Document Type : Research Paper
Authors
1 Department of Animal Science, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, I.R. of Iran
2 Department of Animal Science, College of Agriculture, Iowa State University, 806 Stange Road, Ames, IA 50011, USA
3 Department of Animal Science and Aquaculture, Dalhousie University, Truro, B2N 5E3, Canada
Abstract
The agriculture contribute to 50-60 % of global methane emission and ruminants have a key role in this contribution. Methane has an important role in global warming and it's global warming potential is 25 times greater than CO2. Furthermore, methane is the second most abundant global anthropogenic greenhouse gas after carbon dioxide. The present study aimed to perform genome wide association study to identify genome regions affecting the predicated methane production based on the concentrations of volatile fatty acids of rumen in Iranian Holstein cattle. One-hundred and fifty hair and rumen digesta samples were sampled using the two-tailed strategy based on breeding values of milk. After the measurement of the concentration of volatile fatty acids of rumen, methane emission of each animal was predicated according to these acids. DNA of animals was genotyped using GGP-LD v4 SNP panel (contains 30108 SNPs). Fourteen significant SNPs associated with methane emission trait located on 1, 2, 6, 10, 15, 17 and 18 chromosome were identified. Using annotating some quantitative trait locus (QTLs) were discovered around some of these SNPs. The results showed a genetic selection potential to mitigate methane emission per animal. Since genetic improvements are heritable, cumulative, and permanent, this improvement would be permanent and beneficial.
Keywords
Main Subjects
پویش کل ژنومی برای شناسایی نواحی ژنومی مرتبط با انتشار متان در گاو با استفاده از تراشه 30K
علی جلیل سرقلعه 1 و 3*، حسین مرادی شهربابک1، محمد مرادی شهربابک1، اردشیر نجاتی جوارمی1، مهدی ساعتچی2 و یونس میار3
1ایران، دانشگاه تهران، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، گروه علوم دامی
2آمریکا، دانشگاه ایالتی آیووا آمریکا، دانشکده علوم کشاورزی و زیستی، گروه علوم دامی
3کانادا، دانشگاه دالهوزی، دانشکده کشاورزی، گروه علوم دامی و آبزیان
تاریخ دریافت: 06/10/1397 تاریخ پذیرش: 16/11/1397
چکیده
در سطح جهانی 60-50 % متان از بخش کشاورزی تولید میشود که بویژه حیوانات نشخوارکننده در این میان نقش کلیدی دارند. در این میان متان نقش بسیار قوی در گرم شدن جهان دارد به طوری که توانایی این گاز در گرم کردن کره زمین 25 برابر دی اکسید کربن میباشد و بعد از گاز دیاکسید کربن، متان دومین گاز گلخانهای از لحاظ مقدار میباشد. هدف از تحقیق حاضر پویش کل ژنومی برای شناسایی نواحی ژنومی موثر بر متان پیشبینی شده براساس غلظت اسیدهای چرب فرار مایع شکمبه در گاو هلشتاین ایران بود. در این راستا مو و مایع شکمبه (از طریق لوله مری) از 150 راس حیوان بر اساس روش ارزشهای اصلاحی صفت تولید شیر دوطرفه نمونهگیری شد. بعد از اندازهگیری غلظت اسیدهای چرب فرار مایع شکمبه، انتشار متان به ازای هر حیوان با استفاده از این اسیدها اندازهگیری شد. DNA حیوانات با GGP-LD v4 SNP panel (حاوی SNPs30٬108) ژنوتایپ شدند. در این مطالعه SNPs14 معنیدار مرتبط با صفت انتشار متان در کروموزمهای 1، 2، 6، 8، 10، 15، 17 و 18 شناسایی گردید. Annotating برای شناسایی Quantitative trait locus (QTL)های اطراف این SNPهای معنیدار، یکسری QTLهای مرتبط با شیر تولیدی و ترکیبهای آن، وزن بدن و خوراک مصرفی باقیمانده اطراف بعضی از این SNPها را نشان داد. این نتایج نشان دهنده پتانسیل انتخاب ژنتیکی برای کاهش انتشار متان به ازای هر حیوان را نشان میدهد به طوری که بهبود حاصل از انتخاب ژنتیکی به دلیل توارثپذیری، تجمعی و دائمی بودن بسیار مفید میباشد.
واژههای کلیدی: انتشار متان، مطالعه پویش کل ژنومی، گاو
* نویسنده مسئول، تلفن: 02333224561 ، پست الکترونیکی: ali_jalil17@ut.ac.ir
مقدمه
مجمع بینالمللی تغییرات آب و هوایی گزارش کرده است در طول قرن گذشته متوسط دمای جهانی 7/0 درجه سلسیوس افزایش یافته است (2). بر اساس این گزارش، دلیل اصلی افزایش این دما افزایش انتشار گاز گلخانهای با منابع انسانی از اواسط قرن بیستم بوده است. به طوری که مطالعات نشان داده است از سال 1970 تا سال 2004 میزان دیاکسید کربن و متان به ترتیب 80 % و 40 % افزایش داشتهاند (32). همچنین گزارش شده که تجمع گازهای گلخانه ای در جو زمین سبب میشوند که دمای سطح جهانی 1 تا 6 درجه در قرن 21 افزایش یابد (39). در این میان متان نقش بسیار قوی در گرم شدن جهان دارد به طوری که توانایی این گاز در گرم کردن کره زمین 25 برابر دی اکسید کربن میباشد و بعد از گاز دیاکسید کربن، متان دومین گاز گلخانهای از لحاظ مقدار میباشد (8). لذا این گاز باعث افزایش بخارآب در استراتوسفر میشود که میتواند نور تابشی این گاز را 70 % بیشتر کند (21). از مهمترین تغییرات جوی یا مهمترین آثار گرم شدن کره زمین میتوان به افزایش دما، ذوب شدن یخهای قطب شمال و جنوب و به دنبال آن رها شدن گاز متان، بالا آمدن سطح دریاها، کاهش قطر لایه ازون، افزایش شدت طوفانها و وقایع جوی، کاهش pH و اکسیژن در اقیانوسها، گسترش نواحی بیابانی، نیمه گرمسیری زمین، تغییر در زمینهای کشاورزی، انقراض گونهها و نیز تغییر در میزان انتقالدهندههای بیماری و گسترش بیماریهایی نظیر مالاریا اشاره کرد (2). برای مثال، ذوب شدن برفهای کوه هیمالیا، طغیان آب رودخانهها، زلزله سونامی و گردبادها، همگی بلاهای طبیعی ناشی از تغییرات جوی و گرم شدن کره زمین هستند. با توجه به این که ارگانیسمها و اکوسیستمها نسبت به تغییر pH حساس بوده و محدوده خاصی از آن سازگار هستند، این مسأله بسیار نگران کننده است و میتواند شبکههای غذایی را تخریب کرده و جوامع انسانی را که وابسته به اکوسیستمهای آبزیان هستند به شدت تحت تاثیر قرار میدهند (2).
در سطح جهانی 60-50 % متان از بخش کشاورزی تولید میشود که بویژه حیوانات نشخوارکننده در این میان نقش کلیدی دارند (7). تولید متان به عنوان یک محصول در نتیجه فعالیت تخمیر میکروبی ایجاد میگردد به طوری که متان یک گاز بیرنگ، بیبو و در نشخوارکنندگان 78 % از آن در شکمبه و 13 % در روده تولید میشود (29). تبدیل مواد خوراکی به متان طی یکسری فرآیند توسط گونههای مختلف میکروبی انجام میگیرد که در مرحله نهایی متان توسط آرکایای متانوژن تولید میگردد (23 و 28). بنا بر گزارشها، یک گاو شیری امروزه در آمریکا 4/1-1 پوند متان به ازای هر روز تولید میکند (3). به طوری که تولید این گاز در گاو شیری و گاو گوشتی به ترتیب باعث هدر رفتن 9-5/5 % و 5/6-5/3 % از انرژی مصرفی میشود (17). همچنین بیان شده است که نشخوارکنندگان اهلی، مثل گاو، گوسفند و بز 86 میلیون تن متان به ازای هر سال تولید میکنند که تقریباً 9/18 میلیون تن توسط گاو شیری، 9/55 میلیون تن توسط گاو گوشتی و 5/9 میلیون تن توسط گوسفند و بز تولید میشود (24). که این حجم گاز متان تولید شده نه تنها باعث افزایش گرمایی جهان شده است بلکه 2 % تا 15 % از انرژی خوراک مصرفی صرف تولید متان در شکمبه میشود که از طریق دهان و بینی حیوان خارج میگردد (28). این رویداد باعث کاهش میزان سود دامدار میشود. علاوه بر این محققین گزارش کردند که در گاو شیری، افزایش سطح دما و رطوبت بالاتر از یک آستانه خاص باعث کاهش تولید شیر، پروتئین و باروری میشود (10 و 12). در این میان بیش از 264 میلیون گاو شیری در جهان وجود دارد به طوری که گاو هلشتاین یکی از گاوهای شیری غالب در دنیا میباشد در سال 2005 گزارش شده 61 % از 47/3 میلیون گاو شیری در متحده بریتانیا ازگاو هلشتاین میباشد (همه این 61 % اصیل یا خالص نیستند). علاوه بر این آمار نامه کشاورزی وزارت جهاد کشاورزی در سال 1396 بیان کرد که جمعیت گاو اصیل، آمیخته و بومی در ایران به ترتیب 4/1٬143 ، 3/4٬486 و 48/2٬523 (ارقام بصورت هزار راس است) میباشد (1) که اکثریت گاوهای اصیل و گاو تلاقی یافته با گاوهای بومی، گاو هلشتاین میباشد. این گزارشها حاکی از این است که این نژاد گاو تاثیر قابل توجهی در تامین مواد لبنی و گوشت در ایران و جهان را دارد.
بیان شده است اصلاح ژنتیکی از طریق انتخاب میتواند متان تولیدی را کاهش بدهد به طوری که گاوهای نژادهای مختلف نرخ تولید متان متفاوتی از هم دارند بطور مثال گاوهای جرسی در مقایسه با گاوهای هلشتاین به علت تبدیل راندمان خوراک بهتر، انتشار متان کمتری دارند (11). بنابراین کاهش اندازه بدن در نژادهای با تولید متان بالا بدون کاهش تولید شیر، میتواند به عنوان یک راهکار بالقوه جهت بهبود ضریب تبدیل غذایی و کاهش انتشار متان مطرح باشد. دلیل آن این است که با این رویکرد احتیاجات غذایی نگهداری کاهش مییابد (3). انتخاب برای تولید شیر بیشتر از سال 1990 تا 2010 باعث کاهش13 % متان به ازای هر کیلوگرم شیر شده است (41). De Haas و همکاران (2011) گزارش کردند که وراثتپذیری متان تولیدی پیشبینی شده به ازای شیر تصحیح شده برای محتوای چربی و پروتئین به ترتیب معادل با 35/0 و 58/0 میباشد (5). علاوه براین در مطالعات پویش کل ژنومی(GWAS= Genome-wide association study) چندین (SNP= Single nucleotide polymorphism) در ارتباط با انتشار متان اندازهگیری شده یا پیشبینی شده در گاو هلشتاین (5) و آنگوس (13) شناسایی شده است. همه این شواهد نشان دهنده وجود پتانسیل بالقوه ژنتیکی برای کاهش میزان متان از طریق انتخاب ژنتیکی بر اساس متان تولیدی به ازای هر حیوان در گاوها میباشد.
یکی از دلایل عدم توجه کافی به صفت تولید متان به ازای هر حیوان در گذشته به این علت است که متان تولیدی یکی از صفاتی است که اندازهگیری آن دشوار و پرهزینه است و انتشار آن به طور مرسوم در واحدهای تولیدی گاو شیری اندازهگیری نمیشود. همچنین اندازهگیری متان تولیدی با استفاده از روشهایی مانند اتاق تنفس پرهزینه بوده است. اخیراً Pickering و همکاران ( 2015) بیان کردند اگرچه چندین تحقیق در مورد اندازهگیری انتشار متان در محیطهای مختلف گزارش شده است ولی هنوز نیاز به کارهای بیشتری است قبل از اینکه انتخاب جهت کاهش انتشار متان را بتوان وارد برنامههای اصلاح نژادی کرد (33). با توجه به وجود یک رابطه قوی بین غلظت اسیدهای چرب فرار و میزان متان تولید شده در شکمبه، امروزه یکی از روشهای پیش بینی میزان متان تولیدی به ازای هر راس دام بر اساس غلظت اسیدهای چرب فرار تولیدی در شکمبه میباشد. به طوری که یکی از عوامل کلیدی که تاثیر قابل توجهی بر میزان متان تولیدی به ازای هر راس دام دارد نسبت اسیدهای چرب فرار تولیدی در محیط شکمبه میباشد. اسیدهای چرب فرار جزء محصولات مهم و حد واسط تولید گاز متان هستند. محققین بیان کردهاند که نرخ تبدیل اسیدهای چرب فرار به متان به ترتیب از بیشترین به کمترین بصورت اسید استیک، بوتیرات و پروپیونات میباشد این اسیدها قبل از اینکه به متان تجزیه شوند اول به اسید استیک تجزیه میشوند، لیکن نرخ تبدیل آنها به ترتیب از بیشترین به کمترین بصورت بوتیرات و پروپیونات است (34). بنا به این گزارشها که بیان کننده این است گاز متان دارای نقش کلیدی در اثرات مخرب زیست محیطی و هدر رفتن انرژی در گاو دارد به نظر میرسد تحقیقی به منظور شناسایی نواحی ژنومی مرتبط با صفت انتشار متان در گاو هلشتاین با استفاده از روش GWAS ضروری باشد. به طوری که شناسایی نواحی ژنومی مرتبط با این صفت این فرصت را فراهم خواهد کرد که بتوان انتشار متان را به ازای هر حیوان از طریق انتخاب ژنتیکی کاهش داد.
مواد و روشها
نمونهگیری: از آنجایکه اندازهگیری انتشار متان در نشخوارکنندگان دشوار و پرهزینه است و بطور مرسوم در صنعت گاو شیری اندازهگیری نمیشود و اینکه یک همبستگی بالا (68/0-) بین ارزشهای اصلاحی شیر و انتشار متان وجود دارد (18). در نتیجه در تحقیق حاضر بر اساس نتایج مطالعه Jiménez-Montero و همکاران (2012) و وجود همبستگی بین ارزشهای اصلاحی تولید شیر و انتشار متان، نمونهگیری بر اساس روش ارزشهای اصلاحی صفت تولید شیر دوطرفه انجام شد (16). به طوری که گاوها در یکی از شرکتهای هلدینگ گسترش کشاورزی و دامپروری فردوس پارس بر اساس ارزش اصلاحی صفت تولید شیر از بزرگ به کوچک مرتب شدند و 150 راس گاو ماده برای نمونهگیری مشخص شد. این 150 حیوان به دو زیر جمعیت 75 راسی تقسیم شدند که یک زیرجمعیت دارای بیشترین ارزش اصلاحی و زیر جمعیت دیگر دارای کمترین ارزش اصلاحی برای صفت ارزش اصلاحی تولید شیر بود. جهت نمونهگیری از مایع شکمبه، لوله مری از طریق مری وارد محیط شکمبه شده و سپس از طریق ایجاد خلا مایع شکمبه در یک لوله به حجم ml 5 ریخته شد در این لوله ها مایع شکمبه به نسبت ml 5 به 100 میکرولیتر اسید سولفوریک 50 درصد مخلوط شد. این نکته قابل ذکر است که ml50-20 مایع اولیه شکمبه دور ریخته می شد به دلیل اینکه حاوی مقادیر بالای از بزاق بود. همچنین نمونههای مو بر اساس پروتکل شرکت GeneSeek گرفته و در کارت مو مخصوص این شرکت قرار داده شد براساس این پروتکل موها در ناحیه دم گاو در خلاف جهت دم جدا می شد تا پیاز مو کافی جهت استخراج DNA وجود داشته باشد و این نکته مد نظر قرار می گرفت که این موها حاوی مدفوع نباشند. این نکته قابل ذکر است ارزش اصلاحی صفت تولید شیر برای این گاوها توسط کارشناسان مرکز اصلاح نژاد و بهبود تولیدات دامی کشور از طریق معادله 3-1 زیر تخمین زده شده بود.
معادله 1: yij= 𝜇+hysi+aij+eij
در این مدل yij تولید شیر (برای 305 روز و دوبار دوشش تصحیح شده)، 𝜇 میانگین جمعیت، hysi اثر گله-سال-فصل زایش، aij ارزش اصلاحی دام j ام در گله-سال-فصل زایش i ام و eij اثر باقیمانده است. ویژگیهای آماری دادههای ارزشهای اصلاحی شیر و اجزای متشکل آن در جمعیت مورد مطالعه در جدول 1 نشان داده شد.
جدول1- ویژگیهای آماری ارزش اصلاحی صفت های تولید شیر، اجزای متشکل آن و متان پیشبینی شده در جمعیت مورد مطالعه
صفت |
میانگین |
کمینه |
بیشینه |
انحراف معیار |
CV (%) |
ارزش اصلاحی تولید شیر (kg) |
22/870 |
2/1299- |
1/2475 |
41/903 |
81/103 |
ارزش اصلاحی تولید چربی (kg) |
31/29 |
28/34- |
730/82 |
47/24 |
21/84 |
ارزش اصلاحی درصد چربی شیر |
01/0 |
21/0- |
38/0 |
099/0 |
68/900 |
ارزش اصلاحی پروتئین شیر (kg) |
91/24 |
75/31- |
78/67 |
93/16 |
99/67 |
ارزش اصلاحی درصد پروتئین شیر |
01/0- |
38/0- |
53/0 |
018/0 |
58/3009- |
انتشار متان پیش بینی شده (ml) |
88/14819 |
8564 |
19315 |
15/2235 |
08/15 |
اندازهگیری اسیدهای چرب فرار و پیشبینی گاز متان تولیدی: اسیدهای چرب فرار مایع شکمبه از طریق روش ارائه شده توسط Ottenstein و همکاران 1971 در آزمایشگاه تغذیه دام گروه علوم دامی دانشگاه تهران اندازهگیری شدند (31). در این روش لولههای حاوی مایع شکمبه به مدت 15 دقیقه در 3500 دور سانتریفیوژ شد و سپس 400 میکرولیتر مایع رویی را برداشته و به آن 100 میکرولیتر استاندارد داخلی (4-متیل والریک اسید) اضافه گردید و در ادامه این نمونهها جهت اندازهگیری اسیدهای چرب فرار در دستگاه کروماتوگرافی گازی با ستون شیشهای (2 متر × 45 میلیمتر) Philips مدل PU4410 بارگذاری شدند. با توجه به وجود یک رابطه قوی بین غلظت اسیدهای چرب فرار و میزان متان تولید شده در شکمبه، بر اساس روش Wolin (1960) میزان متان تولیدی به ازای هر راس دام محاسبه شد (42). معادله مورد استفاده برای پیش بینی تولید متان بصورت ذیل میباشد:
معادله 2:
CH4(ml)= 22.4×(0.5×Ac−0.25×Pr+0.5×Bu)
در این معادله: CH4: میزان متان پیشبینی شده به ازای هر راس دام، Ac: مقدار غلظت اسید استیک، Pr: مقدار غلظت اسید پروپیونیک و Bu: مقدار غلظت اسید بوتیرات میباشند.
برای پیشبینی کل متان تولیدی روزانه به ازای هر حیوان بدین صورت عمل کرد. مرحله اول: میزان خوراک مصرفی به ازای هر دام بر اساس روش پیشنهادی Lindgren و همکاران (2001) محاسبه گردید (22). مرحله دوم: میزان کل متان تولیدی روزانه هر دام از طریق حاصلضرب متان پیش بینی شده (در معادله 2 برای هر دام محاسبه شده بود) در میزان خوراک مصرف شده (که در معادله 3 برای هر دام محاسبه شده بود) محاسبه شد.
معادله 3:
DMI (kg/day) = 5.7 + 0.43 × kg milk
در این معادله: DMI: میزان خوراک مصرفی پیشبینی شده به ازای هر راس دام و milk: مقدار شیر تولیدی روزانه میباشد. ویژگیهای آماری دادههای صفت انتشار متان در جدول 1 نشان داده شد.
ژنوتایپینگ و کنترل کیفیت: کارت مو 150 حیوان جهت ژنوتاپینگ برای شرکت GeneSeek در کشور آمریکا فرستاده شد. به طوری که این نمونهها با GGP-LD v4 SNP panel (حاوی SNPs30٬108) ژنوتایپ شد جهت کنترل کیفیت ژنوتایپینگ از چهار معیار زیر در نرمافزار PLINK 2.0 استفاده شد (27):
آنالیز GWAS برای شناسایی نواحی ژنومی مرتبط با انتشار متان: جهت شناسایی عوامل ثابت موثر بر صفت انتشار متان در GWAS، دادهها با استفاده از تجزیه واریانس حداقل مربعات با استفاده از رویه (GLM= Generalized linear model) در نرم افزار SAS نسخه 1/9 (37) مورد آنالیز قرار گرفتند. آنالیز ارتباط بین ژنوتیپها و صفت انتشار متان با استفاده از یک مدل خطی مختلط در نرم افزار EMMAX (19) انجام شد. EMMAX بطور همزمان در آنالیز GWAS برای لایهبندی جمعیتی و خویشاوندی تصحیح انجام میدهد. معادله مورد استفاده در GWAS بصورت زیر میباشد:
معادله 4: y = Xβ + Zu + e
در این مدل y بردار مشاهدات، X ماتریس ضرایب برای عوامل ثابت شامل میانگین، کورایتها و اثرات SNP میباشد، β بردار اثرات ثابت، Z ماتریس ضرایب اثرات تصادفی ژنتیک افزایشی، u بردار اثرات تصادفی ژنتیکی افزایشی و e بردار اثرات باقیمانده میباشد. علاوه بر این Var(u) = و var(e) = میباشد که K یک ماتریس خویشاوندی ژنومی (Genomic kinship matrix) با استفاده از دادههای ژنوتیپ محاسبه شد و سپس در مدل مورد استفاده قرار گرفت و I یک ماتریس یکه (Identity matrix) میباشد. و در نهایت QTLdb گاو (https://www.animalgenome.org/cgi-bin/QTLdb/BT/ index) جهت شناسایی QTL= Quantitative trait locus های اطراف (داخل یک مگا باز) SNPهای که آستانه تصحیح بنفرونی به ازای هر کروموزوم گذرانده بود مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج و بحث
آنالیز تجزیه واریانس حداقل مربعات با استفاده از رویه GLM نشان داده بود که اثر بهاربند و سن حیوان برای صفت انتشار متان پیشبینی شده معنیدار بود (05/0 >P ). بعد از کنترل کیفیت ژنوتایپینگ براساس معیارهای مذکور در بخش و مواد روشها، SNPs23٬835 دارای کیفیت مناسب برای آنالیز GWAS را داشته بودند. نتایج GWAS برای صفت انتشار متان در نمودار منهتن در شکل 1 نمایان شده است. همانطوریکه در این شکل مشاهده میشود بر اساس آستانه ارتباط پیشنهادی ( 5-10 P <)، SNPs43 از این آستانه گذر کردند. علاوه بر این بر اساس معیار آستانه تصحیح بنفرونی به ازای کل ژنوم (6-10 × 09/2P<)، SNPs14 معنیدار بودند (شکل 1). این SNPهای در کروموزمهای 1، 2، 6، 8، 10، 15، 17 و 18 قرار گرفتند. خصوصیات SNPهای با بیشترین معنیداری در نواحی معنیدار برای صفت انتشار متان در جدول 2 آورده شده است. همانطوریکه در این جدول مشاهده میشود ARS-BFGL-NGS-116634 و BovineHD1800009917 بیشترین و کمترین معنیداری نشان دادند.
روشهای اصلاحنژادی کلاسیک از اطلاعات فنوتیپی و شجرهای جهت تخمین پارامترهای ژنتیکی (وراثتپذیری و همبستگیهای ژنتیکی بین صفتها) و ارزشهای اصلاحی برای صفات مهم در افراد مختلف استفاده میکند. میزان پیشرفت ژنتیکی حاصل از بکاربردن روشهای کلاسیک برای صفات با توارثپذیری کم-متوسط نسبتا کم بوده است (26). علاوه بر این اندازهگیری بعضی از صفتها دشوار و پرهزینه است (بطور مثال متان تولیدی یکی از صفاتی است که اندازهگیری آن دشوار و پرهزینه است و انتشار آن به طور مرسوم در واحدهای تولیدی اندازهگیری نمیشود)، بنابراین کاربرد روشهای اصلاحنژادی کلاسیک برای این صفتها با محدودیتهایی روبرو هستند. تنوع موجود در توالی DNA بین حیوانات یک فرصت جهت پیشبینی ارزشهای اصلاحی و شناسایی نواحی مرتبط با صفات مهم اقتصادی با صحت بیشتر را فراهم کرده است. بنابراین انتخاب به کمک نشانگر به طور گسترده جهت شناسایی QTLهای مرتبط با صفتهای مهم در حیوانات اهلی انجام شده است (6). به دلیل اینکه صفتهای اقتصادی مهم توسط تعداد زیادی ژن کنترل میشوند. بنابراین باتوجه به اینکه در (MAS= Marker-assisted selection) تعداد کمی QTL در نظر گرفته میشود لذا بخشی ناچیزی از واریانس ژنتیکی به گیر میافتد (9). امروزه به علت پیشرفت وسیع در تکنولوژی توالییابی و روشهای آماری، مطالعات GWAS به یک روش مرسوم برای یافتن QTL در بسیاری از گونهها تبدیل شده است. GWAS در مقایسه با MAS یک فرصت مناسب جهت به تله انداختن مقدار بیشتری از واریانس صفتهای مهم را فراهم کرده است. این اطلاعات امکان کاربرد انتخاب ژنومیک در صنعت دامپروری را فراهم میکند به طوری که بر اساس گزارشها، انتخاب ژنومیک این شرایط را پرورشدهندگان مهیا میکند که بتوانند بر اساس اطلاعات نشانگر DNA متراکم ارزشهای اصلاحی را در مراحل اولیه زندگی حیوانات محاسبه کنند (25 و 30). محققین گزارش کردند براساس انتخاب مبتنی بر ژنتیک میتوان متان تولیدی را کاهش داد به طوری که گاوهای نژادهای مختلف نرخ تولید متان متفاوتی از هم دارند بطور مثال گاوهای جرسی در مقایسه با گاوهای هلشتاین به علت تبدیل راندمان خوراک بهتر، انتشار متان کمتری دارند (11). بنابراین کاهش اندازه بدن در نژادهای با تولید متان بالا بدون کاهش تولید شیر، میتواند به عنوان یک راهکار بالقوه جهت بهبود ضریب تبدیل غذایی و کاهش انتشار متان مطرح باشد. پیشرفت فوقالعاده ناشی از انتخاب ژنتیکی در صنعت گاو شیری همراه با پیشرفت در مدیریت دامها در سطح مزرعه در طی 60 سال اخیر منجر به افزایش 400 درصد تولید شیر در آمریکا شمالی شده است (4، 38 و 40). این افزایش در تولید شیر به موازات 64 درصد کاهش در جمعیت گاو شیری و همچنین 57 درصد کاهش گاز متان نسبت به یک واحد محصول تولیدی شده است (4). De Haas و همکاران (2011) گزارش کردند که وراثتپذیری متان تولیدی پیشبینی شده به ازای شیر تصحیح شده برای محتوای چربی و پروتئین به ترتیب معادل با 35/0 و 58/0 میباشد (5). علاوه بر این در مطالعات پویش کل ژنومی (GWAS= Genome-wide association study) چندین (SNP= Single nucleotide polymorphism) در ارتباط با انتشار متان اندازهگیری شده یا پیشبینی شده در گاو هلشتاین (5) و آنگوس (13) شناسایی شده است. گزارش شده است انتخاب ژنومیک میتواند انتشار متان را حدود تقریبا 5 % در طول 10 سال کاهش بدهد (13).
ترکیب فلور میکروبهای شکمبه به طور بالقوهای بر صفات کلیدی، مثل ضریب تبدیل خوراک و انتشار متان در دام موثر است. آرکایا متانوژنیک دستهای از میکروبهای شکمبه می باشند که فرآیند تولید متان را در محیط شکمبه نشخوارکنندهگان انجام میدهند. King و همکاران (2011) گزارش کردند فلور میکروبی آرکایا مایع شکمبه در دو نژاد جرسی و هلشتاین تغذیه شده با جیره غذایی یکسان و تحت شرایط مدیریتی یکسان متفاوت بوده است که بنا به گزارشهای این نویسندگان تفاوت در فلور میکروبی آرکایا به علت ژنتیک بوده است (20). Roehe و همکاران (2016) تحت تاثیر قرار گرفتن متان تولیدی و ترکیب جمعیتی آرکایا در اثر گروههای مختلف فرزندان گاو نر از دو نژاد آبردین آنگوس و لیموزین و جیره غذایی (گروه یک غذا پایه کنسانتره و گروه دو غذا پایه علوفه) را مورد بررسی قرار داده بودند. اثر جیره و نوع نژاد بر میانگین حداقل مربعات نسبت آرکایا به باکتریها حاصل از حیوانات زنده یا کشتار شده به ترتیب غیر معنیدار و معنیدار بوده است. در برخی موارد تفاوت انتشار متان مشاهده شده میان گروههای فرزندان گاو نر نسبت به این تفاوت مشاهده شده در جیرههای غذایی بیشتر بوده است که این نشان دهنده تاثیر ژنتیکی قابل توجه میزبان بر روی انتشار متان و ترکیب میکروبی موثر بر تولید متان میباشد (35). یکی از دلایل عدم توجه کافی به صفت تولید متان به ازای هر حیوان در گذشته به این علت است که متان تولیدی یکی از صفاتی است که اندازهگیری آن دشوار و پرهزینه است و انتشار آن به طور مرسوم در واحدهای تولیدی گاو شیری اندازهگیری نمیشود. بنابراین تحقیقهای مربوط به شناسایی نواحی ژنوم مربوط با صفت انتشار متان محدود و کم است. در نتایج این تحقیق یکسری نواحی ژنومی مرتبط با انتشار متان در گاو هلشتاین شناخته شد. که مشابه با مطالعات قبلی بیانگر این است با استفاده از انتخاب به کمک نشانگر و انتخاب ژنومیک میتوان متان تولیدی را به ازای هر حیوان کاهش داد. نتایج تحقیق ما همچنین نشان داد که کاهش انتشار متان در گاو شیری با استفاده از پروفایل اسیدهای چرب فرار مایع شکمبه به عنوان یک شاخص پیشبینی کننده انتشار متان امکانپذیر است. بنابراین با گنجاندن QTLهای مرتبط با صفت انتشار متان در برنامههای اصلاحی، انتظار میرود نرخ انتشار متان به ازای هر حیوان کاهش یابد. به طوری که کاهش انتشار متان نیز میتواند باعث افزایش بهرهوری خوراک مصرفی در گاوهای شیری شود. علاوه بر این برخلاف سایر راهکارهای توسعه یافته جهت کاهش انتشار متان در صنعت گاو شیری مانند تغییر در تنظیم غذایی، افزودنیهای غذایی و واکسنهای آنتی متانوژن، بهبود حاصل از انتخاب ژنتیکی به دلیل توارثپذیری، تجمعی و دائمی بودن بسیار مفید میباشد.
نتایج Annotating برای شناسایی QTLهای قرار گرفته در ناحیه Mb1 برای SNP-های معنیدار در نواحی معنیدار برای صفت انتشار متان در جدول 3 نمایان شده است. هیچ QTLی مرتبط با صفت انتشار متان در ناحیه Mb1 برای SNPهای معنیدار گزارش نشده است ولی QTLهای مرتبط با شیر تولیدی و ترکیبهای آن، وزن بدن و خوراک مصرفی باقیمانده اطراف بعضی از این SNPها مشاهده شده است (جدول 3).
شکل 1- نمایانگر –log10 برای P-values در آنالیز GWAS برای صفت انتشار متان. خط آبی رنگ افقی نشان دهنده آستانه ارتباط پیشنهادی ( 5-10 P <).
جدول 2- خصوصیات SNPهای با بیشترین معنیداری در نواحی معنیدار برای صفت انتشار متان
کروموزوم |
SNP |
موقعیت (bp) |
اثر جایگزینی آللی |
S.E. |
P-value |
2 |
ARS-BFGL-NGS-116634 |
107318080 |
89/3503 |
36/546 |
9-10 × 14/2 |
15 |
BovineHD1500006429 |
24508531 |
46/4025 |
03/677 |
8-10 × 17/2 |
20 |
ARS-BFGL-NGS-87102 |
49859323 |
62/3816 |
04/664 |
8-10 × 62/5 |
8 |
BovineHD0800011543 |
38725165 |
77/2810 |
56/498 |
8-10 × 46/9 |
1 |
1_54481566 |
54481566 |
08/3576 |
59/661 |
7-10 × 79/2 |
6 |
BovineHD0600033597 |
117942392 |
81/1761 |
38/348 |
6-10 × 34/1 |
10 |
BovineHD1000029180 |
100765889 |
31/3569 |
16/707 |
6-10 × 40/1 |
17 |
BovineHD1700000175 |
713923 |
63/3226 |
42/645 |
6-10 × 73/1 |
18 |
BovineHD1800009917 |
32762956 |
29/1908 |
97/382 |
6-10 × 86/1 |
یکی از دلایلی که میتوان برای این رویداد بیانگر کرد این است که انتشار متان به عنوان یک صفت پیچیده است و تحت تاثیر تعداد زیادی ژن قرار میگیرد و این صفت به دلیل دشواری و پرهزینه بودن اندازهگیری آن، بطور مرسوم درصنعت گاو شیری برخلاف صفتهای تولید شیر، وزن بدن و دیگر صفتها اندازهگیری نمیشود بنابراین تعداد بسیار محدودی از QTLهای مرتبط با انتشار متان شناسایی شده و در وبسایت QTLdb موجود هستند. دلیل دیگر میتواند این باشد که براساس گزارشها بین صفت انتشار متان با شیر تولیدی و ترکیبهای آن، وزن بدن و خوراک مصرفی همبستگی وجود دارد. بطور مثال گزارش شده است که ضرایب همبستگی ارزش اصلاحی انتشار متان با تولید شیر، تولید چربی، تولید پروتئین و نمره سلولهای بدنی به ترتیب معادل با 68/0-، 13/0-، 47/0- و 07/0 بوده است (18). همچنین یک همبستگی مثبت ( از 18/0 تا 84/0) بین خوراک مصرفی باقیمانده و انتشار متان پیشبینی شده در گاو هلشتاین-فریزین گزارش شده بود (5). Herd و همکاران (2014) بیان کردند یک همبستگی بالا بین تولید متان روزانه با وزن یک سالگی در گاو گوشتی مشاهده شده بود (14). این گزارشها نشان میدهد که بعضی ژنها و QTLها بطور مشترک صفتهای انتشار متان، ضریب تبدیل غذایی، وزن بدن و صفتهای تولید شیر را تحت تاثیر قرار میدهند. در اطراف BovineHD1800009917 نسبت به بقیه SNPهای معنیدار QTLهای مربوط به هر چهار صفت همبسته با انتشار متان (یعنی تولید شیر، وزن بدن، خوراک مصرفی باقیمانده و ماده خشک مصرفی) مشاهده شد در صورتیکه اطراف بقیه SNPها یا اینکه QTL مرتبط با یک یا دو تا از این صفتهای همبسته مشاهده شد یا اینکه اصلا QTLی برای این صفتهای همبسته مشاهده نشد. بنابراین به نظر میرسد BovineHD1800009917 در مقایسه با بقیه SNPها کاندیداهای خوبی برای صفت انتشار متان باشد.
جدول 3- QTLهای قرار گرفته در ناحیه Mb1 برایSNPهای با بیشترین معنیداری در نواحی معنیدار برای صفت انتشار متان
کروموزوم |
نام SNP |
صفت مرتبط با QTL |
نماد QTL |
2 |
ARS-BFGL-NGS-116634 |
Milk oleic acid content |
MFA-C18:1 |
15 |
BovineHD1500006429 |
Milk fat yield |
FY |
|
|
Milk capric acid content |
MFA-C10:0 |
|
|
Milk myristic acid content |
MFA-C14:0 |
|
|
Milk protein percentage |
PP |
20 |
ARS-BFGL-NGS-87102 |
Not Available |
|
8 |
BovineHD0800011543 |
Dry matter intake |
DMI |
1 |
1_54481566 |
Milk alpha-casein percentage |
MACASP |
|
|
Milk capric acid content |
MFA-C10:0 |
|
|
Milk myristic acid content |
MFA-C14:0 |
|
|
Milk palmitoleic acid content |
MFA-C16:1 |
|
|
Milk protein yield |
PY |
6 |
BovineHD0600033597 |
Not Available |
|
10 |
BovineHD1000029180 |
Milk butyric acid content |
MFA-C4:0 |
17 |
BovineHD1700000175 |
Not Available |
|
18 |
BovineHD1800009917 |
Residual feed intake |
RFI |
|
|
Milk yield |
MY |
|
|
Body weight (weaning) |
WWT |
|
|
Body weight (mature) |
MWT |
|
|
Dry matter intake |
DMI |
نتیجه گیری کلی
نتایج آنالیز GWAS برای صفت انتشار متان نشان داد تعداد SNP قابل توجهی از آستانه ارتباط پیشنهادی گذر کرد. علاوه بر این براساس معیار آستانه تصحیح بنفرونی به ازای کل ژنوم SNPs14 معنیدار بودند. Annotating برای شناسایی QTLهای اطراف SNPهای معنیدار نشان داد QTLهای مرتبط با شیر تولیدی و ترکیبهای آن، وزن بدن و خوراک مصرفی باقیمانده اطراف بعضی از این SNPها مشاهده شد. این نتیجه بیانگر این است بعضی ژنها و QTLها بطور مشترک صفتهای انتشار متان، ضریب تبدیل غذایی، وزن بدن و صفتهای تولید شیر را تحت تاثیر قرار میدهند. بنابراین به نظر میرسد انتخاب ژنتیک دارای این پتانسل میباشد که بتوان نرخ انتشار متان به ازای هر حیوان را کاهش داد. به طوری که این کاهش انتشار متان نیز میتواند باعث افزایش بهرهوری خوراک مصرفی در گاوهای شیری شود. علاوه بر این برخلاف سایر راهکارهای توسعه یافته جهت کاهش انتشار متان در صنعت گاو شیری مانند تغییر در تنظیم غذایی، افزودنیهای غذایی و واکسنهای آنتی متانوژن، بهبود حاصل از انتخاب ژنتیکی به دلیل توارثپذیری، تجمعی و دائمی بودن بسیار مفید میباشد.