Dr inż. Ryszard Gilewski
Prof. dr hab. Stanisław Wężyk
Wstęp
Nowoczesne rolnictwo stale dąży do osiągnięcia w warunkach zrównoważonego rozwoju, maksymalnej produkcji żywności z uwzględnieniem optymalizacji efektywności ekonomicznej, genetycznego postępu i zysku. Towarowa produkcja drobiarska, należy do najbardziej efektywnych i odnoszących największe sukcesy, ze wszystkich sektorów produkcji żywności. By osiągać sukcesy w branży drobiarskiej, należy przestrzegać praw dziedziczenia i metod opieki zdrowotnej nad stadem oraz stosować optymalny program żywienia. Skuteczność zrównoważonego rozwoju chowu drobiu, zależy od umiejętności firmy drobiarskiej do pozyskiwania produktów o konkurencyjnych wskaźnikach, w tym średniego zysku/dobę, ilości dni chowu ptaków do uzyskania masy ubojowej/rynkowej, wskaźnika wykorzystania paszy/energii, przeżywalności, wyrównania stada i osiągniętych produkcyjnych wyników. Opłacalność w dużej jednak mierze, zależy od zaspokojenia żądań konsumentów, którzy chcą bezpiecznych pod względem zdrowotnym i niedrogich produktów drobiowych, wyglądem zachęcających do spożycia. Najbardziej zamożni konsumenci, chcą zaopatrywać się w żywność, pochodzącą z ferm dbających o ochronę środowiska i dobrostan drobiu. Postępowanie towarowych ferm, z zasobami genetycznymi i paszą, są najbardziej zmiennymi składnikami ekonomicznej opłacalności, stanowiąc 70%-80% kosztów utrzymania stada. W branży drobiarskiej, doskonalenie genetyczne ptaków, stale zmienia „pole gry”, determinując tempo wzrostu ptaków, ich zdrowie i przeżywalność, a ostatecznie – przewidywalności produkcji. Tempo wzrostu i wydajność mięsa poprawia się liniowo o ok. 1%/rok, co w 85% przypisuje się pracy hodowlanej w stadach mięsnych kur (Havenstein i in., 2003) oraz indyków (Hanenstein i in., 2007). Postępy w dziedzinie żywienia kurcząt, nie nadążają za osiągnięciami genetyków, ponieważ występujące metaboliczne zaburzenia i towarzyszące im konsekwencje żywieniowe, wiążą się z koniecznością zaktualizowania składu mieszanek paszowych. Będzie się też wykorzystywać genetyczny imprinting (genetyczne naznaczenie) możliwości odżywczych zarodka, by programować ekspresję genów, związanych z cechami ważnych pod względem społeczno-ekonomicznym. Starożytny, grecki filozof, Arystoteles uważał, że cechy osobnika są odziedziczone od rodziców i kształtowane przez otoczenie. Teoria ta zakładała, że całe życie na ziemi jest tak zaprogramowane, by odnieść sukces w danym środowisku. Jean Lamark był zwolennikiem dziedziczenia nabytych cech. Wg tzw. „lamakizmu” – używanie narządów jest istotnym czynnikiem determinującego cechy osobnika, które przenoszone są na potomstwo przez gamety. Teoria ta jednak nigdy nie została pozytywnie zweryfikowana i np. długie szyje żyraf, najlepiej świadczą o dominującej roli, jaką odgrywa naturalny dobór (Ferket, 2016). Genetykę – akademicką dyscyplinę, od dawna opartą o podstawowe prawa Mendla, wsparto odkryciem i sekwencjonowaniem DNA, umożliwiającym poznanie dziedziczenia informacji, o jego podstawowej sekwencji. Ponieważ fragmenty sekwencji DNA, powiązano z biologicznymi cechami, naukowcy zajmujący się genomiką, dzięki nowym molekularnym, biologicznym metodom, zastosowanym w nauce, uświadomili sobie znaczenie ekspresji genów. Epigenetyka zajmuje się mechanizmami zmiany ekspresji genów, pod wpływem środowiska, a które odziedziczone – mogą się utrzymywać w kilku kolejnych pokoleniach, co jednak nie jest „lamarkizmowską” ewolucją. Imprinting genomowy czyli tzw. rodzicielskie, genomowe piętno lub – genetyczne naznaczenie – polega na różnym stopniu metylacji genów i histonów w komórkach jajowych i plemnikowych (przyłączenie do zasad tworzących łańcuch DNA grup metylowych, NH3). Gen jest metylowany na allelu pochodzącym od jednego z rodziców, a genetyczne naznaczenie (imprinting), zachodzi w czasie gametogenezy i wtedy jest znoszony wzór metylacji, odziedziczony po rodzicach i tworzony nowy, zależny od płci. Zapobiegać partenogenezie (dzieworództwu – rozwój osobników potomnych z komórki jajowej bez udziału plemnika), która jest możliwa u kilku gatunków (np. u pszczół) i powoduje zmniejszenie zmienności organizmów. Nanoszenie jest wynikiem konkurencji żeńskiego i męskiego materiału genetycznego. Metylacja DNA jest poreplikacyjną, enzymatyczną modyfikacją kwasów dezoksyrybonukleinowych, prowadzącą do wyciszenia niektórych genów. Należy ona do tzw. epigenetycznych zmian, które mogą być przekazywane podczas podziałów komórkowych pomimo, iż nie zależą od sekwencji DNA. Ekspresję genów można badać na podstawie regulacji mRNA, proteomiki i metaboloniki. Wg molekularnych genetyków, ekspresja genów jako odpowiedź na środowiskowe bodźce, może być przekazana przyszłym pokoleniom. Regulacja wyciszonej lub aktywnej ekspresji genu, przebiega na bardzo wielu poziomach, w tym na poziomie regulacji ilości cząsteczek mRNA, wytwarzanych w procesie transkrypcji. Proteomika z kolei zajmuje się badaniem białek, ich budową i zależnościami między ich funkcjami, a metabolomika – przemianą materii – od komórki do tkanek. Starzy greccy filozofowie i Jean Lamark, mogli to udowodnić, nie dysponując naukowymi narzędziami. Istnieje coraz więcej dowodów, że żywienie i bodźce środowiskowe, działające na rodzicielskie stado i ich potomstwo w okresie około lęgowym, mogą oddziaływać na program ekspresji genów ptaka i na jego zwiększoną zdolność adaptacyjną do przetrwania. Nowa nauka o „programowaniu ekspresji genu”, czyli epigenetyka – jest nauką o dziedziczeniu informacji, na podstawie ekspresji odziedziczonych genów determinujących zdolność do przeżycia lub genetycznej regulacji (adaptacji), kontrolujących w komórkach, pojedyncze lub całe zespoły genów (operony), kierujące syntezą enzymów, przez: włączanie (indukcję) – stymulację (kontrola pozytywna) lub wyłączanie – represję (kontrola negatywna).
Czym jest epigenetyka lub adaptacyjna, genetyczna regulacja?
Pod koniec II wojny światowej, w Holandii z powodu ograniczonych dostaw żywności, zmarło z głodu, ponad 30.000 osób. Pray (2004), na podstawie analizy zapisów urodzeń, podczas „Holenderskiej Zimy Głodu”, wykazał długoterminowy wpływ niedożywienia w okresie ciąży matek, na kształtowanie się zdrowia dzieci i dorosłych oraz ich potomstwa, u których w trzech, kolejnych pokoleniach, stwierdzono wysoki poziom rozwojowych wad takich jak: mała masa ciała noworodków, niski wzrost dorosłych, cukrzyca, choroba wieńcowa serca i choroby nowotworowe W innym badaniu, Kaati i in. (2002) wiązali dostęp dziadków w czasie ich rozwoju płodowego – do żywności, z występującą u ich potomstwa, cukrzycą i chorobami serca. Dieta ciężarnej matki, może wpływać tak na ekspresję jej genów, że jej dzieci i wnuki, odziedziczą te same problemy zdrowotne. Wykorzystując dane z małej, szwedzkiej społeczności, Pembrey i in. (2006) stwierdzili, że efekt epigenetyczny związany jest z płcią. Dziadkowie, którzy w okresie powolnego wzrostu (9-12 lat), byli dobrze odżywiani, mieli więcej wnuków z cukrzycą – niż dziadkowie, którzy głodowali przed osiągnięciem dojrzałości. Dostępność żywności w okresie rozwoju płodowego i niemowlęcego babć, miała wpływ na umieralność ich wnucząt. Sugeruje to, że informacje rejestrowane w kluczowych etapach tworzenia się jaj i plemników, przenoszone są na potomstwo, prawdopodobnie jako modyfikacje epigenomu, tj. pełnego zestawu chemicznych modyfikacji DNA oraz białek histonów, regulujących budowę chromatyny oraz funkcje genomu, które to zmiany mogą być dziedziczne. Określenie epigenetyczny, odnosi się do wszystkich modyfikacji genów, innych niż same zmiany DNA. Wewnątrz każdej komórki, DNA jest owinięty wokół białek zwanych histonami. Zarówno DNA, jak i histony są pokryte chemicznymi znacznikami, tworząc formę zwaną epigenomem. Znaczniki chemiczne reagują na zewnętrzne sygnały takie jak dieta i stres. Genomowy imprinting, polega na różnym stopniu metylacji genów i histonów w komórkach , które mogą trwale modulować reakcję adaptacyjną organizmu i bodźce wspomagające w krytycznych okresach rozwoju. Szczególnie programowanie wczesnego życia, może włączyć „oszczędne” geny, które trwale powtarzają odradzenie procesów fizjologicznych, aby przetrwać środowiskowe stresy, spowodowane odżywczymi składnikami, zwiększając tym samym szanse przekazania genów, następnemu pokoleniu. Dowodem na epigenetyczne programowanie, jest rój szarańczy, których fenotyp zmienia się pod pływem suszy, a cechy genetyczne przenoszone są na następne pokolenia, aż populacja znajdzie lepsze środowiskowe warunki (Ferket, 2016). Międzypokoleniowe, epigenetyczne lub adaptacyjne uwarunkowania, mogą wyjaśniać niektóre z dodatnich i ujemnych czynników, wpływających na wyniki towarowej produkcji drobiu. Należy wziąć pod uwagę możliwość oceny masy ciała hodowlanych kur mięsnych lub indyków – przed i w trakcie produkcji jaj: tj. w krytycznym okresie epigenezy lub gemetogenezy. Żywienie stad hodowlanych mięsnego drobiu, może mieć istotny, epigenetyczny wpływ na potomstwo. Jak należy zatem postępować z inkubowanymi, wylęgowymi jajami, w krytycznym, epigenetycznym okresie ponownie metylowanych w zarodku – somatycznych komórek. Warunki środowiskowe (tj. temperatura lub poziom tlenu), w klujniku mogą inicjować odnowienie epigenetycznych programów, wpływających na późniejszy metabolizm. Od sposobu żywienia i pojenia piskląt w pierwszych kilku dniach po wylęgu, zależy metabolizm i rozwój mięśni piersiowych, szkieletowych i układu immunologicznego.
Żywienie zarodka in ovo w okresie okołolęgowym
Na fenotypowe cechy, których ekspresja jest wynikiem zaprogramowania lub imprintingu, skutecznie działa środowisko i sposób/rodzaj żywienia. Gdy ptak jest młody i pierwsze dawki pokarmowe powodują znaczne różnice. Np. wszystkie miodne pszczoły są genetycznie podobne, ale by jedna z nich stała się królową, a reszta pracownicami, larwy muszą być odpowiednio karmione. Drób również może mieć pożądane, fenotypowe cechy w wyniku żywieniowej modyfikacji w okresie okołolęgowym, gdy w wyniku zaprogramowanego żywienia zarodka in ovo – 3 dni przed wylęgiem, zarodek zacznie wyczuwać z owodni – posmak pszenicy, (Uni i Ferket, 2003, patent Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 6,5692,878) , którym można zmodyfikować równowagę składników odżywczych i współzależności metaboliczne owodni oraz wpływać na kolejne fenotypowe cechy, o ekonomicznym znaczeniu (Pawłowska, 2016).
Szczepienie in ovo
Pisklęta szczepi się w zakładzie wylęgowym tuż po wykluciu tj. w tym samym czasie, gdy matczyne przeciwciała są przekazywane z woreczka żółtkowego, który zostaje wchłonięty dopiero w 4-5 dniu po wylęgu. Wg Szeleszczuka i in. (1996), może to spowodować konflikt między matczynymi przeciwciałami, a i szczepionkowymi antygenami, obniżając skuteczność szczepień. Sharma i Burmestern (1984) zastosowali metodę uodparniania piskląt już podczas embriogenezy, wstrzykując odpowiednie substancje do jaja. Technologię in ovo, polegającą na wprowadzaniu różnych substancji, do komory powietrznej jaj lub do rozwijającego się zarodka, opracowano w latach 90. XX w., w USA, w celu automatycznego szczepienia piskląt przeciwko chorobie Mareka, Gumboro, pomorowi zakaźnemu i grypie ptaków, a następnie w celu pobudzania korzystnej mikroflory przewodu pokarmowego wylęganych piskląt i odporności ptaków. Zaletą tej metody, jest zmniejszenie pracochłonności, zwiększenie dokładności zabiegu, poprawa wyników wylęgowości (Bednarczyk i in.,2010). Zaproponowaną przez Uni i Ferket (2003), metodę „dokarmiana” zarodka, stosuje w 17-18 dniu inkubacji, wstrzykując do owodni jaja, roztwór lub zawiesinę pożądanych substancji, która zostaje wchłonięta w jelitach. Dożywianie zarodków in ovo, przyspiesza rozwój układu pokarmowego, umożliwiając pisklętom wcześniejsze wykorzystywanie składników pokarmowych i zapewniając im rozwój zgodnie z możliwościami genetycznymi, zapobiegając równocześnie spowolnieniu tempa wzrostu, obniżeniu odporności i stratom ekonomicznym. W fermowych warunkach, kurczęta brojlery mają dostęp do paszy i wody dopiero po 36–72 godzinach od wyklucia. W tym czasie następuje ubytek masy ciała oraz opóźnienie rozwoju przewodu pokarmowego i mięśni, w związku z czym Tako i in. (2004), podjęli badania nad wzmacnianiem rozwoju zarodków kurzych roztworem węglowodanów oraz β-hydroksy-β-metylomaślanu. Po iniekcji in ovo, wyklute pisklęta, miały tak rozwinięte jelita, jak dwudniowe ptaki, a powierzchnia kosmków jelitowych, była o 45% większa niż w grupie kontrolnej. Również masa ciała 10 dniowych kurcząt brojlerów była wyższa o ok.6% sugerując, że wczesne przyswajanie składników żywieniowo-energetycznych, wpływa istotnie na uzyskanie optymalnych wyników produkcyjnych. Nowoczesne linie kurcząt brojlerów są selekcjonowane w kierunku zwiększonego tempa wzrostu i dużego udziału mięśni piersiowych w tuszce, co wiąże się z wyższymi wymaganiami zarodka, dotyczącymi ilości energii i białka. W konsekwencji, może to prowadzić do braku równowagi pomiędzy zapotrzebowaniem na składniki odżywcze, a ich rezerwami, pochodzącymi z jaja. Jaja kurze są bogate w białka i tłuszcze, natomiast udział w nich węglowodanów jest mały, dlatego może nie wystarczać dla metabolicznych wymagań zarodka (Pawłowska, 2016). Wg Uni i in. (2005), rezerwy glikogenu w kurzych zarodkach, ulegają uszczupleniu w trakcie inkubacji i dlatego dożywianie zarodków in ovo roztworem węglowodanów, zawierającym m.in.: glukozę, fruktozę, sacharozę, maltozę i dekstrynę, może wpływać na energetyczne przemiany organizmu. Rezerwy składników mineralnych, których głównym źródłem dla zarodka jest żółtko, są ograniczone w ostatnich dniach inkubacji, (Tona i in., 2004). Dokarmianie in ovo zarodka, składnikami mineralnymi, węglowodanami i witaminami, wpływa korzystnie na ich poziom w okresie okołolęgowym. Korzyści związane z wczesnym wzrostem i rozwojem brojlerów i indyków, potwierdzili w kilku doświadczeniach Uni i Ferket (2004). W przypadku żywienia in ovo, masa wylęganych piskląt była istotnie wyższa o 3-7% ,w porównaniu z grupą kontrolną, utrzymując się przez kolejne 14 dni. Stopień reakcji na odżywianie in ovo, zależy od genetyki, wieku, pochodzenia, wielkości jaj i warunków inkubacji. Największy wpływ na wyklute pisklę, ma roztwór IOF (In Ovo Feeding), w którym obserwowano pozytywne efekty: ligandy zawierającej NaCl, sacharozy, maltozy i dekstryny (Uni i Ferket, 2004), maślanu β-hydroksy-β-metyl butyratu, białka jaja i węglowodanów (Foye i in., 2006, argininy (Foye i in., 2007), cynk-metioniny (Talco i in., 2005), kwasu butylowego (Salmazadeh i in., 2015) i in. Obok większej masy ciała wylęganych piskląt, do pozytywnych skutków wchłaniania in ovo, zalicza się lepszą wylęgowość (Uni i Ferket, 2004, Uni i in., 2005; rozwój przewodu pokarmowego (Tako i in., 2004). W wyniku karmieniu in ovo, wyraźnie poprawia się zdolność trawienia, stan energetyczny i rozwój tkanek w krytycznych dla noworodka 2 dni przed wylęgiem. Wg Bohorqyez i in. (2008) , żywienie in ovo, zwiększa funkcjonalną dojrzałość i wydzielanie śluzu przez kosmki krętego i ślepego jelita indyków. Żywieniem in ovo, można zwiększyć oporność piskląt i kurcząt na czynniki zakaźne. Metoda żywienia in ovo może być powszechnie stosowana w towarowej produkcji drobiu, zapewniając poprawę jego opłacalności produkcji i dobrostan. Szybkie tempo wzrostu i duża wydajność mięsa, wyróżniają współczesne brojlery i dlatego żywienie in ovo, może im ułatwić dostosowanie się do diety i przemiany węglowodanów. W dobie nowoczesnych standardów dobrostanu zwierząt, skuteczny program szczepień, jest niezbędny w fermie nieśnych kur. W ostatnich dziesięcioleciach, nastąpił znaczny postęp w technologii szczepień in-ovo.
Wpływ wczesnego żywienia piskląt
Pierwsze kilka dni po wylęgu, są drugą częścią okresu okołolęgowego, charakteryzującego się imprintingiem cech produkcyjnych, w wyniku adaptacyjnego uwarunkowania ekspresji genu. Pisklęta na skutek imprintingu, lepiej tolerują immunologiczny, środowiskowy i oksydacyjny stres. Program żywieniowy w okresie okołolęgowym, wpływa na zużycie energii i minerałów, a inne bioaktywne, dietetyczne składniki, mogą „zaprogramować” mikroflorę jelit, wpływającą na ich zdrowie i bezpieczeństwo żywności. Wg Yan i in.(2005), pisklęta-brojlery żywione przez 90 godzin, specjalnie zestawioną paszą, po przejściu na żywienie mieszanką o niskiej zawartości wapnia i fosforu, w wieku 32 dni lepiej wchłaniały te pierwiastki w jelitach podczas całego swego życia, zwiększają ekspresję genu – nośnika mineralnego białka. Angel i Aswell (2008) wykazali, że brojlery karmione przez 90 godzin po wykluciu, odpowiednią mieszanką, tolerowały później brak P w growerze i finiszerze, były także cięższe i lepiej wykorzystywały paszę. W oparciu o koncepcje epigenetyki, imprintingu i adaptacyjnych uwarunkowań, doświadczalnie sprawdzono w Alltech-University w Kentucky (USA), różne strategie żywieniowego programowania. Oceniając wzorce ekspresji kluczowych, funkcjonalnych grup genów, odkryto substancje odżywcze, wpływające na homeostatyczną równowagę, zależną od składników pokarmowych, poziomu i interakcji między nimi – a czasem skarmiania. Pisklęta przez pierwsze 72 godziny po wylęgu, karmiono specjalnie przygotowaną dietą, w celu „wyregulowania” jelit do lepszego wykorzystania i przemiany składników odżywczych, co ostatecznie wpływa na wydajność produkcji, skład tuszy i jakość mięsa. Pisklęta, żywione odpowiednio zestawioną dawką, a następnie growerem i finisherem, lepiej przyrastały i wykorzystywały paszę, a >70% – lepiej przyswajały Ca i P. Programując strategię odżywiania, można zmienić skład paszy i produkcyjność ptaków. Nie tylko odpowiednie odżywianie zwiększa produkcyjność drobiu, tak ważne dla producentów, ale lepiej zaspakaja żądania konsumentów, dotyczące jakości mięsa, co w efekcie przynosi większe zyski z produkcji drobiu. Brojlery żywione wg zaprogramowanej strategii, mają mniej tkanki tłuszczowej i ich piersiowe mięśnie, mają bardziej atrakcyjną barwę, przy mniejszym wycieku podczas przechowywania, mniejsze ubytki w czasie gotowanie i są bardziej odporne na utlenianie. Choć żywienie brojlerów specjalną dietą przez 72 godziny po wylęgu daje duże szanse, to trudno je zastosować w praktyce, ze względu na istniejące produkcyjne ograniczenia. O skuteczności tej metody, decyduje wiek specjalnie żywionych kurcząt oraz narażenia ich na stres. Postęp w technologii lęgu, umożliwia stosowanie specjalnego żywienia 2-3 dniowych piskląt. Należy oczekiwać, że w przyszłości o wiele więcej wylęganych piskląt będzie specjalnie żywionych i szczepionych, by zaprogramować je odpowiednio do skutecznego odżywiania i nowych wyzwań. Nauka o żywieniu drobiu, nie polega tylko na dostarczaniu ptakom, w zrównoważony sposób, minimalnych, odżywczych składników, aby osiągnąć cele produkcyjne i zapewnić im dobrostan. Żywienie jest procesem, który można tak zaprogramować, aby stosować strategię dokarmiania piskląt w okresie okołolęgowym tj. przed i po wylęgu. Szybko rosnąca na świecie liczba naukowych publikacji, potwierdza korzyści ze stosowania żywienia i szczepienia zarodków in ovo, które nie zakłóca przebiegu wylęgu, a zwiększa wyniki produkcyjne.
