Использование разделенного по полу семени в практике животноводства
Скотоводство / 23 марта 2012
Регуляция пола у сельскохозяйственных животных представляет значительный практический интерес, поскольку способствует ускорению генетического прогресса в селекционно-племенной работе. Ранее изучалась возможность разделения сперматозоидов, содержащих Х- или Y-хромосому следующими способами: осаждение, центрифугирование в градиенте, электрофорез, обработка специфическими антителами и т.д. Однако на практике не было получено убедительных доказательств эффективности этих приемов.
Регуляция пола у сельскохозяйственных животных представляет значительный практический интерес, поскольку способствует ускорению генетического прогресса в селекционно-племенной работе. Ранее изучалась возможность разделения сперматозоидов, содержащих Х- или Y-хромосому следующими способами: осаждение, центрифугирование в градиенте, электрофорез, обработка специфическими антителами и т.д. Однако на практике не было получено убедительных доказательств эффективности этих приемов. В последние годы во многих странах мира для разделения спермы по полу используют метод проточной цитометрии, основанный на различном содержании ДНК в сперматозоидах . В 1979 году было установлено, что Х-хромосома млекопитающих содержит большее количество ДНК по сравнению с Y-хромосомой . Так, у быков это различие составляет 3,8, у хряков - 3,6, у баранов - 4,2, у жеребцов - 3,7 % . При разделении сперматозоидов было предложено использовать специальный краситель для ДНК и аналитическую проточно-цитометрическую систему, которую дополнили приспособлением для направленной ориентации клеток в потоке, что способствует более четкому выявлению различий в их светоизлучении .
На основании результатов исследований, проведенных американскими учеными, была усовершенствована обычная аналитическая проточно-цитометрическая система и разработана Белтсвилская технология разделения спермы, которая состоит из нескольких операций. В состав разбавленной спермы добавляют флуоресцентный витальный краситель Hoechst 33342 и инкубируют ее при 35 °С в течение 1 ч для лучшего проникновения красителя через мембранные структуры половых клеток. Затем сперма под давлением поступает в высокоскоростной проточный цитометр, где создаются условия ориентации головки сперматозоидов при пересечении лазерного луча. Лазерное излучение инициирует флуоресценцию красителя, которая улавливается мощным световым детектором и анализируется компьютером. После идентификации сперматозоидов, содержащих Х или Y-хромосому, специальный вибратор образует в растворе микрокапельки, куда попадают половые клетки. Каждая микрокапелька содержит один сперматозоид и заряжается положительно или отрицательно в зависимости от величины светоизлучения, обусловленной содержанием в половой клетке Х-хромосомы или Y-хромосомы. Капельки с поврежденными или не идентифицированными сперматозоидами не заряжаются. В современных установках образуется 70-80 тыс. микрокапелек в секунду. После этого сперматозоиды проходят через электростатическое поле и разделяются на положительно, отрицательно или нейтрально заряженные частицы, которые поступают в разные емкости. Затем сперматозоиды центрифугируют для увеличения их концентрации и разбавляют специальной средой.
В первое время после разработки описанной технологии использовали стандартную скоростную систему с рабочим давлением в пределах 0,84 кг/см2. При этом скорость разделения клеток составляла 350 тыс сперматозоидов в час. Позднее, когда технология была усовершенствована, в том числе за счет повышения давления в системе до 4,22 кг/см2, стало возможным сортировать до 11 млн сперматозоидов в час и получать образцы, содержащие 90 % клеток с Х- или Y-хромосомой. Были проведены углубленные исследования в области улучшения ориентации головки сперматозоидов относительно лазерного луча и оптического детектора. Вследствие плоской формы головки лишь 30 % клеток имеют правильную пространственную ориентацию при прохождении через лазерный луч, причем только половина из них содержит Х-половую или Y-половую хромосому. Из общего объема эякулята удается получить не более 15 % сперматозоидов с определенной половой хромосомой, что обусловливает высокую стоимость разделенного по полу семени. В настоящее время разделенная сперма быков может быть экономически выгодной производителю только если в дозе содержится пониженное число сперматозоидов (~ 2 млн подвижных клеток по сравнению с 10-15 млн сперматозоидов, применяемых при обычном осеменении крупного рогатого скота криоконсервированной спермой).
Во время разделения с помощью высокоскоростной проточной цитометрии сперматозоиды подвергаются действию таких неблагоприятных факторов как окрашивание, высокая степень разбавления семени, воздействие лазерного излучения и давления, электромагнитное влияние, центрифугирование, поэтому важна разработка условий для сохранения биологической полноценности половых клеток. В частности, для предохранения их от агглютинации в состав буферного раствора вводят 0,1 % бычьего сывороточного альбумина, а после разделения сперматозоиды попадают в TEST-желточный буфер. Показано, что лучшая подвижность сперматозоидов после оттаивания сохраняется в случае центрифугирования половых клеток сразу после разделительного процесса и добавления глицерина в состав охлажденного до 4 °С семени незадолго до замораживания. Для проверки чистоты разделения образцов спермы на Х- и Y- фракции применяют полимеразную цепную реакцию, а также метод флуоресцентной гибридизации.
В 1988 году установлено, что разделенные с помощью проточной цитометрии сперматозоиды способны к образованию пронуклеуса при введении в ооциты хомячков. В том же году английскими исследователями были проведены первые опыты по использованию разделенной спермы для искусственного осеменения телок и крольчих. Две группы телок осеменяли с помощью цервикального введения фракции сперматозоидов с Х- или Y-хромосомой. В дозе содержалось 5 млн клеток. Оплодотворяемость животных оказалась очень низкой, и телки в основном абортировали между 4-м и 5-м мес беременности. Изучение половых органов у абортированных плодов показало, что в случае осеменения Х-фракцией 8 из 11 плодов были самками, при использовании Y-фракции 12 из 20 плодов - самцами. Низкие результаты оплодотворяемости были получены и у крольчих, однако в этом случае удалось получить живых крольчат, которые нормально развивались и в дальнейшем принесли здоровое потомство.
В опытах американских ученых по осеменению крольчих сперму самкам вводили внутриматочно. В группе, где использовали фракцию сперматозоидов с Х-хромосомой, получили 94 % самок, с Y-хромосомой - 81 % самцов. Внутритрубное введение свиньям разделенного по полу семени хряков позволило получить в потомстве 68 % самцов при оплодотворении спермой с Y-хромосомой и 74 % самок при использовании Х-фракции. Позднее были проведены успешные эксперименты по оплодотворению яйцеклеток крупного рогатого скота разделенными сперматозоидами in vitro. С помощью проточной цитометрии получали фракции спермы, содержащие до 79 % половых клеток с Х-хромосомой и до 70 % - с Y-хромосомой. Телкам пересаживали эмбрионы предполагаемого пола, в результате чего в первой группе родилось 3 телочки, во второй - 3 бычка. В последующих опытах удалось получить до 90 % телят мужского пола. Также был проведен ряд экспериментов по изучению эффективности пересадки коровам эмбрионов, полученных in vitro с помощью разделенного семени. Приживляемость эмбрионов у коров со спонтанным эструсом составила 16,3, у коров с синхронизированным эструсом - 20,0, у телок - 34,2 %. Из 40 родившихся телят 37 были телочками.
В более поздних исследованиях изучали эффективность пересадок коровам заморожено-оттаянных эмбрионов, полученных in vitro с использованием фракции Х-сперматозоидов. Приживляемость таких эмбрионов в опытной группе составила 40,9 %, в контрольной, где использовались обычные эмбрионы, - 41,9 %. Всего родилось 458 телят, из которых 96,8 % были самками. В связи с тем, что скорость разделения сперматозоидов при проточной цитометрии не позволяет получать достаточно семени для обычного искусственного оплодотворения крупного рогатого скота, была изучена возможность введения половых клеток непосредственно в рога матки. Не разделенную сперму, содержащую 100-500 тыс. сперматозоидов, вводили в рог матки телок с помощью инструментов для эмбриопересадки. В некоторых группах результаты оплодотворяемости были довольно высокими. Затем для осеменения телок использовали разделенную фракцию не замороженной спермы, содержащей в дозе 100-200 тыс. сперматозоидов. Из 17 полученных телят 14 соответствовали предполагаемому полу. В другом опыте 35 телкам в рога матки вводили по 300 тыс. не замороженных разделенных сперматозоидов, содержащих преимущественно Х-хромосому, а контрольных животных осеменяли такой же дозой не разделенной спермы. Оплодотворяемость в опытной группе составила 42 %, в контроле - 54 %. В опытной группе было получено 80 % телочек. В экспериментах по осеменению пониженной дозой заморожено-оттаянных разделенных по полу сперматозоидов (1 млн клеток) оплодотворяемость составила 52 %. Эти показатели сопоставимы с результатами обычного искусственного осеменения коров криоконсервированной спермой, содержащей в дозе 15-20 млн половых клеток. При внутриматочном осеменении телок разделенной по полу криоконсервированной спермой (1; 1,5 или 3 млн сперматозоидов в дозе) также удалось получить высокие показатели оплодотворяемости (43-54 %).
В полевых испытаниях швейцарских ученых телкам и коровам опытных групп внутриматочно вводили по 2 млн подвижных заморожено-оттаянных сперматозоидов с Х-хромосомой. В контрольных группах животных осеменяли аналогичной дозой не разделенных половых клеток. В опытной и контрольной группах отелилось соответственно 29,6 и 55,6 % телок; 21,9 и 23,4 % коров. При этом в опытных группах родилось 85,3 % самок, в контрольных - 58,6 %. Эстонские исследователи выясняли эффективность осеменения телок разделенной спермой при введении 2,2 млн заморожено-оттаянных сперматозоидов в маточно-трубное сочленение, рога или тело матки. Оплодотворяемость телок во всех вариантах оказалась практически одинаковой и составила соответственно 37,7; 42,2 и 39,6 %. В Финляндии проводились испытания по осеменению коров голштинской породы криоконсервированной разделенной спермой. Во время спонтанной охоты 157 опытным коровам вводили внутриматочно 2 млн разделенных сперматозоидов, 149 контрольным коровам - 15 млн не разделенных сперматозоидов. В опытной группе отелилось 20 % коров и родилось 82 % телочек. В контроле эти показатели составили соответственно 45 и 49 %. Полученные результаты свидетельствуют о значительном снижении оплодотворяемости при использовании для осеменения пониженного числа сперматозоидов в дозе разделенной спермы.
В экспериментах итальянских ученых при введении телкам внутриматочно криоконсервированной разделенной спермы, полученной от четырех быков (1 или 2 млн сперматозоидов), оплодотворяемость составила 51 %, в потомстве было 87 % самок. Кроме того, были выявлены достоверные различия в оплодотворяющей способности семени у разных быков. По мнению авторов, необходимо проводить тщательный отбор быков перед их использованием для получения разделенной по полу спермы. В полевых испытаниях, проведенных в США на 211 фермах, оплодотворяемость телок голштинской породы Х-содержащей фракцией сперматозоидов достигала 47 %, телок джерсейской породы - 53 %. В потомстве получено 89 % самок. Кроме того, был установлен факт более высокой мертворождаемостинности телят мужского пола при осеменении телок сперматозоидами с Х-хромосомой.
В специальных исследованиях изучали влияние процесса разделения спермы с помощью скоростной проточной цитометрии на состояние здоровья и развитие телят, а также на генетические изменения у потомства. Используя данные по 1169 и 793 телятам, полученным соответственно при оплодотворении коров разделенной и обычной спермой, анализировали продолжительность беременности, легкость отела, частоту абортов и мертворождений, живую массу телят при рождении и отъеме, смертность телят в неонатальный и более поздний период, а также различные анатомические аномалии. Достоверных различий в изучаемых показателях между двумя группами животных установлено не было. При использовании не разделенной спермы получили 49,2 % бычков, Х-содержащей фракции сперматозоидов - 87,8 % самок, Y-содержащей фракции - 92,1 % самцов. Разделение спермы не оказывало влияния на раннюю эмбриональную смертность у телок.
Применение высокоскоростной проточной цитометрии для разделения сперматозоидов быков не оказывает отрицательного влияния на структурное состояние ДНК в клетках. Коммерческое использование разделенной по полу спермы в зарубежных странах началось с 2000 года и к настоящему времени в мире получено более 2 млн телят. В основном разделенную сперму быков используют для осеменения телок. В среднем в дозе содержится не менее 2 млн подвижных сперматозоидов. Предпринимаются попытки улучшить биологическую полноценность разделенной спермы в процессе ее криоконсервации. В частности, изучено защитное влияние на половые клетки быков антиоксидантов пирувата натрия и каталазы, добавление которых в состав синтетической среды улучшало подвижность и живучесть заморожено-оттаянных сперматозоидов. Совместное введение в состав среды для разделения сперматозоидов бычьего сывороточного альбумина и антиоксидантов значительно повышало живучесть и оплодотворяющую способность не замороженных половых клеток.
Основная трудность использования разделенной спермы в свиноводстве состоит в том, что в дозе должно содержаться большее число сперматозоидов по сравнению с дозой для крупного рогатого скота. Первые поросята от разделенного семени были получены после лапароскопического введения спермы непосредственно в яйцеводы свиней. Позднее яйцеклетки свиней оплодотворяли in vitro c использованием фракции Х-сперматозоидов. Все потомки, родившиеся у свинок после пересадки им таких эмбрионов, оказались самками. В других экспериментах удалось получить потомство мужского пола при внутрицитоплазматическом введении разделенных не замороженных сперматозоидов хряка в яйцеклетки и дальнейшей их активации in vitro.
С целью уменьшения числа сперматозоидов в дозе для осеменения свиней разработана методика глубокоматочного введения спермы через цервикальный канал с помощью гибкого катетера. Оказалось, что для нормальной оплодотворяемости свиней достаточно ввести в верхушку рога матки 50-70 млн разделенных сперматозоидов. Кроме того, предлагается вводить семя непосредственно в яйцеводы с помощью лапароскопа. Использование этой методики позволило достичь высокой оплодотворяемости при дозе 0,3; 0,5 и 1 млн сперматозоидов. Анализ генетических изменений в лимфоцитах поросят, полученных от разделенного семени, не выявил мутагенного воздействия высокоскоростной проточной цитометрии на половые клетки. При двукратном осеменении свиней разделенной заморожено-оттаянной спермой в дозе 160 млн сперматозоидов отмечено значительное увеличение эмбриональной смертности по сравнению с контрольной группой, осемененной не разделенной спермой.
В овцеводстве и коневодстве также проводятся исследования эффективности применения разделенной по полу спермы. Австралийские ученые впервые получили потомство от разделенной спермы баранов в 1996 году. Овцам пересаживали эмбрионы, полученные in vitro, с помощью внутриплазматического введения в яйцеклетки одиночных разделенных сперматозоидов. В 1997 году были проведены успешные эксперименты по искусственному осеменению овец разделенной спермой с использованием лапароскопа. Эффективность лапароскопического осеменения овец заморожено-оттаянной разделенной спермой была изучена в специальных опытах. Овцам опытных групп внутриматочно вводили 1, 5 и 15 млн заморожено-оттаянных разделенных сперматозоидов, контрольным животным - 50 млн не разделенных сперматозоидов. Оплодотворяемость в опыте составила соответственно 61,5; 66,1 и 66,7 %; в контроле - 63,2 %. При введении разделенной не замороженной спермы в верхушку рога матки кобылам было получено 87 % потомков желаемого пола. По мнению ряда ученых, более перспективный способ осеменения кобыл разделенной спермой - гистероскопическое введение семени непосредственно в верхушку рога матки. Более высокой оплодотворяемости кобыл от разделенного семени удалось достичь при введении 20 млн сперматозоидов в маточно-трубное сочленение. C использованием этой технологии получено потомство и от криоконсервированной разделенной спермы жеребцов.
Таким образом, технология разделения сперматозоидов по полу с использованием высокоскоростной проточной цитометрии представляет эффективный способ регуляции пола и в настоящее время находит применение в практике разведения не только крупного рогатого скота, но и других видов сельскохозяйственных животных. Дальнейшее совершенствование этой технологии позволит улучшить результативность разделения сперматозоидов и повысить эффективность искусственного осеменения животных.
А.C. Ерохин, М.И. Дунин, Всероссийский нучно-исследовательский институт племенного дела
Источник: http://dairynews.ru
