家畜繁殖生物技術(shù)論述范文

本站小編為你精心準備了家畜繁殖生物技術(shù)論述參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

隨著相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展，生殖生物工程技術(shù)越來越多的應(yīng)用到家畜，包括人工授精、胚胎移植、體外受精、動物性別控制、動物克隆、轉(zhuǎn)基因動物、干細胞研究等組成的多元化的生殖生物工程技術(shù)，統(tǒng)稱為繁育生物技術(shù)。

1人工授精和胚胎移植技術(shù)

自飼養(yǎng)家畜以來，人類一直在選用優(yōu)良品質(zhì)的雌雄個體進行家畜的改良。從20世紀六、七十年代以來，隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的開發(fā)，加快了家畜品種改良的進程，產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟效益和社會效益，從根本上改變了人們對畜牧產(chǎn)業(yè)的認識。人工授精技術(shù)的推廣應(yīng)用使優(yōu)良雄畜的繁殖效率提高千萬倍［2］，到目前為止也是現(xiàn)代家畜育種改良技術(shù)的主要手段之一。但是，子代的遺傳性能取決于父母雙方，僅有好的父本不能得到理想的子代。因此在繼人工授精技術(shù)推廣應(yīng)用后，研究者又著眼于優(yōu)良母性遺傳性能的研究開發(fā)，促使胚胎移植技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用開發(fā)。用于移植的早期胚胎自身具有發(fā)育為生命個體的能力，這一點和用于人工授精的精液不同，后者必須與雌性生殖道內(nèi)的卵子結(jié)合，即受精后才能向生命個體發(fā)育。因此，雖然胚胎移植和人工授精技術(shù)在操作方法上基本相同，但注入母體內(nèi)的胚胎和精液在生殖生理意義上具有本質(zhì)區(qū)別。胚胎移植技術(shù)的研究可上溯到19世紀末期。1890年，英國的生物學(xué)者Heape［3］首次把安哥拉兔的受精卵移入到另一種兔的輸卵管，得到了2只小兔，20多年之后，Biedl等［4］同樣用家兔重復(fù)了胚胎移植實驗，得到了產(chǎn)仔結(jié)果。1934年，Pincua和Enzann使用家兔繼續(xù)對胚胎移植進行研究，此后以實驗動物(小鼠:mouse，大鼠:rat，地鼠:hamster)和家兔的胚胎移植研究開始活躍起來。同時期進行了綿羊的胚胎移植實驗并首次在家畜上取得成功［2］。進入20世紀40年代，大量開展以中型家畜為對象的胚胎移植技術(shù)研究，如李喜和等［2］。1950年前后，大部分家畜胚胎移植取得成功，極大地推進了胚胎移植技術(shù)的實用化進程。內(nèi)蒙古大學(xué)和內(nèi)蒙古賽科星繁育生物技術(shù)有限公司(簡稱賽科星公司)選擇西門塔爾黃牛為受體進行了荷斯坦高產(chǎn)奶牛性控胚胎的生產(chǎn)和移植，目的是在短時間內(nèi)大規(guī)模的進行高產(chǎn)奶牛核心群的快速擴繁，繁育優(yōu)良核心后備群。圖1為荷斯坦高產(chǎn)奶牛性控胚胎體內(nèi)生產(chǎn)過程及誕下的性控牛犢。胚胎移植結(jié)合性別控制技術(shù)在白絨山羊生產(chǎn)實踐中具有廣泛的現(xiàn)實意義，可以加速遺傳育種進程，發(fā)揮優(yōu)良公羊、母羊的繁殖優(yōu)勢。內(nèi)蒙古大學(xué)和賽科星公司應(yīng)用X性控冷凍精液生產(chǎn)性控胚胎，結(jié)合胚胎移植技術(shù)成功繁育我國首例胚胎移植的性控絨山羊(圖2)，為促進白絨山羊育種提供了新的技術(shù)模型。

2體外受精技術(shù)

哺乳動物的受精是在雌性生殖道內(nèi)進行的一個生理過程。把受精過程人為地在體外完成的技術(shù)稱作體外受精(invitrofertilization，IVF)。哺乳動物體外受精的研究已有一百多年的歷史。1878年德國學(xué)者Schenk首先用家兔和豚鼠卵子進行了體外受精試驗，雖然他的實驗結(jié)果并未得到受精的確鑿證據(jù)，但從此揭開了體外受精技術(shù)研究的序幕［7］。進入20世紀，隨著自然科學(xué)的發(fā)展和顯微鏡觀察技術(shù)的進步，對生殖細胞的結(jié)構(gòu)和生理有了許多新的認識和發(fā)現(xiàn)，推動了哺乳動物生殖生理學(xué)和其他生物技術(shù)的研究開發(fā)［8］。1951年，美國華裔生物學(xué)家張明覺［9］和澳大利亞Austin［10］分別使用家兔和大鼠，觀察到了精子獲能現(xiàn)象(capacitation)，他們提出精子只有在雌性生殖道內(nèi)停留一段時間才具備穿入卵子而完成受精的能力。此后的大量研究結(jié)果表明，精子獲能是哺乳動物受精過程中普遍存在的生殖生理現(xiàn)象，只有獲能后的精子才可進行受精，上述兩個觀點打開了哺乳動物受精研究新紀元。家畜卵子的體外受精和胚胎移植是一項具有重要科學(xué)價值和應(yīng)用前景的生殖生物工程新技術(shù)，1978年，外科醫(yī)生Steptoe和從事卵子成熟基礎(chǔ)研究的Edwards應(yīng)用體外受精技術(shù)成功的產(chǎn)出了世界上首例試管嬰兒，此后體外受精作為一項治療不育癥的臨床技術(shù)在短時間內(nèi)發(fā)展、應(yīng)用，使社會和學(xué)術(shù)界對體外受精技術(shù)有了一個新的認識，并以此為契機加快了家畜體外受精技術(shù)的研究開發(fā)步伐［11］。中國的旭日干博士在充分探討鈣離子載體(IonophoreA23187)對精子獲能誘導(dǎo)效果的基礎(chǔ)上，利用超排卵子進行體外受精，通過移植產(chǎn)出了世界首例試管家畜－山羊［12］。此后，以鈣離子載體IonophoreA23187為主的哺乳動物精子獲能研究和家畜體外受精實驗大量展開。旭日干博士回國后積極開展以家畜為主的體外受精研究，在1989年成功培育出中國首例試管綿羊和試管牛，并開創(chuàng)了該技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的先河。同時，筆者也就牛的體外受精進行了相關(guān)研究［13，14］。該技術(shù)的最大問題是作為實驗材料的卵子來源，最初的卵子采集主要依賴于活體，但是由于數(shù)量和成本上的問題一直未能廣泛應(yīng)用，在這種情況下研究人員從屠宰場的廢棄卵巢中收集未成熟卵子并取得成功，推動了家畜體外受精技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用［2］。

3性別控制技術(shù)

性別鑒定(sexdetermination)和性別控制(sexingtechnology或sexcontrol)是兩個不同的概念，前者是對已經(jīng)發(fā)育到一定階段的胚胎性別進行確認，而后者則是在胚胎受精前控制其性別的形成。從基礎(chǔ)理論研究的角度來看，這些均是探討生命發(fā)生過程中性別發(fā)生和分化的手段，但從產(chǎn)業(yè)實用角度看則可通過這兩種技術(shù)人為地控制家畜的性別，提高生產(chǎn)效益。精子分離技術(shù)研究的興起主要是隨著人工授精技術(shù)的應(yīng)用和普及而開始的［2］。對于家畜繁殖來說，如果能夠把精子分離后用于人工授精，就可根據(jù)需要人為選擇性別，如肉牛養(yǎng)殖戶希望獲得更多的公牛，而奶牛養(yǎng)殖母犢具有更高的經(jīng)濟利益。1979年，Moruzzi［15］提出以DNA作為性別選擇的一種潛在標志，通過對多種動物精子染色體長度的測定，發(fā)現(xiàn)X精子和Y精子中的DNA含量都存在差異。1982年，Pinkel等［16］利用流式細胞儀測定已固定的小鼠精子細胞核，發(fā)現(xiàn)X精子和Y精子DNA含量的差異為3．2%。1983年，Garner等［17］利用同一技術(shù)測得部分哺乳動物X精子和Y精子DNA含量的差異為3．6%～4．0%。流式細胞分離法的原理是根據(jù)哺乳動物X精子和Y精子DNA含量的微小差別，通過熒光色素把精子頭部染色后，被激光照射時的熒光發(fā)光量差別傳送到計算機的識別系統(tǒng)，然后包含精子的緩沖液滴由控制系統(tǒng)賦于不同的電荷后，在通過電極區(qū)間時把X精子和Y精子偏開、并流入各自的接收容器內(nèi)。1986年，Johnson等［19］改良了普通的流式細胞儀，使其專門適用于分離活精子，為利用改良的流式細胞儀分離X精子和Y精子奠定了基礎(chǔ)。1989年，用流式細胞儀成功地分離兔子活的X精子和Y精子，并用分離的精子授精產(chǎn)下后代，這一技術(shù)取得了突破性和實質(zhì)性的進展［19］。隨后，在牛、豬和綿羊上都相繼取得成功，至今已產(chǎn)下了數(shù)以萬計的預(yù)選性別的后代。1989年美國的Johnson等［20］利用流式細胞法分離牛精子的有效性，日本的Hamano等［21］把改良后的流式細胞法用于牛精子頭部的分離，得到了80%～90%的分離精度，另外筆者和Hamano［23］共同應(yīng)用分離的牛精子進行了卵漿內(nèi)精子注射(intracytoplasmaticsperminjection，ICSI)實驗，得到首例分離牛精子的顯微受精試管牛犢，并累計生產(chǎn)13頭牛犢，性別控制準確率達90%左右。隨后有研究將牛和羊的分離精子用于人工授精，并成功產(chǎn)出后代［24，25］。美國XY公司開發(fā)的精子分離專用設(shè)備SX—MoFlo，可以達到4000～5000個/s的分離速度，每小時可生產(chǎn)牛性控凍精5～6支，每支含200萬個精子，精子分離純度為85%～90%，已經(jīng)能夠商業(yè)化推廣應(yīng)用。但是由于機器昂貴、并且需要支付高額商業(yè)許可費，限制了這項技術(shù)的快速發(fā)展，這也是流式細胞法需要繼續(xù)改進的主要原因。賽科星公司課題組從1995年開始牛精子分離技術(shù)相關(guān)研究［22］，內(nèi)容包括精子染色條件、分離緩沖液設(shè)計、分離精子的冷凍保存、分離準確率檢測，以及分離精子的受精和個體發(fā)育能力研究。研究結(jié)果表明以X/Y精子DNA含量為基礎(chǔ)分離后的X或Y精子純度可達到80%以上，該分離精子經(jīng)過單精子注射技術(shù)受精后可發(fā)育為正常囊胚階段(blastocyststage)。把分離的牛Y精子生產(chǎn)的胚胎移植到48頭受體，并生產(chǎn)了世界首例分離精子－ICSI性控試管牛犢和試管馬［26］。內(nèi)蒙古大學(xué)和賽科星公司從2005年開始在中國進行以奶牛精子分離－性控技術(shù)的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，特別是以哺乳動物受精原理為基礎(chǔ)設(shè)計的“低劑量奶牛性控凍精生產(chǎn)新技術(shù)”使每臺精子分離機生產(chǎn)效率提高了2倍以上，性控凍精的生產(chǎn)成本降低50%～70%。“十一五”期間在全國2700余個奶牛養(yǎng)殖牧場累計推廣應(yīng)用奶牛性控凍精超過150萬支，已經(jīng)生產(chǎn)奶牛母犢50余萬頭(圖3)，總產(chǎn)值25億元，充分顯示了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景和現(xiàn)實意義。與此同時，還研究開發(fā)了絨山羊和馬鹿精子分離－性別控制技術(shù)并進行了產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用(圖4)，取得了良好的試驗結(jié)果和潛在的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景［2］。

4克隆技術(shù)

克隆動物不經(jīng)過生殖過程產(chǎn)生，在遺傳上和原來的個體完全相同。其實“克隆”現(xiàn)象在植物中的例子很多，如扦插、塊莖繁殖等?？寺〉幕炯夹g(shù)是核移植，最初目的是為了探討細胞中的細胞核(nucleous)和細胞質(zhì)(cytoplasm)的相互關(guān)系。1962年，英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家Gurdon研究組把青蛙的一個胚細胞移入一個已經(jīng)去掉去掉雌、雄原核的受精卵內(nèi)，首次在脊椎動物上取得了核移植的成功［29］。Gurdon教授的體細胞回歸全能性的細胞重編程概念(cellreprogramming)不但開創(chuàng)了動物克隆技術(shù)，同時影響和推動了成體干細胞研究，并因為此貢獻與日本科學(xué)家Yamanaka獲得了2012年度的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。真正意義的體細胞克隆哺乳動物的誕生是1997年英國羅斯林研究所(RoslinInstitute)的Willmut博士［30］領(lǐng)導(dǎo)的研究組成功繁育的雌性克隆綿羊多利(Dolly)。目前利用體細胞克隆的哺乳動物還有小鼠(美國)、大鼠(法國)、牛(日本、新西蘭)、山羊(加拿大，中國)、豬(美國，日本)、騾子(美國)、馬(意大利)、狗(韓國)、貓(美國)和鹿(新西蘭)。動物克隆技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要圍繞家畜育種和優(yōu)良家畜增殖兩方面的內(nèi)容。以奶牛來說，由于個體差異產(chǎn)奶量相差很大。一般平均每頭奶牛年產(chǎn)奶量為6000～8000kg，但是極個別奶牛的產(chǎn)奶量可達20000kg，幾乎是正常奶牛的2．5倍［2］。自20世紀70年代以來，由于人工授精技術(shù)的普及，奶牛品質(zhì)的改良主要是選擇優(yōu)秀的種公牛，以冷凍精液的形式與母牛配種，這是家畜改良的一次革命。但是任何技術(shù)都有局限性。由于決定奶牛品質(zhì)的因素來自父母雙方，而超級奶牛的出現(xiàn)往往只限于一代，當(dāng)它在繁殖時由于雄性遺傳信息的參與改變了子代的性狀，很難達到同等的產(chǎn)奶水平。體細胞克隆技術(shù)的不改變供體原有的遺傳特征，從供體奶牛提供的體細胞克隆出的子代牛犢，在遺傳特征上和超級奶牛完全相同，這樣就可以大大提高復(fù)制超級奶牛的可能性。內(nèi)蒙古大學(xué)和賽科星公司，從2008年開始奶?？寺〖夹g(shù)研究和引種繁育試驗，先后成功克隆奶牛種公牛和高產(chǎn)奶牛以及我國首例克隆馬鹿，并且把這些成果逐步應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中［31，32］。

5轉(zhuǎn)基因技術(shù)

動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)是指通過轉(zhuǎn)移目的基因至動物受精卵或細胞內(nèi)，或剪除、抑制部分目的基因，使目的基因在動物體內(nèi)得以整合表達或抑制表達，以產(chǎn)生帶有新的遺傳特征或性狀的轉(zhuǎn)基因動物的技術(shù)。1971年，Jaenisch和Mintzb［33］將SV40DNA注射到小鼠囊胚，在發(fā)育的幼鼠體內(nèi)檢測到了SV40DNA序列的存在。1976年，Jaenisch［34］又報道了通過反轉(zhuǎn)錄病毒感染小鼠胚胎，使病毒DNA整合到小鼠基因組并傳遞給后代。這還不是真正意義上的轉(zhuǎn)基因動物，因為外源DNA只在小鼠的少數(shù)體細胞中存在，且遺傳到下一代的機會很小。1980年，Gorden等［35］首先將純化的DNA注射到小鼠的受精卵原核獲得了轉(zhuǎn)基因小鼠。1982年，Palmiter等［36］利用相同的方法，將大鼠生長激素基因注射到小鼠原核期胚胎，獲得體重為正常小鼠2倍轉(zhuǎn)基因“超級鼠”。這一結(jié)果發(fā)表在Nature上，引起了全世界同行業(yè)領(lǐng)域的轟動。由此，原核期顯微注射法成為一種最可靠和最常使用的轉(zhuǎn)基因動物制作方法，并很快在家畜上得到應(yīng)用。1985年，Hammer等［37］在Nature上公布利用該方法培育出世界上第一只轉(zhuǎn)基因綿羊。1990年12月，美國GenzymeTransgene公司用酪蛋白啟動子與人乳鐵蛋白(hLF)的cDNA構(gòu)建了轉(zhuǎn)基因載體，通過顯微注射法獲得了世界上第一頭名為Herman的轉(zhuǎn)基因公牛，該公牛與非轉(zhuǎn)基因母牛生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因后代，1/4后代母牛乳汁中表達hLF［38］。1992年，荷蘭的Genpharm公司用同樣的方法培育出牛奶中hLF達量為1000μg/mL的轉(zhuǎn)基因牛;Berkel等［39］在此技術(shù)基礎(chǔ)上進行改進，培育出的hLF轉(zhuǎn)基因牛中牛奶乳鐵蛋白表達量高達2800μg/mL。小鼠體內(nèi)實驗表明，轉(zhuǎn)基因牛奶中的hLF與天然人乳中的hLF具有相同的生理學(xué)功能，表明利用轉(zhuǎn)基因動物乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)hLF是可行。隨著這些研究的不斷深入，轉(zhuǎn)基因動物研究于20世紀90年代進入蓬勃發(fā)展時期，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及動物新品種培育方面顯示出越來越廣闊的應(yīng)用前景。2007年，諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎被授予給美國人MarioCapecchi、OliverSmithies和英國人MartinEvans，以表彰他們在分離小鼠胚胎干細胞以及打靶小鼠模型的建立等對改造動物體內(nèi)特定基因的“基因打靶”技術(shù)等方面做出的突出貢獻。動物育種的目標是要提高動物的遺傳品質(zhì)，如提高繁殖率、生長率、提高動物產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，飼料轉(zhuǎn)化率、利用率以及增加皮毛的質(zhì)量，培育抵抗力強的抗病新品種等。2006年，Lai等［40］通過體細胞克隆技術(shù)，成功培育出fat-1轉(zhuǎn)基因豬，ω-3的平均含量達到了野生型豬骨骼肌不飽和脂肪酸含量的4～8倍。這種轉(zhuǎn)基因豬不僅本身的健康狀況和抗病能力因高含量的ω-3得以提高，更主要是所提供的肉等食品在滿足人們的膳食需求的同時，還可以預(yù)防和治療人類心腦血管疾病、提高免疫力。

6干細胞技術(shù)

干細胞(stemcell)是指來自胚胎、胎兒或成體的有持久或終身自我更新能力的細胞，它能產(chǎn)生特異的細胞類型形成個體組織和器官。從19世紀開始，科學(xué)家們就已經(jīng)了解到干細胞的存在，但是廣島和長崎事件之后，干細胞研究才真正發(fā)展起來。1998年，威斯康辛州立大學(xué)的Thomson等［41］首次從人囊胚內(nèi)細胞團中建立了人胚胎干細胞系(embryonicstemcells，EScell);Gearhart等［42］從流產(chǎn)胎兒生殖腺組織分離并建立了胚胎生殖系干細胞系(embryonicgermcells，EGcell)。2007年末，威斯康辛州立大學(xué)Thomson研究小組和日本京都大學(xué)ShinyaYamanaka領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊，分別宣布已成功將成人皮膚細胞誘導(dǎo)成多潛能干細胞(inducedPluripotentstemcell，iPS細胞)［43］，這一發(fā)現(xiàn)揭開了干細胞研究的新篇章。內(nèi)蒙古大學(xué)和賽科星公司與英國劍橋大學(xué)繁育生物學(xué)研究所(TheGurdonInstituteofCambridgeUniversity)合作開展了小鼠新型干細胞研究，分別在《Nature》和《CellStemCell》發(fā)表了具有重要影響力的成果［44，45］。與此同時，本研究組與英國劍橋Sanger研究所合作，以piggyBac轉(zhuǎn)座子(CAG和TRE2套驅(qū)動系統(tǒng))為媒介進行牛體細胞iPS誘導(dǎo)研究，將為牛的品種改良和提高牛的各項生產(chǎn)性狀發(fā)揮重要作用［46］。

7展望

最早的家畜繁育生物技術(shù)應(yīng)用是從20世紀60年代開始的牛人工授精，它為牛的品種改良作出了巨大貢獻，到目前為止也是應(yīng)用數(shù)量最多、產(chǎn)業(yè)效益最大、推廣應(yīng)用最成功的家畜繁育生物技術(shù)。胚胎移植技術(shù)目前比較成熟，但是由于成本較高主要用于品種引入或國際間的品種交流?？寺〖夹g(shù)目前雖然在大部分家畜取得成功，但由于尚存在許多基礎(chǔ)理論問題懸而未決仍然處于應(yīng)用研發(fā)階段。動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)在我國的幾種大動物也取得了成功，目前國家已開展其生物安全性評價，但是介于目前食品安全的社會輿論質(zhì)疑，國家的態(tài)度非常謹慎，因此很難在短時間內(nèi)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。從目前我國的家畜產(chǎn)業(yè)發(fā)展和需求來看，如奶牛需要大量的良種母犢和高遺傳品質(zhì)的種公牛、肉牛行業(yè)需要經(jīng)濟效益更高的公犢和高遺傳品質(zhì)的種公牛，絨山羊養(yǎng)殖和我國養(yǎng)鹿業(yè)需要繁育更多的雄性后代，因此性別控制為基礎(chǔ)的人工授精技術(shù)仍然是行業(yè)需求的主流技術(shù)。與此同時，轉(zhuǎn)基因、克隆和動物干細胞技術(shù)在我國家畜育種方面具有潛在的產(chǎn)業(yè)價值和應(yīng)用前景，預(yù)計在未來5～10年內(nèi)會對我國畜牧業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。

作者：李喜和單位：內(nèi)蒙古大學(xué)蒙古高原動物遺傳資源研究中心