Современные биотехнологии в животноводстве. Биотехнология в животноводстве
Увеличение производства продукции и снижение материало - и энергоемкости животноводческой отрасли - важное народнохозяйственное задачи. Его решение зависит от формирования и развития сложных интегрированных систем, которые охватывают животных, технику и человека. Особенностью нового направления в развитии біотехно - логических систем в животноводстве является интегрированное применение технических средств механизации и автоматизации, электроники и вычислительной техники, создание систем управления биотехнологическими процессами.
Зооинженерия определяет способ получения продукции при минимальных затратах сырья (корма), труда и материальных ресурсов с оптимальным использованием биологических возможностей животных, системы содержания, кормления и ухода, изучает вопросы воспроизводства стада и санитарно-ветеринарного обслуживания.
Стабильное воспроизводство поголовья - сложное и экономически важный вопрос любой технологии производства животноводческой продукции. Это основное условие интенсивного развития отрасли, поскольку с каждой новой тварью, включенной в процесс воспроизводства, определяющие уровень, качество и эффективность производства продукции на период, который зависит от продолжительности хозяйственного использования животных и интервала между поколениями.
Крупный рогатый скот играет важную роль в производстве животноводческой продукции, но она принадлежит к одноплідних видов животных, поэтому численность и плодовитость являются факторами, которые лимитируют воспроизводства и как следствие - производство молока и мяса. Современные биотехнологические методы дают возможность рационально влиять на воспроизводственный потенциал самок, значительно увеличивать количество высокопродуктивных особей и тем самым - производство продукции животноводства.
Биотехнология - это наука, которая изучает возможности использования биологических процессов в различных отраслях сельского хозяйства, промышленности и медицины с целью разработки методов и технологий получения желаемых организмов и полезных веществ.
Биотехнология ускоренного и направленного управления размножением сельскохозяйственных животных стала возможной благодаря искусственному осеменению, гормональном регуляции половых циклов самок, трансплантации (пересадке) эмбрионов, методы клеточной и генной инженерии. Сельскохозяйственная біотехноло - гия в растениеводстве достигла значительных успехов в выведении новых сортов растений, в животноводстве она направлена преимущественно на создание желаемых генотипов, обеспечивающих высокую продуктивность животных и их интенсивное воспроизводство нетрадиционными методами.
Как биотехнологический метод успешно используют половые клетки производителей во время искусственного осеменения самок во всех отраслях животноводства.
□ Например, спермой одного быка можно ежегодно осеменить от 2 до 50 тыс. коров. Во многих странах есть банки, где хранятся миллионы доз замороженной спермы. От некоторых производителей за период использования получают 300 - 400 тыс. доз спермы.
Искусственная гормональная регуляция половых циклов самок способствует синхронизации охоты и дает возможность организовать одновременно искусственное оси - меніння больших групп животных. С наступлением половой зрелости в фолликулах яичников созревают яйцеклетки. Выход их из фолликула называется овуляцией. У коров и кобыл созревает одновременно обычно один фолликул, у овец - 2 - 3, у свиней - 8 - 12 в каждом яичнике. От количества фолликулов, что овулювали, и оплодотворенных яйцеклеток зависит количество приплода.
Гормональные средства издавна использовали для повышения плодовитости животных. Введение гормонов стимулирует многочисленную овуляции (суперовуляции), или увеличение в 10 - 12 раз количества яйцеклеток, которые образуются в каждом цикле. У коров и овец количество их возрастает до 25, у свиней - до 80. Этот метод применяют для получения потомства от высокопродуктивных особей пересадою оплодотворенных яйцеклеток самкам-реципиентам.
Трансплантация эмбрионов - это изъятие их из яйцеводов матки или одного животного (самка-донор) и пересадка в яйцевод или матку другого животного (самка-реципиент), которая находится в той же фазе полового цикла, что и донор. В дальнейшем эмбрион развивается в организме реципиента. Теленок-трансплантат наследует только генетические качества отца и матери-донора, реципиент не влияет на качество приплода.
Трансплантация эмбрионов - прогрессивное направление ускоренного воспроизводства поголовья, который дает возможность решать следующие задачи: интенсивно использовать генетический потенциал коров - рекордисток, ускорить создание высокопроизводительных семей и линий, получения двойняшек пересадкой двух эмбрионов одному реципиенту, создание банка эмбрионов от выдающихся животных способом глубокого их замораживания (криоконсервации), сохранение генетических ресурсов редких и исчезающих пород, упрощение транспортировки живого материала (эмбрионов) в различные регионы Земного шара.
Для получения эмбрионов в производственных условиях применяют не - хирургический метод, то есть вымывание их из матки с помощью специальных инструментов и питательных сред. Вводят эмбрионы реципиентам специальным катетером через шейку матки. В основном от одного донора получают за одно вымывание от трех до десяти пригодных для трансплантации эмбрионов. Вымывание проводят 3 - 4 раза в год, стельность наступает у 40 - 50 % реципиентов, то есть пока реально можно рассчитывать на получение до десяти телят - трансплантатов за год от одного донора. Для сравнения отметим, что от 100 коров при надлежащей организации искусственного осіме - ніння получают лишь 90 - 100 телят. Преимущество ембріопересадок очевидна.
В качестве реципиентов используют преимущественно физиологически здоровых животных, не представляющих племенной ценности, но которые отвечают требованиям стандартов по развитием и живой массой.
□ Например, телки пригодны для трансплантации в возрасте 16 - 18 мес живой массой 360 - 380 кг при хорошо выраженных признаков половой охоты. В последнее время станции по искусственному осеменению животных Канады, США, Франции, Великобритании,
Германии на 70 - 75% комплектуют быками-производителями, полученными методом трансплантации от выдающихся по молочной продуктивности коров с надоем 8000 - 10 000 кг молока за год.
Применяют также метод микрохирургического разделения эмбрионов с целью получения однояйцевых близнецов-двойняшек, что дает возможность гораздо рациональнее использовать генофонд выдающихся производителей и маток. Метод разделения эмбрионов на отдельные бластоміри с последующей пересадкой их реципиентам увеличивает выход телят во время трансплантации в два раза, что значительно повышает ее экономическую эффективность. Кроме того, монозиготні близнецы являются ценным материалом для решения многих генетических и селекционных вопросов.
Генетическая инженерия - новая прикладная ветвь молекулярной биологии и генетики, применение которой в животноводстве создает реальную основу для вывода желаемых форм животных с измененной наследственностью, молекулярной реконструкцией организма. Этого можно добиться планомерным действием на физиологические процессы воспроизводительной функции с помощью зоотехнических и биотехнологических мероприятий и оптимально управлять технологией и организацией процессов воспроизводства поголовья.
Большое значение в связи с интенсификацией животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с применением рекомбинантных живых вакцин и генноинженерных вакцин- антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с помощью моноклональных антител и ДНК / РНК- проб.
Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов - бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т. кормовых дрожжей позволяет получить 0,4 - 0,6 т. свинины, до 1,5 т. мяса птиц, 25 - 30 тыс. яиц.
Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80 % площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводится для производства корма скоту и птице.
Одноклеточные организмы характеризуются высоким содержанием белка - от 40 до 80 % и более. Белок одноклеточных богат лизином, незаменимой аминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассы одноклеточных к недостаточным по лизину растительным кормам позволяет приблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком биомассы одноклеточных является нехватка серосодержащих аминокислот, в первую очередь - метионина. У одноклеточных его приблизительно вдвое меньше, чем в рыбной муке. Этот недостаток присущ и таким традиционным белковым кормам, как соевая мука. Питательная ценность биомассы одноклеточных может быть значительно повышена добавкой синтетического метионина.
Производство кормового белка на основе одноклеточных - процесс, не требующий посевных площадей, не зависящий от климатических и погодных условий. Он может быть осуществлен в непрерывном и автоматизированном режиме.
В нашей стране производится биомасса одноклеточных, в особенности на базе углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должны заслонять проблемы, возникающей при использовании углеводородов как субстратов для крупно масштабного производства белка и ограниченность их ресурсов.
Важнейшими альтернативными субстратами служат метанол, этанол, углеводы растительного происхождения, в перспективе - водород. Очищенный этанол на мировом рынке стоит почти вдвое дороже метанола, но этанол отличается очень высокой эффективностью биоконверсии. Из 1 кг этанола можно получить до 880 грамм дрожжевой массы, а из 1 кг метанола - до 440 грамм. Биомасса из этанола особенно богата лизином - до 7 %.
Большое значение для животноводства имеет обогащение растительных кормов микробным белком. Для этого широко применяют твердофазные процессы.
Перспективными источниками белка представляются фототрофные микроорганизмы, в особенности цианобактерии рода Spirulina и зеленые одноклеточные водоросли из родов Chlorella и Scenedesmus . Наряду с обычными аппаратами для их выращивания используют искусственные водоемы. Добавление к растительным кормам биомассы Scenedesmus позволяет резко повысить эффективность усвоения белков животными. Таким образом, существуют разнообразные источники сырья для получения биомассы одноклеточных. Некоторые субстраты (этанол) дают столь высококачественный белок, что он может быть рекомендован в пищу. Цианобактерии рода Spirulina издавна используют в пищу ацтеки в Центральной Америке и племена, обитающие на озере Чад в Африке.
Биотехнология в животноводстве
Вакцины. Возбудители заболеваний у животных иные, чем у людей, особенно с учетом разнообразия видов и пород животных. Требования к вакцинам не такие жесткие, как в медицине, но это не исключает необходимости разрабатывать и выпускать большой ассортимент вакцин для животноводства и птицеводства. Под Москвой расположен биокомбинат, занимающийся таким производством.
Антибиотики. Часто медицинские антибиотики действуют и как ветеринарные препараты. Но государственные органы стараются не использовать медицинские антибиотики для животных. Во-первых, применение медицинских антибиотиков для лечения животных создает риск действия остаточных концентраций их в мясе на «привыкание» (точнее - резистентность) болезнетворных микроорганизмов к этим антибиотикам у человека и в дальнейшем - неэффективность их действия при заболеваниях человека. Поэтому только антибиотики-ветераны, в прошлом бывшие медицинскими (такие, как хлортетрациклин или биомицин), входят в ассортимент кормовых антибиотиков.
Кормовые витамины используют для некоторых видов животных. Здесь аналогия с медициной полная.
Ростовые гормоны в животноводстве играют гораздо большую роль, чем в медицине. Если в применении к человеку они направлены на немногочисленную популяцию лилипутов, то у животных они ускоряют нарастание мышечной массы при откорме. Это не стероидные гормоны, которые сейчас ограничены в применении, а природные белковые, биосинтез которых налажен с помощью генно-инженерных микроорганизмов-продуцентов. Современные ростовые гормоны ускоряют рост до размеров нормальной взрослой особи, не более.
Кормовой белок. При откорме животных, особенно свиней и кур, наряду с обычным углеводным питанием (которое поставляется в основном зерном), важно иметь белковое питание (обычно это рыбная мука, мясо-костная мука, бобы или шрот сои, гороха, рапса). Всего этого в стране не хватает. Поэтому наша страна выступила пионером в использовании в качестве кормовых белков микробной биомассы, содержащей от 40 до 80 % белка и выращиваемой обычно на разных отходах. Белковая биомасса микроорганизмов хорошо усваивается сельскохозяйственными животными (1 тонна кормовых дрожжей позволяет получать 0,4-0,6 тонн свинины).
Белок, применяемый для кормовых целей, не имеет ограничений по содержанию нуклеиновых кислот (как пищевой). Эти кислоты благополучно усваиваются животными.
Наиболее известен кормовой белок из дрожжей Candida maltosa, выращиваемый на отходах переработки нефти - жидких парафинах. В СССР до 1990 г. ежегодно производилось 1,4 млн т в год такого продукта под названием БВК (белково-витаминный концентрат).
Разработана и реализована вблизи Волгограда в промышленных условиях технология кормового белка на основе метаноокисляющих микроорганизмов, использующих в качестве сырья природный газ и имеющих высокое содержание белка в биомассе (до 75 %). Аналогичным образом создана технология кормового белка на основе водородных бактерий.
Существует несколько заводов по производству кормовых гидролизных дрожжей, где в качестве сырья применяют получаемый после высокотемпературной кислотной обработки гидролизат древесины. Имеются также технологии получения белка на основе технических метанола и этанола.
Все эти виды сырья оказались после повышения цен на нефть, газ и электроэнергию экономически невыгодными. Поэтому разработана и реализована технология получения кормового белка на основе отходов производства зерна (под названиями «Биокорн», «Белотин», «Биотрин»), которая пока еще может конкурировать с дешевой соей из-за рубежа. В других странах для изготовления кормовых дрожжей используют отходы сахарной свеклы и тростника, фруктов, отходы спиртового производства, сельскохозяйственные крахмалосодержашие отходы.
Кормовые аминокислоты. Из 20 аминокислот незаменимыми для человека являются 8: изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Для сельскохозяйственных животных к незаменимым относятся также гистидин и аргинин, а для молодняка птицы - пролин.
Эти незаменимые аминокислоты не синтезируются организмом, а вносятся с кормом. При этом соотношение разных аминокислот должно примерно соответствовать соотношению их в белке мяса, яиц, молока животных (в зависимости от направления животноводства), а для человека - в белке женского молока. Если какая-то аминокислота имеет концентрацию гораздо большую, чем нужно по соотношению, прирост массы животного не изменится при кормлении такой смесью. Избыток оказывается «лишним». И наоборот, если концентрация какой-то одной аминокислоты будет меньше нужной по соотношению, то рост животного будет определяться именно этой аминокислотой. В биологии это называют «принципом Либиха» по имени немецкого ученого, сформулировавшего этот принцип.
В белке зерна пшеницы (глютене) много различных аминокислот, но одна из них имеет концентрацию, на 30-40 % меньше нужной по соотношению Либиха. Эта аминокислота - лизин. Если ее добавить к корму, состоящему из зерна пшеницы, в относительно небольшом количестве, то белок станет почти в полтора раза более полноценным, и на таком сбалансированном корме соответственно будет в полтора раза больший рост животного без изменения количества самой пшеницы. Чтобы получить тот же эффект без добавок лизина, нужно впустую израсходовать в полтора раза больше зерна.
В связи с этим существует довольно большое производство кормовой аминокислоты лизина, которая продуцируется в больших количествах специальными штаммами микроорганизмов. Производство лизина в США, Японии и других странах достигает 300 тыс. т.
Имеется, в меньшей степени, потребность в аминокислотах триптофан (для кормов на основе зерна кукурузы) и треонин (для кормов на основе пшеницы).
Силосные закваски. Для сохранения скошенной травы и увеличения ее питательной ценности в силосные ямы наряду с травой вводят специальные закваски - смесь микроорганизмов, создающую возможность в зимнее время кормить животных даже более ценным, чем исходный, растительным кормом.
Пробиотики. Это полезные микроорганизмы пищеварительного тракта животных, которые в некоторых случаях (для молодняка) добавляют в виде живого биопрепарата в корм. Имеются также попытки в качестве микроорганизмов-пробиотиков добавлять в корм курам, свиньям микрофлору, выделенную из желудка грызунов, лосей, бобров, умеющих перерабатывать древесину как питательный субстрат. Это позволяет повысить усвояемость грубых кормов животным с односегментным желудком.
Корм для рыб. Кроме обычных белковых кормов микробиологического типа, хорошо показавших себя при разведении рыб, можно упомянуть специальный корм из оранжево-красных микроорганизмов рода Phaffia, который позволяет получать оранжевый или розовый цвет мяса лосося и форели при их искусственном разведении (без таких добавок мясо лосося получается водянистое, бело-серое). Это связано с тем, что Phaffia синтезирует ка-ротиноид астаксантин.
Биотехнологические методы повышения продуктивности сельскохозяйственных животных
9. Биотехнология в животноводстве
Что такое биотехнология животных? На настоящий момент биотехнологии приобретают все более важную роль в повышении доходности животноводства. Внедрение результатов биотехнологических исследований в животноводство происходит в первую очередь в следующих областях деятельности: 1. Улучшение здоровья животных с помощью биотехнологии; 2. Новые достижения в лечении людей с помощью биотехнологических исследований на животных; 3. Улучшение качества продуктов животноводства с помощью биотехнологии; 4. Достижения биотехнологии в охране окружающей среды и сохранении биологического разнообразия. Биотехнология животных включает в себя работу с различными животными (скотом, домашней птицей, рыбой, насекомыми, домашними животными и лабораторными животными) и исследовательскими приемами - геномикой, генной инженерией и клонированием .
Приказы регулятивных органов по поводу биотехнологии животных рассматриваются Управлением по разработке политики в области науки и техники с целью согласования деятельности правительственных органов для обеспечения рационального научного подхода. Несмотря на огромное количество разрабатываемых продуктов, регуляторных документов в печатном виде существует не так много. В 2003 году Центр ветеринарной медицины FDA опубликовал предварительную версию руководства по оценке риска при клонировании скота и безопасности употребления пищевых продуктов, произведенных из мяса клонированных животных. Специалисты FDA пришли к выводу о пригодности мяса и молока клонированных животных к употреблению в пищу. Следующим шагом является полное урегулирование вопросов по оценке риска и предложений по процессу управления рисками.
Повышение продуктивности скота Руководители животноводческих хозяйств непосредственно заинтересованы в повышении продуктивности сельскохозяйственных животных. Их конечной целью является повышение количества продукции (молока, яиц, мяса, шерсти) без увеличения затрат на содержание поголовья. Увеличение мышечной массы с одновременным снижением количества жира в организме мясных животных с незапамятных времен является целью селекционеров. Биотехнология помогает улучшить продуктивность скота с помощью различных вариантов селекционного разведения.
Для начала отбираются особи, обладающие желаемыми характеристиками, после чего, вместо традиционного скрещивания, производится забор спермы и яйцеклеток и последующее экстракорпоральное оплодотворение. Через несколько дней развивающийся эмбрион имплантируется в матку суррогатной матери соответствующего вида, но необязательно той же породы. Иногда эмбрион делится на несколько частей, каждая из которых имплантируется отдельно.
Такая форма клонирования на протяжении уже нескольких десятилетий используется для быстрого улучшения генетических характеристик сельскохозяйственных животных. Методы геномики также используются для усовершенствования традиционных селекционных подходов .
В 2003 году был официально зарегистрирован первый проверенный с помощью метода полиморфизма одного нуклеотида (SNP - single nucleotide polymorphisms) геном крупного рогатого скота мясного направления. SNP-метод используется для идентификации генных кластеров, ответственных за формирование того или иного признака, например, за поджарость животного. После чего с помощью методов традиционной селекции выводятся породы, в данном случае, отличающиеся повышенной мускулистостью. Во всем мире ведется активная работа по секвенированию геномов различных животных и насекомых. В октябре 2004 года было объявлено об успешном завершении проекта по секвенированию коровьего генома (Bovine Genome Sequencing Project). В декабре 2004 года было также успешно завершено секвенирование генома курицы.
Биотехнологическая промышленность предлагает ряд решений проблемы безвредности пищевых продуктов, таких как передающиеся человеку заболевания животных и пищевые патогены. С помощью таких биотехнологических методик, как нокаутирование генов и клонирование, ученые создают экспериментальные породы животных, устойчивые к вызываемой прионами губчатой энцефалопатии.
Биотехнология обеспечивает принципиально новые подходы к улучшению здоровья животных и продуктивности скота и домашней птицы. Это улучшение возможно за счет усовершенствования диагностики, лечения и профилактики заболеваний; использования высококачественных кормов, производимых из трансгенных сортов кормовых растений; а также за счет повышения эффективности выведения новых пород.
Современная ветеринарная промышленность обладает огромным набором средств для профилактики и лечения заболеваний, потенциально способных вызвать эпизоотию и гибель сельскохозяйственного поголовья. Своевременная диагностика и лечение в комбинации с активными профилактическими мерами способствует снижению затрат на производство продуктов питания, а также улучшению состояния здоровья животных в целом и, соответственно, повышению безопасности пищевых продуктов. - биотехнология позволяет фермерам немедленно диагностировать с помощью тестов на основе ДНК-типирования и определения наличия антител следующие инфекционные заболевания: бруцеллез, псевдобешенство, понос, ящур, лейкоз птиц, коровье бешенство и трихинеллез; - в скором времени ветеринары получат в свое распоряжение биотехнологические средства для лечения различных заболеваний, в том числе ящура, свиной лихорадки и коровьего бешенства; - новые биологические вакцины используются для защиты животных от широкого спектра заболеваний, включая ящур, понос, бруцеллез, легочные инфекции свиней (плевропневмонию, пневмонический пастереллез, энзоотическую пневмонию), геморрагическую септицемию, птичью холеру, псевдочуму домашней птицы, бешенство и инфекционные заболевания выращиваемой в искусственных условиях рыбы; - активная работа ведется над созданием вакцины против африканского заболевания скота, получившего название лихорадки Восточного побережья.
В случае успеха эта вакцина станет первым препаратом для борьбы с простейшими и одновременно первым шагом на пути к разработке противомалярийной вакцины; - молекулярные методы идентификации патогенов, такие как геномная дактилоскопия, позволяют наблюдать за распространением заболевания внутри стада и от популяции к популяции и идентифицировать источник инфекции; - генетический анализ патогенеза заболеваний животных ведет к улучшению понимания факторов, вызывающих заболевания не только животных, но и человека, и подходов к контролю над ними; - улучшенные с помощью биотехнологии сорта кормовых растений обеспечивают повышение питательности кормов за счет дополнительного содержания в них аминокислот и гормонов, приводящих к ускорению роста животных и повышению их продуктивности .
Биотехнологические приемы позволяют повысить усвояемость грубых кормов. Ученые работают над новыми сортами растений с целью создания съедобных вакцин для сельскохозяйственных животных. В ближайшем будущем фермеры получат возможность кормить свиней генетически модифицированной люцерной, стимулирующей специфический иммунитет к опасной кишечной инфекции - исследователи работают над вакциной, которая могла бы послужить альтернативой кастрации скота. Телят кастрируют с целью снижения агрессии, а поросят - во избежание появления специфического запаха, делающего несъедобным мясо некастрированных кабанов.
Новая вакцина обеспечит стерилизацию животных без хирургического вмешательства, не оказывая при этом негативного влияния на рост животных. Кроме диагностических тестов, вакцин и лекарственных препаратов, использующихся для поддержания здоровья сельскохозяйственных животных, биотехнология играет все более важную роль в выведении новых пород. Методы генетического картирования позволяют выявлять генетически устойчивых к различным заболеваниям животных и использовать их в селекционных проектах для получения здорового устойчивого к болезням потомства.
С другой стороны, животные с генетическими дефектами также могут быть идентифицированы и изъяты из процесса селекции - новые ДНК-тесты позволяют выявлять свиней, страдающих генетически обусловленным свиным стресс - синдромом, характеризующимся дрожанием и гибелью животных при воздействии стрессовых факторов, передающиеся по наследству неблагоприятные признаки скота могут быть идентифицированы с помощью ДНК-тестов, в настоящее время использующихся в национальных селекционных программах в Японии.
С их помощью можно выявить дефект адгезии лейкоцитов, характеризующийся повторяющимися бактериальными инфекциями, задержкой роста и гибелью в течение первого года жизни; недостаточность фактора свертываемости крови XIII; наследственные формы анемии и задержку роста крупного рогатого скота. Повышение качества продуктов животноводства Использование биотехнологии способно значительно улучшить качество употребляемых в пищу и используемых в других целях продуктов животноводства. Часть улучшений происходит благодаря использованию ветеринарных вакцин, лекарств и диагностических тестов .
Однако огромные достижения были сделаны биотехнологами и на клеточном уровне с помощью переноса генов и клонирования. К таким достижениям относятся: - возможность создания генетически модифицированных коров, овец и свиней с пониженным содержанием жира и повышенным - постного мяса; - проекты по генетическому картированию позволяют фермерам выявлять высокопродуктивных особей для включения их в селекционные программы; - вакцины находят новые области применения, в том числе используются для стимуляции иммунной системы индюшек, что подавляет у них тенденцию к прекращению откладывания яиц; - другие вакцины повышают эффективность переваривания корма или влияют на продукцию гормонов, что приводит к ускорению роста животных.
Некоторые вакцины способствуют синтезу большего количества молока или снижению жирности мяса; - генетически модифицированные коровы производят «дизайнерское молоко», содержащее повышенное количество белков, необходимых для полноценного вскармливания детей или производства кисломолочной продукции; - австралийские ученые разработали метод получения большего количества овечьей шерсти за счет скармливания овцам генетически модифицированный люпина, дикий вариант которого составляет основную часть их летней диеты; - в настоящее время ведется работа над созданием генетически модифицированных креветок, не содержащих белка, в 80% случаев являющегося причиной аллергии на креветки.
Исследования, проведенные специалистами Национальной академии наук США, продемонстрировали безопасность использования клонированных и генетически модифицированных животных для производства продуктов питания. Генетически модифицированные версии некоторых кормовых культур в настоящее время находятся на стадии тестирования. Целью их создания является повышение качества белков, жиров и усвояемости энергии изготавливаемых на их основе кормов. Одна из таких культур разрабатывается для увеличения срока хранения говядины за счет повышения антиоксидантных свойств входящих в ее состав жиров .
Актуальные направления решения проблем инновационного развития животноводства в РФ
Агропромышленный комплекс представляет собой сложную социально-экономическую систему, состоящую из различных структурно-образующих элементов или подсистем. Его центральным звеном является сельское хозяйство...
Биотехнологические методы повышения продуктивности сельскохозяйственных животных
Что такое биотехнология животных? На настоящий момент биотехнологии приобретают все более важную роль в повышении доходности животноводства...
Биотехнология на страже урожая
В настоящее время значительная часть урожая сельскохозяйствен-ных растений -- около 30% -- гибнет от вредителей и болезней. Усилия специалистов в области Защиты растений -- отрасли сель-скохозяйственной науки...
Группы крови и трансплантация эмбрионов
2.1 Преимущества технологии трансплантации эмбрионов в воспроизводстве и селекции Селекционно-племенная работа в животноводстве вековая. Плоды ее складываются десятилетиями...
Использование гетерозиса для повышения продуктивных качеств животноводства
Под гетерозисом понимают превосходство потомства I поколения над родительскими формами по жизнеспособности, выносливости, продуктивности, возникающее при скрещивании разных рас, пород животных и их зональных типов (Е.К. Меркурьева и др., 1991)...
Организационно–экономическое обоснование развития отрасли скотоводства ФГУП "Григорьевское"
Уровень продуктивности животных в планируемом году предполагается достичь за счет увеличения продуктивности, их поголовья, а также совершенствования способов ухода за животными...
Организация внутрихозяйственных производственно-экономических отношений в сельскохозяйственных предприятиях
Организация и оплата труда в молочном скотоводстве
1.1 Нормирование труда в животноводстве Нормирование труда - это определение необходимых затрат времени на производство единицы продукции в разных организационно-технических условиях...
Под организацией оплаты труда на предприятии понимается разработка и построение системы ее регулирования и дифференциации по категориям работников в зависимости от сложности и условий выполняемых работ...
Организация оплаты труда в животноводстве
В животноводстве труд рабочих оплачивается по аккордно-премиальной, сдельно-премиальной, повременно-премиальной, а также от валового дохода. Но основной в этой отрасли является оплата за продукцию, т. е. за конечный результат...
Организация племенного хозяйства
Отбор в животноводстве, вид искусственного (методического) отбора; выбор на племя наиболее ценных в хозяйственном отношении животных. Полная информация о понятии "отбор в животноводстве ". Согласно общепринятому определению...
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГОУ ВПО "Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия"
БИОТЕХНОЛОГИЯ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
Ульяновск - 2008 г.
П.С.Катмаков, А.В.Бушов, В.П.Гавриленко. Биотехнология в животноводстве. Учебноепособие. - Ульяновск, УГСХА, 2008, 154 с.
Под общейредакциейпрофессораП.С.Катмакова.
Рецензенты:
В.П.Дегтярев , доктор биологических наук, академик РАСХН,Д.А.Васильев, докторбиологическихнаук, профессор.
Учебное пособие написано в соответствии с программой курса по биотех- нологии длястудентов биотехнологическогофакультета.
В пособии на уровне современных знаний изложены вопросы молекуляр- ных основ наследственности, генетической и клеточной инженерии, включая конструирование рекомбинантных ДНК и векторных систем. В главах, посвя- щенных трансплантации эмбрионов, получению трансгенных животных, кло- нированию и получению химер значительное внимание уделено практиче- скому использованию достижений биотехнологии в селекции сельскохозяй- ственныхживотных.
Рассмотрены вопросы биотехнологии кормовых препаратов - получение кормовых белков, незаменимых аминокислот; ферментных, витаминных пре- паратов и липидов. Особое внимание уделено научным и правовым основам обеспечения биобезопасности в биотехнологии, биоинженерии и использова- нии генетически модифицированных организмов. Каждая глава заканчивается перечнем вопросов для самостоятельного контроля усвоения материала.
© ФГОУ ВПО« Ульяновская ГСХА», 2008. © П. С. Катмаков, А. В. Бушов, В. П. Гавриленко, 2008.
ВВЕДЕНИЕ | |
ГЛАВА1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕОСНОВЫНАСЛЕДСТВЕННОСТИ……............ | |
1.1. Нуклеиновые кислоты - материальные носители наслед- | |
ственнойинформации. | |
1.2. Реализациянаследственнойинформации................................. | |
1.3. Генетическийкод......... | |
1.4. Регуляция активности генов........... | |
1.5. Современноепредставление остроении и функции | |
гена....................................... | |
Контрольные вопросы. ...................................................................... | |
ГЛАВА2. ГЕНЕТИЧЕСКАЯИКЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ............................... . | |
2.1. Ферментыклеточной инженерии................................................. | |
2.2. Конструирование и технология рекомбинантных ДНК...... | |
2.3. Синтези выделение генов................................................................ |
2.4. Генетическая инженерия на уровне хромосом и геномов …………………………………………………........... 38
2.5. Гибридизация соматическихклеток........................................... | |
2.6. Получениеаллофенных животных.............................................. | |
Контрольные вопросы ....................................................................... | |
ГЛАВА3. ТРАНСПЛАНТАЦИЯЭМБРИОНОВ ..................................................................... | |
3.1. Технологиятрансплантации эмбрионов.................................... | |
3.2. Проведениесуперовуляции у доноров........................................ | |
3.3. Извлечение и оценка эмбрионов................................................... | |
3.4. Пересадка эмбрионов реципиентам............................................ | |
3.5. Криоконсервация эмбрионов......................................................... | |
3.6. Влияниетрансплантации эмбрионов на генетический | |
прогресс популяции........................................................................... | |
Контрольные вопросы ....................................................................... | |
ГЛАВА4. ПОЛУЧЕНИЕТРАНСГЕННЫХЖИВОТНЫХ. .................................... | |
4.1. Перенос генов....................................................................................... | |
4.2. Создание разных типов трансгенных животных.................. | |
4.3. Получениетрансгенныхсельскохозяйственных | |
животных............................................................................................... | |
Контрольные вопросы ....................................................................... | |
ГЛАВА5. КЛОНИРОВАНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ | |
ЖИВОТНЫХ …………………………………………………… | |
5.1. Пересадка ядер соматических клеток в энуклеированную | |
яйцеклетку .................................................................................................. |
5.2. Созданиепартеногенетическихживотных.......................... | |
5.3. Получение идентичных монозиготных близнецов............. | |
Контрольные вопросы ....................................................................... | |
ГЛАВА6. ПОЛУЧЕНИЕХИМЕРНЫХЖИВОТНЫХ ......................................................... | |
6.1. Методы создания экспериментальныххимер......................... | |
6.2. Маркерыхимер ................................................................................... | |
6.3. Межвидовые и межпородные химеры ........................................ | |
Контрольные вопросы ....................................................................... | |
ГЛАВА7. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ ЯЙЦЕКЛЕТОК ВНЕ ОРГАНИЗМА ЖИВОТ- | |
НОГО …………………………………………………................................…….. | |
7.1. Культивированиеооцитов вне организма животного.......... | |
7.2. Капацитация спермиев ..................................................................... | |
7.3. Акросомная реакция. ......................................................................... | |
7.4. Получениеэмбрионов изоплодотворенныхin vitro ооцитов | |
Контрольные вопросы ....................................................................... | |
ГЛАВА8. БИОТЕХНОЛОГИЯКОРМОВЫХ ПРЕПАРАТОВ................ ............ ..... | |
8.1. Получениекормовых белков .......................................................... | |
8.2. Кормовые дрожжи ............................................................................. | |
8.3. Белковые концентраты из бактерий .......................................... | |
8.4. Кормовые белки из водорослей .................................................... | |
8.5. Белки микроскопическихгрибов. ................................................ | |
8.6. Кормовые белковые концентраты из растений................. | |
8.7. Производство незаменимых аминокислот................................ | |
8.8. Производство кормовых витаминных препаратов............... | |
8.9. Кормовые липиды ………………………................................... | |
8.10. Ферментныепрепараты ................................................................ | |
Контрольные вопросы ....................................................................... | |
ГЛАВА9. БИОТЕХНОЛОГИЯИБИОБЕЗОПАСНОСТЬ ................................................. | |
9.1. Понятия о безопасности и биобезопасности.............................. | |
9.2. О генетическом риске и биобезопасности в биоинжене- | |
рии и трансгенозе ............................................................................... |
9.3. Критерии, показатели и методы оценки генетически модифицированныхорганизмовиполучаемыхотнихпродуктов
ГЛАВА10.. БИОКОНВЕРСИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ........................ . | |
10.1. Технология производства биогаза ................................................ | |
10.2. Биогазовые установки. ...................................................................... | |
10.3. Мировой опыт биоконверсии органических отходов в био- | |
газ ..................................................................................................... | |
Контрольные вопросы ....................................................................... | |
Литература ............................................................................................... |
Термин "биотехнология " впервые использовал Карл Эреки в1919 году для обозначения работ, в которых продукты получают с помощью живых организмов. В биологическом энциклопедическом словаре, издан- ном в1986 г., биотехнологией называют использование живых организ- мов и биологических процессов в производстве. Европейская федерация биотехнологии определяет современную биотехнологию как использова- ние наук о природе(биологии, химии, физики) и инженерных наук(элек- троники) применительно к биосистемам в биоиндустрии. Будучи древней сферой производства, биотехнология сегодня представляет собой ультра- современный этапнаучно- техническогопрогресса.
На начальном этапе биотехнология опиралась главным образом на достижения микробиологов и энзимологов, а в последние годы она полу- чила мощный импульс к развитию со стороны наиболее интенсивно раз- вивающихся областей биологии: вирусологии, молекулярной и клеточной биологии, молекулярной генетики.
Рождение нового направления в биологии - генетической инженерии- условно можно отнести к1972 г., когда в лаборатории П. Берга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК, что окончательно закрепило за биотехнологией и биоинженерией(ядерной биологией) важ- нейшее место в современной науке. Работы выдающихся биологов А. А. Баева, А. Н. Белозерского, О. Эйвери, Г. Гамова, К. Кораны, Ф. Жакоба, Ж. Моно, Дж. Беквиста, Ю. А. Овчинникова, А. С. Спирина и др. дополнили
последовательный ряд важнейших открытий по идентификации генов и ферментов, выделению молекул ДНК из растительных, микробных и жи- вотных клеток, расшифровке генетического кода и механизмов экспрес- сии генов и биосинтеза белка упрокариот и эукариот.
В 50- е годы в биологии возникает еще одно важное направление- кле- точная инженерия и связанная с ней клеточная биотехнология.
Генетическая и клеточная инженерия определили главнейшее ядро и направление современной биотехнологии, методы которой получили ши-
рокое развитие в 80- е годы и используются во многих областях науки и производства в нашей стране и за рубежом.
Современная биотехнология (биоинженерия) - это наука о генноинженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.
Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетиче- ская трансформация, перенос чужеродных донорских генов в клетки- ре- ципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансген- ных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По
своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устой- чивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и ка- чеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в приро- де и всех отраслях производства.
Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и произ- водства. У нее есть более глобальная методическая задача- она расширяет и ускоряет с помощью достижений научно- технического прогресса мас- штабы воздействий человека на живую природу и способствует приспо- соблению живых систем к условиям существования человека, выступая в роли новогомощного фактора антропогенной адаптивной эволюции.
По своим потенциям биотехнология экологически достаточно чистый и практически неисчерпаемый высокоэкономичный производитель разно- образной продукции и поэтому все больше будет вытеснять несовершен- ные, ограниченные ресурсами и экологически вредные современные хи- мические технологии. Однако, для большего прогресса биотехнология нуждается в успехах фундаментальных наук и в более совершенных ме- тодах оперирования живыми системами.
ГЛАВА1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫНАСЛЕДСТВЕННОСТИ
1.1. Нуклеиновые кислоты – материальные носители наследст-
венной информации. Хромосома представляет собой нуклеопротеидную структуру (дезоксинуклеопротеид), в состав которой входит дезоксирибо- нуклеиновая кислота, основные белки– гистоны, негистоновые белки и небольшое количество рибонуклеиновой кислоты. Ведущая роль в на-
следственности принадлежит ДНК, которая является носителем наследст- венной информации практически у всех организмов, как прокариот, так и эукариот, за исключением некоторых РНК– содержащихвирусов.
Нуклеиновые кислоты были открыты Фридрихом Мимером (18441895 г. г.) в1869 г. Из ядер клеток человека он выделил вещество, назван- ное им нуклеином(от лат. Nucleus – ядро). В дальнейшем были изучены строение и молекулярная структура нуклеина и установлено, что он пред- ставлен двумя типами нуклеиновых кислот– ДНК- ой, локализованной преимущественно в ядре и РНК- ой, находящейся в ядре и цитоплазме.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соедине-
ния; их молекулярный вес колеблется от 5 млн. до 40 млн. В состав ДНК входят: сахар – дезоксирибоза, 4 азотистых основания – производные пурина (аденин и гуанин) и пиримидина (тимин и цитозин) и остатки фосфорной кислоты (фосфат). Аденина (А) содержится обычно столько, сколько тимина (Т), а количество гуанина (Г) равно количеству цитозина (Ц). Нуклеотиды соединяются между собой , обра - зуя длинную цепочку , химическим остовом которой служат остатки фос - форной кислоты , которые связаны фосфодиэфирными связями с 5′ угле - родом одной молекулы пентозного сахара и 3′ углеродом другой .
Структурная формула молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком. Согласно их модели, молекула ДНК состоит из двух цепей, связанных междусобой. Они отличаются сильной спиральной
извитостью и могут складываться в плотные столбики или растягиваться в длинные слегка извитые нити. Цепи двойной спирали удерживаются вме- сте водородными связями между азотистыми основаниями, лежащими друг против друга.
Молекула ДНК состоит из цепи молекул дезоксирибозы, соединенных между собой фосфатными остатками. К каждой молекуле сахара присое- динено одно из оснований– аденин, тимин, гуанин и цитозин, иногда ме- тилцитозин. Вторая цепь ДНК состоит из аналогичных соединений, но основания в ней расположены так, что напротив аденина в первой цепи во второй находится тимин, напротив гуанина– цитозин, причем аденин и тимин соединены двойными водородными связями, а гуанин и цитозин– тройными(пр. Чаргафа).
Число пуриновых нуклеотидов (А+Г)= числу пиримидиновых (Ц+Т),
т.е. отношение (А+Г) : (Т+Ц) = 1. Две комплементарные нити образуют правовинтовую спираль , каждый виток которой имеет длину 3.4 нм , рас - стояние между нуклеотидами 0.34 нм . Азотистые основания ориентиро -
ваны к середине спирали. Для хромосом эукариотов характерно линейное строение молекулы ДНК, у прокариот, плазмид, митохондрий и пластид молекулы ДНК бывают замкнуты в кольцо.
Число нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК специ- фичны для каждого вида. Д. Уотсон ввел понятие о видовой специфично- сти ДНК. Коэффициентом видовой специфичности называют соотноше- ние(А+ Т): (Г+ Ц). Молекула ДНК обладает исключительным многообра- зием. Если предположить, что у млекопитающих в ДНК содержится10 8 нуклеотидов, то число молекул ДНК, различающихся по порядку чередо- вания нуклеотидов, будет4 в степени10 8 . Таким образом, в молекуле ДНК может быть записан практически любой объем наследственной информа- ции и укаждой особи эта запись уникальна и специфична.
В отличие от содержащихся в живом организме других химических соединений молекула ДНК обладает способностью к автосинтезу, т. е. к самовоспроизведению в процессе репликации. Репликацией называют
процесс самокопирования молекулы ДНК с точным соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего исходным комплементарным нитям. Происходит это с участием специальных ферментов – дезоксирибонуклеазы, расщепляющей молекулу ДНК, и ДНК – полимеразы, способствующей ее синтезу.
Репликация происходит в период синтеза (S- период ) интерфазы мито-
тического цикла . На отдельных участках молекулы ДНК образуются
так называемые вилки репликации. В этих местах под влиянием первого фермента водородные связи между азотистыми основаниями разрываются, комплементарные нити разъединяются, и каждая из них становится матрицей, на которой происходит синтез дочерних нитей. Такой тип репликации получил название полуконсервативного.
Участок молекулы ДНК в том месте, где начали расплетаться компле- ментарные нити, называется вилкой репликаций. Она образуется у прока- риот, плазмид, митохондрий и пластид в одной определенной, генетиче- ски фиксированной точке. В молекуле ДНК у эукариот таких« стартовых точек» бывает несколько.
У эукариот на каждой комплементарной нити ДНК процесс реплика- ции идет неодинаково, т. к. они антипараллельны, поэтому одна из нитей называется «лидирующей », другая– «запаздывающей» . « Лидирующая» нить синтезируется при участии фермента ДНК– полимеразы в виде сплошной комплементарной нити.
Синтез « запаздывающей» нити протекает сложнее с участием ком- плекса ферментов. Вначале образуются отрезки– реплики новой дочерней нити ДНК, прочное соединение которых осуществляет ферментлигаза . Эти отрезки новой нити ДНК содержат у эукариот 100-200 нуклеотидов, у прокариот 1000-2000 нуклеотидов. Их называют фрагментамиОказаки по имени описавшего их японского ученого. ДНК- полимераза II проверяет комплементарность оснований и вырезает те из них, которые не компле- ментарны, бреши застраиваются правильныминуклеотидами.
Репликация кольцевых молекул ДНК у прокариот, а также ДНК плаз- мид, митохондрий и пластид протекает по типу, получившему название« катящегося обруча». При этом одна из нитей молекулы ДНК разрывает- ся, и ее конец прикрепляется к клеточной мембране, а на противополож- ном конце, как на матрице, происходит синтез дочерней нити ДНК. Реп- ликация ДНК протекает довольно быстро. У бактерий она составляет око- ло30 мкм в минуту; за это время к нити матрице присоединяется около500 нуклеотидов дочерней нити. У вирусов– около900 нуклеотидов в минуту. У эукариот репликация протекает медленнее– дочерняя нить уд- линяется на1,5-2,5 мкм в минуту.
Таким образом, ДНК способна самовоспроизводиться(реплициро- ваться, самокопироваться) и сохранять наследственную информацию, за- кодированную в ней в виде последовательности чередования нуклеотид- ных оснований, во множестве поколений клеток, образующихся в онтоге- незе многоклеточногоорганизма.
Рибонуклеиновая кислота по своему строению несколько сходна с ДНК. Она также имеет цепь из сахара рибозы, соединенной фосфатными остатками; к молекулам рибозы присоединены основания – аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина здесь включается другое производное пиримидина – урацил. Молекула РНК одноцепочная, слегка спиралеобразно изогнутая. В клетке содержится РНК в основном трех типов: информационная (матричная) – и-РНК (м-РНК), рибосомальная – р-РНК и транспортная – т-РНК.
Все рибонуклеиновые кислоты синтезируются на соответствующих участках молекулы ДНК. Они имеют значительно меньшие размеры, чем ДНК. В живом организме в синтезе РНК участвует лишь одна цепь ДНК. Образовавшаяся двойная цепь ДНК/ РНК существует до тех пор, пока со- отношение между ДНК и РНК не достигнет определенной величины, по-
сле чего молекула РНК отделяется и поступает в ядрышко или по каналам эндоплазматической сети в органоиды или плазмуклетки.
