Генетические маркеры молочной продуктивности крупного рогатого скота (обзор) Текст научной статьи по специальности «Животноводство и молочное дело»

www.agroyug.ru

DOI 10.24412/cl-33489-2022-6-74-77 УДК 636.034 'Худякова Н.А., научный сотрудник, e-mail: [email protected] 'Кудрина М.А.,

младший научный сотрудник, e-mail: [email protected]

'Ступина А.О.,

младший научный сотрудник, e-mail: [email protected]

'Гинтов В.В.,

ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected]

2Селькова И.В., научный сотрудник, e-mail: [email protected] 'Токарчук Т.А.,

младший научный сотрудник, e-mail: '7''[email protected] 'Лаборатория информационных технологий в АПК 2Лаборатория иммуногенетической экспертизы

ФГБУ науки Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова Уральского отделения РАН

Аннотация. Анализ аллелофонда крупного рогатого скота по локусам генома молочных белков каппа-казеина и бета-казеина, бета-лактоглобулина, а также гормонов, соматотропина, пролактина, лептина и создание на основе генотипиро-вания племенного ядра с высоким потенциалом молочной продуктивности - одна из важных широкомасштабных задач, стоящих перед российским скотоводством. Отбор особей на основе применения ДНК-маркеров, несущих желательные аллели и генотипы исследованных генов, связанных с хозяйственно-полезными признаками, является одним из основных подходов в текущей ситуации, когда интенсивно использовались племенные животные и биопродукция из-за рубежа.

Ключевые слова: генотип, гены молочной продуктивности, каппа-казеин, бета-казеин, бета-лактоглобулин, сома-тотропин, пролактин, лептина, полиме-разная цепная реакция.

Abstract. Analyzing the genome of cattle by the genome loci of milk proteins kappa-casein and beta-casein, beta-lactoglobulin, as well as hormones, somatotropin, prolactin, leptin is an important task. If the breeding core is created based on genotyping^ of the breeding core, this will solve the big task facing Russian cattle breeding. Animals will be selected based on the use of DNA markers bearing the desired alleles and genotypes of the studied genes associated with economically useful traits. Previously, breeding animals and bioproducts from abroad were intensively used in Russia.

Keywords: genotype, milk production genes, kappa-casein, beta-casein, beta-lac-toglobulin, somatotropin, prolactin, leptin, polymerase chain reaction.

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ МОЛОЧНОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА (ОБЗОР)

Повышение спроса на качественную продукцию перерабатывающих предприятий молочной промышленности диктует необходимость внедрения современных методов диагностики генетических ресурсов крупного рогатого скота для улучшения пищевой ценности и технологических свойств молока.

К настоящему времени накоплено большое количество информации, подтверждающей значимость влияния полиморфизмов различных генов на хозяйственно-полезные признаки животных, так можно считать ДНК-маркеры важными критериями для селекционного отбора животных. Обнаружение и использование предпочтительных аллельных вариантов таких генов дополнительно к традиционным методам отбора крупного рогатого скота позволит сократить общие временные затраты и повысить эффективность селекционных работ.

В настоящее время среди множества изучаемых генов, обусловливающих качественные и количественные характеристики молока, можно выделить группу генов, вносящих наибольший вклад в формирование данных параметров (таблица 1).

ДНК-диагностика крупного рогатого скота на наличие в геноме А- и В-аллелей гена CSN3 (ген каппа-казеина) представляет практический интерес для отрасли молочного животноводства, так как достоверно позволит повысить качественные показатели получаемой молочной продукции. Ген каппа-казеина, связанный с признаками белковомолочности и другими технологическими свойствами молока имеет важное значение для дальнейшей селекции.

Установлено, что В-аллель ассоциирована с более высоким содержанием белка и лучшими коагуляционными свойствами молока. Также показано, что высококачественные твёрдые сыры могут быть получены только из молока, полученного от коров, имеющих генотип Вв каппа-казеина [1].

ЭФФЕКТИВНОЕ ЖИВОТНОВОДСТВО

Таблица 1.

Спектр потенциальных ДНК-маркеров молочной продуктивности крупного рогатого скота.

Белок/ гормон Качественные и

Ген количественные

характеристики молока

ОБШ Каппа-казеин Содержание жира и белка в молоке; сыропригодность

ОБЫ2 Бета-казеин Содержание белка и жира в молоке; технологические свойства молока

BLG Бета-лактоглобулин Содержание жира; сыропригодность молока; удой

PRL Пролактин Удой; синтез основных компонентов молока

GH Соматотропин Рост; развитие; течение лактации; состав молока

LEP Лептин Продуктивное долголетие животного; состав молока; удой

Другой не менее важный ген - ген бета-казеина (ОБ№). Бета-казеин состоит из цепочки 209 аминокислот и является одним из основных белков в коровьем молоке, на его долю приходится приблизительно 30% от всех молочных белков.

В настоящее время задокументировано 12 различных аллелей бета-казеина крупного рогатого скота: А1, А2, А3, В, С, D, Е, F, Н1, Н2, I и G, среди которых наиболее изученными являются варианты А1 и А2, отличающиеся одной аминокислотной заменой: в 67 позиции пролин заменен на гистидин [2].

Считается, что изначально молоко крупного рогатого скота содержало только бета-казеин типа А2. Благодаря мутации, произошедшей несколько тысяч лет назад в поголовьях скота в Северной Европе, часть коров стали давать молоко типа А1. После чего такие животные получили широкое распространение по всему миру, благодаря высоким удоям, и, в настоящее время, данный вариант является наиболее распространенным [3, 4].

Свыше 95% всего казеина в молоке находится в мицеллярной форме. Образование мицелл бета-казеина носит обратимый характер (под воздействием температуры, концентрации соли и рН). Бета-казеин в мицеллярной форме более стабилен, чем мицеллы низкомолекулярных поверхностно-активных веществ. В связи с чем одним их важных технологических свойств молочного белка бета-казеина является термоустойчивость [5].

При переваривании в желудочно-кишечном тракте человека молока типа А1 выделяется бе-та-казоморфин-7 (БКМ-7) - пептид, состоящий из семи аминокислот и обладающий опиоидными свойствами, а при переваривании молока типа А2 данный пептид не выделяется. Присутствие пролина вместо гистидина в варианте А2 предотвращает гидролиз пептидной связи между остатками 66-го и 67-го в бета-казеине А2 и ингибирует выработку бета-казоморфина-7. Показано, что БКМ-7 может влиять на развитие таких заболеваний, как сахарный диабет 1 типа, синдром внезапной смерти новорожденных, ишемическую болезнь сердца и сердечно-сосудистые заболевания [6].

Не менее значимым маркером является ген сывороточного белка - бета-лактоглобулин (BLG). В отношении данного гена установлено его положительное влияние на биохимические и технологические характеристики молока, однако до настоящего времени нет единого мнения, какой из аллелей,

А или В, наиболее предпочтителен. Так, имеются данные, что молоко, полученное от коров с аллелью В, характеризуется более высоким содержанием белка и жира, в то время как вариант А в большей степени связан с величиной удоев. Также, присутствие аллеля В бета-лактоглобулина в генотипе животных значительно улучшает характеристики казеинового сгустка: прочность, продолжительность свертывания. Кроме того отмечается, что уровень влияния той или иной полиморфной формы гена бета-лактоглобулина различается в зависимости от породной принадлежности.

Достижения в сфере современной молекулярной генетики позволяют исследовать не только гены, коррелирующие с хозяйственно-полезными признаками крупного рогатого скота, но и гены, отвечающие за выработку гормонов.

Пролактин - один из универсальных гормонов гипофиза с точки зрения его биологической функциональности. Ему принадлежит определяющая роль в лактогенезе, где основное его действие

- стимуляция развития молочных желез и лактации. Он действует на альвеолы молочных желез и отвечает за синтез основных компонентов молока, включая белки, лактозу и липиды. Пролактин участвует в каждой стадии экспрессии генов молочного белка, то есть транскрипции, стабилизации мРНК, трансляции и пост-трансляционной модификации белков. Ген пролактинового рецептора имеет 2 ал-лельных варианта: А и В. Установлено, что аллель В обусловливает более высокое содержание белка в молоке, лучшие коагуляционные свойства молока и больший выход сыра. По данным исследователей, коровы с генотипом ВВ по гену пролактина являются наиболее высокомолочными и жирномолочными, а также имеют самый высокий выход белка и молочного жира [7].

Гормон роста соматотропин, синтезируемый в передней доле гипофиза, интересен тем многообразием функций, которые он выполняет. У жвачных животных соматотропин играет важную роль в росте и развитии животного, его размножении, а также лактации. Основной его биологический эффект заключается в регуляции постнатального развития и стимуляции метаболизма (белкового, липидного, углеводного, минерального), а также течения лактации и состава молока. Установлено, что соматотропин стимулирует выработку фактора, обеспечивающего нормальное функционирование клеток гранулезы, что в дальнейшем обеспечивает созревание биологически полноценной яйцеклетки. Рядом ученых подтверждена связь различных полиморфных вариантов гена соматотропина с такими полезными признаками, как рост и развитие, молочная продуктивность (удой, содержание жира, белка в молоке) [7].

Лептин - гормон, вырабатываемый адипоцитами

- клетками жировой ткани, играет важную роль в метаболизме, в частности, в накоплении жира в организме. Лептин участвует в регуляции пищевого поведения, влияет на функционирование иммунной системы и репродуктивную функцию, а также на рост и конституцию животных.

Ген лептина расположен в 4 хромосоме крупного рогатого скота. Структурно лептин представляет собой протеин, состоящий из 167 аминокислот и включающий 21 аминокислотную сигнальную последовательность. Лептин интересен для селекции тем, что во многом определяет молочную продуктивность скота, содержание компонентов в молоке (белка и жира), и, что не менее важно, он связан с продуктивным долголетием сельскохозяйственных

www.agroyug.ru

животных. Установлена связь гена с продолжительностью функционального использования коров [8].

Значительную помощь селекции в молочном животноводстве может оказать генетическая информация об аллельных вариантах генов, контролирующих синтез молочных белков. Благодаря методу ДНК-диагностики стало возможным идентифицировать генотипы молочных белков у быков-производителей и молодняка, что позволяет эффективно использовать генотипирование в селекционном процессе. Все белки молока характеризуются наличием генетически обусловленных полиморфных вариантов, отличающихся одной или несколькими аминокислотами. Генотип животного по молочным белкам, служит пожизненным маркером, не зависящим от изменения внешней среды и состояния организма животного [9].

Для оценки потенциала молочной продуктивности разработан метод ДНК-маркирования племенных животных по генам, связанным с молочной продуктивностью: ген бета-казеина А1/А2, ген каппа-казеина CSN3 [8], ген альфа-лактоглобулина (LAG), ген бета-лактоглобулина (BLG).

Большинство современных научных специалистов заинтересованы в изучении генов молочных белков и, следовательно, генотипировании крупного рогатого скота, так как точная и оперативная информация о генетических маркерах позволит селекционерам увеличивать эффективность своей работы в молочном скотоводстве на 20-25%.

Для определения генов коров используется кровь, взятая путем венепункции, или волосяные фолликулы из хвоста коров. Далее ДНК экстрагируют, в отличии от фенолхлороформного метода и осаждения ДНК этанолом, использование автоматических экстракторов из наборов для выделения и отчистки нуклеиновых кислот (например, ZIBIO, Easy-DN^ Quick-gDNA MiniPrep и др). обеспечивают быстрое и качественное извлечение ДНК из биоматериала, а также они безопасны для здоровья человека [10].

После экстракции ДНК ее подвергают ПЦР-ам-плификции, ПЦР смесь состоит из: геномной ДНК, праймеров (прямой и обратный), dNTPs, MgCl2, Tag ДНК-полимеразы и буфера. Количество вносимых компонентов в реакционную смесь рассчитывается исходя из общего объема смеси. Праймеры используемые для ПЦР подбираются исследователями самостоятельно, для определения аллелей данного молочного белка. Условия термоциклирования ПЦР так же определяются исследователем исходя из характеристики выбранных праймеров, так как температура отжига ПЦР должна быть ниже, примерно на 5 0С, температуры их плавления [3].

Для определения качества и количества полученных продуктов амплификации используют спектрофотометры (например, BioSpec-nano UV-VIS и др.), в отличии от электрофореза в агарозном геле и документации под УФ-освещением (например, MiniBIS Pro), спектрофотометры имеют высокую чувствительность при анализе пробы, так же приборы довольно просты, быстры и надежны в использовании [10].

В современном мире довольно популярным в научном сообществе становится определение генотипа крупного рогатого скота с помощью метода секвенирования, в отличии от методики рестрик-ционного анализа с визуализацией результатов путем электрофореза на агарозном геле, метод секвенирования имеет высокую точность геноти-пирования, следовательно повышается качество исследования и снижается риск ошибки. Реакции

секвенирования проводят с помощью различных наборов (например, BigDye Terminator v3.1, ABI prism BigDye Terminator Cycle) на анализаторе ДНК (например, Prism 3730XL, BioSpec-nano UV-VIS, ABI PRISM 3100 Genetic Analyser и др.). Затем полученные последовательности ДНК выравнивают с помощью различных программных обеспечений (например, CLUSTAL/W, Geneious 5.6.5) [10].

Современные новые технологии и материалы, используемые научными специалистами, позволят увеличить точность и качество проводимых исследований, а также снизить трудозатраты на определение генов крупного рогатого скота, что, в свою очередь, позволит вести качественную селекционную работу.

Анализ аллелофонда крупного рогатого скота по локусам генома, ответственным за развитие хозяйственно-значимых признаков, и создание на этой основе стада животных с высоким потенциалом продуктивности, является для хозяйств серьезной задачей. На одном из этапов ее решения в селекционной практике применяют методы ДНК-маркирования и используют их результаты для отбора животных желательных генотипов, а также корректировки программ разведения и выращивания ремонтного молодняка для формирования высокопродуктивного, генетически однородного оздоровленного поголовья племенного скота. Отбор элитного молодняка в ремонтное стадо по этим маркерам позволит направленно формировать высокопродуктивное поголовье коров [8].

Идентификация аномалий, обусловленных генетикой, отбраковка животных-носителей (главным образом, производителей), а также преимущественное пользование животными с требуемыми аллелями генов хозяйственно-полезных признаков является приоритетом на современном этапе развития животноводческой отрасли. Принимая во внимание актуальность таких исследований и интеграцию поддержки в научном сообществе, производстве и рынке, существует практическая необходимость в разработке, тестировании и применении расширенной комплексной генетической оценки крупного рогатого скота, основываясь на технологиях молекулярной генетики.

В результате использования новейших методик оценки племенной ценности и новых более эффективных методов селекционно-племенной работы будет гарантировано получение потомства с продуктивностью не ниже родительской и не уступающим зарубежным аналогам. Новая технология генотипирования, применяемая в племенной работе непосредственно в агрофирмах, обеспечит воспроизводство основного стада и получение продукции высокого качества [10].

Вывод. Поиск резервов для увеличения производства молока, повышение продуктивности животных и улучшения качества продукции на основе инновационных технологий оценки племенных животных является основной задачей племенной работы в животноводстве. Проведение анализа аллелофонда крупного рогатого скота по локусам генома, молочных белков каппа, бета-казеинов, бета-лактоглобулина, а также гормонов роста со-матотропина, пролактина, лептина, ответственным за развитие хозяйственно-значимых признаков, и создание на этой основе племенного ядра с высоким потенциалом молочной продуктивности -одна из широкомасштабных задач, стоящая перед скотоводством. Одним из подходов для решения этой задачи является применение ДНК-маркеров

ЭФФЕКТИВНОЕ ЖИВОТНОВОДСТВО

^ ll

для отбора особей, несущих желательные аллели и генотипы исследованных генов, связанных с хозяйственно-полезными признаками.

Проблема скрининга племенных животных в настоящее время особенно актуальна, так как ранее в хозяйствах интенсивно использовались племенные животные и биопродукция из-за рубежа. Производственная необходимость свидетельствует о важности проводимых исследований в области генетики, а также изменчивости, наследуемости и связей между генетическими маркёрами с хозяйственно полезными признаками животных, что позволит более эффективно использовать их потенциал для совершенствования системы селекции. В качестве потенциальных маркеров молочной и мясной продуктивности крупного рогатого скота также могут рассматриваться аллели генов соматотропина, пролактина, лептина.

Увеличение внедрения комплексных научных разработок в практическое животноводство значительно повлияет на рентабельность молочного скотоводства. На практике в отраслях животноводства редко используются молекулярно-генетические маркеры молочной продуктивности, что в последствии не позволяет избегать ошибок при селекции по желательным генам и признакам, а также при отборе элитного молодняка в ремонтное стадо по этим маркерам, что позволило бы направленно формировать высокопродуктивное поголовье коров.

Можно с уверенностью констатировать, что ведение селекционной работы с учетом генотипирования по аллельным вариантам генов-маркеров молочных белков и гормонов на основе новейших ДНК-технологий позволит расширить научные знания о генетическом потенциале животных и будет способствовать раскрытию механизмов формирования признаков молочной продуктивности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сычева, О.В. Повышение молочной продуктивности и качества молока под контролем генетических маркеров // Современное экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты рационального природопользования: II междунар. науч.- практ. интернет-конф. / ФГБНУ «Прикаспийский НИИ аридного земледелия». 2017. С. 1422-1424.

2. Haq, M.R.U., Kaplia, R., Sharma. Comparative evaluation of cow-casein variants (A1/A2) consumption on Th2-mediated inflammatory response in mouse gut // European Journal of Nutrition. 2013. P. 1-11.

3. Hockey, M., Aslam, H., Berk, M., Pasco, J.A., Ruusunen, A., Mohebbi, M., Macpherson, H., Chatterton, M.L., Marx, W., O'Neil, A., Rocks, T., McGuinness, A.J., Young, L.M., Jacka, F.N. The Moo'D Study: protocol for a randomised controlled trial of A2 beta-casein only versus conventional dairy products in women with low mood // Trials. 2021. 22 (1). 899.

4. Ковалюк Н.В., Сацук В.Ф., Куликова Н.М., Мирошниченко А.В. Опыт отбора животных - продуцентов молока типа А2 в АО «Агрообъединение кубань» // Эффективное животноводство. 2019. 1 (149). С. 62-63.

5. Diana Rocha-Mendoza, Rafael Jim nez-Flores, Casein Nomenclature, Structure, and Association, Editor(s): Paul L.H. McSweeney, John P. McNamara, Encyclopedia of Dairy Sciences (Third Edition), Academic Press, 2022.

6. Kuellenberg de Gaudry, D., Lohner, S., Bischoff, K., Schmucker, C., Hoerrlein, S., Roeger, C., Schwingshackl, L., Meerpohl, J.J. A1-and A2 beta-casein on health-related outcomes: a scoping review of animal studies // European Journal of Nutrition. 2022. 61(1).

7. Багаль, И.Е., Павлова И.Ю., Хабибрахаманова Я.А., Калашникова Л.А., Ялуга В.Л. Генотипирование холмогорского и голштинского скота по генам пролактина и соматотропина // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2014. № 5. С. 11-13.

8. Багаль И.Е., Хабибрахманова Я.А., Калашникова Л.А., Павлова И.Ю., Ялуга В.Л., Прожерин В.П. Полиморфизм гена лептина в холмогорской породе // Современные проблемы зоотехнии, сборник конференции. 2018. С. 339-341.

9. Силкина С.Ф., Белов Д.Е., Скокова А.В., Марутянц Н.Г. Распределение аллельных вариантов гена каппа-казеина в потомстве молочного скота Ставропольского края // Сборник научных трудов Ставропольского научно-исследовательского института животноводства и кормопроизводства. 2013. Т. 3. № 6. С. 246-249.

10. Ristanic M., Glavinic U., Vejnovic B., Maletic M., Kirovski D., Teodorovic V., Stanimirovic Z. Beta-Casein Gene Polymorphism in Serbian Holstein-Friesian Cows and Its Relationship with Milk Production Traits // Acta Veterinaria. 2021. T. 70. №4. С. 497-510.

ООО «СамПлемЦентр» - источник высококачественной генетики!

% wr -г'

Совместное

российско-германское предприятие «САМАРСКИЙ ПЛЕМЕННОЙ ЦЕНТР»

Семя племенных быков-производителей по вашей индивидуальной заявке

Сексированное семя отобранных вами быков-производителей

• План подбора животных для повышения генетического потенциала молочного стада

• Интеллектуальная поддержка, знания и накопленный опыт в организации основных звеньев сложных биотехнологических процессов

Suprem

Плем. № 265155

№1 по индексу племенной ценности(gRZG)163

gRZG 163 gRZM161 B-CaseinA2/A2 B-Casein BB +2597 -0,07 +94 -0,07 +79

Sinus

Плем. № 264290

Входит в десятку лучших производителей Германии!

Aragon Отличается особенной

Плем. № 264676 гениалогией происхождения

gRZG147 gRZ140 K-Casein BB МОЛОКО ЖИР % ЖИР кг БЕЛОК % БЕЛОК кг

+1579

+0,07

+70

-0,04

+49

gRZG147 gRZ140

МОЛОКО +828

ЖИР % +0,25

ЖИР кг +58

БЕЛОК % -0,18

БЕЛОК кг +46

Использование интенсивной селекции способствует повышению генетического потенциала стад и обеспечивает быстрый рост продуктивности животных и, как следствие, увеличение молока и мяса.

446402, Самарская обл., Кинельский р-н, с. Сырейка, ул. Первомайская, д. 11 Тел.: +7 960 850 17 96 Ольга +7 937 070 22 38 Ольга 8 846 247 77 04 E-mail: [email protected] [email protected] www.samplemcenter.ru