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性别控制技术及其在家畜生产中的应用

所属栏目:畜牧科学论文 发布日期:2019-11-23 10:53 热度:

   摘要 繁殖力是畜牧生产中重要的经济指标,繁殖新技术对畜禽生产与繁殖起着巨大的推动作用。性别控制技术是繁殖新技术发展史上的一个重要里程碑。对性别控制技术及其在家畜生产中的应用进行了综述。

  关键词 繁殖力; 性别控制; 家畜生产

性别控制技术及其在家畜生产中的应用

  1 性别控制技术

  性别控制( Sex control) 是指通过人为干预并按照人们的愿望使雌性动物繁殖出所需性别后代的一种繁殖新技术。性别控制技术在畜牧生产实践中有着重要的意义。性别控制技术可使受性别限制的生产性状( 如泌乳性状) 和受性别影响的生产性状( 如生长速度、肉质等) 获得更大的经济效益; 同时,还能增强良种选种中的强度和提高育种效率,以获得最大的遗传进展。此外,通过控制性别还能克服牛胚胎移植中出现的异性孪生不育现象,排除伴性有害基因的危害等[1]。

  1. 1 性别控制技术的发展基础 公元前 400 年,古希腊哲学家德谟克利特就提出通过抑制一侧睾丸从而控制后代性别的设想,虽然这设想在现在看来十分荒谬,但也反映出当时人们对性别控制技术的渴望。1923 年,Painter 首次证实了人类 X 和 Y 染色体的存在,并指出卵子与 Y 精子结合时发育为雄性,与 X 精子结合时发育为雌性。1959 年,Welshons 和 Jacobs 等提出 Y 染色体决定雄性的理论。1990 年,Sinclair 等[2]从人体中克隆到 Y 染色体上 1 个名称为 SRY 的基因。此后,SRY 基因在其他动物中相继被克隆出来,并证实其长度约为 35 kb,编码 79 个氨基酸( HMG 盒) ,这是 SRY 基因主要的功能区。研究发现,人与哺乳动物的 HMG 区域的同源性高达 70% ,而在其他区域如此高的同源性[3 - 8]。Y 染色体上 SRY 基因的发现是哺乳动物性别决定理论的重大突破,也为性别控制技术奠定了理论基础。

  1. 2 性别控制的方法 目前,性别控制的方法主要分为受精前的控制( X 精子与 Y 精子的分离) ; 与受精后的控制( 早期胚胎的性别鉴定) 。受精前的控制是指通过在体外对精子进行干预,使在受精之前便决定后代的性别; 受精后的控制指通过对胚胎进行性别鉴定,从而获得所需性别的后代。在家畜生产实践中,较为理想的方法是先分离 X、Y 精子,然后再根据需求进行人工授精,从而得到所需性别的后代。

  1. 2. 1 X 与 Y 精子分离的方法。从20 世纪50 年代开始,人们就开始了对 X 与 Y 精子的大小、带电荷数、密度及活力等方面的研究。研究表明,X、Y 精子的差异主要表现在 X 精子的 DNA 含量大于 Y 精子以及 Y 染色体上的性别决定序列 SRY[2,9]。此外,二者在其他方面无明显差异。X 与 Y 精子 DNA 含量的差异就是 X、Y 精子分离的理论基础[10]。 X 与 Y 精子的分离方法有很多种,包括物理分离法,沉积分离法、梯度离心法、电泳法、白蛋白沉淀法、免疫学分离法以及流式细胞仪分离法等。其中,流式细胞仪分离法具有效率高、准确率高等优点,是目前畜牧生产中较为高效、可靠且使用范围广泛的一种方法[11 - 12]。

  1. 2. 1. 1 流式细胞仪分离法。目前,在生产中使用最多、技术最为成熟的就是流式细胞仪分离法。此方法的理论依据就是 X、Y 精子头部 DNA 含量的差异。在家畜中 X 精子的 DNA 含量比 Y 精子高 3% ~ 4%[10]。根据这一差异,用 DNA 特异性染料( 常用 Hochest33342) 对精子进行染色,染料着色量与 DNA 含量成正比[13]。经过染色的精子会连同少量的稀释液逐个通过激光束,然后精子上的荧光染料就会被激发形成光学信号,探测器根据发光强度的强弱将信息传递给计算机,计算机的信息处理系统会使发光强度高的带正电,弱的带负电,然后带电液滴通过高压电场被分开,进入 2 个不同的收集管,正电荷收集管为 X 精子,负电荷收集管为 Y 精子[1,12]。经过多年的改进,流式细胞仪分离的准确率可达90% 以上,此方法已经用于商业化,特别是在奶牛的生产中较为常用。

  1. 2. 2 早期胚胎的性别鉴定。通过对早期胚胎进行性别鉴定,移植已知性别的胚胎,也可以控制后代的性别比例。对胚胎进行性别鉴定有许多方法,如核型分析法、SRY - PCR法、免疫学法和 X - 相关酶法等。目前,在生产实践中最有效、最常用的早期胚胎的性别鉴定方法就是 SRY - PCR 法。

  1. 2. 2. 1 核型分析法。不同物种的染色体都有各自特定的形态结构,包括染色体的长度、着丝点位置、臂比、随体大小等特征,且这些形态特征是相对稳定的。胚胎的性别鉴定就是分析胚胎细胞的染色体组,具有 XX 染色体的是雌性胚胎,具有 XY 染色体的是雄性胚胎。核型分析一般采用切割胚( 晚期桑葚胚、囊胚或扩张囊胚) ,检测时一半用于鉴定性别,另一半用于移植或冷冻[27]。如果想要扩张囊胚,切割时可切成含内细胞团的半胚和含滋养层细胞的半胚,前者用于冷冻和移植,后者用于核型分析[27]。核型分析法的主要步骤如下: 先取部分胚胎细胞,用秋水仙素处理使细胞处于有丝分裂的中期,然后制成染色体标本,通过显微摄影分析染色体组成并确定胚胎性别[1]。此方法的准确率可达 100% ,但此方法对胚胎损伤较大,且操作有一定难度,因此在生产实践中难以推广。

  1. 2. 2. 2 X - 相关酶法。X - 相关酶法是通过测定早期胚胎中与 X 染色体连锁相关酶的活性来鉴定胚胎性别的一种方法。此方法通过观察相关酶与底物着色反应的颜色来鉴别胚胎性别。此方法的准确性较低,且不能检测桑椹胚以后的胚胎性别,因此在生产中并不常用[28]。

  2 性别控制在家畜生产中的应用

  性别控制技术对于家畜生产具有重大意义,在生产中能够增加所需性别的动物,提高家畜生产的经济效益,特别是对奶牛产业起着重要的推动作用。此技术还可以通过控制后代的性别,从而避免异性胚胎移植导致的孪生不育现象; 同时对预防伴性遗传疾病也起着举足轻重的作用[28]。

  2. 1 流式细胞仪在家畜生产中的应用 由于对胚胎进行性别检测时,会对胚胎造成一定程度的损害,从而会导致妊娠率的降低; 鉴定时对样本有一定的要求,对劣质胚胎的鉴定效果较差,因此在家畜生产上使用最多的是流式细胞仪分离法[12]。在奶牛行业中,流式细胞仪得到了广泛应用。截至 2012 年,全国拥有 36 台流式细胞仪,分布在洛阳白马寺种公牛站、河南鼎元种牛有限公司、北京奶牛中心种公牛站、赛克星股份有限公司以及其他一些生物公司和种公牛站[33]。 2006 年宝鸡市在陕西省率先使用了性控冻精技术,累计已配种上万头,母犊率达 92% 以上[34]。“十一五”期间,在全国 2 700 多个奶牛场累计使用奶牛性控冻精 150 多万支,生产奶牛母犊 50 余万头,总产值达 25 亿元[35]。陕西省千阳县 2008 年开始使用此技术,截至 2015 年底累计产犊母犊单项增加经济收入 836. 42 万元[36]。

  2. 2 SRY - PCR 技术在家畜生产中的应用 对于性染色体差异较小的物种而言,使用 X、Y 精子分离法较为困难,且后代有一定的畸形率[37]。因此,SRY - PCR 在家畜生产中也是一种常见的方法。PCR 具有快速、简便、特异性强等特点,此方法在养牛业中已经广泛应用[38]。在试验中,PCR 分为常 PCR、多重 PCR 和巢式 PCR。早期试验大多采用常规 PCR 法,后来为避免扩增失败而导致的判断结果的错误,一般采用多重 PCR 法,在扩增性别特异引物的同时扩增常染色体序列作为阳性对照[39]。巢式 PCR 法就是同时根据 1 个性别特异基因设计 1 对外引物,获得被测基因较长的扩增产物,再根据扩增产物序列设计第 2 对引物( 内引物) 对产物进行第 2 次扩增[37]。研究表明,与其他 PCR 法相比,巢式 PCR法胚胎性别鉴定的灵敏度得到大大提升[40 - 41]。在实际生产中,将多重 PCR 与巢式 PCR 结合起来可以提高结果的可靠性[37]。在奶牛产业中,为了多生母犊,可以对 SRY 基因进行定点突变,使之不再表达,从而控制牛犊性别[42]。

  3 小结

  性别控制的各种技术都有各自的优点与缺点。随着科学技术的进步,性别控制技术的准确度与灵敏度一定会得到更大提升。相信在不久的将来,性别控制技术就会走上商业化与生产化的规模,同时也一定会为家畜产业带来更大的经济效益。

  参考文献

  [1]朱士恩. 家畜繁殖学[M]. 北京: 中国农业出版社,2009.

  [2]SINCLAIR A H,BERTA P,PALMER M S,et al. A gene from the human sex-determining region encodes a protein with homology to a conserved DNA-binding motif[J]. Nature,1990,346( 6281) : 240 -244.

  [3]GUBBAY J,COLLIGNON J,KOOPMAN P,et al. A gene mapping to the sex-determining region of the mouse Y chromosome is a member of a novel family of embryonically expressed genes[J]. Nature,1990,346 ( 346) : 245 -250.

  《性别控制技术及其在家畜生产中的应用》来源:《安徽农业科学》,作者:郭海燕,张 昊,李拥军 ,程国虎。

文章标题:性别控制技术及其在家畜生产中的应用

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