом прямого сравнения было определено, что быки Легенд и Джаз давали пониженное количество абортированных и мертворожденных телят. При этом по показателю количества абортов бык Легенд имел близкую к достоверности величину критерия Стыодента.
Таким образом, метод прямого сравнения средних по быкам, работавших в 2003 г., оказался более информативным, чем метод сравнения регрессионных остатков по быкам, при исключении влияния хозяйства. В этой связи, в 2004 г. мы производили сравнение быков только прямым методом. Результаты этого сравнения представлены в табл. 2.15.
