Криоконсервация генетических ресурсов животных - Cryoconservation of animal genetic resources
 | Эта статья ведущий раздел может быть слишком длинным для статьи. (Июль 2016) |
Криоконсервация генетических ресурсов животных это стратегия сохранения образцов генетического материала животных криогенно.[1]
Генетические ресурсы животных, как определено Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций, - это "те виды животных, которые используются или могут быть использованы для производства продуктов питания и ведения сельского хозяйства, а также популяции внутри каждого из них. Эти популяции в пределах каждый вид можно отнести к диким и дикий население, староместные сорта и первичные популяции, стандартизованные породы, выбранные линии, сорта, штаммы и любой консервативный генетический материал; все они в настоящее время классифицируются как породы ".[2] Генетические материалы, которые обычно криогенно хранятся, включают: сперма, ооциты, эмбрионы и соматические клетки.[3][4] Криогенные установки называются генные банки и могут сильно различаться по размеру, как правило, в зависимости от имеющихся экономических ресурсов. Они должны быть в состоянии облегчить гермоплазма сбор, обработка и долгосрочное хранение - все гигиенично и организованно. Генные банки должны поддерживать точную базу данных и обеспечивать доступность информации и генетических ресурсов для надлежащего облегчения криоконсервации.[1] Криоконсервация - это ex situ сохранение стратегия, которая часто сосуществует с на месте сохранение для защиты и сохранения домашнего скота генетика.[5]
Криоконсервация генетических ресурсов домашнего скота в первую очередь делается для того, чтобы сохранить генетику представляющих интерес популяций, таких как местные породы, также известные как местные или второстепенные породы. Материал может быть сохранен, потому что люди имеют общие определенные гены и фенотипы, которые могут иметь ценность или иметь потенциальную ценность для исследователей или селекционеров. Поэтому одной из основных целей остается сохранение генофонда местных пород, которым может угрожать опасность.[6] Генетике аборигенного домашнего скота обычно угрожают такие факторы, как глобализация, модернизация, изменения в производственных системах, неправильная интродукция основных пород, генетический дрейф, инбридинг, скрещивание, изменение климата, Стихийные бедствия, болезнь, культурные изменения, и урбанизация.[7][8][9] Местный скот имеет решающее значение для устойчивый сельскохозяйственный развитие и Продовольственная безопасность, за счет их: адаптации к Окружающая среда эндемические заболевания, незаменимая часть местных производственных систем, культурное значение и важность местный сельский экономика.[4][9] Генетические ресурсы малых пород имеют ценность для местных фермеров, потребителей продукции, частные компании и инвесторы, заинтересованные в скрещивании, ассоциации пород, правительства, проводящие исследования и разработки, а также неправительственные организации.[1][10] Поэтому национальные правительства и неправительственные организации, такие как Охрана домашнего скота, чтобы способствовать сохранению генетики домашнего скота посредством криоконсервации, а также с помощью других ex situ и на месте стратегии.[7][11] Криогенные образцы генетических ресурсов домашнего скота можно сохранять и использовать в течение длительных периодов времени.[12] Это преимущество делает криоконсервацию особенно выгодной для находящихся под угрозой исчезновения пород, имеющих низкопородные популяции. Криогенно консервированные образцы могут быть использованы для возрождения пород, которые находящихся под угрозой исчезновения или вымерший, для улучшения породы, скрещивания, исследований и разработок. Однако криоконсервация может быть дорогостоящей стратегией и требует долгосрочных гигиенических и экономических обязательств, чтобы зародышевая плазма оставалась жизнеспособной.[1] Криоконсервация также может столкнуться с уникальными проблемами, зависящими от вида, поскольку у некоторых видов снижена выживаемость замороженной зародышевой плазмы.[3][13][14]
Описание
Криоконсервация - это процесс замораживания клеток и тканей с использованием жидкого азота для достижения экстремально низких температур с целью использования консервированного образца для предотвращения потери генетического разнообразия.[15] Сперма, эмбрионы, ооциты, соматические клетки, ядерная ДНК и другие типы биоматериалов, такие как кровь и сыворотка, могут храниться с использованием криоконсервации, чтобы сохранить генетические материалы.[3][4] Основное преимущество криоконсервации - это способность сохранять зародышевую плазму в течение продолжительных периодов времени, тем самым поддерживая генетическое разнообразие вида или породы.[12] Есть два распространенных метода криоконсервации: медленное замораживание и витрификация. Медленное замораживание помогает исключить риск образования внутриклеточных кристаллов льда.[16] Если в клетках образуются кристаллы льда, возможно повреждение или разрушение генетического материала. Стеклование - это процесс замораживания без образования кристаллов льда.[17]
Ценность
Криоконсервация - незаменимый инструмент при хранении генетического материала животного происхождения, и он будет по-прежнему полезен для сохранения домашнего скота в будущем. Криоконсервация служит способом сохранения зародышевой плазмы, что особенно полезно для исчезающих пород. Местный скот может сохраняться по разным причинам, включая сохранение местной генетики, его важность в местных традициях и их ценность для культурной самобытности и наследия района.[18] Утрата регионального разнообразия домашнего скота может усилить нестабильность, уменьшить будущие возможности и поставить под угрозу производственные системы.[9] Более того, поддержание местных пород может помочь в сохранении традиционного образа жизни и средств к существованию, даже обеспечивая доход за счет культурного туризма.[19] Местные породы могут вносить вклад в местную экономику и производственные системы, используя земли, непригодные для растениеводства, для производства пищевых продуктов, а также обеспечивая шкуры, навоз и тягловую силу. Поэтому сохранение и развитие этих пород имеют первостепенное значение для продовольственной безопасности и устойчивости.[7]
Еще одним полезным фактором криоконсервации аборигенного скота является продовольственная безопасность и экономическое развитие.[20] Местный домашний скот часто имеет полезные черты, связанные с адаптацией к местному климату и болезням, которые могут быть переданы основным породам с помощью методов криоконсервации.[21] Криоконсервация - благоприятная стратегия, поскольку она позволяет хранить зародышевую плазму в течение продолжительных периодов времени на небольшом замкнутом пространстве. Дополнительным преимуществом криоконсервации является способность сохранять биологический материал как материнских, так и отцовских клеток и сохранять жизнеспособность в течение длительных периодов времени.[3][9] Криоконсервация успешно используется в качестве стратегии сохранения видов и пород, которые с тех пор находятся под угрозой исчезновения. Один из недостатков заключается в том, что криоконсервацию можно проводить только в том случае, если подготовка была проведена заранее.[4] При надлежащей подготовке к сбору и сохранению генетического материала этот метод очень полезен для сохранения редких и находящихся под угрозой исчезновения домашних животных. Криоконсервация может служить в качестве плана действий на случай непредвиденных обстоятельств, когда необходимо восстановить популяцию породы или когда порода вымерла, а также для улучшения породы. Этот процесс приносит пользу компаниям и исследователям, делая генетические материалы доступными.[1]
| Гибкость СМА страны к изменениям | Страхование от изменения условий производства | Защита от болезней, бедствий и т. Д. | Возможности для геномных исследований |
|---|---|---|---|
| Генетические факторы | Обеспечение продолжения эволюции породы / генетической адаптации | Повышение осведомленности о фенотипических характеристиках породы | Сведение к минимуму подверженности генетическим проектам |
| Устойчивое использование общей площади | Возможности для развития в сельской местности | Поддержание разнообразия агроэкосистем | Сохранение разнообразия сельской культуры |
Поддержка многочисленных заинтересованных сторон делает возможным этот процесс в создании и эксплуатации криоконсервации. Перед выполнением каждого этапа все участвующие заинтересованные стороны должны быть проинструктированы, чтобы понять возможную приближающуюся фазу. Это будет включать информирование заинтересованных сторон об их обязанностях и получение их согласия на процесс криоконсервации.[1] Возможные заинтересованные стороны в процессе криоконсервации могут включать:
|
Методы
Коллекция
Существует несколько способов сбора генетического материала в зависимости от типа зародышевой плазмы.
Сперма
Замораживание спермы это широко используемый метод в современном животноводстве, который хорошо изучен с помощью установленных методов.[22] Сперму часто собирают с помощью искусственное влагалище, электроэякуляция, техника работы в перчатках, поглаживание живота или сбор спермы из придатка яичка. Предпочтительные методы сбора различаются в зависимости от вида и доступных инструментов. Терпение и техника - ключи к успешному сбору спермы.[23] Существует несколько стилей и типов искусственных вагин, которые можно использовать в зависимости от породы и вида мужчины. Во время этого процесса половой член входит в трубку, которая является приблизительным давлением и температурой во влагалище женщины. Внутри пробирки находится одноразовый мешок, в который собирается сперма. Во время этого процесса может быть полезно иметь животное-дразнилку - животное, которое используется для сексуального дразнить, но не оплодотворять животное, - чтобы увеличить возбуждение самца.[23] Электроэякуляция - это метод сбор спермы в животноводстве, потому что дает семя высокого качества. Однако этот процесс требует дрессировки и безопасного удержания животного, поэтому он не идеален при работе с дикими или одичавшими животными. При выполнении этого процесса электроэякулятор вводится в прямую кишку мужчины.[24] Электроэякулятор стимулирует самца, вызывая эякуляцию, после чего собирается сперма. Техника ручного сбора перчаток используется в основном в свиноводстве. Во время этого процесса кабан садится на манекен, в то время как дрессировщик захватывает пенис кабана между гребнями пальцев и собирает сперму.[25] Абдоминальное поглаживание используется исключительно в птицеводстве. Во время техники один техник будет держать птицу, а второй массажирует клоаку птицы.[26] Однако фекалии и сперма покидают тело самца птицы через клоаку, поэтому качество спермы часто бывает низким.[27]
Эмбрион
Сбор эмбрионов сложнее и требует большей подготовки, чем сбор спермы, поскольку женские репродуктивные органы расположены внутри полости тела. Суперовуляция - это метод, используемый для того, чтобы самка высвободила больше ооцитов, чем обычно. Этого можно добиться, используя гормоны для воздействия на репродуктивные органы женщины. Используемые гормоны обычно похожи на гонадотропины, что означает, что они стимулируют гонады.[28] Фолликулостимулирующий гормон является предпочтительным гормоном у крупного рогатого скота, овец и коз. В то время как у свиней предпочтительным является хорионический гонадотропин лошади. Однако в свиноводстве этого обычно не делают, потому что у свинок и свиноматок (самок свиней) естественная овуляция происходит более чем у одного ооцита за один раз. Суперовуляция может быть сложной, потому что не все самки будут реагировать одинаково, и успех зависит от вида. Как только самка высвобождает ооциты, они оплодотворяются внутри - in vivo - и выводятся из ее тела. Оплодотворение in vivo более успешно, чем оплодотворение in vitro.[29] У крупного рогатого скота из процесса промывки обычно удаляется 10 или более эмбрионов. Чтобы промыть матку, технический специалист сначала закроет шейку матки и добавит жидкость, которая позволяет вымыть яйцеклетку из рогов матки в цилиндр для анализа. Этот процесс обычно занимает 30 минут или меньше.[30] Технические специалисты могут определить пол эмбриона, что может быть особенно полезно в молочной промышленности, поскольку желательно, чтобы эмбрион был женским.[31] Витрификация - предпочтительный метод замораживания эмбрионов, поскольку он дает эмбрионы более высокого качества.[32] Крайне важно осторожно обращаться с эмбрионами и замораживать их в течение 3–4 часов, чтобы сохранить жизнеспособность наибольшего процента эмбрионов.[1]
Ооциты
Ооциты можно собирать у большинства видов млекопитающих. Обычный сбор ооцитов - это удаление яичников у животного-донора; это делается посмертно на бойнях.[33] Яичники сохраняются в тепле, поскольку они возвращаются в лабораторию для сбора ооцитов. Сохранение яичников в тепле помогает повысить успешность оплодотворения.[33] После сбора ооциты оцениваются и делятся на маленькие, средние и большие, а затем созревают в течение 20–23 часов.[34] Этот простой и недорогой метод позволяет собрать около 24 ооцитов крупного рогатого скота. Обычный сбор ооцитов особенно полезен для самок, которые неожиданно умирают или становятся неспособными к разведению из-за травмы. Второй вариант сбора ооцитов - это использование трансвагинального метода сбора ооцитов под ультразвуковым контролем, также известного как TUGA. Техника сбора немного отличается в зависимости от вида, но общие методы сбора одинаковы; игла вводится в каждый фолликул яичника и извлекается с помощью вакуума. Основным преимуществом использования этого метода является возможность увеличить репродуктивную продуктивность в течение всей жизни или количество продуктивных дней, в течение которых животное находится в своем состоянии. эстральный цикл. У беременных коров и кобыл продолжают развиваться новые фолликулы до середины беременности. Таким образом, TUGA можно использовать для существенного повышения физической формы особи, поскольку в этом случае самка может произвести более одного потомства за одну беременность.[35]
Соматические клетки
Соматические клетки являются дополнительным ресурсом, который можно использовать для банка генов, особенно в экстренных случаях, когда гаметы не могут быть собраны или сохранены. Ткани можно брать у живых животных или вскоре после смерти. Эти ткани можно сохранить путем криоконсервации или обезвоживания. Клетки крови также могут быть полезны для анализа ДНК, например для сравнения гомозиготности.[36][37] ФАО рекомендует брать две пробирки с кровью, чтобы снизить вероятность потери всех проб от конкретного животного. ДНК можно извлечь с помощью коммерческих наборов, что делает эту стратегию доступной и доступной для сбора зародышевой плазмы.[1]
| Сперма | Сперма и ооциты | Эмбрионы | |
|---|---|---|---|
| Количество образцов, необходимых для восстановления породы | 2000 | 100 штук каждого | 200 |
| Требуется обратное скрещивание? | да | Нет | Нет |
| Включены митохондриальные гены? | Нет | да | да |
| Возможен сбор у видов домашнего скота | В основном не всегда | Да, у некоторых видов. Оперативный для крупного рогатого скота | Да, у некоторых видов. Оперативный для крупного рогатого скота |
| Стоимость сбора | $$ | $$ | $$$$ |
| Возможна криоконсервация? | да | Все еще в экспериментальной стадии | Подходит для крупного рогатого скота, лошадей и овец. Перспективно у свиней. Невозможно в птицеводстве |
| Утилизация | Хирургическое или нехирургическое оплодотворение, обратное скрещивание для 4 поколений | Созревание in vitro / ЭКО с последующей хирургической или нехирургической ЭТ | Хирургическая или безоперационная ЭТ |
| Текущая осуществимость | Высоко | Средняя | Высокая в зависимости от доступных ресурсов |
Замораживание
Существует два метода замораживания при криоконсервации: медленное замораживание и витрификация.
Медленное замораживание
Во время медленного замораживания клетки помещают в среду, которая охлаждается ниже точки замерзания с помощью жидкого азота. Это вызывает образование ледяной массы в среде. Когда вода в среде замерзает, концентрация сахаров, солей и криопротекторов увеличивается. Благодаря осмосу вода из клеток попадает в среду, чтобы поддерживать одинаковые концентрации сахаров, солей и криопротекторов. Вода, которая покидает клетки, в конечном итоге замораживается, в результате чего больше воды диффундирует из клетки. В конце концов, незамерзшая часть - ячеистая - становится слишком вязкой для образования кристаллов льда внутри ячейки.[1]
Витрификация
Второй метод криоконсервации - это витрификация или мгновенное замораживание. Стеклование - это переход из жидкого состояния в твердое без образования кристаллов. Процесс и механика стеклования аналогичны медленному замораживанию, разница заключается в концентрации среды. В методе витрификации применяется выбранная среда с более высокой концентрацией растворенного вещества, поэтому вода покидает клетки посредством осмоса. Среда достаточно концентрирована, поэтому вся внутриклеточная вода уйдет без повторного концентрирования среды. Более высокая концентрация среды при витрификации позволяет замораживать зародышевую плазму быстрее, чем при медленном замораживании. Витрификация считается более эффективным методом замораживания зародышевой плазмы.[16]
Дизайн и оборудование объекта
Дизайн объекта
При проектировании объекта следует учитывать несколько вещей, включая биозащиту, безопасность и эффективность работников и благополучие животных. Для успешного сбора и хранения генетического материала требуется разнообразная инфраструктура. Необходимые здания зависят от размера объектов, а также от объема операций.[1]
Биозащита
Биобезопасность, мера управления, используемая для предотвращения передачи болезней и возбудителей болезней на объекте, важно учитывать при проектировании учреждения.[38] Для достижения высокого уровня биобезопасности пункты сбора следует размещать как можно дальше друг от друга, а также от ферм. Согласно рекомендациям ФАО, объекты должны находиться «на расстоянии не менее 3 км от ферм или других биологических рисков и 1 км от основных автомобильных и железных дорог».[1] Разделение пунктов сбора и окружающих ферм может улучшить биобезопасность, поскольку вредители, такие как мухи и мыши, могут перемещаться с фермы на объект и наоборот. Другие возбудители болезней могут перемещаться по воздуху с помощью ветра, что подчеркивает важность разделения ферм и надлежащей очистки воздуха и вентиляции. Кроме того, периметр ограждения используется для предотвращения потенциальных угроз, которые могут вызвать заражение зародышевой плазмы, таких как проникновение неуполномоченного персонала или нежелательных животных в помещения. Животные могут быть размещены в ручки расположены внутри или снаружи сарая, если они находятся внутри ограждения по периметру. Когда необходимо взаимодействие с посторонними объектами, такими как грузовики с кормом или ветеринарный персонал, требуется полная санитария, чтобы снизить риск заражения. Всегда существует вероятность распространения болезни среди животных, биологические данные которых собираются, или от животного к человеку. Примером заболевания, которое может легко распространяться через зародышевую плазму, является репродуктивный и респираторный синдром свиней, также известный как PRRS. РРСС - очень заразное заболевание среди свиней, из-за которого производители ежегодно теряют миллионы долларов. Заболевание может передаваться через сперму хряка.[39] Поэтому биобезопасность особенно важна, когда генетический материал будет вставлен в другое животное, чтобы предотвратить распространение таких заболеваний.
Человеческие соображения
Безопасность работников всегда является приоритетом при работе с домашним скотом. Пути эвакуации и альтернативный доступ ко всему объекту имеют решающее значение как для обработчиков, так и для домашнего скота.[40] В местах хранения и сбора зародышевой плазмы должны быть раздевалки для персонала, в которых есть запирающиеся шкафчики, душевые и места для хранения одежды и обуви, чтобы соответствовать санитарным требованиям.[1]
Соображения о животных
Использование животноводческих помещений удобно при сборе зародышевой плазмы, поскольку они содержат животных-доноров в легкодоступном месте, что упрощает и повышает эффективность процесса сбора зародышевой плазмы. При планировании объекта следует учитывать виды и породы содержащихся животных; помещения должны быть достаточно большими, чтобы соответствовать стандартам благополучия животных, и в то же время достаточно маленькими, чтобы уменьшить контакт с людьми и облегчить обращение с ними при одновременном снижении стресса животных. Поскольку процесс сбора зародышевой плазмы может занять несколько дней, животное может подвергнуться стрессу, что приведет к ухудшению качества генетического материала. Таким образом, обучение животного знакомству с процессом является ключевым.[40] Помещения для содержания животных также могут служить карантином. Карантинные помещения необходимы для предотвращения передачи болезней от животного к животному, от животного к зародышевой плазме, от зародышевой плазмы к зародышевой плазме и от зародышевой плазмы к животному. Ввести карантин для отделения больных животных от здоровых следует немедленно. Однако карантин не всегда предотвращает распространение болезни.[31]
Контроль температуры и вентиляция
Контроль температуры и вентиляция должны быть включены в дизайн помещений для содержания и сбора, чтобы животные чувствовали себя комфортно и были здоровы, а также ограничивали стресс в процессе сбора зародышевой плазмы. Вентиляция - это эффективный способ поддерживать чистый воздушный поток по всему помещению и устранять запахи. Контроль температуры помогает регулировать качество воздуха и уровень влажности внутри коровника.[1]
Оборудование
Лаборатория замораживания и обработки генетических материалов может находиться на том же участке, что и хранилище и сборщик. Однако в лаборатории должны быть более высокие стандарты санитарии. По мнению ФАО, надлежащая лаборатория гермоплазмы должна включать следующее.[1]
|
Для криоконсервации требуется оборудование для сбора биологического материала и пробирки для хранения. Цена сильно варьируется в зависимости от качества материалов для сбора и хранения.[41] При определении затрат следует учитывать ожидаемый срок службы инструментов.[41] В дополнение к традиционному лабораторному оборудованию ФАО также предлагает следующее:
ОграниченияКриоконсервация ограничивается клетками и тканями, которые можно заморозить и успешно разморозить. Клетки и ткани, которые можно успешно заморозить, ограничены площадью их поверхности. Чтобы клетки и ткани оставались жизнеспособными, их необходимо быстро заморозить, чтобы предотвратить образование кристаллов льда. Таким образом, выгодна большая площадь поверхности.[42] Еще одно ограничение - это сохраняемый вид. Были трудности с использованием определенных методов криоконсервации некоторых видов. Например, искусственное оплодотворение овец сложнее, чем крупного рогатого скота, коз, свиней или лошадей из-за задних складок шейки матки овец.[13] Криоконсервация эмбрионов зависит от вида и стадии развития эмбриона. Эмбрионы свиней труднее всего заморозить, разморозить и утилизировать для получения живого потомства из-за их чувствительности к холоду и высокого содержания липидов.[14] Правовые вопросыСбор и использование генетических материалов требует четких соглашений между заинтересованными сторонами в отношении их прав и обязанностей.[1] ФАО и другие организации, такие как Мендельсон, предлагают, чтобы правительства устанавливали политику в отношении генетических ресурсов домашнего скота, а их сбор, хранение, распределение и использование осуществлялись правительствами.[1][9] ФАО также рекомендует национальным или региональным животноводческим предприятиям создать консультативный комитет для консультирования и предоставления рекомендаций по политике. Домашний скот традиционно является частным товаром; Чтобы получить право собственности на генетические материалы, у генных банков есть несколько стратегий, которые они могут использовать.[1] Генные банки могут:
|