奶牛乳房炎抗性育种研究进展

孙 庆，储明星

（中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，农业部动物遗传育种与繁殖重点实验室，北京 100193）

奶牛乳房炎抗性育种研究进展

孙 庆，储明星

（中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，农业部动物遗传育种与繁殖重点实验室，北京 100193）

乳房炎是奶牛最常见的疾病之一，也是造成奶牛产奶量低下的重要原因。文章介绍了奶牛乳房炎的感染机制、检测方法和传统治疗方式，重点阐述了奶牛乳房炎的抗性育种研究进展，并对其进行了展望，以期为奶牛乳房炎的抗性分子育种提供参考。

奶牛；乳房炎；抗性育种

奶牛乳房炎通常是由机械性刺激、病原微生物侵入及化学物理性损伤所引起的一种很常见的多因素疾病，存在于世界各地。罹患乳房炎的奶牛产奶量以及奶品质会下降，而且可能会面临死亡或者被淘汰的危险，所以奶牛乳房炎造成了奶牛产业的巨大经济损失。研究表明，革兰氏阳性菌是引起奶牛乳房炎的主要细菌，百分之八九十的病例由葡萄球菌和链球菌引起，葡萄球菌中与乳房炎密切相关的是金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌，链球菌中与奶牛乳房炎相关的是无乳链球菌、停乳链球菌、乳房链球菌、化脓链球菌和兽疫链球菌。除了细菌感染以外，对奶牛乳房炎造成影响的还有遗传因素、奶牛乳房形状、环境因素和奶牛自身防御机能［1-2］。

1 奶牛乳房炎的感染机制

奶牛在正常情况下不会感染乳房炎，但是在挤奶时或者分娩前，奶牛乳腺中因积蓄了很多乳汁，乳内压升高，乳头管扩张，括约肌需要很长时间才能恢复过来，这个时候就会给细菌侵袭的机会。

奶牛乳房炎属于炎症的一种，慢性炎症反应的主要分子机理是在病灶部位出现大量激活的CD4+T辅助细胞（Th），识别并帮助CD8+T细胞杀死外源病原菌。除此以外，细菌进入乳头后，会释放毒素，此时，白细胞和上皮细胞会释放趋化因子，如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素IL-1、IL-2、IL-8等。趋化因子的释放会使中性粒细胞（PMN）聚集在感染部位。中性粒细胞的作用是吞噬和杀死入侵细菌，而巨噬细胞在中性粒细胞完成任务后会吞噬它。在此过程中，除了凋亡和脱落的乳腺上皮细胞，还会有一些凋亡的白细胞被分泌到牛奶中，即会导致奶牛体细胞计数（SCC）的升高［3］。

2 奶牛乳房炎的检测方法

2.1 根据体细胞计数（SCC）检测奶牛乳房炎

奶牛体细胞计数是与奶牛乳房炎呈正相关的一个性状，可以使用自动化挤奶设备记录，从而检测奶牛是否患乳房炎。根据国际规定，当牛奶中的SCCgt;50万/mL时，奶牛极有可能已经患乳房炎［4］。使用自动化挤奶设备属于直接检测法，另外还有属于间接检测法的加利福尼亚乳房炎检测法以及属于实验室检测方法的威斯康辛乳房炎检测法。

2.2 差异细胞计数法检测奶牛乳房炎

研究表明，差异细胞计数法也是检测乳房炎的有效手段，差异细胞计数法会显示炎症反应中细胞相对比例的变化，以此可以区分奶牛乳腺中的健康和发炎腺体［5］。

2.3 MTT法检测奶牛乳房炎

MTT（四甲基偶氮唑盐，商品名为噻唑蓝）法可直接用于检测乳房炎牛奶的细菌药敏试验。MTT法的药敏试验在检测细菌药敏性时具有准确、简便、快捷等优点，适合在基层临床兽医中推广应用，方便快捷，可避免延误治疗［6］。

2.4 其他方法

主成分分析（PCA）是一种分析多变量的技术，也被称作为潜变量法或投影法，是一种较新的方法［7］。除此以外，还有利用PCR检测乳房炎和酶联免疫吸附试验检测乳房炎等经典方法，在实际中应用也较多。另外蔡一欣等［8］设计出便携式计算机视觉快速检测系统，这种系统更加快速、高效、便捷，拥有更高的针对性，符合未来检测手段的发展方向。红外热像仪（IRT）技术是一种间接非侵入性筛查乳房炎的方法，对于早期治疗乳房炎非常有效［9］。

诊断技术下一步发展方向是更多地借助于生物标记物来诊断，另外提高现有技术的灵敏性以及特异性也是一个发展方向。

3 奶牛乳房炎的治疗

抗生素疗法一直是比较传统、高效的预防及治疗方法，但是长期使用抗生素会使奶牛产生耐药性，所以更多的治疗方法渐渐出现。中草药和蒙兽药治疗奶牛乳房炎都是非常好的方法。有研究表明，这些疗法效果可能好于抗生素疗法，研究者下一步目标是探究中草药、蒙兽药等在治疗奶牛乳房炎过程中的作用机制，从而为中草药和蒙兽药的质量提高以及标准化使用奠定良好的基础［10-13］。

4 奶牛乳房炎抗性育种研究进展

乳房炎的诊断以及治疗是抑制乳房炎的有效手段，但想要从根本上消除乳房炎，还要通过分子育种的手段从遗传的角度培育出抗乳房炎的奶牛品种。近年来奶牛乳房炎的相关调控机制方面的研究较多，但奶牛乳房炎抗性育种方面还有大量的工作要做。下面从SNP技术、候选基因以及表观遗传学角度等方面概述一下近年来奶牛乳房炎抗性育种取得的成果。

4.1 利用SNP技术进行奶牛乳房炎抗性育种

SNP（single nucleotide polymorphism，SNP），即单核苷酸多态性，指在基因组DNA序列中出现了特定位点的单核苷酸的替换，进而使得基因组DNA序列出现多态性。利用SNP技术进行分子育种有许多优点，SNP在遗传上比较稳定、数目众多且具有代表性，并且现在检测SNP也比较直接方便［14］。另外，由于乳房炎的遗传力较低等原因，奶牛体细胞计数（SCC）常作为奶牛乳房炎研究的指示性状。

Usman 等［15］通过研究发现，IL-17F 和 IL-17A 中的SNP与奶牛乳房炎的抗性有极大的关联，而这个SNP可以在奶牛乳房炎育种工作中作为有效的遗传标记。Adrianna等［16］研究发现，CXCR1 基因的 735 位的 CG 基因型和472位的GG基因型是导致奶牛出现低SCS的原因，这就说明这两个基因型是与奶牛乳房炎相关的，但是他们的研究没有能够证实CXCR1基因中的SNP与奶牛乳房炎相关，所以后续还需要对此进行研究。Pokorska 等［17］发现，CXCR1 c.365Tgt;C 的突变是与奶牛乳房炎抗性相关的一个新的候选分子遗传标志。Guo等［18］通过最小二乘法分析了中国荷斯坦奶牛α1-AT基因G5503A和G5746C的突变与SCS之间的关系，结果表明，BBDD的基因型组合可能是乳房炎抗性的有利组合，这意味着他们研究中的B等位基因和BD单体型可用作中国荷斯坦奶牛抗乳房炎的遗传标记。陈仁金等［19］研究中国荷斯坦牛TOLL样受体4（toll-like receptor 4，TLR4）基因的遗传多态性及其与体细胞评分（SCS）的关联性，发现中国荷斯坦奶牛TLR4基因中的SNP-226 Ggt;C突变和SNP-1760 Cgt;T突变都可能与奶牛乳房炎抗性相关。陈仁金等［20］研究CXCR1基因与奶牛乳房炎的关系，发现此基因的-1830（A/G）位点AA基因型、-1 768（T/A）位点 TT 基因型和-344（T/C）位点 TT 基因型以及单倍型Haplo2（ATTA）纯合体对中国荷斯坦牛的SCS具有较大的遗传效应，可以作为分子标记应用于奶牛乳房炎抗性的筛选。Wang等［21］发现，在奶牛由链球菌引起的乳房炎中，CD46基因因为内含子8上的突变会对奶牛产生有害的影响。Li等［22］在HMGB1基因的3’UTR区发现了一个新的SNP位点g.+2776 Agt;G会改变HMGB1和bta-miR-223的结合，从而影响奶牛体细胞评分，这个新的基因型可用作乳房炎抗性育种的候选标记物。王梦琦等［23］研究发现，TLR1-245 G＞T与中国荷斯坦牛日产奶量及SCS极显著相关（P＜0.01），TLR1-245 G＞T与奶牛患临床乳房炎次数显著相关（P＜0.05），TT型个体患临床乳房炎次数显著低于GG和GT型个体（P＜0.05），此研究结果为提高荷斯坦牛产奶量和控制乳中体细胞数的分子标记选择提供了参考。

4.2 通过筛选候选基因进行奶牛乳房炎抗性育种

奶牛乳房炎感染机制相当复杂，包括了很多的通路和基因。研究者们目前已经筛选出很多与奶牛乳房炎相关的基因，并且对这些基因进行了较为深入的研究，包括乳铁蛋白（LF）基因，主要组织相容性抗原复合体（MHC）基因，ToLL样受体家族基因，β-防御素基因，热休克蛋白 70 基因等［24］。2015 年 Wang 等［25］通过 SNP技术以及GO富集分析发现TRAPPC9基因和ARHGAP39基因是与奶牛乳房炎相关的候选基因。Song等［26］研究发现，NRG1、MST1和NAT9基因与金黄色葡萄球菌感染的亚临床型乳房炎强烈相关，对乳房炎抗性育种是一个强有力的分子标记。胡海川等［27］利用PCR-SSCP技术检测了Nrampl基因exon11的多态性，得出结论可以将Nrampl基因作为与奶牛乳房炎相关的一个候选基因，也可作为奶牛乳房炎育种工作中的分子标记物。

免疫系统的主要功能是防止外界细菌入侵，消除存在的感染，杀死侵入的细菌，并进行组织修复。奶牛乳房炎的感染也涉及到奶牛的免疫反应过程，这其中涉及到很多基因，研究者们近年来也对此做了相当多的研究。Kadri等［28］研究发现，CARD6 蛋白在细胞凋亡、NF-κB活化以及炎症反应的信号转导通路中起关键作用，另外LIFR基因具有抗炎症功能，因此这两个基因可以作为乳房炎抗性研究的重要候选基因。另外Sugimoto等［29］发现，FEZL基因在奶牛感染乳房炎的组织中较高表达，所以认为此基因是与奶牛乳房炎相关的一个候选基因。

4.3 从表观遗传学角度进行奶牛乳房炎抗性育种

研究发现，除了传统意义上的DNA遗传信息以外，还有一些DNA序列以外的遗传调控，即表观遗传调控。表观遗传主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA，其中DNA甲基化研究较多。有研究表明，表观遗传是炎症发生发展的主要调控机制，所以研究者就表观遗传在奶牛乳房炎中的调控方面做了相应的研究。

罗国静等［30］利用生物信息学分析以及亚硫酸氢盐测序PCR等实验方法研究发现，COLIA2基因在不同乳腺组织中差异表达，而这很有可能与其启动子区CpG岛转录因子SP1结合区域内的第4 CpG位和第5 CpG位点甲基化程度差异有关系，他们还发现此基因在这两个位点中甲基化表达程度与奶牛乳房炎有关联。He等［3 1］研究发现，泌乳奶牛通过组蛋白H3调节金黄色葡萄球菌和淋巴细胞之间的相互作用，H3K27me3基因与奶牛金黄色葡萄球菌乳房炎易感性有关，此基因可以作为奶牛乳房炎的一个关键候选基因。

4.4 其他与奶牛乳房炎抗性育种相关的最新研究进展

研究者通过筛选SNP位点、QTL定位、选择候选基因等方法在奶牛乳房炎抗性育种方面进行了相当多的研究，也取得了很多的成果，近几年，也有从其他角度进行奶牛乳房炎育种工作的，比如Yang等［32］的研究结果表明，注射褪黑素可以降低奶牛体细胞计数从而提高牛奶的质量，但是这其中具体的反应机理还需要进一步研究。Heringstad等［33］研究发现，奶牛乳房炎易感性与奶牛的蛋白产量存在拮抗关系，其中的具体作用机制还需要进一步研究。Franzén等［34］建立了一种从乳房炎感染到恢复的包含整个过程的模型，能够得到从感染乳房炎到恢复的整个过程中的所有育种值，这对于乳房炎抗性育种研究是很有利的。

5 小结与展望

研究者通过努力在奶牛乳房炎防治以及抗性育种工作中取得了很多的成果，目前对于奶牛乳房炎从预防、检测和治疗以及抗性育种工作都各自有一套非常系统的解决方案。奶牛乳房炎的预防、检测、治疗的各种仪器、技术正朝着更加高效、专一、先进的方向发展，未来的研究方向是力求进一步提高这些技术的高效性和专一性。将奶牛乳房炎的预防、检测、治疗的一系列技术结合起来，提高互相之间的联系性，从而使各个技术通过互相联系变得更加准确和高效也是亟待解决的问题。在奶牛乳房炎抗性育种方面，研究者通过检测SNP、筛选候选基因以及其他研究已经取得了很多成果。下一步的目标即是利用好这些研究结果，彻底探究奶牛乳房炎的感染以及恢复机制，及时准确地找到一些与奶牛乳房炎相关的基因，并且利用这些基因进行奶牛乳房炎抗性育种工作，早日培育出具有乳房炎抗性的奶牛群体。

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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

中国农业科学院科技创新工程（ASTIP-IAS13）；国家科技支撑计划课题（2006BAD04A10）；北京市自然科学基金项目（6022015）

孙庆（1994-），男，硕士研究生，主要从事动物分子育种研究。

储明星，研究员，博士，博士生导师，主要从事动物遗传育种研究。