Influence of CSN2 genotype on qualitative and quantitative characteristics of Holstein cows' milk
Influence of CSN2 genotype on qualitative and quantitative characteristics of Holstein cows' milk
Abstract
With the increasing global demand for product consumption, there is a growing interest in research in the milk processing industry. Beta-casein polymorphism affects the fat and casein content of milk, and in general the digestive process, which plays a significant role in determining the value of milk. The aim of this study is to examine the relationship between the genotype for beta-casein gene (CSN2) and qualitative and quantitative characteristics of milk of Holstein cows. The material for the study was milk of 249 Holstein cows sampled during monthly control milking for the period from October 2022 to April 2024. Analysis of the obtained data showed that in the sample, 52% of animals were carriers of A1A2 genotype, 33% – A2A2 and 15% – A1A1. The presence of the A2 allele as part of the genotype slightly reduces thermostability, but favourably affects rennet coagulation of milk. Cows with A1A1 genotype compare favourably in daily milk yield with those homozygous for A2 allele (P≤0.01). Technological parameters such as milk freezing point and acidity were not significantly associated with genotype for beta-casein gene, but animals with A2A2 genotype had superiority in fat content, lactose, dry matter and somatic cell count in milk. Paratypic and technological factors such as day of lactation, lactation number and month of milk sampling have a greater influence on milk quality and quantity than genotype for the CSN2 gene.
1. Введение
Значение коровьего молока как жизненно важной составляющей сбалансированного питания человека лежит в содержании питательных веществ, включающих белки, углеводы, минералы и витамины. Спрос на молочные продукты постоянно растет, что повышает интерес к исследованиям в области переработки молочных продуктов. Содержание белка в молоке, наряду с жиром, является решающим фактором в определении экономической эффективности этой отрасли. Кроме того, прибыль молочного скотоводства как сектора животноводства зависит не только от общего содержания белка, но и от его состава.
Одним из ключевых компонентов молочного белка казеина является бета-казеин, который составляет примерно 38% от общего содержания. Исследования показали, что полиморфизм бета-казеина влияет на состав жира и казеина в молоке, а также на пищеварительный процесс. Ген CSN2, кодирующий бета-казеина, показывает 12 аллельных вариантов, из которых варианты A1 и A2 – наиболее часто встречающиеся. Исследования показали, что из-за различий в их первичных белковых структурах, пищеварительные ферменты взаимодействуют с бета-казеинами А1 и А2 по-разному. В частности, в процессе переваривания белка А1 образуется пептид БКМ-7, который, согласно исследованиям молока А2, связан с различными хроническими заболеваниями и может нарушать функции кишечника и центральной нервной системы.
Селекционно-племенная работа в настоящее время направлена на получение коров, обладающих гомозиготным генотипом с двумя аллелями А2. Соотношение аллелей CSN2 различается в зависимости от породы коров. Так, европейское, американское, австралийское и новозеландское коровье молоко, в основном содержит аллельный вариант А1, тогда как африканский и азиатскийкрупный рогатый скот до сих пор производит молоко, содержащее исключительно бета-казеин А2. Соотношение варианта бета-казеина A2 к A1 у гернзейской породы составляет 9,6:0,4, симментальской – 7,1:2,9, шортгорнской и джерсейской – 1:1, швицкой – 6,6:3,4, голштинской от 3,9:6,1 до 5,5:4,5 , , , .
Исследователи обнаружили значительное количество носителей генотипа CSN2A2A2 в отечественных стадах черно-пестрой и голштинской пород – до 76% от общего числа животных , , , . В Московской области среди исследуемой популяции быков-производителей голштинской породы частота встречаемости генотипа CSN2А1А1 составляла 20,4%, что значительно меньше, чем для других генотипов – 39,8% как для генотипа А1А2, так и для А2А2 .
В некоторых исследованиях был сделан вывод о том, что коровы с генотипом CSN2A1A1 имеют более высокий уровень удоя за лактацию, чем коровы с генотипами CSN2A1A2 и CSN2A2A2 , . Однако существуют исследования, в которых были получены отличные результаты, показывающие, что наибольший удой имели гетерозиготные животные , , а также животные с генотипом CSN2A2A2 , , , .
Вопрос о влиянии генотипа по гену CSN2 на массовую долю жира (МДЖ) и массовую долю белка (МДБ) вызывает меньше споров, однако исследователи имеют разные мнения по этому поводу. Некоторые исследователи показывают, что коровы с генотипом CSN2A2A2 имеют наибольшую МДЖ и МДБ , в то время как другие указывают на недостоверную разницу по одному из этих признаков , . В работе Филипенковой Г.В. и соавторов была обнаружена тенденция в пользу особей с генотипом CSN2A2A2 в отношении МДЖ и МДБ в молоке, однако генотип CSN2A1A1 быков был связан с более высокой оценкой по удою и суммарной молочной продукции их дочерей .
Таким образом, современный рынок молочных продуктов проявляет интерес к продвижению и популяризации молока A2, что приводит к увеличению потребности в росте численности в хозяйствах коров-носителей аллеля A2. Вместе с тем, основные показатели продуктивности крупного рогатого скота необходимо учитывать в комплексе, поэтому связь генотипа по гену CSN2 с продуктивностью представляет научный и практический интерес.
Цель данного исследования – изучение взаимосвязи генотипа по гену бета-казеина (CSN2) c качественными и количественными характеристиками молока коров голштинской породы.
2. Методология и методы исследований
Материал исследования – молоко 249 коров голштинской породы, отобранное в ежемесячное контрольное доение за период с октября 2022 года по апрель 2024 года.
На приборе инфраспектрометрического анализа Combi FOSS F+7 DSCC проанализирован компонентный состав отобранных проб молока по следующим показателям: массовая доля жира (МДЖ), массовая доля белка (МДБ), содержание лактозы (МДЛ), сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО), сухого вещества (СВ), казеина (МДК), точки замерзания (ТЗ), кислотности (pH), количества (КСК) и дифференциации (ДКСК) соматических клеток.
Для определения качественных технологических характеристик молока, проведены исследования на термостабильность (алкогольная проба ГОСТ 25228-82) и сычужную свертываемость (сычужно-бродильная проба ГОСТ 9225-84). Для получения количественных показателей технологических свойств молока, после оценки качества молока на сычужную свертываемость, отобран и взвешен полученный сгусток для определения процентного выхода сгустка.
В лаборатории молекулярной генетики сельскохозяйственных животных ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. Л.К. Эрнста было проведено генотипирование коров экспериментального стада с использованием чипов высокой плотности от Illumina (150000 SNP; 50000 SNP; «Illumina Inc.», США).
3. Результаты и их обсуждение
Результаты молекулярно-генетического тестирования животных голштинской породы позволили выявить полиморфизм гена бета-казеина CSN2 и исследовать его влияние на молочную продуктивность.
Анализ полиморфизма гена CSN2 у исследуемых животных показал, что в выборке большинство коров (51,8%) являются носителями генотипа A1A2, 33,3% – A2A2 и 14,9% – A1A1 (рис.1). Частота встречаемости аллелей А1 и А2 составила 0,408 и 0,592, соответственно. Коэффициент гомозиготности составил 1,93, Хи2 – 1,34 (P≤0,001).
Полученные результаты подтверждают соотношение варианта бета-казеина A2 к A1, характерное для голштинской породы крупного рогатого скота и отраженное в исследованиях других авторов , , , .
Рисунок 1 - Распределение частот аллелей и генотипов по гену CSN2 в исследуемой популяции
При изучении сычужной свертываемости молока наблюдалась обратная ситуация. При сравнении молока коров с генотипами A1A1-A2A2-A1A2, была замечена тенденция «худший-лучший» класс по сычужно-бродильной пробе. Однако лишь между группами животных с генотипами A1A1 и A1A2 была обнаружена достоверная разница (P≤0,01).
Рисунок 2 - Влияние генотипа по гену CSN2 на качественные показатели молока
Примечание: термостабильность, сычужная свертываемость
Рисунок 3 - Влияние генотипа по гену CSN2 на выход сгустка из молока
Таблица 1 - Качественный состав молока в зависимости от генотипа коров по гену CSN2
| Генотип по гену CSN2 | ||
A1A1 | A1A2 | A2A2 | |
Число проб | 279 | 912 | 499 |
Суточный удой, кг | 25,02±0,38 | 24,28±0,22 | 23,75±0,27b/** |
Массовая доля жира, % | 4,31±0,04 | 4,27±0,02 | 4,41±0,03 b/*,c/*** |
Массовая доля белка, % | 3,48±0,02 | 3,47±0,01 | 3,48±0,02 |
Массовая доля лактозы, % | 4,86±0,01 | 4,78±0,01a/*** | 4,88±0,01c/*** |
Содержание СОМО, % | 9,18±0,02 | 9,17±0,02 | 9,19±0,02 |
Содержание сухого вещества, % | 13,24±0,05 | 13,22±0,03 | 13,37±0,04 b/*,c/** |
Массовая доля казеина, % | 2,80±0,02 | 2,79±0,01 | 2,80±0,01 |
Точка замерзания молока, ×10-3 ⸰С | -0,520±0,06 | -0,519±0,04 | -0,519±0,04 |
pH, ед | 6,58±0,00 | 6,58±0,00 | 6,58±0,00 |
Количество соматических клеток, тыс.ед/мл | 1106±124 | 777±52a/* | 685±62b/** |
ДКСК, % | 61,84±2,10 | 62,37±1,03 | 63,23±1,38 |
Примечание: группы сравнения генотипов: a – А1А1/А1А2; b – А1А1/А2А2; с – А1А2/А2А2); * – P≤0,05; ** – P≤0,01; *** – P≤0,001
Массовая доля жира в молоке и содержание сухого вещества было значительно выше у коров с генотипом A2A2 по сравнению с животными с генотипами A1A1 и A1A2. Уровень массовой доли белка, включая казеин, и СОМО не зависели от генотипа коров, и не было значимых различий между группами. Уровень лактозы был значительно ниже (P≤0,001) в молоке гетерозиготных животных по сравнению с гомозиготными по гену CSN2.
Важные показатели для определения фальсификации и пригодности молока для переработки – точка замерзания молока и кислотность не зависели от генотипа по гену бета-казеина.
Количество соматических клеток является важным показателем качества молока, который отражает состояние здоровья животного и правильность его кормления. Высокие значения этого показателя увеличивают время свертывания молока и ухудшают качество сгустка. У животных, в генотипе которых присутствует аллель A2, было обнаружено значимо меньшее количество соматических клеток в молоке (P≤0,05; P≤0,01).
Для изучения влияния различных факторов на качественный состав молока был проведен однофакторный дисперсионный анализ. В качестве категориальных факторов были определены генотип по генуCSN2, день и номер лактации животного, месяц, когда была отобрана проба (табл. 2).
Анализ подтвердил значимое влияние генотипа по гену CSN2 на термостабильность и свертываемость молока (P≤0,01, P≤0,05, соответственно). Однако генотип не оказывал влияния на процентный выход сгустка из молока, в то время как день и номер лактации коровы достоверно влияли на этот показатель (P≤0,01). Месяц отбора достоверно влиял на все качественные показатели молока (P≤0,001).
Таблица 2 - Влияние разных факторов на технологические свойства молока
Фактор | Признак | ||||||||
Класс по алкогольной пробе | Класс по сычужно-бродильной пробе | Процентный выход сгустка из молока, % | |||||||
F-критерий | p-value | R2 | F-критерий | p-value | R2 | F-критерий | p-value | R2 | |
Генотип по гену CSN2 | 5,258 | 0,005** | 0,008 | 4,290 | 0,014* | 0,007 | 0,670 | 0,512 | 0,001 |
День лактации | 0,993 | 0,521 | 0,229 | 0,990 | 0,520 | 0,229 | 1,30 | 0,002** | 0,280 |
Номер лактации | 0,158 | 0,959 | 0,001 | 0,240 | 0,919 | 0,001 | 3,635 | 0,006** | 0,017 |
Месяц отбора проб | 11,330 | 0,000*** | 0,128 | 8,660 | 0,000*** | 0,101 | 16,710 | 0,000*** | 0,178 |
Примечание: * – P≤0,05; ** – P≤0,01; *** – P≤0,001
Влияние генотипа по гену CSN2 было отмечено для МДЖ и МДБ, сухого вещества, казеина. Уровень суточного удоя, содержание лактозы и СОМО, точка замерзания и кислотность молока не зависели от генотипа коровы. День лактации животного, когда было отобрано молоко, влиял на МДЖ, МДБ, СОМО, СВ и содержание казеина в молоке. Этот категориальный фактор не влиял на уровень суточного удоя, содержание лактозы, а также точку замерзания и кислотность. Номер лактации коровы влиял на все исследуемые признаки, кроме кислотности молока. Месяц отбора оказывал влияние на все показатели количественного и качественного состава молока, а также на уровень суточного удоя.
Помимо фактора самого животного, на количество соматических клеток и их дифференциацию влияли внешние факторы, за исключением дня лактации.
4. Заключение
Распределение аллелей по гену CSN2 составляет 0,408 для A1 и 0,592 для A2. Среди 249 исследуемых животных, большинство (51,8%) имели генотип A1A2, 33,3% – A2A2 и 14,9% – A1A1.
Различие в генотипах по гену CSN2 не имело достоверного прямого влияния на качественные характеристики молока. Однако было отмечено, что наличие аллеля A2 в генотипе коров незначительно снижало уровень термостабильности молока, но благоприятно влияло на сычужную свертываемость.
Технологические показатели, такие как точка замерзания молока и кислотность, не были достоверно связаны с генотипом по гену CSN2. Однако животные с генотипом A2A2 показали превосходство по содержанию жира, лактозы, сухого вещества и количеству соматических клеток в молоке.
Было выявлено, что на качественный и количественный состав молока большее влияние оказывают паратипические и технологические факторы, такие как день лактации, номер лактации и месяц отбора пробы. Комплексная работа со стадом, учитывая влияние внешних и генетических факторов, поможет значительно повысить производственный потенциал отечественных стад в области количественного и качественного состава молока.