Воспроизводство крупного рогатого скота

Использование

сексированного семени

Ram Kasimanickam

Кафедра клинических ветеринарных наук, Колледж ветеринарной медицины, Университет штата Вашингтон, Пулман, штат Вашингтон, США

Введение

Гендерный отбор потомства имеет значительные преимущества для систем управления животноводством. Планирование пола потомства до зачатия - наиболее экономичное средство достижения желаемого результата. Использование отсортированной по полу спермы позволяет производить потомство мужского и женского пола, чтобы воспользоваться преимуществами связанных с полом и влияющих на пол признаков.¹ Для масштабного использования технология предварительного выбора пола должна быть эффективной, приводить к приемлемой фертильности, а также быть относительно недорогой и удобной.¹ У млекопитающих пол определяется гоносомами (половыми хромосомами) : комбинация ХХ хромосом определяет самку, а XY - самца. Поскольку X- и Y-хромосомы значительно различаются по длине, возможно различение популяций сперматозоидов, несущих X- и Y- хромосомы, из-за разницы в содержании у них ДНК. Были исследованы несколько методов разделения популяций сперматозоидов, несущих X- и Y-хромосомы. Единственный точный и потенциально экономически эффективный способ достижения гендерного отбора в настоящее время включает отделение сперматозоидов с X хромосомой от несущих Y- хромосому с помощью проточной цитометрии с последующим их использованием для искусственного оплодотворения (ИО) для племенного или товарного производства эмбрионов или экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) с последующей пересадкой эмбрионов.^2,3 С помощью этого метода можно получить популяции сперматозоидов с содержанием до 90% X или Y хромосом и в дальнейшем потомство с соответствующей долей особей желаемого пола. Ограничения технологии связаны с количеством сперматозоидов, необходимых для оплодотворения, сроками осеменения, индивидуальными различиями быков в сортировке сперматозоидов по полу и последующим производством потомства. По этой технологии каждый сперматозоид проверяется отдельно на предмет содержания ДНК, тем самым ограничивая количество отсортированных сперматозоидов с X или Y примерно до 5–6 миллионов сперматозоидов в час.²

Сортировка спермы по содержанию ДНК для выбора пола

Проточно-цитометрическое исследование сперматозоидов крупного рогатого скота с X- и Y-хромосомой (Bos taurus и Bos indicus) показало различие содержании ДНК. Разница в общем содержании ДНК между быками и коровами составляет примерно 4,2%.⁴ Эта разница в среднем содержании ДНК достаточна для обнаружения с помощью систем проточной цитометрии^5–7 (таблица 72.1) и последующей сортировки сперматозоидов, несущих X- и Y-хромосомы.

Процедура сортировки сперматозоидов по полу состоит из нескольких этапов. Вкратце, ДНК сперматозоидов количественно окрашивают Hoechst33342, а затем сперматозоиды направляют потоком перед лазерным лучом с определенной длиной волны.^3,8,9 Освещенные окрашенные сперматозоиды излучают очень яркую синюю флуоресценцию. Эта флуоресценция мгновенно измеряется с помощью фотоэлектронного умножителя перед которым сперматозоиды пропускаются по одному. Компьютер проводит быстрый анализа относительной флуоресценции популяций сперматозоидов X и Y, когда они проходят через прибор в жидком потоке. Для разделения струи на отдельные капли, многие из которых содержат сперматозоиды, используют кристаллический вибратор. Флуоресцентно окрашенные сперматозоиды сортируют по содержанию ДНК и помещают противоположные заряды на капли с X- и Y- сперматозоидами (рисунки 72.1 и 72.2). Капли падают мимо положительного и отрицательного электрических полей, и поскольку противоположные заряды притягиваются, капли разделяются на два потока и собираются в разные емкости. Третий поток незаряженных капель отбрасывается, так как в этих каплях есть сперматозоиды, которые нельзя точно определить по полу (более половины), нет сперматозоидов, реже два сперматозоида и мертвые сперматозоиды (выход мертвых сперматозоидов является ценным дополнительным преимуществом). Этот метод сортировки сперматозоидов известен как технология сексирования сперматозоидов Бельтсвилля.^3,8,9

Таблица 72.1 Разница в среднем содержании ДНК (%) в сперматозоидах разных пород с X- и Y-хромосомами.

Голштинская 4.98
Джерсейская 4.24
Ангус 4.05
Герефорд 4.05
Брахман 3.73

Лазер
Цвет окрашивания капель
Электрическое поле + –
– +
Y-содержащие X-содержащие
спермии спермии
Мертвые/не сортируемые спермии
Детектор
Компьютер

Рис. 72.1 Схема проточной цитометрии для сортировки X- и Y-несущей спермы крупного рогатого скота.

Коммерциализация бычьего сексированного семени

Достижения в области сортировки сперматозоидов по признаку пола позволили включить ее в коммерческое управление воспроизводством. В настоящее время семя, выбранное по гендерному принципу, более применимо в крупномасштабном производстве в молочной промышленности, чем в мясной. Сперма, разделенная по полу будет способствовать повышению рентабельности молочного и мясного скотоводства несколькими способами. Ее можно использовать для получения потомства желаемого пола от определенного спаривания, чтобы воспользоваться различиями в ценности самцов и самок для конкретных маркетинговых целей. Молочные стада больше заинтересованы в производстве ремонтных телок, поскольку молочные бычки по своей природе менее ценны. Преимущества заключаются в выращивании большего количества ремонтных телок, что расширяет возможности для отбора и способствует более быстрому генетическому росту.¹⁰ Кроме того, это дает возможность для увеличения размера стада, продажи большего количества самок и одновременного увеличения надоев и снижения цен на молоко (последнее является преимуществом для потребителей).

Кроме того, как только потребность в ремонтных телках будет удовлетворена, производители молока смогут также использовать разделенную по полу сперму для получения кроссбредных быков от остального поголовья коров. Производители племенного скота получают доход от продажи генетически превосходных животных в дополнение к продаже молока. Их цель - максимизировать генетические качества племенного скота по экономически важным производственным признакам экономически эффективным способом. Сексированная сперма будет выгодна селекционерам племпредприятий, если она позволит им ускорить селекцию стада или снизит стоимость достижения генетических изменений. Для получения генетически высококлассных ремонтных телок с использованием сексированной спермы коммерческие молочные фермы должны сначала ранжировать своих коров в соответствии с предполагаемыми генетическими и экономическими достоинствами по значимым для молочного производства параметрам, а затем использовать семя, несущее Х-хромосомы от генетически превосходных быков для осеменения достаточного количества коров из высшей части ранжировочного списка для производства необходимого количества ремонтных телок. Выбирая только лучших коров для производства ремонтных телок, фермеры увеличивают давление отбора по значимым для молочного производства признакам. Обсуждались методы оценки экономического влияния через усиление селекционного давления среди коммерческого поголовья маток при использовании семени с увеличенной долей сперматозоидов, несущих Х-хромосому.¹¹ Сообщалось, что прогнозируемое влияние на ежегодный генетический прогресс технологии разделения по полу на 9% 12% или 15%¹³ выше по сравнению с осеменением традиционным семенем. Фермер, занимающийся промышленным мясным скотоводством, производит телят для последующей продажи на убой и для ремонта стада.

В зависимости от запланированной роли теленка, самцы и самки имеют совершенно разную ценность, поэтому семя, разделенное по полу потенциально является мощной технологией, влияющей на генетическую и экономическую эффективность. В случае с мясным скотом ценность соотношения пола телят в пользу быков или телок зависит от генетики стада и маркетинговых планов. Для производителей семени мясного скота продажа быков товарным производителям крупного рогатого скота часто является основным источником дохода. Ремонтные телки также важны для генетического улучшения стада. Для товарных производителей мясного скота, которые зависят от продажи бычков и нуждаются в меньшем количестве ремонтных телок, также целесообразно использование спермы с Y-хромосомой. Бычки обычно имеют больший вес при отъеме и более ценны, чем телки. Поэтому, для коммерческих производителей крупного рогатого скота, которые продают телят на откорм, использование спермы с Y-хромосомой приведет к увеличению количества бычков, что может компенсировать более высокую стоимость спермы. Кроме того, если оставить телок в качестве замены (ремонта) , можно было бы проводить индивидуальное осеменение отобранных особей, чтобы получить телок от большего количества лучших маток и бычков от конечных помесей. Также следует отметить, что в некоторых программах мясного скотоводства телки более ценны, чем их сверстники бычки.

Искусственное осеменение

Технология сексированного семени стала осуществимой с рождением живого потомства предполагаемого пола.¹⁴ Последующие исследования подтвердили способность потоковой сортировки постоянно производить примерно 90% потомков выбранного пола, и способствовали ее возможной коммерческой адаптации.^15,16 Эта технология была введена в коммерческое использование в Соединенном Королевстве в 2000 году. В настоящее время несколько американских центров по искусственному осеменению обладают этой технологией и продают сексированное семя быков по всему миру.

Показатели оплодотворяемости у крупного рогатого скота зависят от отца, обработки спермы, дозировки спермы, времени и номера осеменения. Несмотря на успехи, инвазивный характер процедуры сортировки по полу пагубно сказывается на жизнеспособности и качестве сперматозоидов.^17,18 Кроме того, по экономическим причинам количество сперматозоидов в отсортированных пробах сокращается примерно до 2 миллионов сперматозоидов на дозу.¹⁸ В программах воспроизводства, в которых используется обычная сперма, некоторые факторы, вызывающие разницу в фертильности, способны подавляться за счет увеличения количества сперматозоидов в дозе осеменения (компенсируемая), тогда как другие - нет (не подлежат компенсации).¹⁹ Обширные испытания с целью определения оптимальной дозировки для оплодотворения привели к выводу, что компенсируемый компонент в основном удовлетворяется при общих дозах сперматозоидов приблизительно 4,0 миллиона; однако, учитывая различия между быками-производителями, диапазон составляет 1–11 миллионов сперматозоидов на дозу. Seidel¹⁸ и Schenk и др.¹⁶ предсказали, что коммерческое применение доз в 2,1 миллиона отсортированных по полу сперматозоидов у телок голштинской породы даст примерно 75–80% от уровня оплодотворяемости, получаемого с использованием обычного семени, что согласуется с результатами полевых исследований в Соединенных Штатах.²⁰ Увеличение числа сперматозоидов в дозе для осеменения кажется вероятным решением для повышения фертильности. В недавнем исследовании сравнивали показатели оплодотворяемости при 2,1 и 10 миллионов доз сперматозоидов, отсортированных по полу или обычных сперматозоидов, соответственно.²¹ В разных стадах и у разных быков коэффициенты оплодотворения по комбинациям типов спермы составили 38 и 44% для доз в 2,1 и 10 миллионов сперматозоидов, отсортированных по полу, и 55 и 60% для доз в 2,1 и 10 миллионов обычного семени, соответственно.

Незначительное улучшение уровня оплодотворяемости наблюдалось при использовании 10 миллионов сперматоцитов в дозе для некоторых производителей, что позволяет предположить, что отчасти снижение оплодотворяемости при использовании сексированной спермы может быть компенсировано. Однако, тот факт, что показатели зачатия, достигнутые с использованием 10 миллионов сперматозоидов, разделенных по полу, не сопоставимы ни с одной дозой традиционного семени в этом исследовании, означает, что часть снижения фертильности спермы, отсортированной по полу, вызвана процедурой окрашивания и/или сортировки. Поскольку метод сортировки стандартизирован, разбавление спермы у некоторых быков может способствовать снижению фертильности независимо от стресса из-за сортировки,²² но это остается недоказанным, поскольку в опыте осеменение дозами с большим количеством разделенных по полу сперматозоидов (10 миллионов) привело к снижению оплодотворяемости по сравнению с осеменением несортированной спермой в уменьшенной дозе (2,1 миллиона).²¹ Кроме того, снижение дозы отсортированной спермы до 20% для достижения увеличения частоты зачатия на 6% является плохим использованием генетического потенциала.²¹

Текущие рекомендации по использованию спермы с сортировкой

по полу в коммерческих целях заключаются в следующем.

1. Используйте только в стадах, где процент оплодотворяемости по традиционному семени составляет 60% и более.

2. Выбирайте здоровых циклирующих самок с нормальной упитанностью, предпочтительно телок.

3. Осеменяйте только животных, проявляющих рефлекс неподвижности. При использовании ИО с фиксированным временем убедитесь, что у подавляющего процента животных была течка до этого.

4. Оплодотворите телок спермой, отсортированной по полу, один раз, а затем - обычной спермой, если они не зачали.

5. Будьте предельно осторожны при оттаивании и обращении со спермой.

6. Осеменатор должен иметь опыт и быть известным для достижения хороших показателей беременности.

В настоящее время сексированное семя рекомендуется использовать только на самках, проявляющих охоту.²³ Однако, его применение в сочетании с синхронизацией охоты и осеменением по фиксированному времени имеет огромную коммерческую привлекательность. Кроме того, схемы синхронизации представляют особую ценность в случае осеменения спермой, отсортированной по полу, так как очень важно точное время осеменения. В настоящее время основное внимание уделяется разработке оптимального протокола синхронизации для осеменения сексированной спермой. Осеменение ближе к овуляции^16,24,25 и осеменение самок с крупными фолликулами на момент ИО²³ повышали вероятность беременности. Кроме того, введение семени в рог матки может улучшить процент зачатия при использовании сперматозоидов, отсортированных по полу.^15,26,27 Однако, введение отсортированных по полу сперматозоидов глубже в матку не увеличивало частоту наступления беременности по сравнению с синхронизированным ИО.²³

Множественная овуляция и эмбриотрансфер

В нескольких исследованиях сообщалось о получении эмбрионов in vivo от суперовулированных коров и телок после осеменения спермой, отсортированной по полу. Во многих из этих исследований наблюдалось снижение частоты оплодотворения и увеличение процента дегенерированных эмбрионов от сексированной спермы что привело к уменьшению количества извлеченных для пересадки эмбрионов.^28-30 Неоптимальное качество спермы и неправильное время проведения искусственного осеменения считались основными факторами, способствовавшими уменьшению количества вымываемых эмбрионов.^28,29