کاربردهای بیوتکنولوژی در دام

ژنتیک کمی در طی دوران متوالی دو دهه اخیر شگفتیهای بسیاری آفرید که حاصل همکاری دو علم ژنتیک مولکولی و آمار ریاضی بوده است. در طی 25-20 سال اخیر با توسعه مهندسی ژنتیک و ژنتیک مولکولی، بیوتکنولوژی مدرن توانست پیشرفتهای بسیاری در علم بیولوژی ایجاد کند که بخشی از این تکنیکها را می‌توان در توسعه صنعت دامپروری مشاهده کرد. تکنیکهای بیولوژی مدرن مانند کلونینگ مولکولی ژنها، انتقال ژن، دستکاری ژنتیکی حیوانات، انتقال جنین، دستکاری ژنتیکی میکروبهای شکمبه، تیمار بیولوژیکی و شیمیایی خوراکهای کم کیفیت حیوانی در جهت بهبود ارزش تغذیه‌ای، روشهای افزایش سیستم ایمنی و تهیه واکسنهای دامپزشکی بخشی از کاربردهای بیوتکنولوژی می‌باشد که در جهت افزایش تولید محصولات کشاورزی و حفاظت از محیط زیست بکار گرفته می‌شوند. این مقاله مروری دارد بر بیوتکنولوژی روزمره که کاربردهای وسیعی در پیشرفت ژنتیکی حیوانات اهلی دارد و در کشورهای در حال توسعه بکار گرفته می‌شود. که کاربردهای بیوتکنولوژی را در زمینه‌های اصلاح نژاد و ژنتیک حیوانی، استفاده از منابع متنوع ژنتیک دامی، بهداشت دام، فیزیولوژی شیردهی، رشد و تغذیه حیوان را توضیح می‌دهد.

تعریف بیوتکنولوژی

با بیان بسیار ساده و جامع بیوتکنولوژی یک سری تکنیکهای قدرتمندی است که دستکاری موجودات زنده و یا اجزای سلولی آنها برای تولید محصولات، ایجاد فرایندها و یا ارائه خدمات بکار گرفته می‌شود. تمامیت و توان این تعریف در این است که کلیه فعالیتهای بیولوژی مولکولی، کشاورزی، تهیه واکسن، کنترل آلودگیها، مهندسی شیمی و بسیاری از صنایع را در بر می‌گیرد. ژنتیک کمی در طی سه دهه اخیر شگفتیهای بسیاری آفرید که حاصل همکاری دو علم ژنتیک مولکولی و آمار بوده است. بیوتکنولوژی مدرن توانسته است پیشرفتهای بسیاری در علم بیولوژی ایجاد نماید که بخشی از این تکنیکها را می‌توان در توسعه صنعت دامپروری بکار گرفت. 

1) تلقیح مصنوعی

تکنیک تلقیح مصنوعی بطور گسترده و در مقیاس اقتصادی در گله‌های گاو شیری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش اسپرم گاوهای نر ممتاز جمع‌آوری شده و پس از انجام یک سری فرایندها منجمد شده و به محلهای تلقیح فرستاده می‌شود و گاوهای ماده فحل با این اسپرمها تلقیح می‌گردند. تلقیح مصنوعی، آزمون نتاج گاوهای نر را در سطح وسیعی امکان پذیر می‌سازد و دامهایی که ارزش ژنتیکی بالاتری دارند با آزمون نتاج تشخیص داده می‌شود و با استفاده از تلقیح مصنوعی بکارگیری این مولدین در برنامه‌های اصلاح نژادی و تولیدی تسهیل می‌گردد. در برخی کشورها مانند دانمارک و هلند تلقیح مصنوعی بطور 100% انجام می‌پذیرد در حالی که برخی از کشورها هم هنوز دنباله‌رو تلاقیهای سنتی و طبیعی می‌باشند. 

2) انتقال جنین

در این تکنیک تخمکهای بارور شده از رحم گاو دهنده جدا شده و به رحم گاوهای گیرنده منتقل می‌گردد و گاوهای دهنده مجددا جهت تولید تخمکهای بارور بکار گرفته می‌شوند. مزیت اصلی انتقال جنین در این است که بر خلاف شرایط طبیعی تعداد بیشتری گوساله از گاوهای ماده ممتاز تولید می‌شود هر گاو در طول حیاط در حدود 57000 تخمک در تخمدانهای خود بصورت بالقوه ذخیره دارد. که به مرور زمان تعدادی از آنها در چرخه‌های تولیدمثلی مورد استفاده قرار می‌گیرند. انتقال جنین باعث افزایش میزان تولیدمثل گاو می‌شود و در این حالت گاوهای ممتاز از لحاظ ژنتیکی در برنامه‌های اصلاحی بیشتری شرکت می‌کند.  

3) تولید جنین‌های  IVf

در این روش تخمک‌های بالغ از حیوانات زنده و یا حیوانات کشتار شده جمع آوری می‌گردند. و سپس در آزمایشگاه به اندازه کافی بالغ شده و با تلقیح بارور می‌گردند و تا یک مرحله ویژه‌ای کشت داده شده و سپس به حیوانات گیرنده انتقال داده می‌شوند. در این صورت می‌توان از دامهای ماده با ارزش تعداد بیشتری جنین بدست آورد که این تکنیک تا حدودی مشابه به انتقال جنین است با این تفاوت که مراحلی از حیات جنین در آزمایشگاه سپری می‌گردد. که این دو تکنیک در واقع اساس استفاده بیشتر از حیوانات ماده در برنامه‌های اصلاحی و تولیدی می‌باشد.  

4) تعیین جنسیت

برای حصول بیشترین سود در تولید نیاز به تعیین جنسیت جنین (بخصوص در مورد گاو و اسبهای مسابقه) است روش‌های مختلفی برای تعیین جنسیت جنین بکار رفته گرفته می‌شود. یکی از این روشها که بطور مستقیم کاربرد پیدا کرده است سیتوژنتیک است در این تکنیک سلولهای جنین از طریق بیوپسی نمونه برداری می‌گردند و پس از کشت سلولها، کروموزومهای آنها استخراج می‌گردد و جنسیت جنین مشخص می‌شود. روش دوم بر اساس استفاده از اسپرم استوار است که با روش  Flowcytometry اسپرمها به دو منطقه مخصوص X و Y تقسیم می‌گردند که مشخص کننده جنسیت می‌باشند. در روش سوم جنسیت جنین برخی از گونه ها با کاوشگر‌های مخصوص DNA موجود در کروموزوم Y مشخص می‌گردند. که ژن ZFY که عامل رشد بیضه است یکی از ژنهای کاندیدا می‌باشد. در طیور هم ژن‌های مشابهی جهت این منظور وجود دارد. در پستانداران کروموزم y تعیین کننده جنسیت می‌باشد و از ژن‌هایی که فقط بر روی کروموزوم Y قرار گرفته باشند می‌توان برای تعیین جنسیت استفاده کرد. که برای این منظور نمونه برداری‌های بسیار کوچک کافی خواهد بود. استفاده از روش PCR که می‌توان با استفاده از آن قسمت‌های مختلفی از DNA را تکثیر کرد تعیین جنسیت را بسیار آسان ساخته است.  

5) شبیه‌سازی

اولین مورد از کلونینگ مهره‌داران در سال 1925 در قورباغه گزارش شده است و در حیوانات اهلی برای اولین بار 15 سال قبل در گوسفند انجام گرفت که این بره Dally لقب گرفت ولی به علت مشکلات مانند پیری زودرس و اختلالات رفتاری که در این گوسفند مشاهده گردید به زندگی این حیوانات پس از 7 سال پایان داده شد اخیراً دانشمندان ایرانی موفق شدند که بره شبیه‌سازی شده از اسپرم گوسفند برولا مرینوس (حاوی ژن دوقلوزایی) و قدرت مادری گوسفند افشاری تولید کنند.  

6) کنترل بیماریها

پیشرفت‌های اخیر در زمینه بیولوژی مولکولی روش‌هایی را برای کنترل بیماری در گاوهای شیری به ارمغان آورده است ولی برای بدست آوردن روش‌های جدید و قدرتمند در کنترل بیماریها، بیوتکنولوژی مدرن در ابتدای راه است متدهای جدید و قدرتمند در کنترل بیماری که بر اساس PCR استوار شده است بسیار سریع و علمی می‌باشند که برای این منظور دو مرحله کلیدی وجود دارد: 1) باید بتوان یک نقطه خاصی از DNA مربوط به عامل بیماریزا را که قابلیت تکثیر داشته باشد انتخاب کرد. 2) روش‌های نوین و مناسبی برای استخراج مقادیر کافی از موجودات بیماریزا را از مدفوع و زخمهای بافتی میزبان بکار گرفت تا بتوان در روش PCR استفاده کرد. 

7) حیوانات ترانس‌ژنتیک

موجودی که محتوای ژنتیکی آن با افزودن DNA خارجی تغییر یافته باشد ترانس‌ژنتیک نامیده می‌شود. DNA خارجی را ترانس‌ژن می‌نامند و به کل فرآیند تکنولوژی ترانس‌ژنیک اطلاق می‌گردد. یکی از اهداف انتقال ژن در گاوهای شیری تغییر ترکیبات شیر است. به علت اینکه راندمان تولید پنیر از شیر بستگی مستقیمی به مقدار K-Casein شیر دارد پس افزایش تولید کاپاکازئین در شیر با استفاده از انتقال ژن تغییر شکل یافته کاپا-کازئین یک روش منطقی برای افزایش تولید پنیر می‌باشد. یک مثال دیگر در مورد شیر، تولید شیرهای عاری از لاکتوز (قند شیر) می‌باشد. برخی افراد ( بخصوص سیاهپوستان) حساسیت خاصی به لاکتوز موجود در شیر دارند. بنابراین نمی توانند شیر مصرف کنند. ولی شیرهای بدون لاکتوز که از دامهای ترانس‌ژنیک تولید می‌گردد برای این گونه افراد مشکلی بوجود نمی‌آورد. مثال دیگر در این مورد تولید انسولین با بکارگیری گاوهای ترانس‌ژنیک می‌باشد.

در کل در مورد حیوانات اهلی سعی بر این است که دامهایی تولید کنند تا مقاومت قابل توارثی برای بیماریهای انگلی، ویروسی و باکتریایی داشته باشند. مقاومت به بیماری باکتریایی ورم پستان در گاو، اسهال نوزادان در خوک و وبای مرغی در طیور از این قبیل می‌باشند که در برخی از نژادها بروز می‌کند. اگر اساس هر کدام از این مقاومتها یک ژن ساده باشد می‌توان حیوانات ترانس‌ژنیکی تولید کرد که به آلودگیهای باکتریایی مقاوم باشند. در واقع اساس تولید حیوانات مقاوم به بیماریهای توارثی انتقال ژن می‌باشد و در حال حاضر برخی از ژنهای کاندیدا مثل MHC، T-Cell Receptors، Lymphokine در این راستا مطالعه می‌شوند. مرغهای انتقال ژن یافته می‌توانند در جهت ایجاد سویه‌های مقاوم به بیماریهای کوکسیدی و ویروسی بکار گرفته شوند و یا برای راندمان بهتر خوراک، چربی کمتر لاشه، میزان پایین کلسترول در تخم‌مرغ و کیفیت بهتر گوشت انتقال ژن داده شوند. 

8) مکانهای ژنی صفات کمی

بسیاری از پیشرفتهای ژنتیکی در مورد صفات کمی در دام بر اساس انتخاب از روی فنوتیپ و برآورد ارزش اصلاحی مشتق شده از فنوتیپ حیوان، بدون داشتن اطلاعاتی در مورد تعداد ژنهای مؤثر بر صفات و میزان اثر هر ژن بر روی صفت حاصل شده است که در واقع به این صفات در حکم جعبه سیاه نگریسته شده است. امروزه تکنیکهای ژنتیک مولکولی باعث شده ژنهایی کشف شوند که اثرات موثرتری بر روی برخی از صفات کمی دارند که این مکانهای ژنی صفات کمی، QTL نامیده می‌شوند. مثالهای اولیه از این صفات کیفیت گوشت، میزان تولید و ترکیب شیر، عملکرد تولید مثلی، تعداد بچه‌های هر شکم، صفت رشد و چربی لاشه می‌باشند. در عرض 5 دهه گذشته کاربرد روشهای متکی بر ژنتیک جمعیت و آمار امکان توسعه و بهره‌گیری از حیواناتی با کارآیی بالای تولید را فراهم آورده است که با استفاده از برخی مدلهای آماری مثل BLUP صورت گرفته است ولی با این وجود به دلایل ذیل دارای برخی محدودیتها هم هستند: 1) عملکرد برخی از صفات مثل میزان بقا و زنده مانی در اواخر عمر مشخص می‌شود. 2) وقتی که صفات مورد نظر دارای مشکلات اندازه‌گیری باشند و یا توارث‌پذیری کمتری دارند راندمان این برنامه‌های اصلاحی پایین است. 3) در انتخاب سنتی، هنگامی که چند صفت بطور همزمان در نظر گرفته شود اگر همبستگی ژنتیکی مناسبی بین صفات وجود نداشته باشد (مثل تولید شیر و میزان پروتئین شیر) کارآیی گزینش پایین خواهد بود که استفاده از تکنیکهای مولکولی می‌تواند به رفع برخی محدودیتهای روشهای حاضر کمک کند.

استفاده از اطلاعات مستقیم روی ژنها که بر صفات تولیدی موثر هستند دارای مزایای مهمی در برنامه‌های اصلاحی می‌باشند: 1) می‌توانند صحت انتخاب را با فراهم آوردن اطلاعات بیشتر از ارزش اصلاحی حیوان که قبلا بر اساس اطلاعات فنوتیپی حاصل می‌شد را افزایش دهند. 2) نشانگرهای ژنتیکی می‌توانند فاصله نسلی را کاهش داده و انتخاب را در اوایل عمر ممکن سازند. 3) نشانگرهای ژنتیکی می‌توانند برای افزایش فاکتورهای انتخاب، با غربال کردن و پیش انتخاب تعدادی کاندیدا برای انتخاب نهایی مورد استفاده قرار گیرند. 

9) انتخاب به کمک نشانگرها

در دامهای اهلی ارتباطات معنی‌داری بین واریانت‌های مختلف DNA و عملکرد دام گزارش شده است که برای تلاقی‌های هدفمند در راستای افزایش عملکرد دام از نشانگرهای مولکولی استفاده می‌شود که تا حدود زیادی مشابه بحث QTL می‌باشند مثالهای ساده از این پتانسیلهای تولیدی صفات افزایش وزن و عملکرد تولیدمثلی و تولید و ترکیب شیر می‌باشد. 

10) واکسنها

اصولاً واکسنها حاوی تمام ماده ژنتیکی عامل بیماری و یا پاتوژن کشته شده هستند و در برخی موارد نادر هم واکسنهای حاوی عامل بیماریزای زنده است. امروزه دانشمندان با استفاده از تکنولوژی DNA نوترکیب سعی دارند تا واکسنهایی سنتتیکی تولید کنند که فقط قسمت کوچکی از عوامل بیماریزا را داشته باشند. 

11) ژن درمانی

غیر فعال شدن و یا گم شده ژنها باعث بروز بسیاری از اختلالات ژنتیکی می‌گردند. افرادی که فاقد یک ژن ویژه هستند بالطبع قادر به تولید پروتئین کدشونده توسط آن ژن نیستند. گذشته از این ممکن است که یک ژن سالم اشتباها توسط قطعه‌های دیگر DNA خاموش شود و یا ژنهای غیر طبیعی بطور غیر صحیح بیان شوند. که برای رفع این مشکل محققان از ژن درمانی کمک می‌گیرند. در طول ژن درمانی سعی دارند تا اختلالات ژنتیکی را با انتقال ژنهای سالم به بیماران معالجه کنند. اخیرا ژن تغییر شکل یافته هورمون آزاد کننده هورمون رشد (GHRH) به خوک انتقال داده شده است که باعث افزایش میزان رشد این حیوان در حدود 37% شده است. 

12) دستکاری ژنتیکی میکروبهای شکمبه

علارغم پیچیدگی‌های موجود، در صورتیکه اکوسیستم میکروبی شکمبه بطور موفقیت‌آمیز مورد دستکاری قرار گیرد عملکرد تولیدی حیوان افزایش خواهد یافت. افزودن باکتریهای خاصی به شکمبه گاو و گوسفند قادر است که عملکرد تولیدی حیوان را در هضم بعضی از مواد خشبی بطور قابل توجهی افزایش دهد. انتقال باکتریهای مؤثر بر تانن از شکمبه بز به داخل شکمبه گوسفند حالات تغذیه‌ای گوسفندان مصرف کننده بوته‌های حاوی تانن را بهبود بخشیده است.

یکی از بهترین مثالهای دستکاری میکروبهای شکمبه در ارتباط با استفاده معمول از آنتی‌بیوتیکها می‌باشد. آنتی‌بیوتیکهایی وجود دارند که در سطح گسترده‌ای در کشورهایی مانند ایالات متحده آمریکا برای بهبود بخشیدن به راندمان مصرف خوراک در گاوهای پرواری مورد مصرف قرار می‌گیرند یکی از این موارد که مصرف بیشتری دارد موننسین است که توسط استرپتومایسین تولید می‌شود. موننسین تاثیرات وسیع و گسترده‌ای روی فرآیندها و واکنشهای میکروبی موجود در شکمبه مانند تولید گاز متان، تولید اسیدهای چرب فرار، تجزیه پروتئین، رشد میکروبی و تولید آمونیاک دارد. از طرفی باکتریهای گرام مثبت موجود در شکمبه تحت تاثیر موننسین قرار می‌گیرند. مثال دیگر از دستکاری اکوسیستم شکمبه از بین بردن پروتوزوآهای موجود در شکمبه برای بهبود کیفیت پشم می‌باشد. حذف پروتوزوآهای شکمبه گوسفندان استرالیا میزان رشد پشم را 29% افزایش داده است. 

آینده بیوتکنولوژی

قدرت، پتانسیل، افزایش تمایل جهانی برای بکارگیری این تکنولوژی و مصرف محصولات حاصل از آن باعث شده که کاربردهای بیشتری برای این علم مورد انتظار باشد. دانشگاهها، کارخانجات، ادارات، موسسات و سازمانهای دولتی سعی دارند تا فرصتها و روشهای جدیدی برای تحقیق، توسعه و کاربرد بیوتکنولوژی فراهم آورند. بنابراین کاربردهای بیوتکنولوژی ادامه خواهد یافت تا اثرات بیشتری بر روی بهداشت از طریق جلوگیری، تشخیص و درمان بیماریها داشته باشد. یا از راه توسعه تکنیکهای تولیدی موثرتر باعث بهبود کیفیت محصولات کشاورزی اعم از نباتی و دامی گردد. با کاهش اتلاف منابع غیر قابل تجدید و کاهش آلودگی آب و هوا به وضع محیط زیست سروسامان بخشد و یا با کاهش قیمت محصولات صنعتی و استفاده بهینه از مواد خام در صنعت مثمر ثمر واقع شود. امید است تا کشور عزیزمان ایران نیز از دستاوردهای این علم بی بهره نباشد. 

منبع: الیاسی زرین‌قبایی قربان. 1385. نقش بیوتکنولوژی در دامپروری. جهان دامپروری، سال چهارم، شماره 14، صفحات 3 الی 6.