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干细胞技术:肉牛繁育新手段

  贝里学院可能看起来不像是养牛的地方,但那是因为你不认识Kyle Caires。


  在距离亚特兰大西北70英里的这所私立学校里,这位年轻的动物科学教授正在推进他的牛干细胞移植研究。尽管贝里学院的农业学科并不出名,蔓延的27000英亩的校园有足够的空间放养安格斯牛群,并且学校为学生提供了丰富的动物科学课程。


  Caires是夏威夷人,在俄勒冈州和华盛顿州获得了动物科学和生殖生物学学位。他于五年前来到贝里学院,进行尖端的干细胞研究工作,不断改善下一代肉牛繁育技术。


  他的研究对象是成体干细胞。成体干细胞与胚胎干细胞不同。胚胎干细胞可以发展成为胚胎的各个部分。成体干细胞是存在于已分化组织中的未分化细胞,它们补充死亡细胞并修复受损组织例如肌肉、皮肤和其它器官,以保持机体正常功能。



干细胞荧光照片


  保持良种生育力


  Caires研究的成体干细胞被称为精原细胞。它们存在于牛的睾丸中,作为保持生育率的基础,精原细胞通过自我更新和分化产生精子。这些细胞是唯一能够将一头牛的基因传递给下一代的成体干细胞。Caires的技术可以找到它们并让其更广泛有效地工作。


  “一旦一只牛死掉了,我们没有办法保持他的基因,这一直困扰着我。”Caires说。“你可以冷冻他的精液,但有朝一日总会消耗完。我们正在研发的这项技术可以解决这个问题。”


  这项技术收集供体牛的干细胞并把它们移植到受体牛身上。如果成功,受体牛产生的精子将只携带供体牛的基因。研究早期时Caires需要去除供体牛的睾丸。但现在,收集和植入干细胞只需使用微创外科技术便可完成。这就像给供体睾丸做了个活组织检查,然后用类似的手术把提取物植入到受体的睾丸中。实际上这就是一个组织移植手术。


  这听起来好像很简单,但仔细想一想就能发现并不如此。首先,Caires必须知道在哪里可以找到正确的成体干细胞。然后,通过组织培养,他需要在显微镜下在活检提取的所有细胞中识别出产生精子的干细胞。


  “这是最难的部分。”他说。“这就像在25堆草里寻找一根针。我们已经发现了一些标记基因可以帮助我们识别它们。”


  这些正确的干细胞在被移植到受体牛之前需要在实验室培养皿中分裂倍增。它们必须被移植到精确的位置,这样受体牛才会产生与供体牛相同的精子。


  最初,Caires收集和培养干细胞的研究对象是老鼠和猪。


  “相信我,我已经用头撞墙很多次了。但我们最终还是开发了这项技术,收集、培育、移植干细胞,使它们在新的身体中站稳脚跟并最终产生精子。”他说。


  受体牛会先绝育,这样移植干细胞后将只产生供体牛的精子。通过自然交配或人工授精产生的犊牛将只携带供体牛的基因,成为它遗传意义上的后代。


  据Caires介绍,这项技术最大的贡献就是可以增加供体牛生产精液的能力,使其不再是可耗尽的资源。这可能会降低优秀品种公牛精液的生产成本。与人工授精技术和前几代的胚胎移植技术一样,干细胞技术增加了优秀品种动物的繁殖能力。


  Caires举了一个如何善加利用干细胞技术的例子。对于一些十分受欢迎的安格斯牛种群,对它们精液的需求量远远大于供给量。有时候,这些优良公牛产生的精子量并不是很高,而且年龄和伤病也会成为阻碍生产的因素。


  “在乳品行业中,一些种牛精液在下订单的五到七个月之后才到货。最终到手时,精液的价格十分昂贵,超出了许多生产商可以承受的范围。”Caires解释到。


  “通过我们的技术,我们可以把这些牛的干细胞植入受体牛中,增加了种牛精液的供应量并降低了生产成本。”他说。



小鼠精原干细胞移植示意图


  一个竞争激烈的行业


  Caires的基因转移技术来之不易,他在分享技术时也很谨慎。干细胞研究是一个竞争非常激烈的领域,对人工授精种畜、养殖协会和农场主有着广泛的影响。其他研究人员也在研究类似的项目,一场投入实际应用的竞赛正在进行。


  Caires说他的技术和工艺并不十分昂贵。他估计,收集、识别正确的干细胞、实验室培育并植入这一整套程序的成本大约是3000美元。


  “我并没有很多花哨的装备。我的大部分工作,从活检手术到实验室工作,都是亲手完成的,我已经熟能生巧了。我用超声波设备来帮助移植供体干细胞到正确的位置上。但这已经成为第二天性了,所以我基本不需要超声来辅助。”他说。


  虽然贝里学院可能在养牛界并不是一个家喻户晓的名字,Caires说,但他的工作践行了学校的座右铭:身体力行。


  在研究的各个方面也有本科生参与。


  Caires谨慎地提醒道,这仍是一个进展中的工作,可能要在一两年之后他才会正式发表他的研究成果,发表后再过几年才可能广泛应用。


  他对试验确切的成功率保密,但表示超过50%的受体牛产生了供体牛的精子,并且成功率还在不断提高。像其他器官移植技术一样,Caires面临的一部分问题是如何让受体动物接受移植的干细胞组织。


  “牛不是最容易进行组织移植的动物。”Caires说。“研究用的老鼠是高度近亲繁殖的,因此移植的接受度和成功率会更高一些。对于牛来说情况不是这样,但是我们正在进步,并且这项技术在未来会被大众接受。”



安格斯牛


  改善肉牛繁育技术


  Justin Green供职于Arrow Brand Genetics,一家安格斯牛繁育公司。他认为像Kyle Caires这样的干细胞研究,是继人工授精和胚胎移植之后,改善肉牛养殖技术的新进步。Green认为这项技术可以使种畜生产商,如Arrow Brand,省掉整整一代的繁育时间,获得最好的基因以提供给商品牛生产商。


  现在,据Green介绍,种畜生产商挑选出一只优良的公牛,使用人工授精技术得到它的儿子,最后把它儿子出售给商业牛生产者。使用干细胞技术,优良公牛的基因可以转移到受体牛身上,受体牛基本上可以立即产生精子用于出售,而不必等它的儿子长大并且表现出优良的性状。“这可以让我们跳过一整代的繁殖周期。这将会把牛的遗传发展带到一个全新的水平。”Green说。


  正如同人工授精和胚胎移植一样,Green认为干细胞移植技术会逐渐普及。“我不知道这会花五年时间还是二十年时间,但是这将是农民和牧场主得到最佳基因牲畜的新途径。”他说。


  一般需要花八到十年才能确认种牛的女儿是否是合格的育雏牛。到那个时候,这只种牛通常也已经去世了。利用Caires的冷冻干细胞技术,可以在超过繁育年龄很长时间之后,使种牛的基因依然延续。


  Caires认为干细胞技术可以为商品牛生产商提供多种服务。其中一种是将这项技术用于替补公牛。在人工授精后,总有一些母牛没有授精成功,这时就需要引进一些相对便宜的替补公牛进行交配。这些替补公牛就可以接受种牛的干细胞移植,从而它们的后代与人工授精产生的后代携带同样的种牛基因。这将大大提高小牛的基因一致性,保证100%是种牛的后代。


  文章来源:http://www.agriculture.com/livestock/cattle/beef/how-stem-cell-technology-will-improve_277-ar50587


  吾谷网陈思编译


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