奶牛乳房炎抗性育種研究進展

孫 慶，儲明星

（中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，農業部動物遺傳育種與繁殖重點實驗室，北京 100193）

奶牛乳房炎抗性育種研究進展

孫 慶，儲明星

（中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，農業部動物遺傳育種與繁殖重點實驗室，北京 100193）

乳房炎是奶牛最常見的疾病之一，也是造成奶牛產奶量低下的重要原因。文章介紹了奶牛乳房炎的感染機制、檢測方法和傳統治療方式，重點闡述了奶牛乳房炎的抗性育種研究進展，并對其進行了展望，以期為奶牛乳房炎的抗性分子育種提供參考。

奶牛；乳房炎；抗性育種

奶牛乳房炎通常是由機械性刺激、病原微生物侵入及化學物理性損傷所引起的一種很常見的多因素疾病，存在于世界各地。罹患乳房炎的奶牛產奶量以及奶品質會下降，而且可能會面臨死亡或者被淘汰的危險，所以奶牛乳房炎造成了奶牛產業的巨大經濟損失。研究表明，革蘭氏陽性菌是引起奶牛乳房炎的主要細菌，百分之八九十的病例由葡萄球菌和鏈球菌引起，葡萄球菌中與乳房炎密切相關的是金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌，鏈球菌中與奶牛乳房炎相關的是無乳鏈球菌、停乳鏈球菌、乳房鏈球菌、化膿鏈球菌和獸疫鏈球菌。除了細菌感染以外，對奶牛乳房炎造成影響的還有遺傳因素、奶牛乳房形狀、環境因素和奶牛自身防御機能［1-2］。

1 奶牛乳房炎的感染機制

奶牛在正常情況下不會感染乳房炎，但是在擠奶時或者分娩前，奶牛乳腺中因積蓄了很多乳汁，乳內壓升高，乳頭管擴張，括約肌需要很長時間才能恢復過來，這個時候就會給細菌侵襲的機會。

奶牛乳房炎屬于炎癥的一種，慢性炎癥反應的主要分子機理是在病灶部位出現大量激活的CD4+T輔助細胞（Th），識別并幫助CD8+T細胞殺死外源病原菌。除此以外，細菌進入乳頭后，會釋放毒素，此時，白細胞和上皮細胞會釋放趨化因子，如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細胞介素IL-1、IL-2、IL-8等。趨化因子的釋放會使中性粒細胞（PMN）聚集在感染部位。中性粒細胞的作用是吞噬和殺死入侵細菌，而巨噬細胞在中性粒細胞完成任務后會吞噬它。在此過程中，除了凋亡和脫落的乳腺上皮細胞，還會有一些凋亡的白細胞被分泌到牛奶中，即會導致奶牛體細胞計數（SCC）的升高［3］。

2 奶牛乳房炎的檢測方法

2.1 根據體細胞計數（SCC）檢測奶牛乳房炎

奶牛體細胞計數是與奶牛乳房炎呈正相關的一個性狀，可以使用自動化擠奶設備記錄，從而檢測奶牛是否患乳房炎。根據國際規定，當牛奶中的SCCgt;50萬/mL時，奶牛極有可能已經患乳房炎［4］。使用自動化擠奶設備屬于直接檢測法，另外還有屬于間接檢測法的加利福尼亞乳房炎檢測法以及屬于實驗室檢測方法的威斯康辛乳房炎檢測法。

2.2 差異細胞計數法檢測奶牛乳房炎

研究表明，差異細胞計數法也是檢測乳房炎的有效手段，差異細胞計數法會顯示炎癥反應中細胞相對比例的變化，以此可以區分奶牛乳腺中的健康和發炎腺體［5］。

2.3 MTT法檢測奶牛乳房炎

MTT（四甲基偶氮唑鹽，商品名為噻唑藍）法可直接用于檢測乳房炎牛奶的細菌藥敏試驗。MTT法的藥敏試驗在檢測細菌藥敏性時具有準確、簡便、快捷等優點，適合在基層臨床獸醫中推廣應用，方便快捷，可避免延誤治療［6］。

2.4 其他方法

主成分分析（PCA）是一種分析多變量的技術，也被稱作為潛變量法或投影法，是一種較新的方法［7］。除此以外，還有利用PCR檢測乳房炎和酶聯免疫吸附試驗檢測乳房炎等經典方法，在實際中應用也較多。另外蔡一欣等［8］設計出便攜式計算機視覺快速檢測系統，這種系統更加快速、高效、便捷，擁有更高的針對性，符合未來檢測手段的發展方向。紅外熱像儀（IRT）技術是一種間接非侵入性篩查乳房炎的方法，對于早期治療乳房炎非常有效［9］。

診斷技術下一步發展方向是更多地借助于生物標記物來診斷，另外提高現有技術的靈敏性以及特異性也是一個發展方向。

3 奶牛乳房炎的治療

抗生素療法一直是比較傳統、高效的預防及治療方法，但是長期使用抗生素會使奶牛產生耐藥性，所以更多的治療方法漸漸出現。中草藥和蒙獸藥治療奶牛乳房炎都是非常好的方法。有研究表明，這些療法效果可能好于抗生素療法，研究者下一步目標是探究中草藥、蒙獸藥等在治療奶牛乳房炎過程中的作用機制，從而為中草藥和蒙獸藥的質量提高以及標準化使用奠定良好的基礎［10-13］。

4 奶牛乳房炎抗性育種研究進展

乳房炎的診斷以及治療是抑制乳房炎的有效手段，但想要從根本上消除乳房炎，還要通過分子育種的手段從遺傳的角度培育出抗乳房炎的奶牛品種。近年來奶牛乳房炎的相關調控機制方面的研究較多，但奶牛乳房炎抗性育種方面還有大量的工作要做。下面從SNP技術、候選基因以及表觀遺傳學角度等方面概述一下近年來奶牛乳房炎抗性育種取得的成果。

4.1 利用SNP技術進行奶牛乳房炎抗性育種

SNP（single nucleotide polymorphism，SNP），即單核苷酸多態性，指在基因組DNA序列中出現了特定位點的單核苷酸的替換，進而使得基因組DNA序列出現多態性。利用SNP技術進行分子育種有許多優點，SNP在遺傳上比較穩定、數目眾多且具有代表性，并且現在檢測SNP也比較直接方便［14］。另外，由于乳房炎的遺傳力較低等原因，奶牛體細胞計數（SCC）常作為奶牛乳房炎研究的指示性狀。

Usman 等［15］通過研究發現，IL-17F 和 IL-17A 中的SNP與奶牛乳房炎的抗性有極大的關聯，而這個SNP可以在奶牛乳房炎育種工作中作為有效的遺傳標記。Adrianna等［16］研究發現，CXCR1 基因的 735 位的 CG 基因型和472位的GG基因型是導致奶牛出現低SCS的原因，這就說明這兩個基因型是與奶牛乳房炎相關的，但是他們的研究沒有能夠證實CXCR1基因中的SNP與奶牛乳房炎相關，所以后續還需要對此進行研究。Pokorska 等［17］發現，CXCR1 c.365Tgt;C 的突變是與奶牛乳房炎抗性相關的一個新的候選分子遺傳標志。Guo等［18］通過最小二乘法分析了中國荷斯坦奶牛α1-AT基因G5503A和G5746C的突變與SCS之間的關系，結果表明，BBDD的基因型組合可能是乳房炎抗性的有利組合，這意味著他們研究中的B等位基因和BD單體型可用作中國荷斯坦奶?？谷榉垦椎倪z傳標記。陳仁金等［19］研究中國荷斯坦牛TOLL樣受體4（toll-like receptor 4，TLR4）基因的遺傳多態性及其與體細胞評分（SCS）的關聯性，發現中國荷斯坦奶牛TLR4基因中的SNP-226 Ggt;C突變和SNP-1760 Cgt;T突變都可能與奶牛乳房炎抗性相關。陳仁金等［20］研究CXCR1基因與奶牛乳房炎的關系，發現此基因的-1830（A/G）位點AA基因型、-1 768（T/A）位點 TT 基因型和-344（T/C）位點 TT 基因型以及單倍型Haplo2（ATTA）純合體對中國荷斯坦牛的SCS具有較大的遺傳效應，可以作為分子標記應用于奶牛乳房炎抗性的篩選。Wang等［21］發現，在奶牛由鏈球菌引起的乳房炎中，CD46基因因為內含子8上的突變會對奶牛產生有害的影響。Li等［22］在HMGB1基因的3’UTR區發現了一個新的SNP位點g.+2776 Agt;G會改變HMGB1和bta-miR-223的結合，從而影響奶牛體細胞評分，這個新的基因型可用作乳房炎抗性育種的候選標記物。王夢琦等［23］研究發現，TLR1-245 G＞T與中國荷斯坦牛日產奶量及SCS極顯著相關（P＜0.01），TLR1-245 G＞T與奶?；寂R床乳房炎次數顯著相關（P＜0.05），TT型個體患臨床乳房炎次數顯著低于GG和GT型個體（P＜0.05），此研究結果為提高荷斯坦牛產奶量和控制乳中體細胞數的分子標記選擇提供了參考。

4.2 通過篩選候選基因進行奶牛乳房炎抗性育種

奶牛乳房炎感染機制相當復雜，包括了很多的通路和基因。研究者們目前已經篩選出很多與奶牛乳房炎相關的基因，并且對這些基因進行了較為深入的研究，包括乳鐵蛋白（LF）基因，主要組織相容性抗原復合體（MHC）基因，ToLL樣受體家族基因，β-防御素基因，熱休克蛋白 70 基因等［24］。2015 年 Wang 等［25］通過 SNP技術以及GO富集分析發現TRAPPC9基因和ARHGAP39基因是與奶牛乳房炎相關的候選基因。Song等［26］研究發現，NRG1、MST1和NAT9基因與金黃色葡萄球菌感染的亞臨床型乳房炎強烈相關，對乳房炎抗性育種是一個強有力的分子標記。胡海川等［27］利用PCR-SSCP技術檢測了Nrampl基因exon11的多態性，得出結論可以將Nrampl基因作為與奶牛乳房炎相關的一個候選基因，也可作為奶牛乳房炎育種工作中的分子標記物。

免疫系統的主要功能是防止外界細菌入侵，消除存在的感染，殺死侵入的細菌，并進行組織修復。奶牛乳房炎的感染也涉及到奶牛的免疫反應過程，這其中涉及到很多基因，研究者們近年來也對此做了相當多的研究。Kadri等［28］研究發現，CARD6 蛋白在細胞凋亡、NF-κB活化以及炎癥反應的信號轉導通路中起關鍵作用，另外LIFR基因具有抗炎癥功能，因此這兩個基因可以作為乳房炎抗性研究的重要候選基因。另外Sugimoto等［29］發現，FEZL基因在奶牛感染乳房炎的組織中較高表達，所以認為此基因是與奶牛乳房炎相關的一個候選基因。

4.3 從表觀遺傳學角度進行奶牛乳房炎抗性育種

研究發現，除了傳統意義上的DNA遺傳信息以外，還有一些DNA序列以外的遺傳調控，即表觀遺傳調控。表觀遺傳主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾以及非編碼RNA，其中DNA甲基化研究較多。有研究表明，表觀遺傳是炎癥發生發展的主要調控機制，所以研究者就表觀遺傳在奶牛乳房炎中的調控方面做了相應的研究。

羅國靜等［30］利用生物信息學分析以及亞硫酸氫鹽測序PCR等實驗方法研究發現，COLIA2基因在不同乳腺組織中差異表達，而這很有可能與其啟動子區CpG島轉錄因子SP1結合區域內的第4 CpG位和第5 CpG位點甲基化程度差異有關系，他們還發現此基因在這兩個位點中甲基化表達程度與奶牛乳房炎有關聯。He等［3 1］研究發現，泌乳奶牛通過組蛋白H3調節金黃色葡萄球菌和淋巴細胞之間的相互作用，H3K27me3基因與奶牛金黃色葡萄球菌乳房炎易感性有關，此基因可以作為奶牛乳房炎的一個關鍵候選基因。

4.4 其他與奶牛乳房炎抗性育種相關的最新研究進展

研究者通過篩選SNP位點、QTL定位、選擇候選基因等方法在奶牛乳房炎抗性育種方面進行了相當多的研究，也取得了很多的成果，近幾年，也有從其他角度進行奶牛乳房炎育種工作的，比如Yang等［32］的研究結果表明，注射褪黑素可以降低奶牛體細胞計數從而提高牛奶的質量，但是這其中具體的反應機理還需要進一步研究。Heringstad等［33］研究發現，奶牛乳房炎易感性與奶牛的蛋白產量存在拮抗關系，其中的具體作用機制還需要進一步研究。Franzén等［34］建立了一種從乳房炎感染到恢復的包含整個過程的模型，能夠得到從感染乳房炎到恢復的整個過程中的所有育種值，這對于乳房炎抗性育種研究是很有利的。

5 小結與展望

研究者通過努力在奶牛乳房炎防治以及抗性育種工作中取得了很多的成果，目前對于奶牛乳房炎從預防、檢測和治療以及抗性育種工作都各自有一套非常系統的解決方案。奶牛乳房炎的預防、檢測、治療的各種儀器、技術正朝著更加高效、專一、先進的方向發展，未來的研究方向是力求進一步提高這些技術的高效性和專一性。將奶牛乳房炎的預防、檢測、治療的一系列技術結合起來，提高互相之間的聯系性，從而使各個技術通過互相聯系變得更加準確和高效也是亟待解決的問題。在奶牛乳房炎抗性育種方面，研究者通過檢測SNP、篩選候選基因以及其他研究已經取得了很多成果。下一步的目標即是利用好這些研究結果，徹底探究奶牛乳房炎的感染以及恢復機制，及時準確地找到一些與奶牛乳房炎相關的基因，并且利用這些基因進行奶牛乳房炎抗性育種工作，早日培育出具有乳房炎抗性的奶牛群體。

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Advances in Resistance Breeding of mastitis in Dairy Cattle

Sun Qing，Chu Mingxing
（Key Laboratory of Animal Genetics，Breeding and Reproduction of Ministry of Agriculture，Institute of Animal Science，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing100193，China）

Mastitis is one of the most common disease and causes decrease of milk yield heavily in dairy cow.In this paper，the infectious mechanism，detection method and traditional treatment ways for dairy cow mastitis were introduced.The advance and prospect of mastitis resistance breeding in dairy cattle were emphatically elaborated，which would provide a reference for mastitis resistance molecular breeding.

dairy cattle；mastitis；resistance breeding

S823.2

A

2095-3887（2017）06-0052-04

10.3969/j.issn.2095-3887.2017.06.015

2017-07-17

中國農業科學院科技創新工程（ASTIP-IAS13）；國家科技支撐計劃課題（2006BAD04A10）；北京市自然科學基金項目（6022015）

孫慶（1994-），男，碩士研究生，主要從事動物分子育種研究。

儲明星，研究員，博士，博士生導師，主要從事動物遺傳育種研究。