Большое значение в связи с интенсификацией животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с применением рекомбинантных живых вакцин и генноинженерных вакцин- антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с помощью моноклональных антител и ДНК / РНК- проб.
Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов - бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т. кормовых дрожжей позволяет получить 0,4 - 0,6 т. свинины, до 1,5 т. мяса птиц, 25 - 30 тыс. яиц.
Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80 % площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводится для производства корма скоту и птице.
Одноклеточные организмы характеризуются высоким содержанием белка - от 40 до 80 % и более. Белок одноклеточных богат лизином, незаменимой аминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассы одноклеточных к недостаточным по лизину растительным кормам позволяет приблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком биомассы одноклеточных является нехватка серосодержащих аминокислот, в первую очередь - метионина. У одноклеточных его приблизительно вдвое меньше, чем в рыбной муке. Этот недостаток присущ и таким традиционным белковым кормам, как соевая мука. Питательная ценность биомассы одноклеточных может быть значительно повышена добавкой синтетического метионина.
Производство кормового белка на основе одноклеточных - процесс, не требующий посевных площадей, не зависящий от климатических и погодных условий. Он может быть осуществлен в непрерывном и автоматизированном режиме.
В нашей стране производится биомасса одноклеточных, в особенности на базе углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должны заслонять проблемы, возникающей при использовании углеводородов как субстратов для крупно масштабного производства белка и ограниченность их ресурсов.
Важнейшими альтернативными субстратами служат метанол, этанол, углеводы растительного происхождения, в перспективе - водород. Очищенный этанол на мировом рынке стоит почти вдвое дороже метанола, но этанол отличается очень высокой эффективностью биоконверсии. Из 1 кг этанола можно получить до 880 грамм дрожжевой массы, а из 1 кг метанола - до 440 грамм. Биомасса из этанола особенно богата лизином - до 7 %.
Большое значение для животноводства имеет обогащение растительных кормов микробным белком. Для этого широко применяют твердофазные процессы.
Перспективными источниками белка представляются фототрофные микроорганизмы, в особенности цианобактерии рода Spirulina и зеленые одноклеточные водоросли из родов Chlorella и Scenedesmus . Наряду с обычными аппаратами для их выращивания используют искусственные водоемы. Добавление к растительным кормам биомассы Scenedesmus позволяет резко повысить эффективность усвоения белков животными. Таким образом, существуют разнообразные источники сырья для получения биомассы одноклеточных. Некоторые субстраты (этанол) дают столь высококачественный белок, что он может быть рекомендован в пищу. Цианобактерии рода Spirulina издавна используют в пищу ацтеки в Центральной Америке и племена, обитающие на озере Чад в Африке.
Что такое биотехнология животных? На настоящий момент биотехнологии приобретают все более важную роль в повышении доходности животноводства. Внедрение результатов биотехнологических исследований в животноводство происходит в первую очередь в следующих областях деятельности: 1. Улучшение здоровья животных с помощью биотехнологии; 2. Новые достижения в лечении людей с помощью биотехнологических исследований на животных; 3. Улучшение качества продуктов животноводства с помощью биотехнологии; 4. Достижения биотехнологии в охране окружающей среды и сохранении биологического разнообразия. Биотехнология животных включает в себя работу с различными животными (скотом, домашней птицей, рыбой, насекомыми, домашними животными и лабораторными животными) и исследовательскими приемами - геномикой, генной инженерией и клонированием .
Приказы регулятивных органов по поводу биотехнологии животных рассматриваются Управлением по разработке политики в области науки и техники с целью согласования деятельности правительственных органов для обеспечения рационального научного подхода. Несмотря на огромное количество разрабатываемых продуктов, регуляторных документов в печатном виде существует не так много. В 2003 году Центр ветеринарной медицины FDA опубликовал предварительную версию руководства по оценке риска при клонировании скота и безопасности употребления пищевых продуктов, произведенных из мяса клонированных животных. Специалисты FDA пришли к выводу о пригодности мяса и молока клонированных животных к употреблению в пищу. Следующим шагом является полное урегулирование вопросов по оценке риска и предложений по процессу управления рисками.
Повышение продуктивности скота Руководители животноводческих хозяйств непосредственно заинтересованы в повышении продуктивности сельскохозяйственных животных. Их конечной целью является повышение количества продукции (молока, яиц, мяса, шерсти) без увеличения затрат на содержание поголовья. Увеличение мышечной массы с одновременным снижением количества жира в организме мясных животных с незапамятных времен является целью селекционеров. Биотехнология помогает улучшить продуктивность скота с помощью различных вариантов селекционного разведения.
Для начала отбираются особи, обладающие желаемыми характеристиками, после чего, вместо традиционного скрещивания, производится забор спермы и яйцеклеток и последующее экстракорпоральное оплодотворение. Через несколько дней развивающийся эмбрион имплантируется в матку суррогатной матери соответствующего вида, но необязательно той же породы. Иногда эмбрион делится на несколько частей, каждая из которых имплантируется отдельно.
Такая форма клонирования на протяжении уже нескольких десятилетий используется для быстрого улучшения генетических характеристик сельскохозяйственных животных. Методы геномики также используются для усовершенствования традиционных селекционных подходов .
В 2003 году был официально зарегистрирован первый проверенный с помощью метода полиморфизма одного нуклеотида (SNP - single nucleotide polymorphisms) геном крупного рогатого скота мясного направления. SNP-метод используется для идентификации генных кластеров, ответственных за формирование того или иного признака, например, за поджарость животного. После чего с помощью методов традиционной селекции выводятся породы, в данном случае, отличающиеся повышенной мускулистостью. Во всем мире ведется активная работа по секвенированию геномов различных животных и насекомых. В октябре 2004 года было объявлено об успешном завершении проекта по секвенированию коровьего генома (Bovine Genome Sequencing Project). В декабре 2004 года было также успешно завершено секвенирование генома курицы.
Биотехнологическая промышленность предлагает ряд решений проблемы безвредности пищевых продуктов, таких как передающиеся человеку заболевания животных и пищевые патогены. С помощью таких биотехнологических методик, как нокаутирование генов и клонирование, ученые создают экспериментальные породы животных, устойчивые к вызываемой прионами губчатой энцефалопатии.
Биотехнология обеспечивает принципиально новые подходы к улучшению здоровья животных и продуктивности скота и домашней птицы. Это улучшение возможно за счет усовершенствования диагностики, лечения и профилактики заболеваний; использования высококачественных кормов, производимых из трансгенных сортов кормовых растений; а также за счет повышения эффективности выведения новых пород.
Современная ветеринарная промышленность обладает огромным набором средств для профилактики и лечения заболеваний, потенциально способных вызвать эпизоотию и гибель сельскохозяйственного поголовья. Своевременная диагностика и лечение в комбинации с активными профилактическими мерами способствует снижению затрат на производство продуктов питания, а также улучшению состояния здоровья животных в целом и, соответственно, повышению безопасности пищевых продуктов. - биотехнология позволяет фермерам немедленно диагностировать с помощью тестов на основе ДНК-типирования и определения наличия антител следующие инфекционные заболевания: бруцеллез, псевдобешенство, понос, ящур, лейкоз птиц, коровье бешенство и трихинеллез; - в скором времени ветеринары получат в свое распоряжение биотехнологические средства для лечения различных заболеваний, в том числе ящура, свиной лихорадки и коровьего бешенства; - новые биологические вакцины используются для защиты животных от широкого спектра заболеваний, включая ящур, понос, бруцеллез, легочные инфекции свиней (плевропневмонию, пневмонический пастереллез, энзоотическую пневмонию), геморрагическую септицемию, птичью холеру, псевдочуму домашней птицы, бешенство и инфекционные заболевания выращиваемой в искусственных условиях рыбы; - активная работа ведется над созданием вакцины против африканского заболевания скота, получившего название лихорадки Восточного побережья.
В случае успеха эта вакцина станет первым препаратом для борьбы с простейшими и одновременно первым шагом на пути к разработке противомалярийной вакцины; - молекулярные методы идентификации патогенов, такие как геномная дактилоскопия, позволяют наблюдать за распространением заболевания внутри стада и от популяции к популяции и идентифицировать источник инфекции; - генетический анализ патогенеза заболеваний животных ведет к улучшению понимания факторов, вызывающих заболевания не только животных, но и человека, и подходов к контролю над ними; - улучшенные с помощью биотехнологии сорта кормовых растений обеспечивают повышение питательности кормов за счет дополнительного содержания в них аминокислот и гормонов, приводящих к ускорению роста животных и повышению их продуктивности .
Биотехнологические приемы позволяют повысить усвояемость грубых кормов. Ученые работают над новыми сортами растений с целью создания съедобных вакцин для сельскохозяйственных животных. В ближайшем будущем фермеры получат возможность кормить свиней генетически модифицированной люцерной, стимулирующей специфический иммунитет к опасной кишечной инфекции - исследователи работают над вакциной, которая могла бы послужить альтернативой кастрации скота. Телят кастрируют с целью снижения агрессии, а поросят - во избежание появления специфического запаха, делающего несъедобным мясо некастрированных кабанов.
Новая вакцина обеспечит стерилизацию животных без хирургического вмешательства, не оказывая при этом негативного влияния на рост животных. Кроме диагностических тестов, вакцин и лекарственных препаратов, использующихся для поддержания здоровья сельскохозяйственных животных, биотехнология играет все более важную роль в выведении новых пород. Методы генетического картирования позволяют выявлять генетически устойчивых к различным заболеваниям животных и использовать их в селекционных проектах для получения здорового устойчивого к болезням потомства.
С другой стороны, животные с генетическими дефектами также могут быть идентифицированы и изъяты из процесса селекции - новые ДНК-тесты позволяют выявлять свиней, страдающих генетически обусловленным свиным стресс - синдромом, характеризующимся дрожанием и гибелью животных при воздействии стрессовых факторов, передающиеся по наследству неблагоприятные признаки скота могут быть идентифицированы с помощью ДНК-тестов, в настоящее время использующихся в национальных селекционных программах в Японии.
С их помощью можно выявить дефект адгезии лейкоцитов, характеризующийся повторяющимися бактериальными инфекциями, задержкой роста и гибелью в течение первого года жизни; недостаточность фактора свертываемости крови XIII; наследственные формы анемии и задержку роста крупного рогатого скота. Повышение качества продуктов животноводства Использование биотехнологии способно значительно улучшить качество употребляемых в пищу и используемых в других целях продуктов животноводства. Часть улучшений происходит благодаря использованию ветеринарных вакцин, лекарств и диагностических тестов .
Однако огромные достижения были сделаны биотехнологами и на клеточном уровне с помощью переноса генов и клонирования. К таким достижениям относятся: - возможность создания генетически модифицированных коров, овец и свиней с пониженным содержанием жира и повышенным - постного мяса; - проекты по генетическому картированию позволяют фермерам выявлять высокопродуктивных особей для включения их в селекционные программы; - вакцины находят новые области применения, в том числе используются для стимуляции иммунной системы индюшек, что подавляет у них тенденцию к прекращению откладывания яиц; - другие вакцины повышают эффективность переваривания корма или влияют на продукцию гормонов, что приводит к ускорению роста животных.
Некоторые вакцины способствуют синтезу большего количества молока или снижению жирности мяса; - генетически модифицированные коровы производят «дизайнерское молоко», содержащее повышенное количество белков, необходимых для полноценного вскармливания детей или производства кисломолочной продукции; - австралийские ученые разработали метод получения большего количества овечьей шерсти за счет скармливания овцам генетически модифицированный люпина, дикий вариант которого составляет основную часть их летней диеты; - в настоящее время ведется работа над созданием генетически модифицированных креветок, не содержащих белка, в 80% случаев являющегося причиной аллергии на креветки.
Исследования, проведенные специалистами Национальной академии наук США, продемонстрировали безопасность использования клонированных и генетически модифицированных животных для производства продуктов питания. Генетически модифицированные версии некоторых кормовых культур в настоящее время находятся на стадии тестирования. Целью их создания является повышение качества белков, жиров и усвояемости энергии изготавливаемых на их основе кормов. Одна из таких культур разрабатывается для увеличения срока хранения говядины за счет повышения антиоксидантных свойств входящих в ее состав жиров .
Открытия в области структуры генома, сделанные в середине XX в., дали мощный толчок к созданию принципиально новых систем направленного изменения генома живых существ. Одним из таких направлений является интеграция в геном животных генных конструкций, связанных с процессами регуляции обмена веществ, что обеспечивает последующее изменение и ряда биологических и хозяйственно полезных признаков животных.
Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными , а ген, интегрированный в геном реципиента, - трансгеном. Благодаря переносу генов у трансгенных животных возникают новые признаки, которые при селекции закрепляются в потомстве. Так создают трансгенные линии.
Трансгенных животных получают путем микроинъекции рекомбинантной ДНК в извлеченные из донорских организмов эмбрионы и дальнейшей пересадки инъецированных эмбрионов в яйцеводы или методом культивирования в матку синхронизированных реципиентов. Эффективность получения трансгенных животных во многом зависит от чистоты и концентрации инъекционного раствора ДНК. Для трансформации генов в геном животного используют: микроинъекцию ДНК в пронуклеус зигот или в каждый бластомер двухклеточного эмбриона; введение ДНК с помощью ретровирусных векторов; получение трансгенных химер из генетически трансформированных клеток и эмбрионов.
Одни из важнейших задач сельскохозяйственной биотехнологии - выведение трансгенных животных с улучшенной продуктивностью и более высоким качеством продукции, резистентностью к болезням, а также создание так называемых животных-биореакторов - продуцентов ценных биологически активных веществ.
С генетической точки зрения особый интерес представляют гены, кодирующие белки каскада гормона роста: непосредственно гормон роста и рилизинг-фактор гормона роста. Рилизинг-фактор гормона роста стимулирует синтез и секрецию гормона роста. Гормон роста является регулятором многих процессов обмена веществ, в том числе белкового и липидного.
По данным Л.К. Эрнста у трансгенных свиней с геном рштизинг- фактора гормона роста толщина шпика была на 24,3 % ниже контроля. Существенные изменения отмечены по уровню липидов в длиннейшей мышце спины. Так, содержание общих липидов в этой мышце у трансгенных свинок было меньше на 25,4 %, фосфолипидов - на 32,2 %, холестерина - на 27,7 %. Таким образом, трансгенные свиньи характеризуются повышенным уровнем ингибирования липогенеза.
Ведутся исследования, направленные на получение трансгенных животных, резистентных к маститу за счет повышения содержания белка лак- тоферина в тканях молочной железы. На культуре клеток из почек трансгенных кроликов было показано, что клеточные линии, содержащие трансгенную антисмысловую РНК, имели резистентность к аденовирусу Н5 (Ads) на уровне 90-98 %, более высокую по сравнению с контрольными линиями клеток. Продемонстрирована также устойчивость трансгенных животных с геном антисмысловой РНК к лейкозу крупного рогатого скота, к заражению вирусом лейкоза.
Показана возможность конструирования системы внутриклеточной иммунизации против инфекционных вирусов с участием мутантных форм эндогенных вирусных белков, защищающих от соответствующих вирусов. Так, получены трансгенные куры, устойчивые к лейкозу, у которых в клетках присутствовал белок вирусной оболочки.
Очень важно использование трансгенных животных в медицине и ветеринарии для получения биологически активных соединений за счет включения в клетки организма генов, вызывающих у них синтез новых белков.
Трансгенные животные как продуценты ценных биологически активных белков и гормонов имеют ряд преимуществ перед микроорганизмами и клеточными системами. Важно, что новые белки, получаемые в линиях клеток трансгенных животных, могут быть модифицированы, их активность сравнима с активностью протеинов. Для молочного производства большой интерес представляет получение целенаправленной трансгенной экспрессии в эпителиальные клетки молочной железы для выхода белков с молоком. Один из основных этапов получения трансгенных животных, продуцирующих гетерогенный белок с молоком, - идентификация промотора, направляющего экспрессию структурных генов в секреторный эпителий молочной железы.
В настоящее время выделены гены и промоторы о67-казеина, Р-казеина, а-лактоальбумина, Р-лактоглобулина и сывороточного кислого протеина (WAP ). Молочная железа - великолепный продуцент чужеродных белков, которые можно получать из молока и использовать в фармацевтической промышленности. Из молока трансгенных животных извлекают следующие рекомбинантные белки: человеческий белок С, антигемофиль- ный фактор IX, а-1-антитрипсин, тканевой плазменный активатор, лакто- ферин, сывороточный альбумин, интерлейкин-2, урокиназу и химозин. В большинстве проектов, за исключением а-1-антитрипсина и химозина, исследования пока еще ведутся в основном на трансгенных мышах.
В США осуществлен метод микроинъекции ДНК, отвечающий за экспрессию Р-лактоглобулина, который способен продуцироваться только в молочных железах животных. В Эдинбурге в 1992 г. были выведены трансгенные овцы с геном а-1-антитрипсина человека и р-глобулиновым промотором. Содержание этого белка у разных трансгенных овец составляло от I до 35 г/л, что соответствует половине всех белков в молоке. При таком уровне продукции белка может быть получено около 10 кг трансгенного белка от одного животного в год, что достаточно для 50 пациентов при лечении эмфиземы легких. Обычно выход рекомбинантных белков в системах с использованием культуры клеток составляет около 200 мг/л, а у трансгенных животных он может повышаться до 1 л. Следует отметить, что процедуры по созданию клеточных культур и их выращиванию в промышленных реакторах, а также по выведению трансгенных животных и их обслуживанию весьма дороги. Однако трансгенные животные легко размножаются, содержание их сравнительно дешево, что делает их хорошими продуцентами разнообразных белков с низкой стоимостью. В России группой ученых под руководством Л.К. Эрнста и М.И. Прокофьева получены трансгенные овцы с геном химозина - основного компонента для производства сыра. В 1 л молока содержится 200-300 мг химозина. Стоимость сыра будет в несколько раз ниже продукта, получаемого традиционным способом из сычугов молочных телят и ягнят. Так, из 3 л молока трансгенной овцы можно получить количество химозина, достаточное для производства 1 т сыра из коровьего молока.
Клонирование животных и растений. Клонирование животных. Генетическая инженерия в биотехнологии.
Клонирование животных и растений. Клони́рование (англ. Cloning от др. - греч. Κλών - «веточка, побег, отпрыск») - в самом общем значении - точное воспроизведение какого – либо объекта любое требуемое количество раз. Объекты, полученные в результате клонирования (каждый по отдельности и вся их совокупность) называются клоном. Термины «клон», «клонирование» первоначально использовались в микробиологии и селекции, после - в генетике, в связи с успехами которой и вошли в общее употребление. Надо добавить, что их популяризации в значительной мере способствовали также киноискусство и литература. Следует иметь ввиду, что точное воспроизведение животного или растения как при естественном, так и при искусственном клонировании невозможно. Новый организм в любом случае будет отличаться от материнского за счет соматических мутаций, эпигенетических изменений наследственного материала, влияния окружающей среды на фенотип и случайных отклонений, возникающих в ходе онтогенеза. Клонирование животных. Американские исследователи С.Стик и Дж. Робл, используя методику Мак Грата и Солтера, в 1988 г. Получили 6 живых кроликов, пересадив ядра 8 клеточных эмбрионов одной породы в лишенные ядра яйцеклетки кроликов другой породы. Фенотип родившихся полностью соответствовал фенотипу донора. В этих экспериментах только 6 из 164 реконструированных яйцеклеток (3,7 %) развились в нормальных животных. Это, конечно, очень низкий выход, практически не позволяющий рассчитывать на получение таким методом клона генетически идентичных животных. Ценность этой работы тем не менее в том, что она показала возможность клонирования эмбрионов кроликов. Первые успешные эксперименты по клонированию сельскохозяйственных животных были проведены С. Уилладсином (S. Willadsen) в 1986 г. Он сливал безъядерные яйцеклетки с бластомерами, выделенными из 8 и 16 – клеточного эмбриона овцы. Дж. Робл и его сотрудники в 1987 г. Провели работы по пересадке ядер крупного рогатого скота. Они пересаживали в зиготы кариопласты – мужской и женский пронуклеусы в месте с окружающей их цитоплазмой, а также ядра 2, 4 или 8 – клеточных эмбрионов коровы. Сначала зиготы центрифугировали чтобы освободить пронуклеусы от окружающих их гранул желтка, после чего ядра были хорошо видны под микроскопом, что значительно облегчало их удаление. При помощи манипулятора и заостренной стеклянной микропипетки извлекали один из бластомеров в месте с ядром из ранних зародышей и переносили его в энуклеированную зиготу. Реконструированные зародыши были заключены в агаровый цилиндр и пересажены в перевязанный яйцевод овцы. Через пять дней культивирования их вымывали, освобождали от агара и исследовали. Реконструированные зародыши в этой работе развивались только в тех случаях, когда в зиготы пересаживали пронуклеусы: 17 % таких зародышей достигли стадии морулы или бластоцисты. Два зародыша были пересажены второму реципиенту – в матку коровы, и развитие их завершилось рождением живых телят. Если в качестве доноров использовали ядра 2 - ,4 – или 8 – клеточных зародышей, то реконструированные яйцеклетки не развивались даже до стадии морулы. Позже были и более успешные работы. С. Уиладсин (1989), в частности, сообщил, что ему удалось получить четырех генетически идентичных бычков холстейнской породы в результате пересадки в реципиентные яйцеклетки ядер бластомеров одного 32 – клеточного зародыша. Автор утверждал, что большинство ядер сохраняет тотипотентность на 32 – клеточной стадии, а значительная их часть даже на 64 – клеточной стадии, обеспечивая нормальное развитие реконструированных яйцеклеток до стадии ранней бластоцисты в яйцеводе овцы. После пересадки в матку коров – окончательных реципиентов, как полагает автор, они могут и дальше нормально развиваться. К. Бондиоли и соавторы (1990), используя в качестве доноров ядер16 – 64 – клеточные зародыши коров, трансплантировали 463 реконструированных зародыша в матку синхронизированных реципиентов, и было получено 92 живых теленка. Семь из них были генетически идентичны, представляя собой клон, полученный в результате пересадки ядер клеток одного донорского эмбриона. Таким образом, клеточные ядра зародышей крупного рогатого скота достаточно долго сохраняют тотипотентность и могут обеспечить полное развитие реконструированных яйцеклеток. Иначе говоря, методические трудности клонирования зародышей крупного рогатого скота практически решены. Экспериментов по клонированию свиней не много. Успешные исследования провели Р. Пратер с сотрудниками в 1989 г. Скудность данных, видимо, связана с определенными трудностями работы с этим объектом. В 1993 – 1995 годах, группа исследователей под руководством Я. Уилмута (Ian Wilmut) из Рослинского института получила клон овец – 5 идентичных животных, донорами ядер которых была культура эмбриональных клеток. Клеточную культуру получали следующим образом: выделяли микрохирургически эмбриональный диск из 9 –дневного овечьего эмбриона (бластоцисты) и культивировали клетки in vitro в течение многих пассажей (по крайней мере до 25). Сначала клеточная культура напоминала культуру стволовых недифференцированных эмбриональных клеток, но вскоре, после 2 – 3 – х пассажей, клетки становились уплотненными и морфологически сходными с эпителиальными. Эта линия клеток из 9 – дневного зародыша овцы была обозначена как TNT 4. Чтобы донорское ядро и реципиентна цитоплазма находились на сходных стадиях клеточного цикла, останавливали деление культивируемых клеток TNT 4 на определенной стадии (GO) и ядра этих клеток пересаживали в энуклеированные яйцеклетки (соответственно на стадии метафазы II). Реконструированные эмбрионы заключали в агар и трансплантировали в перевязанные яйцеводы овец. Через 6 дней эмбрионы вымывали из яйцевода первого реципиента и исследовали под микроскопом. Отбирали те, которые достигли стадии морулы или бластоцисты и пересаживали их в матку овцы – окончательного реципиента, где развитие продолжалось до рождения. Родилось 5 ягнят (самок) из них 2 погибли вскоре после рождения, 3 – й в возрасте 10 дней, а 2 оставшихся нормально развивались и достигли 8 – 9 –месячного возраста. Фенотипически все ягнята были сходны с породой овец, от которой получали исходную линию клеток TNT 4. Это подтвердил и генетический анализ. Эта работа, особенно в части культуры эмбриональных клеток, - значительное достижение в клонировании млекопитающих, хотя она и не вызвала столь шумного интереса, как статья того же Уилмута с соавторами, опубликованная в начале 1997 года, где сообщалось, что в результате использования донорского ядра клетки молочной железы овцы было получено клональное животное –овца по кличке Долли. Последняя работа методически во многом повторяет предыдущее исследование 1996 года, но в ней ученые использовали эмбриональные и фибробластоподобные клетки плода и клетки молочной железы взрослой овцы. Клетки молочной железы получали от шестилетней овцы породы финндорcет, находящейся на последнем триместре беременности. Все три типа клеточных культур имели одинаковое число хромосом - 54, как обычно у овец. Эмбриональные клетки использовали в качестве доноров ядер на 7 – 9 – м пассажах культивирования, фибробластоподобные клетки плода – на 4 – 6 – м пассажах и клетки молочной железы – на 3 – 6 – м пассажах. Деление клеток всех трех типов останавливали на стадии G 0 и ядра клеток пересаживали в энуклеированные ооциты (яйцеклетки) на стадии метафазы II. Был использован метод электрослияния. Большинство реконструированных эмбрионов сначала культивировали в перевязанном яйцеводе овцы, но некоторые и in vitro в химически определенной среде. Коэффициент выхода морулил и бластоцист при культивировании in vitro водной серии опытов был даже вдвое выше, чем при культивировании в яйцеводе. Выход морулил и бластоцист в серии опытов с культурой клеток молочной железы был примерно втрое меньше, чем в двух других сериях, когда в качестве доноров ядер использовали культуру фибробластов плода или эмбриональных клеток. Число живых ягнят в сравнении с числом пересаженных в матку окончательного реципиента морулил и бластоцист было также в два раза ниже. В серии опытов с клетками молочной железы из 277 реконструированных яйцеклеток был получен только один живой ягненок, что говорит об очень низкой результативности такого рода экспериментов (0,36 %). Анализ генетических маркеров всех семи родившихся в трех сериях экспериментов живых детенышей показал, что клетки молочной железы были донорами ядер для одного, фибробласты плода – для двух и эмбриональные клетки – четырех ягнят. Овца по кличке Долли развилась из реконструированной яйцеклетки, донором ядра которой была культивируемая клетка молочной железы овцы породы финндорсет и фенотипически не отличается от овец этой породы, но сильно отличается от овцы - реципиента. Анализ генетических маркеров подтвердил этот результат. Успех авторов этой работы прежде всего связан с использованием длительных клеточных культур, так как после многих пассажей в культуре клеток могли быть отобраны малодифференцированные стволовые клетки, которые, вероятно, и были использованы как доноры ядер. Большое значение также имел тот факт, что авторы, учитывая результаты своих предыдущих работ, синхронизировали стадии клеточного цикла яйцеклеток реципиентов и клеток доноров. Аналогичные эксперименты проводили позднее Tanja Dominko и сотрудники лаборатории Висконсинского университета, которые обеспечили клонирование эмбрионов из клеток кожи ушей взрослого рогатого скота. Эмбрионы, генетически идентичные корове, пожертвовавшей клетки уха, были внедрены в матки коров - рецепиентов. Наблюдалась постепенная гибель эмбрионов, поэтому жизнеспособных телят не получили. Причины пока не установлены. В августе 1997 года появилось сообщение о том, что Алан Троунсон (Австралия) разработал технологию, которая позволяет сформировать эмбрион из 16, 32 или 64 клеток и затем каждая из них может использоваться для формирования 16, 32 или 64 идентичных эмбрионов. Коллектив исследователей во главе с Аланом Троунсоном создал 470 генетически идентичных эмбрионов рогатого скота от единственной бластоцисты. Такая технология обеспечивает безграничный источник генетического материала для клонирования. Не смотря на отсутствие немедленных практических результатов сделанного открытия, теоретическую значимость его трудно переоценить. Впервые было доказано, что гены запрограммированы обратимо. Дальнейшие исследования могут позволить понять, как регулируется работа генов, дифференциация клеток, почему клетки в одних случаях растут и размножаются управляемо, а в других (при раке) - неконтролируемо. Уже сейчас корпорация Genzyme Transgenics планирует исследования с целью создания трансгенного крупного рогатого скота, содержащего в молоке человеческий альбумин. Был куплен патент на получение эмбрионов, содержащих геном клеток соединительной ткани (фибробластов), включающий ген, ответственный за синтез человеческого белка. Несколько коров в настоящее время беременны трансгенными телятами. Подобная технология позволяет увеличить эффективность создания трансгенных молочных животных, так как при обычном впрыскивании генов в оплодотворенную яйцеклетку рождается только 5 – 10 % трансформированных животных, из них – несколько самцов, не дающих молока. Использование новой технологии клонирования позволяет получать животных только женского пола, дающих трансгенный протеин.
Основные сведения. Естественное клонирование животных и растений часто происходит в результате бесполого и вегетативного размножения, а также в результате амейотического партеногенеза. Искусственное клонирование животных и растений - новый вид человеческой деятельности, возникший в конце XX – го - начале XXI – го века, состоящий в воспроизведении старых и создании новых биологических организмов, связанных с изучением генома, предполагающий вмешательство в его структуру, нацеленный (кроме научных) на решение множества практических задач. Создание животных и растения с заданными качествами всегда было чрезвычайно заманчивым потому, что это означало создать организмы уникальнейшие и нужнейшие, устойчивые к болезням, климатическим условиям, дающие достаточный приплод, необходимое количество мяса, молока, плодов, овощей и прочих продуктов. Использование технологии клонирования предполагает уникальную возможность получать фенотипически и генетически идентичные организмы, которые могут быть использованы для решения различных теоретических и прикладных задач, стоящих перед биомедициной и сельским хозяйством. В частности, использование клонирования могло бы способствовать изучению проблемы тотипотентности дифференцированных клеток, развития и старения организмов, злокачественного перерождения клеток. Благодаря технологии клонирования предполагается появление ускоренной генетической селекции и тиражирования животных с исключительными производственными показателями. В сочетании с трансгенозом клонирование животных открывает дополнительные возможности для производства ценных биологически активных белков для лечения различных заболеваний животных и человека. Клонирование животных, возможно, позволит проводить испытания медицинских препаратов на идентичных организмах.
В начале пути. 1826 г. - Открытие яйцеклетки млекопитающих русским эмбриологом Карлом Бэром. 1883 г. - Открытие сущности оплодотворения (слияния пронуклеусов) немецким цитологом ОскаромГертвигом. 1943 г. - Журнал Science сообщил об успешном оплодотворении яйцеклетки «в пробирке». 1962 г. - Профессор зоологии Оксфордского университета Джон Гордон клонирует шпорцевых лягушек (более доказательные опыты - в 1970 г.). 1978 г. - Рождение в Англии Луизы Браун, первого ребёнка «из пробирки». 1985 г., 4 января - в одной из клиник северного Лондона родилась девочка у миссис Коттон - первой в мире суррогатной матери (зачата не из яйцеклетки миссис Коттон). 1987 г. - В СССР в лаборатории Бориса Николаевича Вепринцева (Л. М. Чайлахян и др.) из клетки эмбриона клонирована мышь с использованием метода электростимулируемого слияния клеток. 1987 г. - Специалисты Университета имени Дж. Вашингтона, использовавшие специальный фермент, сумели разделить клетки человеческого зародыша и клонировать их до стадии тридцати двух клеток (бластомеров).
Генетическая инженерия в биотехнологии. Генетическую инженерию относят к новейшей биотехнологии. Генетическая инженерия сводится по существу к процессу получения рекомбинантных ДНК, содержащих, помимо присущего «хозяйской» ДНК набора природных генов, «чужой» ген или гены, взятые из другой ДНК.
Метод получения рекомбинантных ДНК состоит из нескольких этапов: а) выделение ДНК из клеток организма; б) получение гибридных (рекомбинантных) молекул ДНК путем встройки в исходную ДНК «чужого» гена, вьщеленного из другой ДНК или полученного химическим синтезом; в) введение рекомбинантной ДНК в живую клетку (бактерий, дрожжей, растительных или животных клеток, клеток человека); г) создание условий для проявления (экспрессии) генов рекомбинантной ДНК в живой клетке и секреции нового продуцента, кодируемого «чужим» геном.
Вставленный в расщепленную ДНК ген «сшивается» с этой ДНК с помощью ферментов лигаз. Полученная рекомбинантная ДНК бактерий или вируса затем вводится в эту же микробную клетку или вирусную частицу, из которой была взята, и таким образом получают рекомбинантный штамм бактерий или вирусов. При культивировании рекомбинантного штамма в процессе роста и размножения этот штамм синтезирует не свойственный ему продукт, кодируемый встроенным чужеродным геном (например, инсулин, интерферон). На этом принципе в настоящее время получены сотни рекомбинантных штаммов бактерий, дрожжей, вирусов, способных продуцировать разнообразные биологически активные вещества: антигены, антитела, ферменты, гормоны, иммуномодуляторы и др. Технология получения биологически активных веществ, основанная на применении рекомбинантных штаммов по существу не отличается от типовой биотехнологической схемы. Она сводится к культивированию рекомбинантного штамма, выделению синтезируемого штаммом целевого продукта, его очистке и концентрированию и созданию конечной формы препарата.
В настоящее время уже разработаны сотни медицинских препаратов, полученных на основе генетической инженерии. Многие из них внедрены в практику и применяются в медицине. Это гормоны (инсулин и гормон роста человека), антикоагулянты и тромболитики (тканевой активатор плазминогена, факторы VIII и IX), вакцины («дрожжевая» вакцина против гепатита В), иммуномодуляторы (интерфероны а, р и у, ин-терлейкины 1, 2 и др., фактор некроза опухолей, пептиды тимуса, миелопептиды), ферменты (уреаза), ангиогенин, диагностические препараты (на ВИЧ-инфекцию, на вирусные гепатиты и др.), моноклональные антитела, колониестимулирующие факторы (макрофагальный, гранулоцитарный и др.), а также многие биологически активные пептиды. Применение генетической инженерии в биотехнологии оправдано в тех случаях, когда: а) нужное вещество невозможно получить никаким другим способом; б) если технология эффективнее и экономичнее традиционной или в) если она более безопасна для человека и окружающей среды. Например, антигены для создания вакцин против некультивируемых микро- организмов (плазмодий малярии, возбудитель сифилиса) можно получить только генно-инженерным способом. Генно-инженерный интерферон превосходит по активности интерферон, полученный из лейкоцитов крови, и значительно дешевле последнего. Приготовление препаратов из антигенов возбудителей особо опасных инфекций (чума, холера) можно заменить биосинтезом их рекомбинантными штаммами непатогенных бактерий. Метод генетической инженерии находит все большее применение в биологии и медицине, за ним большое будущее. Этот метод позволит получать новые эффективные лекарственные препараты, принципиально новые поливалентные живые (векторные) вакцины, регуляторные белки, осуществить генодиагностику и генотерапию.
Например, уже ведутся разработки векторных поливалентных вакцин на основе рекомбинантных штаммов (см. главу 10), получен ряд эндогенных иммуномодуляторов (интерлейкины, интерферон), поведенческих пептидов (пептиды сна, страха и т. Большое будущее генетической инженерии открывает расшифровка генома человека, которая позволит решить проблему генотерапии, генопрофилактики и генодиагностики инфекционных и неинфекционных болезней. К настоящему времени программа «Геном человека» интенсивно разрабатывается в ряде стран, прежде всего в США, Японии, России. Из примерно 100 000 генов, содержащихся в хромосомах человека, уже расшифровано около 5000 генов, и на основе этого уже имеются данные об успешной генотерапии некоторых болезней.
УДК 604.6:636
Роль биотехнологии в развитии животноводства
: Аналит. Обзор. – Алматы: НЦ НТИ, 2009. – с.
В обзоре анализируются отечественные и зарубежные материалы по трансплантации эмбрионов, излагаются результаты внедрения биотехнологии в практику разведения сельскохозяйственных животных. Рассматриваются также перспективы генной инженерии и получения идентичных близнецов на основе клонирования, сохранения редких и исчезающих животных, создания банка-хранилища эмбрионов от высокоценных родительских пар методом криоконсервирования. Акцентирована роль биотехнологии в дальнейшем развитии животноводства. Рассматриваются ветеринарные аспекты трансплантации эмбрионов.
Аналитический обзор предназначен для научных работников и специалистов в области селекции и разведения животных, а также для работников сельского хозяйства , специалистов сферы управления и планирования агропромышленного комплекс а.
Библиограф. 88.
РОЛЬ БИОТЕХНОЛОГИИ В РАЗВИТИИ ЖИВОТНОВОДСТВА
ВВЕДЕНИЕ
Биотехнология является одним из ведущих направлений научно-технического прогресса и занимает ключевую позицию в экономике многих высокоразвитых государств. Именно поэтому проблема развития биотехнологии становится одним из социально экономических и политических приоритетов, пользующихся государственной поддержкой. Научно-техническая политика в области биотехнологии нацелена на организацию высокоэффективных импортозамещающих производств, способствующих обеспечению материального благополучия народа и экономической независимости страны.
Бурное развитие биотехнологии коренным образом изменило возможности и эффективность селекции. Широкое применение в практике получила клеточная инженерия и трансплантация эмбрионов. Это позволило ускорить темпы генетического совершенствования племенных и товарных стад, создавать высокоценных животных с запрограммированными продуктивными признаками, генетически клонировать их, ускоренно получать рекордисток и целые стада с рекордными удоями, управлять онтогенезом.
В Казахстане сложилась довольно сложная ситуация в обеспечении населения биопрепаратами медицинского и ветеринарного назначения, а также продуктами питания. За последние несколько лет снизилось поголовье скота, уменьшилась площадь посевных земель и резко упала урожайность продовольственных и кормовых культур, в результате чего значительную часть сельскохозяйственных продуктов наша страна вынуждена импортировать. Появилась продовольственная зависимость от зарубежных фирм, что негативно сказывается на экономике республики.
Воспроизводство животных – основной фактор, лимитирующий эффективность производства животноводческих продуктов.
Новые научные открытия в области физиологии, генетики, иммунологии и системного анализа существенным образом расширяют возможности в деле регулирования воспроизводства, повышения продуктивности и общей экономической эффективности выращивания сельскохозяйственных животных. Все эти методы связаны с манипулированием на уровне клеток (главным образом половых) или эмбрионов с использованием физиологических активных соединений (биологических, полусинтетических или синтетических гормональных препаратов и др.). По этой причине методы целенаправленного регулирования процесса воспроизводства домашнего скота были названы биотехнологическими. К их числу относят: стимуляцию и синхронизацию охоты, суперовуляцию, искусственное осеменение, трансплантацию эмбрионов, хранение гамет и эмбрионов, целенаправленное получение двоен, регулирование пола, раннюю диагностику беременности , управление процессом родов, создание химер и др.
Трансплантация эмбрионов рассматривается не как замена, а как дополнение к методу искусственного осеменения. При различном использовании этого метода можно значительно увеличить генетическую ценность сельскохозяйственных животных, успешно преодолеть ряд форм бесплодия , обеспечить благоприятные условия для осуществления специальных селекционных программ.
Расширение технологии трансплантации эмбрионов позволило провести ряд исследований для совершенствования и контроля процессов разделения и их замораживания, пересадки зигот и определения времени и места их аппликации . Эти достижения очень ценны в изучении генетических показателей и функций воспроизводства сельскохозяйственных животных.
Возможность индуцирования полиовуляции позволила значительно повысить эффективность трансплантации путем получения большего количества генетически ценных потомков. Теоретически от генетически выдающейся коровы при помощи метода пересадки зигот можно получить более 100 телят за период ее использования в качестве донора (1,5 - 2 года).
В области селекции крупного рогатого скота трансплантация эмбрионов обеспечивает более интенсивное размножение животных с высокой генетической ценностью и животных малочисленных пород, сокращает генерационный интервал, предоставляет возможность проводить более строгую селекцию матерей быков, улучшает контроль за наследственностью матерей племенных быков. Этот метод предоставляет большие возможности для использования мировых генетических ресурсов: транспортировка глубокоохлаждонных эмбрионов вместо животных, устранение ветеринарных препятствий в международной торговле , исключение необходимости адаптации импортированного генетического материала к новым условиям среды.
В трансплантации эмбрионов животных – огромный прогресс, вследствие чего этот метод занял прочное место в современных программах селекции. Благодаря ему за 10 лет можно добиться генетического улучшения стада, а при традиционном методе селекции это достигается только за 30 лет. Метод трансплантации вместе с искусственным осеменением рассматривается как основа современной биотехнологии воспроизводства высокопродуктивных племенных животных.
1. РАЗВИТИЕ БИОТЕХНОЛГИИ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
Прогресс современной сельскохозяйственной биотехнологии в животноводстве неразрывно связан с расширением и совершенствованием арсенала используемых методов исследований. В области зооинженерии во многих странах мира биотехнологические методы нашли широкое применение при решении проблем повышения воспроизводительной функции и создании новых типов животных (трансгенных). Использование методов генной инженерии способствовало восстановлению и сохранению исчезающих видов сельскохозяйственных и диких животных.
По своему содержанию, целям и задачам биотехнология становится важнейшей составной частью экономики мира, в том числе и агропромышленного производства. В его основе лежит использование биологических объектов – растений, животных и микроорганизмов, биологических процессов, эффективное управление которыми и составляет суть биотехнологии в традиционном и современном смысле.
Процесс генетического улучшения продуктивных и адаптивных качеств животных обеспечивается выявлением, интенсивным размножением и рациональным использованием наиболее ценных в генетическом плане особей, поскольку такие особи, встречаются в природе крайне редко, то возникает проблема их ускоренного воспроизводства, что особенно важно в отношении малоплодных животных.
При традиционных методах воспроизводства репродуктивный потенциал маток полностью не реализуется и получение животных с желательным типом относительно мало и требует длительный срок для осуществления намеченной цели. Это происходит, во-первых, по причине их низкой воспроизводительной способности и, во-вторых, из-за признаков, обусловленных рецессивными генами подавляющих в принятых подборах пар. Следовательно, совокупность таких биологических факторов становится все более очевидным, фундаментальной особенностью популяционного уровня и ее следует решать качественно иными методами, в частности методами современной биотехнологии.
Биотехнология на сегодня представляет собой ультрасовременный этап научно-технического прогресса аграрной науки. Пионерами методов биотехнологии, которые уже широко применяются в животноводстве, являются трансплантация и криоконсервация генетических материалов животных (гамет и эмбрионов), на базе которых решается проблема ускоренного размножения и сохранения генофонда ценных генотипов и создания на их основе новых высокопродуктивных пород животных с запрограммированными качествами.
Однако, некоторые биотехнологические и селекционно-генетические аспекты сохранения, ускоренного размножения и племенного улучшения животных мало изучены и недостаточно разработаны. В частности, не всегда дают стабильные результаты гормональная стимуляция суперовуляции у овец-доноров и извлечение эмбрионов, являющиеся исходным материалом для метода трансплантации и криоконсервации эмбрионов. Остается проблемным вопрос приживляемости эмбрионов после пересадки их реципиентам , а также не достаточно изучены влияние условий кратковременного и длительного хранения и состава сред на жизнеспособность эмбрионов овец, которые необходимы для успешного выполнения программы сохранения и ускоренного размножения высокопродуктивных племенных животных.
В современных условиях развития животноводства особую актуальность приобретает разработка прогрессивных методов биотехнологии ускоренного размножения и сохранения высокоценных племенных животных, направленных на повышение эффективности методов трансплантации и криоконсервации эмбрионов в овцеводстве и разработка методов оценки племенных качеств животных в министадах, обеспечивающих ускорение селекционного прогресса в популяциях.
Приоритетными направлениями в области животноводства и ветеринарии являются: создание, сохранение, развитие и использование генетических ресурсов животных для выведения новых высокопродуктивных, устойчивых к стрессовым факторам среды пород, линий, типов и кроссов сельскохозяйственных животных, птиц; разработка эффективных технологий их содержания с учетом породного районирования; совершенствование биотехнологических методов сохранения и размножения генофонда сельскохозяйственных животных; разработка эффективных методов диагностики, терапии и профилактики болезней животных. Проанализировав деятельность научных организаций, МСХ РК сделан вывод, что в настоящее время развитие агропромышленного комплекса страны сдерживается не столько из-за отсутствия или недостатка научных разработок, рекомендаций, пород, типов и линий животных, сколько из-за недостаточного их внедрения в производство .
Одним из основных методов совершенствования пород крупного рогатого скота в республике является искусственное осеменение и использованием высококлассных быков-производителей. На современном этапе имеющееся поголовье высокопродуктивных коров не обеспечивает полную потребность племпредприятий в быках-производителях. Использование метода трансплантации эмбрионов в селекционно-племенной работе открывает возможности ускоренного размножения генетически ценных животных по материнской линии.
В настоящее время технология трансплантации эмбрионов включена в долгосрочные племенные программы многих развитых стран мира по разведению, улучшению и сохранению существующих пород скота.
Углубленные исследования репродуктивной функции животных, ее возможная регуляция, микрохирургические манипуляции с зародышами показали, что метод трансплантации может являться основой ускоренного воспроизводства высокопродуктивных коров и целых популяций. Практическое применение этого метода в скотоводстве обеспечивает интенсивное размножение животных с высокой генетической ценностью, ускоренное получение высокоценных племенных быков, матерями которых являются выдающиеся родоначальницы, способствует повышению эффективности племенной работы, оздоровлению стада и защите от ряда заболеваний.
Мировой опыт свидетельствует, что трансплантация эмбрионов может ускорить селекционный прогресс в молочном скотоводстве в 6-7 раз по сравнению с обычными методами разведения. Результаты применения трансплантации эмбрионов на практике показывают, что этот метод позволяет получать при разовом использовании донора 2,5-3,0 теленка в год, при многократном (2-5 раз в год) – 6-20 и более телят.
Метод трансплантации позволяет получать зародыши от одной самки 4-5 раз в год, вследствие чего очевидна реальная возможность ежегодного получения от коровы-рекордистки до 10-30 и более телят. Это позволяет значительно ускорить ежегодный генетический прогресс в стаде путем интенсивного отбора, точности оценки матерей быков и племенного использования животных с высоким генетическим потенциалом. Трансплантация эмбрионов позволяет быстро размножить импортируемые группы животных. Кроме того, ввозить зародыши гораздо дешевле, чем животных. Разработанная технология криоконсервирования эмбрионов обеспечивает длительное их хранение и создание криобанка зародышей выдающихся животных.
Для комплектации собственной племенной базы быками-производителями АО «Асыл тулiк» закупило из Республики Словакия 200 глубокозамороженных эмбрионов, полученных от высокоценных родительских пар зарубежной селекции, из которых 100 эмбрионов голштинской черно-пестрой породы, 50 эмбрионов голштинской красно-пестрой породы и 50 эмбрионов швицкой породы. Средняя продуктивность матерей отцов эмбрионов по голштинской черно-пестрой породе составляет от 10 000 до 17 000 кг молока в год с жирностью 3,5-4,5 %. Продуктивность коров-доноров составляет от 9 000 до 12 000 кг молока в год с жирностью 3,6-4,7 %.
За 4 года работы было проведено 96 эмбриопересадок, приживляемость эмбрионов составляет от 33 до 60 %, что является хорошим показателем. Получено 22 теленка-трансплантанта, из них 9 бычков-трансплантантов находятся на предприятии и от них получают сперму, наряду с этим они поставлены на оценку по качеству потомства в хозяйствах ряда областей. Данные по оценке показывают, что дочери быков-трансплантантов превышают по продуктивности сверстниц в 2-2,5 раза. Телки-трансплантанты остаются в хозяйствах и используются для «заказного» спаривания.
Таким образом, трансплантация эмбрионов играет важную роль в молочном и мясном скотоводстве страны, и ее значение будет постоянно возрастать, т. к. она позволяет лучше использовать биологические резервы самок для повышения производства продуктов животноводства. Залогом успешной работы по трансплантации эмбрионов являются: выбор правильной структуры управления и формы организации работ по трансплантации, наличие современного оборудования, инструментария, эффективных биопрепаратов, полноценное кормление, хороший уход и содержание коров-доноров и телок-реципиентов, создание условий при проведении работ высококвалифицированными специалистами, считает Ж. Алмантай .
В животноводстве США, имеющем высокий уровень развития, многие породы и виды животных уже практически не различаются по продуктивности. Поэтому важное значение имеет сохранение биологического разнообразия генофонда сельскохозяйственных животных. Решение данной проблемы ученые связывают с биотехнологией. В этой связи актуальны следующие направления научных исследований: картирование генов животных и разработка методов генной инженерии; использование генов диких близкородственных видов для совершенствования сельскохозяйственных форм; разработка биотехнологических приемов создания новых и размножения имеющихся лучших животных.
Генетические ресурсы животных представляют ценный и стратегически важный капитал любой страны, так как они связаны с решением проблемы обеспечения населения страны продовольствием, промышленности – сырьем. В целях сохранения генофонда сельскохозяйственных животных необходимо осуществить мероприятия на двух уровнях: популяционном и клеточно-биотехнологическом. На популяционном уровне следует создать реликтовые фермы по регионам для сохранения исчезающих пород и популяций животных в генофондовом хозяйстве; получение от них достаточного количества гамет и эмбрионов и их криоконсервация; ускоренное воспроизводство ценных особей путем трнсплантации эмбрионов; генетическая экспертиза существующих в республике и завозимых в страну племенных животных с целью охраны геноресурсов животноводства Казахстана от дрейфа нежелательных генов. Необходимость данных мероприятий вызвана возможностью завоза вредных генов, чреватых самыми непредсказуемыми и нежелательными последствиями .
Одним из ключевых моментов ускоренного размножения ценных генотипов животных является разработка фундаментально-прикладных основ биотехнологических методов, таких как трансплантация эмбрионов, криоконсервация гамет и эмбрионов, направленные, прежде всего, на максимальное использование воспроизводительных способностей маток-доноров эмбрионов. В процессе совершенствования поголовья животных резко возросла роль производителей, а влияние маток осталось незначительным из-за малого числа производимого ими потомства. Так, число потомков от одной овцы и коровы за всю ее жизнь составляет от 3 до 6 голов. Потомство же генетически ценных быков и баранов-производителей при искусственном осеменении может насчитывать до нескольких десятков тысяч голов. Между тем биологические возможности воспроизводства маток велики, яичники новорожденных телочек и ярок содержат до 50-70 тыс. потенциальных яйцеклеток. Для более полного использования этого огромного генетического потенциала в качестве незаменимого инструмента служит биотехнологический метод – трансплантация эмбрионов в сочетании с гормональной индукцией суперовуляции.
Отмечает, что в Казахстане своевременно были предприняты кардинальные меры для решения проблемы сохранения и ускоренного размножения численности поголовья ценных и редких генотипов овец. Для этого учеными-аграрниками широко внедряются в практику воспроизводства овец новейшие достижения биотехнологической науки, такие как гормональная стимуляция полиовуляции и трансплантации эмбрионов. В результате проведенных работ по трансплантации эмбрионов получены каракульские ягнята, выращенные в организме овцематок-реципиентов. В качестве реципиентов использовались овцематки едилбаевской, казахской тонкорунной и казахской полутонкорунной пород овец. Приживляемость составила в среднем 63 %. От каждой овцематки-донора получено в среднем по 5 нормальных ягнят, выращенных в организме овцематок-реципиентов. Указано, что биотехнологический метод гормональной стимуляции полиовуляции и трансплантации эмбрионов позволяет ускоренными темпами увеличить численность высокопродуктивных, ценных и редких генотипов каракульских овец.
Для поддержания тенденций племенного совершенствования скота в Украине разработали государственную программу селекции в животноводстве, в которой предусматривается ряд мер по материальной компенсации затрат на закупку эмбрионов от высокопродуктивных коров-доноров (до 500 долл. за эмбрион), оплате работы специалистов-эмбриологов.
Активно велись работы по пересадкам эмбрионов, импортированных из стран Северной Америки и собственного производства от коров – доноров специализированных молочных и мясных пород скота, в лаборатории при государственном селекционном центре Украины.
За десять лет пересажено более 5 тыс. зародышей, приживляемость их составила 49,3 % и колебалась по годам от 42 до 56 %. По итогам этой работы издан каталог эмбрионов крупного рогатого скота .
Проведены работы по изучению динамики роста и развития ягнят-трансплантатов в сравнении со сверстниками, полученными от искусственно осемененных овцематок. Для этого реципиентам акжаикской мясо-шерстной породы на третьи сутки после проявления полноценного полового цикла трансплантировали по два эмбриона на каждую голову. От рождения до 4-месячного возраста среднесуточный прирост баранчиков, трансплантатов составил 229,4, а у ярочек – 218,1 г. Повторное взвешивание в возрасте 4 мес. показало, что живая масса баранчиков и ярок опытной группы составила соответственно 36,6 и 31,3, а контрольной – 31,6 и 29,1 кг. Лучшее развитие ягнят во внутриутробный период сказалось не только на живой массе при рождении, но и на дальнейшем их росте и развитии. Это свидетельствует о возможности использования потенциальной репродуктивности выдающихся маток для значительного увеличения ценных особей путем внедрения метода трансплантации эмбрионов .
И изучали рост и развитие полутонкорунных ягнят, полученных от трансплантации культивированных эмбрионов овцам едилбаевской, казахско-тонкорунной и дегересской пород. И указали, о значительном влиянии организма матерей-реципиентов на характер эмбрионального и раннего постэмбрионального развития ягнят-трансплантатов. Так, ягнята-трансплантаты, выращенные едилбаевскими матками-реципиентами рождаются более крупными и превосходят по живой массе своих сверстников выращенных в организме казахских тонкорунных и дегересских маток. Более крупная величина ягнят-трансплантатов при рождении, а также более высокая молочная продуктивность едилбаевских маток-реципиентов обуславливает более интенсивный рост и развитие их в подсосный период.
Установлено, что при изучении молочной продуктивности лидировали коровы-трансплантаты, удой которых за 305 дней лактации составил 4120 кг, что выше контроля на 488 кг (13,4 %) при достоверной разности.
Разница в уровне молочной продуктивности отразилась на экономических показателях производства молока. Наиболее дешевое молоко было получено от первотелок-трансплантатов. Рентабельность производства молока (40,3 %) была выше, чем у коров опытной группы. Таким образом, преимущества трансплантации эмбрионов очевидны.
Проведены научные исследования в трех хозяйствах Алматинской области. Эксперименты проведены в двух направлениях. В первом направлении с целью генетического улучшения и получения высокопродуктивного молодняка использовалось криоконсервированное семя быков-производителей с высокой жирномолочностью матерей. Трансплантация эмбрионов (второе направление) проводилась согласно существующей инструкции (М., 1981). Изучали рост, развитие трансплантатов разного генотипа. Всем реципиентам, пришедшим в охоту, на 7-й день были трансплантированы семидневные эмбрионы. Отмечено, что при рождении живая масса бычков-трансплантатов американских швицев колебалась от 32,0 до 47,0 кг. При рождении живая масса телок-трансплантатов голштинской породы составляла 36,0 кг, в 2-месячном возрасте – 85,0; в 6 мес. – 150,0; в 9 мес. – 230,0 и в 12 мес. – 310,0 кг. Таким образом, изучение роста и развития трансплантатов уже на первом этапе показало их различие в разрезе породности и принадлежности к разным хозяйствам .
Идея получения максимального числа потомков от лучших по продуктивности самок издавна привлекала внимание исследователей. Решение этой проблемы возможно на основе применения метода трансплантации эмбрионов. Отмечено, что проблема трансплантации эмбрионов, в последнее время привлекала большое внимание ученых и животноводов-практиков. С одной стороны, интерес к ней обусловлен, экономическими требованиями производства эффективно использовать коров с высоким генетическим потенциалом, а с другой – в связи с получением высокого процента приживляемости эмбрионов крупного рогатого скота после пересадки. Трансплантация эмбрионов – метод воспроизводства животных, сущность которого состоит в извлечении из половых путей самки – донора эмбрионов на ранних стадиях развития и перенос в половой тракт самки – реципиента. В Казахстане работа по трансплантацию эмбрионов с учетом мирового опыта была начата в последних годах. В настоящее время осуществляется успешные пересадки зародышей овец в западном Казахстане. Научные исследования и практическое применение трансплантации эмбрионов крупного рогатого скота начали развиваться. Для широкого распространения этой новой биотехнологии в практике селекции и воспроизводства животных необходимы надежные источники получения оплодотворенных яйцеклеток или эмбрионов на ранних стадиях развития .
Трансплантация эмбрионов открывает огромные возможности в разведении и воспроизводстве сельскохозяйственных животных как с точки зрения повышения эффективности племенной работы, так и ускорения воспроизводства ценных генотипов, создает более благоприятные условия использования мировых генетических ресурсов: транспортировка глубоко замороженных эмбрионов вместо животных, снижение опасности завоза многих инфекционных и инвазионных заболеваний, исключающие долговременное карантинное содержание и необходимость адаптации импортированных животных к новым условиям среды. Создаются также условия для исследований, разработок и внедрения в области биотехнологии животноводства; определение пола эмбрионов, получение монозиготных близнецов, производство химер, проведение работ по эмбриогенетической инженерии, направленные на получение трансгенных организмов, создание банков гамет и эмбрионов, для сохранения редких ценных пород и исчезающих, форм диких крупных копытных животных, а также генокопии особо ценных особей.
В развитии биотехнологических методов в Казахстане выделяются 6 этапов. Последние 2 этапа и годов являются наилучшими в биотехнологии размножения сельскохозяйственных животных. Именно в этот период проведены международные опыты: завезены эмбрионы в Казахстан из Австралии. Всего был доставлен 451 эмбрион. От трансплантации 61 эмбриона 33 реципиентам получен 31 ягненок. Опыт показал, что межконтинентальная перевозка эмбрионов перспективна в развитии овцеводства. Исследовательский центр овцеводства – автор метода криоконсервации спермы баранов, который находит применение в Австралии, Новой Зеландии, США, Монголии и других странах. Провели три опыта по применению замороженной спермы со сроком хранения 7, 8 и 9 лет. Проведенные три опыта показали, что можно использовать замороженную и сохраненную в течение 7-9 лет сперму баранов полутонкорунных пород с целью освежения крови разводимых в Казахстане овец. При этом суягность составляет 30,3-59,4 %, а плодовитость – 112,7-133,1 % .
Учитывая дороговизну существующих методов хранения спермы баранов, разработана синтетическая среда, которая обеспечивает высокую выживаемость и оплодотворяющую способность спермы баранов-производителей в течение нескольких суток, с подвижностью спермиев более 7 баллов при температуре окружающей среды, без применения хладагентов и пищевых продуктов.
Перспективы развития биотехнологии воспроизводства в овцеводстве являются:
Первое – это получение потомства от животных соответствующих мировому стандарту, путем завоза семени от быков с удоем матерей 10-12 тыс. кг, в лучшем случае от быков с удоем матери 19-22 тыс. кг.
Такая работа не только повысит продуктивность, но значительно пополнит генофонд высокопродуктивных животных. Организация этой работы требует глубокого осмысления и серьезных расчетов.
Второе – создание репродуктивного стада для заказного спаривания и заготовки эмбрионов. В молочном скотоводстве – это выделение в отдельную группу коров с удоем 4,5 тыс. кг молока с использованием быков с удоем матерей 7-9 тыс. кг. Такие животные имеются в племенных хозяйствах, их надо взять под особый контроль и оказать помощь в улучшении кормления и выполнении работы .
В овцеводстве – выделение элитных маток с настригом 2,5-3.0 кг, осеменение их баранами с настригом не менее 6 кг в чистом волокне.
Третье, и самое главное – это организационное совершенствование и дальнейшее внедрение метода искусственного осеменения коров и овец. Однако реорганизация в аграрном секторе, создание новых сельхозформирований, переход 80 % маточного поголовья в частный сектор требует разработки и внедрения новых организационных форм .
Биотехнологические методы, к которым относится трансплантация эмбрионов, играют важную роль, особенно в производстве промышленного типа и их значение будет постоянно возрастать, так как они позволяют лучше использовать биологические резервы для повышения производства продуктов животноводства и тем самым оказывают существенное влияние в ускорении экономического прорыва в области животноводства.
На современном этапе развития смушкового овцеводства остро стоит проблема сохранения и ускоренного размножения существующих ценных генотипов, решение которой традиционными методами селекции маловероятно. При этом, главным сдерживающим биологическим фактором является: во первых, низкая воспроизводительная способность самок, хотя в яичниках содержится огромное количество незрелых яйцеклеток (ооцитов), которые при соответствующих условиях могут развиваться и овулировать; во-вторых, из-за признаков, обусловленные рецессивными генами, подавляемыми в принятых подборах пар. Следовательно, совокупность таких биологических факторов становится все более очевидным, фундаментальной особенностью популяционного уровня и, ее следует решать качественно иными методами, в частности разработкой биотехнологии трансплантации эмбрионов высокоценных генотипов смушковой продуктивностью.
Трансплантация эмбрионов, как пионер биотехнологического метода, на сегодня представляет ультрасовременный этап научно-технического прогресса, на базе которого становится возможным решить проблемы сохранения генофонда существующих и исчезающих типов смушковых овец и ускоренного их размножения, а также усиления генетического прогресса в субпопуляциях. Осуществлен маркетинговый анализ биоресурсов отрасли и обоснована необходимость перехода ее на новый уровень научного обеспечения, отвечающий современным требованиям развития научно-технического прогресса. КазНИИ каракулеводства разработаны научные основы и практические приемы трансплантации эмбрионов овец смушкового направления.
В теорию биотехнологии трансплантации эмбрионов внесены: состояния генетических процессов в субпопуляциях; реакция половой системы доноров разных окрасок и расцветок на эндокринные гормоны; жизнеспособность эмбрионов в процессе извлечения и пересадки; взаимодействие генотипа и среды. На основе установленных теоретических принципов разработаны новые эффективные способы отбора доноров и реципиентов, индукция суперовуляции у доноров смушковых овец, извлечения и пересадки их эмбрионов и оценки племенных качеств маток-доноров и баранов-трансплантантов. Крупным достижением использования метода трансплантации эмбрионов является создание за относительно короткий срок новой породы курдючных овец Шуйской популяции смушково-мясо-сальной продуктивности. Приоритетным направлением являются ускорение темпов воспроизводства и селекции существующих овец с ценными качествами, а также сохранение генофонда редких исчезающих животных методом трансплантации их эмбрионов. В перспективе намечены новые направления исследований в биотехнологии, как раннее определение пола, генетическое копирование с помощью микрохирургических способов разделения ранних эмбрионов, клонирование, пересадки генов и получение трансгенных животных.
Эти новые методы биотехнологии, несомненно в перспективе окажут эффективное влияние на дальнейшее развитие смушкового овцеводства .
В настоящее время в результате достигнутых успехов фундаментальных наук возникла возможность развития принципиально новых эффективных методов влияния на организм животных, на их наследственность. В последние годы в области биотехнологии интенсивно разрабатываются научно-методические основы получения трансгенных животных на базе использования достижений генной, клеточной и эмбриогенетической инженерии в сочетании с методом трансплантации эмбрионов.
Важное значение в современных условиях приобретает проблема породообразования и совершенствования пород сельскохозяйственных животных, в т. ч. и овец. Одним из основных факторов ускорения породообразования в овцеводстве является широкое внедрение в этот процесс современных достижений в области генетики и селекции. Применение ЭВМ, достижений генной инженерии, биотехнологии, трансплантации эмбрионов, клонирование животных и получение трансгенной овцы – вот путь эффективного породообразования в условиях современности. Большие перспективы имеются в использовании биотехнологии в эмбриогенетике сельскохозяйственных животных. Основное значение трансплантации эмбрионов – увеличение эффективности селекции животных. Этот метод особенно ценен в условиях дефицита генетических ресурсов на начальных стадиях породообразовательного процесса, когда возникает необходимость быстро размножить животных с желательным генотипом. Метод трансплантации эмбрионов способствует решению следующих важных теоретических задач селекции: размножение генетически ценных особей для быстрого создания высокопродуктивных семей и семейств; получение идентичных животных путем разделения ранних эмбрионов. Это дает возможность изучения взаимодействия генотип – среда, выяснить влияние наследственности на хозяйственно полезные признаки; способствует сохранению генофонда пород; получение потомков от бесплодных, но ценных по генотипу животных; повышение устойчивости животных к заболеваниям; замена импорта и экспорта животных на импорт и экспорт криоконсервированных эмбрионов; акклиматизация импортных животных; получение животных определенного пола; межвидовые пересадки, получение гибридных животных.
Наряду с использованием традиционных приемов в породообразовательном процессе (комплекс селекционно-племенных мероприятий, рационализация кормления и содержания животных и т. д.) применение указанных выше достижений биотехнологии в создание новых пород и типов животных имеет большое теоретическое и практическое значение .
Получение трансгенных сельскохозяйственных животных с заданными параметрами продуктивности (длинношерстных, мясных, молочных и т. д.) значительно ускорило бы селекционный процесс, направленный на создание высокопродуктивных пород животных.
В связи с вышеизложенным возникает настоятельная необходимость разработки фундаментально-прикладных основ сохранения биологического разнообразия, интенсивного воспроизводства и рационального использования генетических ресурсов животных с привлечением самых современных методов биотехнологии воспроизводства таких как: трансплантация эмбрионов, криоконсервация гамет и эмбрионов, культивирование и оплодотворение яйцеклеток. И на этой основе можно кардинально решить актуальные проблемы ускоренного размножения ценных генотипов и сохранения поголовья редких, исчезающих форм как аборигенных популяций домашних, так и диких крупных копытных животных.
2. ПОГОТОВКА К ТРАНСПЛАНТАЦИИ ЭМБРИОНОВ
Одним из главных направлений в повышении продуктивности животных является изучение и использование современного биотехнологического метода трансплантации эмбрионов для ускоренного воспроизводства ценных генотипов.
Трансплантация эмбрионов – очень сложный, кропотливый процесс, состоящий из целого ряда последовательных этапов: отбор доноров, вызывание у них полиовуляции, их осеменение, извлечение эмбрионов, оценка последних, культивирование, замораживание и их пересадка реципиентам. Каждый из этих процессов может значительно влиять на эффективность метода в целом, поэтому строгое соблюдение всей технологии – необходимое условие успешного применения данного метода биотехнологии.
2.1. Отбор доноров
Донор – корова или овца высокой племенной ценности, от которой после гормонального индуцирования суперовуляции и осеменения спермой выдающегося быка или барана – улучшателя получают эмбрионы. Отбор доноров – целенаправленный выбор племенных маток, хорошо реагирующих на гормональную обработку и дающих биологически полноценные эмбрионы. Наиболее важными критериями отбора животных в качестве доноров являются их высокая племенная ценность и хорошие воспроизводительные качества.
