Биотехнологии в животноводстве. Современные биотехнологии в животноводстве. Культуры животных клеток и тканей

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.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новые методы биотехнологий в воспроизводстве животных

биотехнология трансплантация эмбрион генофонд

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.

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.

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 .

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 10000 до 17000 кг молока в год с жирностью 3,5-4,5 %. Продуктивность коров-доноров составляет от 9000 до 12000 кг молока в год с жирностью 3,6-4,7 %.

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 .

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.

Б.Д. Даминов 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.

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.

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 .

М.М. Тойшибеков, Б.Д. Даминов и А.Б. Мусина 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.

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 .

В развитии биотехнологических методов в Казахстане выделяются 6 этапов. Последние 2 этапа 1991-2000 и 2001-2003 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 % .

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.

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 .

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.

Животных с заданными параметрами продуктивности (длинношерстных, мясных, молочных и т. д.) значительно ускорило бы селекционный процесс, направленный на создание высокопродуктивных пород животных.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Виды продуктивности сельскохозяйственных животных: молочная, мясная, шерстная, рабочая. Продуктивность сельскохозяйственной птицы. Перспективы развития животноводства с учетом научно-технического прогресса. Применение биотехнологии в животноводстве.

курсовая работа , добавлен 22.04.2016

Группы крови крупного рогатого скота как основа селекционного процесса. Тестирование типов крови и их использование для определения линий и пород. Использование иммуногенетического мониторинга и биотехнологии трансплантации эмбрионов в воспроизводстве.

курсовая работа , добавлен 02.08.2010

Оценка сельскохозяйственных животных по родословной. Значение конституции и экстерьера при оценке и выборе животных. Способы оценки по экстерьеру и конституции. Методы оценки производителей по качеству потомства в молочном и молочно-мясном скотоводстве.

реферат , добавлен 18.03.2011

Понятие о протеине и его значение для животных. Протеиновая питательность кормов, качество протеина. Питательная ценность протеина для жвачных и моногастричных животных. Доступность и усвоение аминокислот. Решение протеиновой проблемы в животноводстве.

реферат , добавлен 11.12.2011

Перспективы внедрения трансплантации эмбрионов в сфере сельского хозяйства. Перспективы внедрения трансплантации эмбрионов. Осеменение коров-доноров, особенности проведения данной процедуры. Пересадка реципиентам, извлечение и хранение эмбрионов.

курсовая работа , добавлен 04.05.2011

Продуктивность сельскохозяйственных животных. Применение аутбридинга, интербридинга, инкросинга, топкроссинга для устранения последствий близкородственного разведения. Отбраковка нежизнеспособных особей; создание для ценных животных благоприятных условий.

курсовая работа , добавлен 30.04.2014

Породы сельскохозяйственных животных. Методы оценки экстерьера и конституции. Описание, обработка и анализ материалов измерений животных. Учет роста и развития животных. Особенности оценки мясной и молочной продуктивности сельскохозяйственных животных.

курсовая работа , добавлен 15.06.2012

Использование инбридинга в селекции животных. Разведение сельскохозяйственных животных с основами частной зоотехнии. Причины возникновения мутаций в естественных условиях. Гибридизация, полиплоидия, трансплантация эмбрионов. Клонирование млекопитающих.

курсовая работа , добавлен 24.12.2016

Классификация типов конституции сельскохозяйственных животных. Связь конституции и хозяйственной ценности животных, способности к откорму, производственной специализации и скороспелости. Значение конституции и экстерьера при оценке и выборе животных.

курсовая работа , добавлен 23.11.2012

Сущность и значение одомашнивания диких животных. Общая характеристика основных путей увеличения и оценки продуктивности различных сельскохозяйственных животных. Порядок отбора животных на племя. Особенности оценки производителей методом матерей-дочерей.

В стадах черно-пестрой породы Московской области с 1933 по 1988 гг. среднегодовой генетический прогресс: по удою - 48,1 кг, содержанию жира в молоке - 0,003 %, молочному жиру - 2,31 кг. Для холмогорского скота достигнут сдвиг по удою 16 кг, молочному жиру - в 0,3 кг.

В группу отцов быков отбирают наиболее ценных в племенном отношении производителей. Поэтому отцы быков проходят длительный процесс оценки, отбора по происхождению, собственной продуктивности и качеству потомства. На практике быков бракуют: по росту и развитию (10-15 %), половой активности и качеству спермы (20-25 %), оплодотворяющей способности спермы (10-15 %), по качеству потомства, как правило, отбирают одного из четырех быков, поставленных на испытание (из 100 улучшателей - 25 быков).

Требования для быкопроизводящих коров: удой не менее 150 % молока от стандарта породы, содержание жира в молоке на 0,2 % выше стандарта породы, хорошо развитое вымя ваннобразной, чашеобразной или округлой формы с оценкой не менее 3 баллов, живой массой выше стандарта породы. У коров индекс равномерности развития вымени не нижи 43 %, скорость молокоотдачи 1,8-2 кг/мин.

В качестве отцов будущих быков-производителей должны быть быки, оцененные по качеству потомства, имеющие категорию Б по жирномолочности, и А1 по удою, крепкой конституции с оценкой экстерьера и конституции 25-29 баллов и их матери, пригодные к машинному доению. Если производитель не оценен по качеству потомства, то требования к его матери и матери отца должны быть по удою не менее 200 % от стандарта породы, а по жирномолочности на 0,2 % выше стандарта породы.

Для этого в Российской Федерации организованно 325 племзаводов и 700 племрепродукторов, имеется 107 племпредприятий. В Мурманской и Магаданской областях ликвидированы племпредприятия, а осеменение животных проводят спермой быков, приобретенной на Центральной станции искусственного осеменения. В результате - использование высокоценных быков-производителей, оцененных по качеству потомства преферентными (преимущественно) улутшателями. Эти области в настоящее время имеют высокие удои на корову, и на этой основе созданы высокопродуктивные молочные стада крупного рогатого скота.

Реализация всех звеньев крупномасштабной селекции позволяет существенно повысить совершенствование пород крупного рогатого скота в крупных регионах Российской Федерации.

2.Биотехнология в животноводстве

В настоящее время в результате успехов фундаментальных наук возникла возможность развития принципиально новых эффективных методов влияния на организм животных и на их наследственность. Использование биотехнологии позволяет решать большое количество задач, направленных на улучшение генотипа сельскохозяйственных животных.

Главными разделами биотехнологии являются генная и клеточная инженерия. Методы генной инженерии наиболее детально разработаны на микроорганизмах. Разработаны методы, позволяющие направленно изменять генотип микроорганизмов. В отличие от мутаций эти изменения можно планировать.

Для этого следует выделить определенные гены из генома одних животных и встроить их в геном других особей. Так, уже ген саматотропин - гормон роста крысы встроен в геном мыши, в результате резко усилены темпы роста реципиента и увеличилась его конечная живая масса.

Встройка интерферона (интерферон, англ. - препятствовать, мешать, продукт клеток, возникший при заражении вирусом, задерживающий развитие инфекции другими вирусами) в организм животных является важнейшим фактором формирования неспецифической резистентности организма; в результате его действия создаются препятствия развития другой инфекции (интерференция вирусов), препятствует заболеваниям и увеличивает резистентность организма. В связи с этим представляется возможность по заранее намеченному плану реконструировать геном скота, придать ему заранее заданные свойства. Совершенно очевидно, что для достижения таких результатов традиционными методами потребовалась бы работа в течение многих поколений.

Большую важность представляет разработка методов извлечения из яичников коров-доноров яйцеклеток, культивирования, оплодотворения созревших ооцитов in vitro и последующего их раннего развития, а затем трансплантация (пересадка) коровам реципиентам. При этом генно-инженерные манипуляции (приемы работы, требующие большой точности) проводятся на фазе зиготы.

Можно быть уверенным, что в ближайшей перспективе будут созданы новые формы крупного рогатого скота, обладающего рядом уникальных свойств, полученных методами генной инженерии (закономерности конструирования in vitro рекомбинантных молекул ДНК и их поведение в реципиентной клетке). Уже накоплен большой опыт культивирования соматических клеток животных т in vitro, разработаны способы длительного хранения клеток при низких температурах.

Активно проводятся исследования и по культивированию генеративных клеток.

Большое значение приобретает и метод агрегации ранних эмбрионов. Соединение двух целых эмбрионов от разных родителей позволяет получать животных, несущих качества сразу четырех родителей. Эти животные получили название химер. В настоящее время получены межвидовые (овца-коза) и межпородные химеры. В Германии (Брем) получили новое животное из двух половинок эмбрионов, взятых от животных разных пород. У нас в стране также получены химерные особи скота.

Определение пола эмбриона основано на идентификации половых хромосом, полученных методом биопсии раннего эмбриона. Этот метод уже используется на скоте. Трансплантация двух эмбрионов заведомо дает возможность избежать бесплодия телок из разнополых двоек (фримартинизм). Представляется возможным создание банка эмбрионов с заранее определенным полом, что позволит более рационально использовать генетические ресурсы.

Трансплантация. Селекция крупного рогатого скота. Система крупномасштабной селекции в скотоводстве основана на принципах точной генетической оценки животных и широкого использования генетически ценных быков-производителей путем искусственного осеменения. Однако получение быков-производителей с ярко выраженным улучшающим эффектом является относительно невысоким.

При традиционных методах разведения и воспроизводства скота в среднем от каждой коровы получают 4-6 телят (2-3 бычка и 2-3 телки). Таким образом, возможности размножения маток с ценным генотипом в скотоводстве весьма ограничены.

Трансплантация, ранних эмбрионов основана на ускорении процессов размножения потомков ценных коров доноров. Для этого по определенной системе производят оплодотворение яйцеклеток in vitro и вымывание зигот (эмбрионов на 7-8-й день), которые пересаживают коровам-реципиентам. За год получают от донора 10-20 эмбрионов, которые можно заморозить, а затем осуществлять пересадку коровам-реципиентам, пришедшим в охоту. Техника пересадки уже отработана и дает возможность увеличить темпы селекции крупного рогатого скота в 10-20 раз и более.

Клонирование или получение идентичных близнецов из соматических клеток. В США, с помощью микрохирургии, получают клетки из внутренней части плаценты и каждое соматическое клеточное ядро трансплантируют в яйцеклетку, из которой заранее удалено ее собственное ядро. При этом из яйцеклеток развиваются идентичные близнецы, копирующие донора соматических клеток.

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.геномикойгенной инженерией и клонированием

Биотехнология для улучшения здоровья животных На сегодняшний день, по оценкам специалистов, рынок биотехнологических ветеринарных средств составляет 2,8 миллиардов долларов США. Ожидается, что в 2005 году эта цифра возрастет до 5,1 миллиардов. На июль 2003 года на фармакологическом рынке было зарегистрировано 111 биотехнологических ветеринарных продуктов, в том числе убитых бактериальных и вирусных вакцин. Ежегодно ветеринарная промышленность инвестирует в исследования и разработку новых препаратов более 400 миллионов долларов США.

Примеры диагностики и лечения животных – 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; коровье бешенство

Примеры диагностики и лечения животных – 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;геномная дактилоскопия

Примеры диагностики и лечения животных – 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. – 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.

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. Повышение продуктивности скота Именно с нее началась селекция и постепенное уменьшение свиней.

1 способ повышение продуктивности скота 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.

2 способ повышение продуктивности скота 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. генома курицы

3 способ повышение продуктивности скота 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, 2530 тыс. яиц и сэкономить 57 т зерна (Р. С. Рычков, 1982). Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице. 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.

Лекция № 2. Биотехнология животных

1. Культивирование животных клеток

Признание идеи о том, что клетки тканей высших животных можно выделить из организма и затем создать условия для роста и воспроизводства их in vitro, датируется первым десятилетием XX века. После того как стало известно, что подобные процессы реальны, наступил второй этап работ, начало которому положила демонстрация возможности выращивания и репродукции в таких клетках фильтрующихся инфекционных агентов-вирусов. Третий этап истории начинается со времени, когда была показана практическая возможность получения в клетках животных больших количеств вирусного материала для применения в вакцинных препаратах, и простирается до времени, когда: 1) стало возможным вставить в клетки специфические экзогенно полученные гены и получить их экспрессию и 2) подтверждена возможность выращивания в культуре из одиночной клетки целой популяции. Когда такие популяции получали из клетки, выделявшей в окружающую среду антитела, то все молекулы антител в надосадочной жидкости были одинаковыми. Причины и следствия этих двух феноменов в настоящее время интенсивно исследуются и они знаменуют собой начало четвертого этапа работ в данной области.

Чтобы показать способность клеток животных расти и делиться в культуре, потребовалось овладеть рядом подходов и методик. Особенности их приведены ниже.

1. Методики получения клеток, свободных от экзогенных прокариотов и грибов.

2. Методики разработки среды, в которых рост «вырезанных из ткани» или изолированных клеток не подавляется.

3. Методики наблюдения за клетками в динамике их развития.

4. Методики непрерывного культивирования культур клеток животных in vitro и поддержания их свободными от других биологических агентов.

Научную основу для разработки этих методик составляет представление о клетке как основном структурном элементе живых организмов животного и растительного происхождения. Идея о том, что клетки тканей животных можно выделить из организма и затем создать условия для роста и воспроизводства их in vitro возникла на базе концепции, принадлежащей Клоду Бернару. Он предположил, что не только живые организмы способны сохранять постоянство внутренних условий, вне зависимости от изменений в окружающей среде. Клетка вне организма животного тоже будет стремиться поддерживать свои внутренние условия. Если различия между внутренними и внешними условиями будут незначительными, то высока вероятность роста и деления клетки. Такое понимание явления приводит к необходимости разработки сред, способных поддерживать и стимулировать рост клеток вне организма.

Чуть позже, в 1885 году, У. Ру (W. Roux) показал возможность сохранения вне организма живых тканей на практике. Он сохранял в жизнеспособном состоянии оболочку куриного эмбриона в теплом физиологическом растворе. Впоследствии он стал автором, активно публиковавшимся по проблемам эмбриологии in vitro. Позднее, в 1897 г., Лёб (Loeb) поддерживал в жизнеспособном состоянии клетки крови и соединительной ткани в пробирках с сывороткой и плазмой крови. Льюнгрен (1898) показал возможность поддержания эксплантатов кожи человека в жизнеспособном состоянии в кислой среде с сохранением способности к реимплантации. Дополнительные эксперименты были проведены Джолли (1903), наблюдавшим деление клетки в висячей капле, содержащей лейкоциты саламандры, а Биб и Эвинг (1906) подтвердили это при пересадке лимфосаркомной ткани собаки.

Продолжая работы Ру, Росс Харрисон усовершенствовал методику «висячей капли». Он использовал небольшие кусочки ткани, отторгнутые от медуллярного сосуда лягушки к внедренные в ее лимфатический тромб, и выдерживал их в виде капли на нижней стороне покровного стекла, расположенного поверх углубления в предметном стекле. В 1907 г. ему удалось наблюдать с помощью такой «камеры» рост нервных клеток в течение нескольких недель; он установил, что скорость роста этих клеток составляет 20 мкм за 25 мин. В то время как эксперименты Харрисона были направлены на то, чтобы получить ответы на вопросы, относящиеся к физиологии нервных клеток лягушки, методика, которой он пользовался, была применена Барроузом для других клеток тканей теплокровных животных. Этот исследователь в 1910 г. вместо лимфатического тромба использовал тромб плазмы курицы.

В 1913 г. Алексис Каррель применил плазму крови, обогащенную экстрактом эмбриона. Добавка такого экстракта ускоряла рост тканей. Примененная методика обеспечивала значительно большую вероятность успеха, чем та, которую использовали Левис (1911) и Рид (1908 г.). Рид готовила культуры клеток из костного мозга морской свинки и пыталась выращивать эксплантаты на среде определенного химического состава. Работа Карреля привлекла большое внимание, так как она была опубликована под интригующим названием - культивирование «бессмертных» клеток. Инкубация клеток сердца куриною эмбриона была начала 17 января 1912 г. Пересев клеток продолжил Эблинг, как он сам заявлял, работая с ними 34 года. Поскольку Каррель был хирургом и весьма сведущим в вопросах асептики, он смог внести существенный вклад в культивирование клеток животных in vitro. В то же время организация и технические условия проводимых экспериментов были очень громоздкими. Ассистенты Карреля были одеты в длиннополые резиновые халаты темного цвета с капюшонами для полного прикрытия головы. Процедуры были длительными и отягощенными многими деталями. В результате тех требований, которые выдвигались автором в отношении сложных мер предосторожности для предотвращения контаминации, вокруг данного предмета создалась атмосфера таинственности и исключительности, что скорее тормозило прогресс, чем способствовало ему. Тем не менее им было достигнуто многое. В частности, даже при отсутствии антибиотиков он добился успеха в пересадке клеток, используя хирургическую технику для отторжения отдельных колоний и переноса их в новые условия роста. Каррель также продемонстрировал своим коллегам научное значение тех наблюдений, которые могут быть сделаны в процессе пересадки клеток.

В ходе проделанных работ был внесен ряд поправок в рецептуру среды культивирования. В частности, Тирод модифицировал раствор Рингера и в дополнение к куриной сыворотке и эмбриональному экстракту стал использовать коагулят фибрина. Для наблюдения за делящимися клетками животных Канти в 1928 г. разработал метод кинофотомикрографии. В этот же период был разработан дополнительный и очень существенный подход в технике работы с клетками. Имеется в виду применение трипсина для высвобождения клеток из тканевой матрицы, в которой они находятся. Однако эта методика не находила признания до тех пор, пока в 1937 г. Симмс и Стидлман использовали ее для пассирования клеток между культурами плазмы. Эта методика дает возможность успешно применять в культурах индивидуальные клетки, а не ткани.

Впервые клоны клеток в культуре из одиночной клетки были получены Эрлом с сотрудниками в 1948 году. Игл (1955) систематически исследовал пищевые потребности клеток в условиях. До тех пор пока в 1961 г. Хейфлик и Мурхед не выделили линию диплоидных клеток человека (НДС) WI-38, считалось, что один раз установившаяся клеточная линия имеет неограниченное время жизни. Относительно линии WI-38 было показано, что период ее существования в культуре ограничивается приблизительно 50 удваиваниями популяции. Перед отмиранием популяции для клеток этой линии характерен феномен старения. Однако при отмирании эти клетки оставались диплоидными и не имели признаков злокачественных изменений. Клетки, выделенные из раковых опухолей или трансформированные в ходе культивирования, характеризуются «бессмертностью» и коррелируют с гетероплоидностью. Первые суспензионные культуры клеток животных, как правило, основывались на клетках злокачественных тканей. Это - клетки HeLa, выделенные из раковой опухоли шейки матки человека. Перевиваемая линия карциномы шейки матки была выделена еще в 1952 году Джеем с сотрудниками, она используется и в настоящее время во многих лабораториях мира.

Последующий этап в истории культивирования диплоидных клеток человека связан с установлением факта, что они являются генетически стабильными и свободными от всех известных латентных и онкогенных вирусов. Поэтому линии диплоидных клеток человека разрешено применять для получения продуктов, предназначаемых для людей. Эта догма остается действующей и в настоящее время, хотя новейшие открытия отчетливо показали присутствие в клетках, выделенных из нормальных тканей, потенциальных онкогенов, идентичных тем, которые найдены в таких известных онкогенных вирусах, как вирус саркомы Рауса и вирус саркомы Молони. Раус еще в 1910 году индуцировал опухоль, использовав профильтрованный экстракт куриной опухоли. Эта опухоль была индуцирована РНК-вирусом (вирус саркомы Рауса). Позднее было установлено, что ряд вирусов способен индуцировать возникновение опухолей, такие вирусы были названы онкогенными.

2. Введение в культуру животных клеток

Системы культивирования клеток

Существует 2 основных системы культивирования клеток.

1. Непроточные культуры – тип культур, в котором клетки вводят в фиксированный объем среды. По мере роста клеток происходит использование питательных веществ и накопление метаболитов, поэтому среда должна периодически меняться, что приводит к изменению клеточного метаболизма, называемого еще и физиологической дифференцировкой. Со временем, в результате истощения среды происходит прекращение пролиферации клеток.

Увеличить продолжительность жизни непроточных культур можно несколькими способами:

· прерывистый (часть культуры заменяется равным объемом свежей среды);

· постоянный (объем культуры увеличивается с постоянной низкой скоростью, а небольшие порции клеток периодически удаляются);

· перфузионный (осуществляется постоянное поступление свежей среды в культуру и одновременное удаление равного объема использованной (бесклеточной) среды).
Перфузия может быть открытой, когда из системы удаляется вся среда, и закрытой, когда удаляемая среда проходит через дополнительный сосуд, где восстанавливается ее рН и осуществляется аэрирование, и возвращается в культуральный сосуд.

Все системы непроточных культур характеризуются накоплением отходов в той или иной форме и непостоянством внешних условий.

2. Проточные культуры обеспечивают истинные гомеостатические условия без изменения концентрации питательных веществ и метаболитов, а также числа клеток. Гомеостаз обусловлен постоянным вхождением среды в культуру и одновременным удалением равного объема среды с клетками. Такие системы пригодны для суспензионных культур и монослойных культур на микроносителях.

Существует 2 крупных направления в культивировании животных клеток:монослойные культуры и суспензионные культуры.

Суспензионные культуры предпочтительнее с точки зрения увеличения выхода клеток.

Монослойные культуры также обладают рядом преимуществ:
1. Легко провести полную замену среды и промыть клетки перед добавлением свежей питательной среды. Это важно в тех случаях, когда рост клеток идет в одних условиях, а наработка продукта в других условиях, например при переносе клеток из среды с сывороткой в бессывороточную среду. Можно также полностью удалять нежелательные компоненты.
2. Позволяют обеспечить высокую плотность клеток.
3. У многих клеток экспрессия требуемого продукта идет эффективнее, если клетки прикреплены к субстрату.
4. Монослойные культуры могут быть использованы для любого типа клеток, что обеспечивает наибольшую гибкость исследований.
5. В некоторых случаях, например для распространения вирусов, требуются тесные межклеточные контакты.

Недостатками монослойных культур являются:

· требования большого пространства;

· возрастание стоимости и трудоемкости при увеличении масштаба;

· недостаточно эффективный контроль, обусловленный трудностями отбора пробы;

· сложности в определении и контролировании рН, концентрации кислорода.

Необходимо отметить, что применение микроносителей устраняет эти недостатки. Существует много различных разновидностей этого способа культивирования. Рассмотрим три основных направления:

1. Культивирование в плоских флаконах (матрацах).

2. Культивирование во вращающихся бутылях, когда в каждый момент времени 1520% поверхности бутыли покрыто питательной средой, а клетки находятся попеременно то в среде, то в воздухе.

3. Культивирование в колонках на микроносителях, в качестве которых выступают плотно упакованные, не смещающиеся стеклянные бусы диаметром 35 мм, стопка пластин и др., а питательная среда омывает их, протекая сверху вниз.

3. Клонирование животных

История клонирования

Американские исследователи С. Стик и Дж. Робл, используя методику МакГрата 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 в1987 провели работы по пересадке ядер крупного рогатого скота. Они пересаживали в зиготы кариопласты – мужской и женский пронуклеусы вместе 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 вместе 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 ядер 16-64-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 немного. 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 TNT4.

Чтобы донорское ядро и реципиентная цитоплазма находились на сходных стадиях клеточного цикла, останавливали деление культивируемых клеток TNT4 на определенной стадии (G O) 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 TNT4. 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 финн дорcет, 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 морул или бластоцист при культивировании in vitro в одной серии опытов был даже вдвое выше, чем при культивировании в яйцеводе.

Выход морул или 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 морул или 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 финн дорсет 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.

Несмотря 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.

4. Технология трансплантации эмбрионов

Воспроизводство животных – это основной фактор, лимитирующий эффективность производства животноводческих продуктов на промышленной основе. Причины, препятствующие достижению оптимальных результатов в воспроизводстве домашнего скота различны. Новые методы расширяют возможности регулирования воспроизводства. Они связаны с манипулированием на уровне клеток или эмбрионов, с использованием физиологически активных соединений, поэтому названы биотехнологическими. К числу этих методов 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.

Стимуляция и синхронизация охоты осуществляется с помощью прогестерона – женского полового гормона стероидной природы, регулирующего ход эстрального цикла, простагландинов, а также их комбинации. Этот прием позволяет вызывать появление охоты у групп племенных животных в один и тот же период времени.

В США для синхронизации охоты у телок в молочном и мясном скотоводстве выпускается новый препарат под названием “Синхро-мейт-В”. Он представляет совокупность двух гормонов, один из которых имплантируется под кожу, а другой инъецируется внутримышечно. Имплант помещается под кожу уха телки и сразу же после этого следует инъекция другого гормона. Под действием этих двух гормонов эстральный цикл телки прерывается и временно останавливается. Через некоторое время имплант удаляют из уха животного, начинается новый эстральный цикл. Так как имплант удаляется одновременно у всех телок, то и цикл начинается в одно и то же время.

Применение гормональных препаратов снимает необходимость ежедневного контроля за состоянием половой активности животных. Преимущество синхронизированной охоты состоит в реальной возможности формирования однородных групп животных в период осеменения, одновременности рождения приплода, точном учете кормов в группах.

Суперовуляция

Потенциальные возможности воспроизводства самок млекопитающих огромны. В их яичниках содержатся десятки и сотни тысяч овоцитов. Однако в процессе онтогенеза лишь небольшая часть из них реализуется в виде потомков. Остальные овоциты подвергаются атрезии (обратному развитию) и воспроизводстве не участвуют.

Суперовуляция – состояние, вызванное гормонами, когда в яичниках животных развивается и овулирует в несколько раз больше яйцеклеток. В зависимости от вида число овулирующих яйцеклеток может быть увеличено в 3 – 8 и даже в 50 раз. С помощью этого приема становится возможным получение большего количества эмбрионов от лучших по продуктивности коров.

Искусственное осеменение

Искусственное осеменение животных является самым старым и хорошо отработанным биотехнологическим методом разведения сельскохозяйственных животных. Применение этого метода позволяет ограничить распространение половых инфекций, которые нередко служат причиной бесплодия животных. Оно также позволяет эффективно использовать генетический потенциал лучших производителей. Экономический эффект от искусственного осеменения обусловлен снижением затрат на содержание большого поголовья производителей, возможностью быстрого размножения генотипа с хозяйственно – полезными признаками, улучшением генетического потенциала ремонтного стада.

Трансплантация эмбрионов

Трансплантация эмбрионов в настоящее время является одной из наиболее актуальных проблем в области животноводства. С помощью пересадки эмбрионов можно резко увеличить выход числа потомков от высокопродуктивных коров. Трансплантация эмбрионов, или эмбриотехнология, заключается в получении одного или нескольких эмбрионов из матки племенных животных (доноров) и пересадке в матку коров (рецепиентов), где эмбрионы развиваются до отела. Этот метод в сочетании с суперовуляцией у доноров позволяет получить большое потомство от высокопродуктивных животных. Этим способом эмбрионы можно внедрить в ту или иную породу в другие регионы, используя в качестве рецепиентов коров мясных пород. Применение этого метода также упрощает обмен генофондом сельскохозяйственных животных между странами и континентами. Пересадка эмбрионов может быть использована для получения потомства от ценных, но бесплодных коров, утративших способность к размножению в результате несчастного случая, болезни или по возрасту.

Когда было установлено, что кролик обладает иммунитетом по отношению к ящуру, была выдвинута идея использования метода трансплантации для оздоровления потомства зараженных ящуром животных. Половые пути кролика, куда трансплантируются эмбрионы, способны разрушать вирус ящура в эмбрионах. Трансплантация может быть использована и для временного хранения эмбрионов. В яйцеводах крольчих удается осуществлять трансконтинентальную перевозку эмбрионов овец.

Извлечение эмбрионов до 70-х годов производили в основном хирургическим путем, впоследствии он был заменен менее травматичным и трудоемким нехирургическим, основанным на введении в матку особого зонда по естественному каналу. Зонд имеет три канала. Один из каналов предназначен для надувания баллончика, который закупоривает рог матки, препятствуя вытеканию жидкости. По другому каналу вводится физиологический раствор с температурой 25-30 о С, который вымывает эмбрионы и возвращается вместе с ними через третий канал зонда в пробирку, помещенную в водяную баню с температурой 35 о С. Из этой жидкости извлекаются эмбрионы. В среднем при суперовуляции от донора можно получить от 5 до 7 эмбрионов.

Трансплантацию производят с помощью специального зонда или пистолета для осеменения. Эмбрионы помещаются в рога матки. Стельность у самок – рецепиентов проверяется по уровню прогестерона в плазме крови на 21-й день.

Регулирование пола. В практике разведения животных очень важно научиться управлять образованием в потомстве мужских и женских особей. Метод разделения эмбрионов по полу основан на определении белков, специфичных для самцов. Этом метод широко применяется в животноводческой практике многих стран. В Канаде уже с 1975 года рождаются телята, разделенные по полу на стадии эмбрионов. В перспективе для целенаправленного получения особей мужского или женского пола может быть применен метод микрохирургической замены Х и У хромосом. Такие манипуляции уже проводились на растительных клетках и яйцеклетках земноводных.