Поиск биомаркеров функционального состояния организма молочных коров на основе изучения генетических и паратипических факторов, детерминирующих состав и микробиоту молока, с использованием методов геномного анализа и инфракрасной спектрометрии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-76-20046

НазваниеПоиск биомаркеров функционального состояния организма молочных коров на основе изучения генетических и паратипических факторов, детерминирующих состав и микробиоту молока, с использованием методов геномного анализа и инфракрасной спектрометрии

Руководитель Сермягин Александр Александрович, Кандидат сельскохозяйственных наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр животноводства - ВИЖ имени академика Л.К. Эрнста" , Московская обл

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-204 - Животноводство

Ключевые слова черно-пестрая порода, голштинская порода, компонентный состав молока, жирные кислоты, казеин, микробиальный профиль, биомаркер, обмен веществ, полногеномный анализ ассоциаций, инфракрасная спектрометрия

Код ГРНТИ68.03.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблеме производства молока и молочных продуктов в Российской Федерации уделяется огромное значение на государственном уровне, т.к. это соответствует национальным интересам в сфере продовольственной безопасности. Согласно стратегии развития сельского хозяйства до 2025 г. объем произведенного молока и молокопродуктов отечественными предприятиями должен составить до 90%, при этом ожидается поддержание валового производства сырого молока во всех категориях хозяйств на уровне 31-32 млн. т. Обеспеченность населения при этом составляет 65% от медицинской нормы потребления молока и молочных продуктов. Достижение данных параметров в ближайшей перспективе представляется сложным в силу сокращающегося поголовья коров (на начало 2020 г. около 8 млн. гол.) и сравнительно невысокой молочной продуктивности. Компонентный состав молока по показателям массовой доли жира и белка вовсе имеет среднюю величину 3,92 и 3,21% соответственно, что при селекции на высокую молочную продуктивность (удой), не может гарантировать улучшение состава молока и, следовательно, выработку качественных молочных продуктов с высокой питательной ценностью. В дополнение к этому фенотипирование признаков продуктивности и использования скота проводится на 20% поголовья коров, что недостаточно для прогнозирования развития и управления породными популяциями. Поставленная задача роста объемов производства молока не решает проблемы повышения нутриентных характеристик в питании человека, поэтому нуждается в детальной проработке по использованию новых знаний и технологий для совершенствования продуктивных качеств животных. Проектом предусмотрено, что изучение механизмов образования в молочной железе коровы белка и жира молока, а также взаимосвязь с обменом веществ на молекулярно-генетическом и физиологическом уровне позволит решить ряд задач по управлению продуктивными, воспроизводительными качествами и здоровьем молочного скота. Реакция организма животных через взаимодействие «генотип-среда» позволит установить причины возникновения нарушений метаболизма на основе экспресс-мониторинга состава молока, биохимических и микробиологических исследований. Традиционные методы селекции требуют для совершенствования продуктивных признаков и создания пород скота достаточно много времени и труда. Современные приемы в разведении и генетике животных основаны на геномной селекции, а также на точных и информативных методах фенотипирования хозяйственно-полезных качеств молочного скота, одним из которых является использование инфракрасной (ИК) спектрометрии для прогнозирования состава молока: жир, белок, лактоза, сухое вещество, кетоновые тела, мочевина, жирные кислоты и др. Применение ДНК-анализа для изучения геномной архитектуры признаков состава молока коров даст возможность детализировать пути синтеза жирных кислот и белка, чтобы смоделировать варианты на уровне генотипа животных-продуцентов, производящих продукцию с высокими качественными характеристиками. Наиболее многочисленной популяцией молочного скота в России является черно-пестрая и голштинская породы, на которые приходится значимая доля валового производства продукции. Однако, нерешенным пока остается вопрос о повышении качественных характеристик молока животных данных пород – пригодности к переработке в твердые сыры и другие сычужные продукты, повышении питательной ценности. Другой стороной вопроса остается снижение функциональных качеств и здоровья животных при возрастающей интенсивности селекции. Поддержание баланса биологических функций организма коровы и экономической составляющей производства молока составляет новизну проекта на основе поиска научных и прикладных аспектов управления устойчивым развитием организма, его сохранностью и благополучием. Основой этого будет являться прогнозирование на основе биомаркеров состава молока коров, полученных с помощью ИК-спектров, продуктивных характеристик животных с использованием генетических, микробиологических и геномных технологий исследования. Научная новизна проекта обусловлена тем, что на примере популяционных и экспериментальных исследований будет изучена генетическая вариабельность показателей компонентного состава молока коров в связи с качественным и количественным параметрами, для характеристики геномной детерминации механизмов регуляции и путей синтеза жирных кислот и белка молока в российской популяции черно-пестрого и голштинского скота. С использованием экспресс-анализа по инфракрасным спектрам молока будут предложены подходы по мониторингу функционального состояния коров в стадах на нарушения обмена веществ, повышения питательности и качества сырья для принятия точных решений по увеличению выработки функциональных продуктов питания. Полученные новые знания позволят расширить представления о метаболических связях и путях синтеза белков (казеиновые, альбуминовые и глобулиновые фракции), жирных кислотах (насыщенных, ненасыщенных, транс-изомеров и др.) для производства молочной продукции, обладающей факторами пониженного риска возникновения сердечно-сосудистых заболеваний человека, проблем с ожирением и общим обменом веществ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сермягин А.А., Лашнева И.А., Игнатьева Л.П., Косицин А.А., Гладырь Е.А., Ермилов А.Н., Янчуков И.Н., Зиновьева Н.А. Genome-wide association study for MIR-predicted milk fatty acids composition in Russian Holstein cattle population Journal of Animal Science, Volume 99, Issue Supplement_3, November 2021, Pages 245–246 (год публикации - 2021)
10.1093/jas/skab235.448

2. Артемьева О.А., Никанова Д.А., Косицин А.А., Лашнева И.А., Игнатьева Л.П., Сермягин А.А., Зиновьева Н.А. Diagnosis of early mastitis in dairy cows: Somatic cells and bacterial pathogen measuring Journal of Animal Science, Volume 99, Issue Supplement_3, November 2021, Pages 269–270 (год публикации - 2021)
10.1093/jas/skab235.494

3. Сермягин А.А.,Лашнева И.А., Косицин А.А., Игнатьева Л.П., Артемьева О.А., Сёлкнер И., Зиновьева Н.А. Morphological features of somatic cell in milk as criteria for assessing cows’ udder health in relation with milk production and their components Sel'skokhozyaistvennaya Biologiya, Сельскохозяйственная биология, 2021, том 56, № 6, с. 1183-1198. (год публикации - 2021)
10.15389/agrobiology.2021.6.1183rus

4. Сермягин А.А., Гладырь Е.А., Игнатьева Л.П., Лашнева И.А., Косицин А.А., Артемьева О.А., Ермилов А.Н., Зиновьева Н.А. Поиск полногеномных ассоциаций для содержания жирных кислот в молоке коров, полученных на основе инфракрасных спектров Материалы международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития» 26 - 29 ОКТЯБРЯ 2021 г., Выпуск 19, С. 352-354. (год публикации - 2021)
10.37747/2312-640X-2021-19

5. Легашев Л.В.,Болодурина И.П.,Гришина Л.С.,Лашнева И.А.,Сермягин А.А. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЛОКА НА ОСНОВЕ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ ВЕСТНИК ЮЖНО-УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, УПРАВЛЕНИЕ, РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2022. Т. 22, № 3. С. 47–56. (год публикации - 2022)
10.14529/ctcr220305

6. Лашнева И.А., Косицин А.А.,Сермягин А.А., Зиновьева Н.А. ПОЛНОГЕНОМНЫЙ АНАЛИЗ АССОЦИАЦИЙ С КОЛИЧЕСТВОМ СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК И ИХ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЕЙ ПО ВИДАМ В МОЛОКЕ КОРОВ Молочное и мясное скотоводство, Молочное и мясное скотоводство. №6, 2022. С. 12-17. (год публикации - 2022)
10.33943/MMS.2022.66.75.002

7. Сермягин А.А., Игнатьева Л.П., Лашнева И.А., Косицин А.А., Косицина О.В., Абдельманова А.С., Зиновьева Н.А. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПОЛНОГЕНОМНЫХ АССОЦИАЦИЙ С ЖИРНОКИСЛОТНЫМ СОСТАВОМ МОЛОКА У КОРОВ (Bos taurus) Сельскохозяйственная биология, СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2022, том 57, №6. С. 1083-1100. (год публикации - 2022)
10.15389/agrobiology.2022.6.1083rus

8. Корнелаева М.В., Карликова Г.Г., Сермягин А.А. ВЛИЯНИЕ ГЕНОТИПА ПО ГЕНУ КАППА-КАЗЕИНА НА ВРЕМЯ СЫЧУЖНОГО СВЕРТЫВАНИЯ МОЛОКА КОРОВ Journal of Agriculture and Environment, JOURNAL OF AGRICULTURE AND ENVIRONMENT, №12(40), порядковый номер: 24, 2023 г. (год публикации - 2023)
DOI: 10.23649/JAE.2023.40.5

9. Игнатьева Л.П., Сермягин А.А., Лашнева И.А., Ермилов А.Н., Зиновьева Н.А. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ПОЛНОГЕНОМНЫХ АССОЦИАЦИЙ С МЕТАБОЛИЧЕСКИМИ БИОМАРКЕРАМИ В МОЛОКЕ КОРОВ ГОЛШТИНСКОЙ ПОРОДЫ Молочное и мясное скотоводство, Журнал "Молочное и мясное скотоводство", №1, С. 10-16. (год публикации - 2024)
10.33943/MMS.2024.68.25.002

10. Сермягин А.А., Зиновьева Н.А. Идентификация полиморфизма в генах, ассоциированных с биомаркерами компонентного состава молока коров, с использованием методов геномного анализа и инфракрасной спектрометрии Межрегиональная общественная организация Вавиловское общество генетиков и селекционеров, Сборник тезисов Международного Конгресса «VIII Съезд Вавиловского общества генетиков и селекционеров, посвященный 300‑летию российской науки и высшей школы». Саратов, 14–19 июня 2024 года | INTERNATIONAL CONGRESS “VIII Congress of the Vavilov Society of Geneticists and Breeders, dedicated to the 300th anniversary of Russian science and higher education” Saratov, June 14–19, 2024. Издательский дом «Петрополис», Санкт‑Петербург, 2024. С. 134 (год публикации - 2024)

11. Левченко М.В., Гладырь Е.А.,Зарипов О.Г., Петрякова Г.К., Лашнева И.А., Карликова Г.Г., Сермягин А.А., Зиновьева Н.А. Полногеномный анализ ассоциаций с технологическими свойствами молока коров голштинской породы ООО "Редакция "Молочное и мясное скотоводство", Журнал "Молочное и мясное скотоводство", №12, С. 3-9 (год публикации - 2024)
10.33943/MMS.2024.42.72.001

12. Артемьева О.А., Левченко М.В., Петрякова Г.К., Лашнева И.А., Сермягин А.А. Взаимосвязь физико-химических и технологических показателей молока с профилем микробиоты ООО Редакция журнала "Достижения науки и техники АПК", Журнал "Достижения науки и техники АПК", №11 (год публикации - 2024)
10.53859/02352451_2024_38_11_0

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Даны предложения по управлению и регуляции продуктивных и биологических качеств организма молочных коров на основе использования функциональных биомаркеров и геномной информации на основе мониторинга биомаркеров компонентного состава молока коров. Использование в мониторинге пороговых значений молярной концентрации ацетона и бета-гидроксибутирата (БГБ) в молоке коров позволяет проводить оценку нарушения функции обмена веществ (наличие кетоза) у лактирующих животных при мониторинге пороговых значений следов ацетона и бета-гидроксибутирата (БГБ). В свою очередь применение результатов анализа по взаимосвязи между соотношением процента жира и белка в молоке (FPR), как предикторов возникновения ацетоза и кетоза в организме коров также является потенциальным предиктором. Предлагается определять количество соматических клеток (КСК) в молоке коров и их дифференциацию (ДКСК) по морфологическим видам клеток крови (полиморфноядерные нейтрофилы и лейкоциты) для проведения ранжирования лактирующих коров по группам здоровья молочной железы. Предлагается использовать опосредованную оценку баланса энергии рациона и содержания в нем протеина по соотношению массовой доли белка и мочевины в молоке коров. Контроль наличия/отсутствия транс-изомеров жирных кислот (ТЖК), как биомаркера в молоке, позволяет минимизировать вероятность так называемой депрессии снижения молочного жира у коров. Предлагается для управления и регуляции функции воспроизводства коров использовать биомаркеры молока по содержанию олеиновой ЖК (C18:1), средне- и длинноцепочечным ЖК, которые указывают при их повышенных значениях на вероятность нарушения фертильности животных. Создана экспериментальная референтная популяция молочного скота черно-пестрой голштинизированной и голштинской пород. Наиболее высокие показатели наследуемости по выборке коров отмечались по массовой доле лактозы в молоке (0,324-0,327), среднецепочечным ЖК (0,258-0,285), миристиновой (0,232-0,257) и пальмитиновой (0,270-0,258) ЖК, массовой доле белка – истинного и общего (0,221-0,256), насыщенным ЖК (0,238-0,261), короткоцепочечным ЖК (0,236-0,261). Данные показатели являются наиболее перспективными и новыми в качестве дополнительных критериев для использования в селекции молочного скота. Наибольший интерес с точки зрения селекции молочного скота, представляют «полезные» поли- (ПНЖК) и мононенасыщенные ЖК (МНЖК). Наследуемость данных показателей, полученных в результате наших исследований, составляла 0,126-0,145 и 0,094-0,107 соответственно, что указывает на перспективность их включения в селекционный процесс. Показатели наследуемости КСК и ДКСК составили 0,096-0,155 и 0,144-0,164 соответственно, что указывает на положительный селекционный ответ в будущем при отборе животных с пониженным уровнем соматических клеток в молоке при учете их морфологических особенностей для прогнозирования устойчивости к субклинической форме мастита. Впервые в рамках популяционных исследований качественного и количественного состава молока коров в России, наравне с маркерным анализом по генам белков молока, проведен полногеномный анализ ассоциаций для поиска генов-кандидатов, сопряженных с технологическими свойствами молока. Выявлены высокодостоверные SNP, функционально аннотированы гены, связанные с пятью технологическими свойствами молока коров: термостабильностью, сычужной свертываемостью, временем сычужной свертываемости, количественным и процентным выходом сычужного сгустка, а также с рядом показателей компонентного состава. Идентифицировано 606 высокодостоверных (p<0,0005) SNP для 8 количественных признаков молока (суточный удой, вечерний удой, МДЖ, МДБ, МДЛ, МДК, СОМО, СВ, ТЗ, pH) и 237 SNP – для 5 признаков технологических свойства молока (термостабильность, сычужная свертываемость, время сычужной свертываемости, количественный и процентный выход сгустка), включая 37 SNP для признака термостабильности, 42 SNP для сычужной свертываемости, 29 SNP для времени сычужной свертываемости, 73 SNP для количественного выхода сгустка, 56 SNP для процентного выхода сгустка. Даны предложения по отбору животных, продуцирующих молоко высокой питательной ценности и количественного состава, устойчивые к возникновению заболеваний молочной железы, которые включают: рекомендацию по использованию для оценки племенной ценности коров по собственной продуктивности за ряд последовательных лактаций, применение методов REML и BLUP, методологии Test-Day Model, включая использование методов геномной селекции. Рекомендуется ранжирование коров, прошедших процедуру оценки племенной ценности, по наилучшим (положительным) показателям удоя за 305 дней лактации (на основе пересчета модели контрольного дня), массовой доле жира, желательным ненасыщенной олеиновой ЖК (C18:1), моно- и полиненасыщенным ЖК, количеству соматических клеток (отрицательным значениям показателей). Установлены достоверные корреляции между физико-химических и технологических показателей молока с профилем микробиоты. Наблюдается обратно пропорциональная взаимосвязь между компонентами молока (МДБ, МДЛ, СОМО, МДК), кислотностью (pH) молока и количеством молочнокислых микроорганизмов (-0,29…-0,39). Корреляции между физико-химическими показателями сычужного сгустка и количеством микроорганизмов в нем во многом повторяли корреляции с их численностью в молоке, но были менее тесными (r = -0,10…+0,10). Со снижением pH в сыворотке и сычужном сгустке количество молочнокислых бактерий достоверно увеличивается (-0,08…-0,30). Генотип животного по генам бета-и каппа-казеина не оказывал достоверного влияния на содержание микроорганизмов в молоке, его сыворотке и сгустке в исследуемой популяции. С ростом численности микроорганизмов в молоке достоверно увеличивается их количество в сгустке (+0,48). Уровень молочнокислых бактерий в сыворотке умеренно коррелировал (+0,30) с микробиологическим профилем сгустка. Создана рабочая коллекция штаммов (n=17), Staphylococcus aureus, которая собрана в период 2021 – 2024 гг. Всего было исследовано более 3,5 тыс. образцов молока. Для определения наличия генов антибиотикорезистентности blaZ и tet(38) использовали штаммы стафилококков, оказавшихся устойчивыми к бензилпенициллину и к тетрациклину. Только у двух штаммов обнаружен ген антибиотикорезистентности tet(38). ССЫЛКИ: 1. https://rscf.ru/news/found/lektoriy-rnf-nauka-za-10-minut-proshel-v-ramkakh-mezhdunarodnoy-vystavki-foruma-rossiya/?sphrase_id=274713 2. https://rscf.ru/news/found/interaktivnaya-ekspozitsiya-rnf-tsentralnaya-ploshchadka-vserossiyskogo-festivalya-nauka-0-budet-rab/?sphrase_id=274713 3. https://rscf.ru/news/found/svetyashchiesya-rasteniya-neobychnye-lektsii-master-klassy-molekulyarnaya-kukhnya-i-virtualnye-tury-/ 4. https://rscf.ru/news/found/vsemirnye-festival-molodezhi/

Публикации

Возможность практического использования результатов
Возможность практического использования результатов в экономике и социальной сфере обусловлена повышением качества производимого сырого коровьего молока и продукции его переработки для питания населения, производства диетических продуктов. Созданный научный задел позволит усовершенствовать технологию генетической оценки племенной ценности крупного рогатого скота за счет использования мультикомпонентного состава молока коров по спектру жирных кислот, биомаркеров обмена веществ и параметров здоровья вымени животных (включая дифференциацию соматических клеток в молоке). В настоящий момент данная оценка ограничена стандартными селекционными критериями - удой, массовая доля жира и белка в молоке, количество соматических клеток в молоке, что сужает критерии отбора и интенсивности ведения селекционного процесса в стадах, популяциях и на породном уровне. По результатам выполнения ряда задач проекта в 2023 г. была успешно защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук одним из основных исполнителей проекта, аспирантом Лашневой Ириной Алексеевной (https://www.vij.ru/institut/dissertation/irina-alekseevna-lashneva).