Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Иммунно- и цитогенетические аспекты использования маркирующих систем крови в скотоводстве

ВАК РФ 06.02.01, Разведение, селекция, генетика и воспроизводство сельскохозяйственных животных

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора биологических наук, Лобков, Вячеслав Юрьевич, Ярославль

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

Ярославский научно-исследовательский институт животноводства и кормопроизводства

на правах рукописи

ЛОБКОВ Вячеслав Юрьевич

ИММУНО- И ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАРКИРУЮЩИХ СИСТЕМ КРОВИ В СКОТОВОДСТВЕ

Специальность: 06.02.01. - Разведение, селекция, генетика и воспроизводство сельскохозяйственных животных

Диссертация

на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научный консультант:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик Россельхозакадемии Л.К.Эрнст

Ярославль, 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Генетические маркеры крупного рогатого скота. 2.1.1. Группы крови крупного рогатого скота. История

Стр. 5 11 И

И

изучения и номенклатура. Полиморфизм белков и ферментов крови.

2.1.2. Генетитческие маркеры в селекции крупного рога- 30 того скота.

2.1.4. Антигены Главного комплекса гистосовместимости 40 сельскохозяйственных животных и заболевания.

2.1.5. Цитогенетические методы оценки племенных живот- 43 ных. Хромосомные аномалии.

2.2. Методы биотехнологии в селекции крупного рогатого 53 скота.

3. МАТЕРИАЛ, МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. 57

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. 69

4.1. Применение генетических маркеров. Теоретические 69 и прикладные аспекты.

4.1.2. Оценка генотипа животных по генетическим маркерам. 70 4. 2. Аллелофонд и микрофилогенез популяций ярославско- 81 го скота.

4.2.1. Использование генетических маркеров при выведении 94 животных нового заводского типа.

4.2. 2. Генеалогическая структура животных нового типа. 102

2.1.3. Главный комплекс гистосовместимости (МНС).

34

4.2.3. Использование кластерного анализа в селекции. 103

4.2.4. Генетическая структура ярославского скота по по- 117 лиморфным белкам и ферментам крови.

4.2.5. Использование иммуногенетических методов для 120 паспортизации племенных животных.

4.2.6. Генетический полиморфизм антигенов ВоЬА-системы. 126

4.2.7. Становление антигенности эритроцитарных структур 126 в онтогенезе.

4.2.8. Подбор животных в донорском стаде. Программное 128 обеспечение.

4.2.9. Оценка эффективности применения различных иммуно- 135 модуляторов в процессе получения сывороток.

4.3. Получение моноспецифических сывороток для иден- 141 тификации антигенов ЕА - системы. Модификация постановки реакции гемолиза.

4.4. Полиморфизм белков молока. 153

4.5. Иммуно -цитогенетические тесты подхода к опреде- 158 лению типа зиготности у телят-близнецов-трансплантантов.

4.6. Цитогенетические методы оценки племенных животных. 165

4.6.1. Анализ кариотипа ярославского скота. 171

4.6.2. Воспроизводительная функция быков и полиморфизм 174 У-хромосомы. Показатели спермопродукции и воспроизводительной способности быков ярославской породы.

4.7. Этиология врожденных аномалий у крупного рогатого 191 скота.

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. 194

6. ВЫВОДЫ. 209

7. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ. 212

8. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 213

9. ПРИЛОЖЕНИЯ 258

1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одним из наиболее эффективных путей обеспечения роста производства продуктов скотоводства является использование современных селекционно-генетических методов качественного его улучшения. Успехи изучения групп крови, полиморфных белков и ферментов крови, полиморфизма ДНК, кариотипов в популяциях животных обусловили проведение реальной оценки потенциальных возможностей организма животного по его внутренним морфофизиологическим особенностям.

К генетическим маркирующим системам А.К.Rouchoudhury., M. Nei (1988) относили ряд близких типов биохимического полиморфизма крови: внутривидовые серологические различия по антигенам эритроцитов, полиморфные локусы белков и ферментов, антигены главного комплекса гистосовместимости, аллотипы белков сыворотки крови, антигены тромбоцитов, полиморфные системы ДНК, биохимически активные образования (комплексы) между вышеприведенными системами.

Одним из важнейших механизмов адаптации организма и фактором направленным на сохранение антигенного гомеостаза является система крови, обеспечивающая структурную и функциональную целостность организма, сохраняющая его генетическую индивидуальность в онтогенезе. Хотя роль отмеченных алллоантигенов плазмы и клеточных структур крови до последнего времени окончательно не установлена, их разнообразие и количество заставляет предполагать об исключительно важной функции, которую они выполняют в организме.

Открытие и изучение генетических систем в крови сельскохозяйственных животных стало важным шагом в иммунобиологии (J.Matou-

sek. 1965., F.Zur.1972..1983., A.M.Машуров.1980., E.M.Tucker.1964., 1965.,1970..1988.,Y.Suzuki.1960..1968., С.Stormont.1951..1968.,В.H. Тихонов.1966.1986) для практического использования в качестве маркеров количественных признаков, маркирования пород, линий, популяций, контроля родословных, повышения жизнеспособности и резистентности при селекции на эти показатели, трансплантации зигот и ранних эмбрионов, при изучении микроэволюционных процессов, выявлении и изучении хромосомных аномалий (D.0. Schmid 1971,1975,1985., R.А. Ananthakrishnan 1973., V. Arendonk 1981., А.Ф.Яковлев., 1985).

В скотоводстве использование генетических маркеров необходимо как при решении прикладных задач, так и при изучениии вопросов генетического мониторинга, сохранении исчезающих и редких пород, создании новых пород животных и, в целом, для повышения эффективности ведения селекционной работы (R.Buis et all.1983.,Т.Bunch et all.1982.)

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось изучение генетических маркеров (полиморфизм белков, ферментов, лимфоцитарных антигенов, групп крови, кариотипа ) у крупного рогатого скота ярославской и других пород, и на этой основе разработка ряда прикладных программ по их использованию в скотоводстве для совершенствования племенных и продуктивных качеств. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1.Обобщить доступную нам информацию по генетическим маркерным системам крови у крупного рогатого скота.

2.Провести описание аллелофонда у скота ярославской породы на основании анализа частот антигенов, аллелей, генотипов групп крови, типов белков.

3.Дать интегральную генетическую характеристику изменчивости ярославской породы и ее помесей с голштинской породой скота канадской селекции.

4.Разработать теоретические и прикладные аспекты совершенствования методов отбора и оценки быков-лидеров с использованием маркирующих систем групп крови.

5.Выявить возможность использования групп крови и других полиморфных систем в оценке генеалогических связей и микроэволюционных процессов.

6.Изучить особенности антителообразования у яррославской породы крупного рогатого скота.

7.Изучить характер изменения частот аллелей во времени у различных генераций.

8.Получить новые и воспроизвести имеющиеся моноспецифические реагенты для определения групп крови у племенных животных, создать региональный банк ЕА-типирующих сывороток, укомплектованный панелью сывороток необходимых для более информативного тестирования животных, разводимых в зоне работы лаборатории, провести генетическую экспертизу их происхождения.

9.Изучить генетический полиморфизм серологически определяемых антигенов класса I Главного комплекса гистосовместимости ВоЬА у животных ярославской породы.

10.Изучить кариотип скота ярославской породы в соматических клетках. Выявить наличие хромосомных аберраций, их связь с продуктивностью, определить спектр врожденных аномалий.

Научная новизна. В результате проведения лабораторных и полевых исследований, а также теоретических обобщений в настоящей

работе впервые:

-изучен генофонд ярославской породы и ее помесей с голштинс-кой различных долей кровности.

-усовершенствованы методы разведения родственных групп увеличением числа генотипов, маркированных желательными аллелями групп крови.

-изучен полиморфизм и характер наследования генетических маркеров у ярославского скота и ее помесей с голштинской породой, получены сведения о мониторинге антигенов, генотипов, аллельных вариантов ряда систем групп крови и полиморфных белков. Установлены данные об уровне генетической изменчивости.

-использованы генетические маркеры при выведении новых типов и групп животных.

-разработан (совместно с ВИЖ) комплекс методов по изготовлению моносывороток-реагентов, создан банк реагентов для определения групп крови ярославского скота по 10 системам, выявляющие 64 эритроцитарных антигена. Организовано изготовление моновалентных сывороток для научных и производственных целей и хранение их в условиях низких температур.

-даны характеристика и особенности распространения серологически определяемых антигенов класса I BoLA-системы.

-разработаны алгоритмы и составлены программы "Донор" на ДВК -2 и "Донорское стадо" на IBM PC для оптимизации подбора животных при проведении иммунизации с целью получения специфических сывороток для определения групп крови у крупного рогатого скота.

-определен полиморфизм кариотипа животных ярославской породы, выявлены носители хромосомных аномалий.

-изучена спермопродукция быков -лидеров, ее изменчивость в зависимости от размеров гоносом.

Теоретическая и практическая значимость. Проведенные исследования позволили получить данные об аллелофонде ярославской породы скота, ее помесей с голштинской, которые имеют важное значение при систематике пород, являются источником информации об их генетической структуре.

Разработаны принципы использования систем крови для ранней оценки (прогноза) хозяйственно-полезных признаков у скота.

Использование генетических маркеров позволяет поддерживать высокое генетическое своеобразие линий, типов, родственных групп и ускорить темпы селекции в породе с повышением продуктивности на 10%.

Получены данные о генетическом полиморфизме антигенов ЕА-сис-темы у резистентных и восприимчивых к маститам животных ярославской породы. Впервые в ярославской породе и среди черно-пестрых пород скота прошел апробацию новый тип молочного скота, созданный согласно постановления ГК СМ СССР по науке и технике N 240 от 20.05.1977 г. с использованием иммуногенетических методов.

Установлены параметры распределения ВоЬА - антигенов крупного рогатого скота ярославской породы имеющих важное значение в проблеме "ВоЬА и болезни".

Данные по резистентности и восприимчивости к маститам коров, имеющих определенный спектр ЕА-антигенов позволяет на раннем этапе постнатального онтогенеза выявить восприимчивых к данному заболеванию животных. Таким образом создана предпосылка для осуществления генетического контроля резистентности к заболеваниям коров

ярославской породы.

Апробирована и внедрена в зоне разведения ярославского скота система цитогенентического контроля высокоценных животных, трансплантантов, выявления носителей хромосомных аберраций. Изучен спектр врожденных аномалий в ярославской породе скота.

Апробация работы. Результаты настоящего исследования были представлены и одобрены на ежегодных заседаниях Ученого совета ЯрНИИЖК, на производственных совещаниях специалистов и руководителей ведущих племенных хозяйств, (Ярославль 1994,1995,1996 г.), заседаниях по племенной работе с ярославской породой крупного рогатого скота, (Ярославль 1986,1994,1995 г.г.), союзных и республиканских конференциях по генетике и разведению сельскохозяйственных животных Ленинград-Пушкин (1990), Вологда (1993), расширенных заседаниях бюро отделения животноводства ВАСХНИЛ и РАСХН, Углич (1994 г.), на заседаниях Национального комитета по генетике животных (Москва, 1993, 1995, 1996 г.), на научно - методических межвузовских конференциях Ярославской ГСХА (1994,1995,1996,1997 г.), Ивановского СХИ (1995 г), Костромской ГСХА (1994,1996,1997 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в научных журналах, в сборниках научных трудов. По теме диссертации опубликовано 49 работ . Наиболее полно содержание диссертации отражает 24 научных работы, цитируемых в автореферате. Работа посвящена изучению и практическому применению генетических маркеров крови крупного рогатого скота и является результатом научных исследований, выполненных автором 1984-1997 г. в соответствии с тематическим планом Ярославского научно-исследовательского института животноводства и кормопроизводства .по следующим научно-техническим

- и -

заданиям: О.Ц. 033, 0.51.25Ц, 01.07.01, N госрегистрации 0.182.6043750; О.Ц. 033, 0.51.25.Ц, 01.07.02, N госрегистрации 0.1825043751 (1985 г.); О.сх.42. 03.06. Ж, N госрегистрации 01.86.0135352, 0. сх.42. 03. 07. N госрегистрации 01. 86. 0135351 (1986 -1990г.); 03. Р. 00 N госрегистрации 01.9.10.042110; 03. Р. 00. 01. 03. N госрегистрации 01.9.10.042109 (1991-1995 г.); НТП "Зоотехния" 01.02. N госрегистрации 01.970004222.

Структура работы. Диссертация изложена на 264 страницах, содержит 43 таблицы, 6 рисунков, состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов и предложений, библиографического указателя использованной литературы (402 источника, в том числе 249 на иностранных языках) и приложений. Основная часть результатов получена самостоятельно. Вклад других авторов отражен в публикациях по теме диссертационной работы. Всем коллегам автор приносит благодарность за участие в совместных работах.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2.1. Генетические маркеры крупного рогатого скота.

2.1.1. Группы крови крупного рогатого скота. История изучения и номенклатура. Полиморфизм белков и ферментов крови. Открытие агглютинирующих свойств эритроцитов и сыворотки крови человека в 1900 г. К. Ьапс^еЗлег и законов наследования групп крови Ф. Берн-штейном положило начало созданию современной иммуногенетики. Для детального понимания фундаментальных вопросов в иммунобиологии и ряде других областей биологической науки использование генетических методов в иммунологии стало необычайно результативнымШ.Атэе!

1925. ,N. S. Agar et all.1974.1975.).В первой половине нашего столетия большое внимание было обращено на исследование групп крови человека. Параллельно изучали группы крови у животных (C.Todd., P. White 1910., W.Bialosuknia.,В.Kachkowski 1923.1924.,M.К.Yeas 1949.,H.Harris., F.Warren 1955.). Естественные антитела были найдены у многих видов сельскохозяйственных животных и птиц. У крупного рогатого скота, в частности, этим вопросом занимались R.0tten-berg. , S.Fridman (1911), M. Fischbein (1913), 0. Weszeczky (1920), H. Kunz (1974),R. Litll (1929), В.К.Чубарь (1940), S.Schermer., E.Otte(1953),E.Forschner(1955). Данные активные исследования вызвали международный интерес к изучению групп крови домашних животных, и их использованию в практике животноводства. ( K.Wang 1950., A.Robertson 1956., A. N.Drury., E.M.Tucker 1958., M.S. Monlb., J.V. Evans 1959., J. Slee 1963., M.Mullis 1963., D. Bernhardt 1964., M. Vaiman et all. 1965., S.Watanabe 1965., D. Beale et all. 1966.1967., A. Daln et all. 1967. 1970., C.Odermatt 1973.1974., S. Naik 1975., E. Skiba 1976., S. Wachtell et ail.1980.,M.Mitchell 1983.,J.Kursa 1987).Необходимо отметить, что изучение групп крови у домашних животных начали с поисков естественных изогенных антител, с помощью которых можно было выявлять и идентифицировать эритроцитарные антигены у различных особей. (S. Kerr 1937., В. A. Rasmusen 1958-1982., J. Rendel. 1964., A.M.Kaplan., M. J. Freeman 1972., H.Kunz 1974., J.Wegrzyn. ,E.Slota 1976).

Групповые факторы крови крупного рогатого скота с помощью естественных антител идентифицировать не удалось. Причина заключалась в наличии небольшого количества естественных антител к небольшому числу антигенов, причем в сравнительно низком титре, что

не давало возможности проводить точную классификацию статуса особей. Естественные антитела возникают не в результате реакции на контакт с соответствующими антигенами эритроцитов, а образуются как ответ на контакт с подобными детерминантами (т.н. гетерофильными антигенами) широко распространенными в природе. Многие факторы групп крови схожи по структуре с антигенами граммотрицательных бактерий, простейших, червей, растений.

Развитие учения о группах крови связано с использованием иммунных антител, полученных путем изо- и гетероиммунизации. Еще C.Todd., P.G.Whitte (1910) при иммунизации крупного рогатого скота против чумы вирулентной бычьей кровью обнаружили образование антител у привитых животных, лизирующих эритроциты других животных того же вида. L.Ferguson et all. в 1941-42 г.г. использовали методы изо- и гетероиммунизации животных для изготовления иммунных сывороток против эритроцитарных антигенов. Эти исследования послужили основой для дальнейшей разработки методики изучения групп крови у крупного рогатого скота (C.Stormont 1951., R.Cunley. 1943., R. Owen., C.Stormont., M. Jrwin. 1951., C. Stormont. et all. 1961, 1966, 1968). В результате этой работы американскими исследователями установлено у крупного рогатого скота 42 групповых фактора крови и прослежено их наследование.

Антигенные свойства имеют многие элементы тканей животных и растительных организмов, а также антигенные вещества. Антигены подразделяются на видовые (имеющиеся у всех животных данного вида) и групповые (отмечающиеся у части животных данного вида). (J.V.Evans et all.1963.,1965.,В.Н.Тихонов 1966).

W.Boyd (1956) в своих исследованиях показал, что иммунологи-

ческая специфичность белков и полисахаридов определяется не всей м