Dr inż. Ryszard Gilewski
Prof. dr hab. Stanisław Wężyk

hodowla drobiu

Szybko rozwijającymi się molekularnymi technologiami, określa się dziedziczenie segregacji alleli, by na ich podstawie dokonać opisu (edycji) genomu. (Hickey i in., 2017) wycinali z chromosomu „niechciany” fragment DNA, bez wstawiania w to miejsce – obcego DNA. Technologie te, wykorzystując metody molekularnej biologii, stosowane są w dziedzinach związanych z biotechnologią, biochemią, biofizyką, biologią komórki, bioinżynierią, systemową biologią, bioinformatyką, nanotechnologią oraz genową terapią. Rozwój tej nowej dziedziny zapoczątkował Puling (1949), ogłaszając wyniki badań nad różnicą między hemoglobiną zdrowych i chorych osób na sierpowatą anemię.
Mimo że rezultaty stosowanie molekularnych technologii, wciąż nie są pewne i wymagają rozwiązania wielu praktycznych problemów, to oczekuje się, że będą miały znaczący wpływ, na zwiększenie genetycznego postępu w drobiarskiej produkcji.

Genom jest nośnikiem genów, czyli genetycznego materiału, zawartego w podstawowym zbiorze chromosomów. Termin ten nie jest jednoznaczny z genotypem, czyli zbiorem wszystkich genetycznych informacji, zawartych w chromosomach osobnika.

Wg Sławińskiej i Siwek (2010), w genomie kury jest 38 autosomalnych chromosomów oraz 2 chromosomy płci, które dla odróżnienia od chromosomów ssaków, określane są literami W i Z, przy czym płeć żeńska jest heterogametyczna (ZW), a płeć męska – homogametyczna (ZZ). W genomie kury jest ok. 1,05 miliarda nukleotydów i 20 000-23 000 genów.

Nukleotydy są organicznymi, chemicznymi związkami z grupy fosforanowych estrów takich jak estry nukleozydów i kwasu fosforowego. Są podstawowymi składnikami kwasów nukleinowych (DNA i RNA), odgrywających znaczącą rolę w komórce – w metabolizmie i przekazywaniu sygnałów.

Na podstawie ich sekwencji, scharakteryzowano genom domowej kury, stwierdzając w nim 2,8 mln pojedynczych, polimorficznych nukleotydów (SNP – Single Nucleotide Polymorphism) i porównano go z genomem czerwonego kura dżungli (Gallus gallus).
Kura od wielu lat służy jako biomedyczny, zwierzęcy model, wykorzystywany w badaniach z dziedziny filogenezy, mikrobiologii i immunologii. Również kurzy zarodek, ze względu na jego dostępność, stał się podstawowym, modelowym organizmem, w badaniach rozwojowej biologii (Stern, 2004). Istotne wyniki z dziedziny immunologii, pochodzą z badań na kurach, np. dotyczące reakcji organizmu, na dokonany przeszczep (Murphy, 1916) oraz identyfikacji limfocytów B, produkujących przeciwciała i pochodzących z komórek torebki Fabrycjusza, (Glick i in., 1956). Wykorzystano je przy opracowaniu pierwszej szczepionki, przeciwko naturalnemu nowotworowi tj. chorobie Mareka (Okazaki i in., 1970).

Kury dostarczają >1/3 białka zwierzęcego w żywności dla ludzi na całym świecie i uważa się, że drobiowe mięso, zastąpi – wieprzowe – do 2020 r., jako jego podstawowe źródło. Sprzyja temu wysoki współczynnik wykorzystania przez drób – paszy i brak religijnych barier, ograniczających spożywanie drobiowego mięsa.

Produkcji drobiarskiej poważnie grożą zakaźne choroby, stanowiące również duże ryzyko dla ludzi, jak np. zakażenia Salmonellą
i Camphylobacterem. Zrównoważona produkcja drobiu jest zatem bardzo uzależniona od postępów w metodach ich zwalczania, immunologii i produkcji szczepionek, które wpływają również na ogólne problemy związane z leczeniem drobiu, jak np. na stosowanie antybiotyków.

Rozwijane są technologie tworzenia transgenicznych organizmów, genetycznie zmodyfikowanych, w których materiał genetyczny został tak zmieniony, by uzyskać pożądany fenotyp. Ustawa o genetycznie zmodyfikowanych organizmach (GMO), z dnia 22 czerwca 2001 r., zastrzega, że zmiany te, muszą być dokonywane tylko metodami inżynierii genetycznej. Stosowane od wieków metody doskonalenia użytkowości roślin i zwierząt, takie jak krzyżowanie, selekcja oraz wykorzystanie mutacji – nie umożliwia tworzenie transgenicznych organizmów.

Transgeniczne metody, utrudniała reprodukcyjna, medyczna biologia – nauka o zdrowiu, które pokonano, stosując w hodowlach zarodków, genetyczne manipulacje, polegające na usuwaniu z genomu kur, wybranych, tzw. „znokautowanych” genów. W konsekwencji pozwoliło to na opracowanie nowych metod badań – nad odpornością drobiu.

W 1980 r., po raz pierwszy uzyskano transgeniczne zwierzę – mysz, z której DNA, wyłączono gen kodujący jedno z białek, zaangażowanych w proces słyszenia, wskutek czego jej potomstwo – było głuche. Głuche myszy, poddano genowej terapii, wprowadzając z wirusem, do komórek ich ucha – brakujący gen. Gen ten po pewnym czasie się uaktywnił, w wyniku czego pojawiło się u myszy, kodowane przez niego białko i odzyskały one słuch.

Dzięki pozyskiwaniu coraz większej liczby genetycznie doskonalonych zwierząt można lepiej poznać determinowane genami, fizjologiczne procesy u zwierząt i ludzi oraz opracować model dziedzicznych chorób. Dąży się także do poprawy użytkowych cech, biomedycznego wykorzystanie produktów – uzyskanych od zmodyfikowanych genetycznie zwierząt, będących swoistymi bioreaktorami.
Poznanie w 2002 r., pełnej sekwencji genomu myszy, przyczyniło się do wyjaśnienia szeregu aspektów dotyczących otyłości, cukrzycy, karłowatości, chorób układu krążenia. Myszy, którym wszczepiono dodatkowy gen lub go usunięto (nokaut genu), umożliwiły poznanie wielu procesów powstawania i podziału komórek oraz rozwoju organizmu.

Wg Hickey i in. (2017), korzyści z genetycznie zmodyfikowanych zwierząt są następujące:

  1. kontrolowane, szybsze rozmnażanie,
  2. lepsze wykorzystania paszy,
  3. większa odporność zwierząt na choroby i pasożyty,
  4. wykorzystanie zwierząt do biomedycznych badań:
  • otrzymywanie białek o farmaceutycznym znaczeniu,
  • otrzymywanie i wykorzystanie ksenogenicznych organów do ksenogenicznych (heterogenicznych, heterologicznych, heterogennych) przeszczepów, czyli do ksenotransplantacji tj. do przeniesienie tkanki lub narządu między osobnikami różnych gatunków,
  1. poprawa jakości produktów żywnościowych:
  • większy przyrost masy ciała i lepsza jakość mięsa, uzyskana po prowadzeniu genu, determinującego produkcję hormonu wzrostu,
  • większa wydajność i lepsza jakość mleka; zwiększenie mleczności przez wprowadzenie do genomu krowy – genu kodującego proteiny, beta-, kappa-kazeinę.

Pierwszy gen nokautowy (usunięty) z chromosomu kury – immunoglobulina (Ig) z segmentu JH (JH-KO), służy do lepszego poznania rozwoju limfocytów. Badania nad zakażonymi ptakami JH-KO, o niedoborze przeciwciał, poszerzają wiedzę o zwalczaniu różnych infekcji.
Komórkowa, humoralna, immunologiczna reakcja – mają istotne znaczenie w zwalczaniu zakażeń. Komórki T, odgrywają ważną rolę w adaptacji układu odpornościowego, posiadając wiele cech, charakterystycznych także dla ssaków (Lathi i in.,1991). Limfocyty T (od łac. thymus, grasica), są odpowiedzialne za komórkową odpowiedź odpornościową.

Metody badawcze

U kurcząt, populacja komórek T oraz ich rola w odpowiedzi immunologicznej, jest nadal słabo poznana (Paul i in., 2014). Większość z nich wchodzi w skład nabłonka jelita i śledziony, uczestnicząc w homeostazie tkanek, czyli w utrzymywania stałości wewnętrznych parametrów i odporności na zakażenia (Hayday i Tigelaar, 2003), ale ich funkcja dokładnie nie jest znana.
Wykorzystywana przez genetyków rekombinacja, jest procesem wymiany genetycznego materiału, w wyniku którego powstają nowe genotypy. Jest to główne źródło występującej w przyrodzie dziedzicznej zmienności oraz stanowi podstawę ewolucyjnych procesów. Nie zapewnia jednak powstawania nowych genów, lecz jedynie tworzenie różnych ich kombinacji, w uprzednio istniejących sekwencjach.
Do celowego modyfikowania genomu, w precyzyjnie wybranych miejscach, wykorzystuje się obecnie system CRISPR (ang. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) Łącząc system CRISPR, z ustaloną sekwencją DNA – z endonukleazą Cas9, dokonuje się enzymatycznego przecięcia nici DNA. Przecięcie nici DNA uruchamia mechanizmy jego naprawy i wycięcie określonego segmentu DNA, a następnie „wklejenie” w to samo miejsce, dostarczonej z zewnątrz – genetycznej sekwencji.

W wyniku stosowania techniki CRISPR/Cas9, w uszkodzonym DNA, dochodzi do delecji tysięcy bazowych par, czyli zmiany w genetycznym materiale, polegającej na utracie jego fragmentu.

Stosując metodę reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR z ang. Polymerase Chain Reaction), – wyizolowano genomowy DNA. Metoda ta ma wiele zastosowań, między innymi w badaniach nad genomem, charakterystyką ekspresji genów, ich klonowaniem, w klinicznej diagnostyce, w identyfikacji zaginionych osób, w kryminalistyce, w paleontologii, w określaniu genotypu i locus/miejscu integracji.

Interpretacja uzyskanych wyników

Hickey i in. (2017), różne zarodowe stada kur, o tej samej genetycznej strukturze, selekcjonowali przez 21 pokoleń, a następnie przez 20 pokoleń – stosowali w nich genomową selekcję.
W każdym pokoleniu oceniali genetyczny postęp, zwiększenie częstotliwości występowania korzystnych alleli o zmienionej liczbie nukleotydów (QTN), zmiany cech na skutek chowu wsobnego oraz skuteczność przekształcania genetycznych zmian.
Określanie genomu w hodowli drobiu, umożliwia osiąganie krótko-, średnio- i długoterminowego wzrostu wartości genetycznej, w wyniku zwiększonej w populacji częstotliwości występowania korzystnych alleli.
Genowy napęd jest kontrolowanym rozprzestrzenianiem się genów w populacji, rozpowszechniającym fragment DNA szybciej, niż nieznany gen. Zwiększa on także częstotliwość występowania pożądanych alleli, co skutkuje większym przyspieszeniem postępu genetycznego. Geny te zwiększają korzyści wynikające z genomu, w następujący sposób (Hickey i in., 2017):

  • poznanie (edycja) genomu, zwiększa genetyczny zysk;
  • przyspieszają tempo wzrostu częstotliwości korzystnych alleli i skraca czas potrzebny do ich ustalenia;
  • umożliwia szybsze oddziaływanie na ilościowe cechy (QNT);
  • rozdziela stałe, poznane zasoby, dużej liczby cech ilościowych (QNT) – w odrębnych pokoleniach;
  • umożliwia skupienie się na mniejszej liczbie QNT w danym pokoleniu;
  • obniżają poziom inbredu, przy wyborze grupy samców;
  • zwiększają skuteczność przetwarzania genetycznej zmienności – na genetyczny postęp.

Uzyskane wyniki wskazują na duże możliwości ich wykorzystania w hodowli drobiu i w metodach określania genomu i genów.
Osiągany w ostatnich latach, w tej dziedzinie postęp, daje powód do optymizmu. Dzięki dostępowi do danych, obejmujących całą sekwencję informacji na poziomie genomu, u setek tysięcy osobników, opisujących funkcjonalne cechy genomów drobiu oraz populacji (sklonowanych i tradycyjnych), służących do oceny drobiu. W miejsce dawnych programów oceny potomstwa „określających wpływ” zarodowych kogutów, wprowadza się ocenę alleli, by „udowodnić wpływ” różnych rodzajów genomów, determinujących poligeniczne cechy, wg Hickey i in., 2017 należy uwzględnić:

  • różne rodzaje genomów, z dużym prawdopodobieństwem, że mają początkowo taki sam wpływ;
  • połączone badania, nad genomami setek tysięcy lub nawet milionów ptaków, zwiększą prawdopodobieństwo wpływu, także mniej liczebnych grup różnych osobników;
  • informacje dotyczące funkcjonalnych cech i ich ekspresji, można wykorzystać do zwiększenia prawdopodobieństwa wpływu, nawet mniej liczebnej grupy;
  • jest możliwość badania podzbioru komórek, na podstawie opisanych genomów, co dodatkowo zwiększa prawdopodobieństwo wpływu, nawet mniejszej grupy ptaków;
  • wynikową grupę można następnie opisać, np. jako heterozygotycznych samców, wykorzystywanych w programie hodowlanym i przeanalizować ich wpływ na potomstwo;
  • osobniki wykazujące pozytywne cechy, mogą być zapisane do grupy reproduktorów, a te z negatywnymi skutkami, można genetycznie zmodyfikować, a neutralne – nie brać pod uwagę;
  • w skrajnym przypadku, by uzyskać pozytywne efekty, można poszczególne osobniki zmodyfikować, pod kątem zestawu ważnych genów.

Opis genomu i genów o istotnym znaczeni (genomowe napędy), umożliwia zmiany w metodach hodowli drobiu, których skuteczność będzie zależała od ich akceptowania przez hodowców. Ostateczny sukces zależy również od biologicznych właściwości cech ilościowych, które wciąż w dużej mierze są nierozpoznane i są podatne na zmiany addytywnego działania alleli, niezależnie od tego, jak są ściśle ze sobą powiązane. W końcu okazuje się, że selekcja ptaków, na podstawie znanego genomu, może zastąpić ich selekcję, na podstawie cech fenotypowych.