Development of biometric models for assessing the breeding value of cattle based on milk productivity traits

Эффективность молочного скотоводства определяется многими факторами, среди которых важнейшим является производство молока. На текущий момент наблюдается повышение продуктивности крупного рогатого скота с одновременным сокращением их численности. Односторонний отбор по молочной продуктивности нарушает биологическое равновесие, что ведет к угнетению воспроизводительных качеств, особенно в высокопродуктивных стадах.

О возможности эффективного отбора по тому или иному признаку, а также по комплексу признаков, дают представление популяционные характеристики. Одной из важнейших характеристик популяции является корреляция между хозяйственно-полезными признаками животных. Для успешной селекционно-племенной работы важно знать, как связаны между собой хозяйственно-полезные признаки крупного рогатого скота в популяциях молочных пород. Комплексный анализ селекционных признаков дает более полное представление о племенной ценности животных

В современных условиях селекция животных по комплексу признаков является одним из ключевых направлений селекционной работы. Основным следствием корреляции между признаками является то, что при отборе по одному признаку изменяется не только этот признак, но и другие, взаимосвязанные с ним. Изучение корреляционных связей дает возможность предусмотреть нежелательные последствия при проведении односторонней селекции по одному признаку или усилить эффективность отбора путем учета других косвенных показателей

Изучение сопряженности селекционных признаков, как считает Племяшов К.В., позволяет при отборе усиливать действие положительных качеств, ослабляя нежелательные. При этом уменьшается число признаков, необходимых для селекции. С помощью отбора можно изменить взаимосвязи между признаками в желательном направлении. По мнению Семеновой Н.В., оценить возможность селекционного улучшения, можно только зная характер наследуемости и генетических взаимосвязей между признаками. Если сопряженность признаков устойчиво наследуется, то одновременная селекция по комплексу признаков в течение нескольких поколений может быть успешной. В то же время Часовщикова М.А. указывает на то, что изученность взаимосвязей между признаками, применение их в селекционно-племенной работе со стадом, где фактическая зависимость признаков не выяснена, не всегда может привести к ожидаемым результатам, так как уровень связи и даже ее направление может изменяться в зависимости от различных факторов

Также считается, что генетические параметры не остаются постоянными как для породы, так и для отдельных стад. Они изменяются под влиянием селекционно-племенной работы и в зависимости от условий внешней среды. Для успешной селекции крупного рогатого скота необходим постоянный мониторинг популяционных характеристик. По мнению многих исследователей, генетический фактор «бык-отец» является наиболее значимым при селекции молочного скота

Быки-производители сильнее влияют на генетическую изменчивость в популяции, основные генетико-статистические параметры и селекционные признаки, чем факторы «линия» и «генотип». В то же время отмечается, что в потомстве разных быков-производителей наблюдаются достоверные различия по характеру и величине корреляций между селекционируемыми признаками. Селекционная работа по совершенствованию молочных пород в последние годы базируется на большой доле зарубежных производителей, используемых в племенных хозяйствах. В связи с этим представляет научный интерес исследование сопряженности продуктивных и воспроизводительных признаков дочерей быков-производителей отечественной и зарубежной селекции в современной популяции черно-пестрой породы

Таким образом, актуальность исследования обусловлена растущей потребностью населения в молоке и молочных продуктах, что требует повышения продуктивности молочного скота при одновременном сохранении его воспроизводительных качеств, нарушаемых односторонней селекцией. Новизна работы заключается в фокусе на методическом аспекте разработки трёх биометрических моделей оценки племенной ценности крупного рогатого скота, учитывающих влияние средовых факторов через категориальный фактор «стадо-год-сезон» (HYS) и корреляционные взаимосвязи между продуктивными и воспроизводительными признаками, что позволяет нивелировать возможную смещённость наблюдаемых (фенотипических) значений и повысить точность оценки племенной ценности.

Цель исследования — сформировать биометрические модели, описывающие изменчивость изучаемых признаков молочной продуктивности в зависимости от ряда факторов.

Исследования проводили на основе информационной базы данных по 2042 головам коров черно-пестрой породы племенного хозяйства Московской области, Луховицкого района. Информационную базу формировали на основе данных информационно-аналитической программы «СЕЛЭКС. Молочный скот». Анализ данных проводился в среде разработки RStudio средствами языка программирования R. В исследования были включены продуктивные признаки коров-первотёлок: удой за 305 дней (кг), массовая доля жира и белка в молоке (%), выход белка и жира (кг). Коэффициенты корреляции рассчитывали с использованием аналитического пакета «Анализ данных» программы Microsoft Excel по формуле Пирсона. Статистическая обработка данных (расчет средних показателей, стандартного отклонения, ошибки среднего) проведена с использованием компьютерной программы Microsoft Excel. Разработка математически моделей, описывающих разнообразие признака, обусловленное рядом факторов, производилась средствами языка программирования R, в частности, использовалась библиотека lme4.

На основании данных информационной базы проведена статистическая обработка и определены средние показатели продуктивности и воспроизводства коров первого отела (таблица 1).

Установлено, что популяция племенного поголовья голштинской породы Московской области характеризуется достаточно высоким уровнем молочной продуктивности коров 1-го отёла и ранним возрастом 1-го осеменения. Так, у коров средний надой за 305 дней лактации составил 8810 кг молока. Средний возраст 1-го осеменения — 17 месяцев.

Далее мы провели анализ взаимосвязи признаков между собой, который даёт представление о возможных трудностях при дальнейшем селекционном процессе, в частности — о наличии антагонистичных корреляционных взаимосвязях, на практике выражающихся в снижении значений одного признака при увеличении другого, что приводит к необходимости использования дополнительных средств комплексной селекции, таких как тандемная селекция, метод независимых уровней или построения уравнений селекционного индекса. Результаты корреляционного анализа представлены в таблице 2.

Исходя из представленных коэффициентов корреляции, можно сделать вывод, что такие признаки, как удой, выход жира и выход белка, положительно коррелируют между собой и отрицательно — с массовой долей жира и массовой долей белка. Из представленных данных также следует, что если вести отбор по выходу жира, то будут улучшаться все остальные показатели, кроме массовой доли белка, а при отборе по выходу белка, улучшаются: удой, выход жира и выход белка, остаётся на том же уровне массовая доля белка и уменьшается массовая доля жира. В случае, если вести отбор по другим признакам, совокупное улучшение хозяйственно-полезных характеристик будет ниже.

Было проведено исследование биометрических моделей, описывающих изменчивость признаков продуктивности в зависимости от факторов внешней среды и взаимосвязанных характеристик. В процессе анализа были использованы современные статистические методы, в частности, анализ общих линейных моделей.

Исследование охватывало агрегатные условия среды, подразумевающие всю совокупность производственных показателей, действовавших на животного в момент начала лактационной активности. Эта совокупность была выражена в виде фактора со вложенными эффектами «стадо-год-сезон» (HYS). Данный фактор является широко распространенным в подобных исследованиях, так как позволяет учесть агрегатные условия содержания в стаде, климатические условия, характерные для сезона года, в который происходила лактация. Также вложенный эффект сезона позволяет сформировать своего рода поправку на кормление, ввиду того, что поставки тех или иных видов кормов зависят от него

Генетические характеристики животных, такие как продуктивность родителей и близких родственников, в рамках текущего этапа нашего исследования не учитывались. Это связано с тем, что средства анализа общих линейных моделей требуют множественных наблюдений для оценки обусловленной фактором изменчивости признака. В моделях смешанного типа BLUP для этого используется матрица родства, однако предшествующим этапом является оценка влияния средовых и взаимосвязанных эффектов.

Полученные данные углубляют понимание причинных взаимосвязей между факторами среды и организмом животных в целом на популяционном уровне, что важно для дальнейших селекционных мероприятий, в частности — оценки племенной ценности.

Биометрические модели, сформированные в рамках исследования, имели следующий вид:

,

,

,

где Y305, кг. — удой за 305 дн., FC, % — массовая доля жира в молоке, FA, кг. — выход молочного жира, PC, % — массовая доля белка в молоке, PA, кг. — выход молочного белка; HYS — категориальный фактор «стадо-год-сезон»; взаимосвязанные с оцениваемыми признаками характеристики представлены: AFC, мес. — возрастом 1-го отёла, DO, дн. — продолжительностью сервис-периода, AFI, мес. — возрастом 1-го плодотворного осеменения, IB, % — коэффициентом инбридинга; b1-b3 — соответствующие коэффициенты регрессии.

Описательные характеристики качества моделей с позиции прогнозирующей способности представлены в таблице 3.

Выявлено влияние факторов внешней среды на все показатели продуктивности, с достоверностью не ниже p≤0,05. Помимо факторов внешней среды, на продуктивные признаки оказывали влияние взаимосвязанные характеристики, например: возраст отёла влиял на все признаки; сервис-период — на удой, выход жира, массовую долю жира и выход белка, но влияние на массовую долю жира выявлено не было; возраст 1-го осеменения оказывал влияние на удой, выход жира и выход белка, при этом массовая доля жира и белка никак не связана с этим фактором; коэффициент инбридинга влияет только на массовую долю жира.

Изменчивость признаков, описываемая совокупностью факторов, включенных в модели, варьировала в пределах 0,20…0,30. Это свидетельствует о том, что использование данных моделей для целей прогнозирования значений признака не оправдано, так как существенная доля изменчивости приходится на остаток, т.е. существуют некоторые факторы, влияние которых не учтено.

Однако, учитывая, что проведенное исследование является этапом, предшествующим BLUP-оценке, их применение оправдано, так как, помимо средовых и взаимосвязанных факторов будут использованы также генетические связи между особями. Таким образом, выявленная доля изменчивости позволит избежать смещенности значений, спровоцированная названными эффектами.

В рамках исследования были сформированы биометрические модели, описывающие вариабельность признаков молочной продуктивности путем учета изменчивости, обусловленной рядом факторов. Результаты данного анализа лягут в основу дальнейшей работы, связанной с селекционными мероприятиями, в частности, оценкой племенной ценности. Использованный подход может быть рекомендован организациям, занимающимся оценкой племенной ценности животных сельскохозяйственных видов по количественным селекционируемым признакам для учёта изменчивости, вызванной внутренней неоднородностью выборки, которая может вызывать смещенность результатов ряда статистических процедур.