竹磊,張海亮,陳少侃,3,安濤,羅漢鵬,劉林,黃錫霞,王雅春?
1中國農業(yè)大學動物科技學院,北京 100193;2新疆農業(yè)大學動物科學學院,烏魯木齊 830052;3北京首農畜牧發(fā)展有限公司,北京100029;4北京奶牛中心,北京 100085
【研究意義】乳房炎是奶牛養(yǎng)殖中造成經(jīng)濟損失最多的疾病之一。在我國,每年由乳房炎引起的奶牛產奶量下降所造成的損失,每頭牛約為1 200—3 600元[1]。由于臨床乳房炎發(fā)病記錄資料受主觀因素影響較大,且臨床乳房炎的遺傳力較低,直接對臨床乳房炎進行選擇難度較大[2-4],選擇一個便于測量的表型性狀作為間接性狀,準確體現(xiàn)乳房的健康狀況尤為重要?!厩叭搜芯窟M展】大量研究發(fā)現(xiàn)[5-8],牛奶中的體細胞數(shù)(somatic cell count,SCC)與臨床乳房炎之間存在較高的遺傳相關(0.5~0.7),通過SCC可以間接選擇乳房炎抗性;SCC是指每毫升牛奶中的細胞總數(shù),當乳房外傷或發(fā)生疾病產生炎癥時,刺激免疫系統(tǒng)使其發(fā)生自發(fā)性和適應性反應,造成SCC升高。研究表明[9-11],牧場飼養(yǎng)管理的方式、氣候差異、泌乳階段等因素均是影響牛奶SCC的重要因素;隨著SCC的增加,奶牛的產奶量、乳蛋白量和乳脂量逐漸下降。泌乳早期一般是指奶牛開始泌乳后的第一個月,是奶牛飼養(yǎng)管理的關鍵時期。研究表明[12],大約75%的奶牛疾病發(fā)生在產后一個月,泌乳早期的飼養(yǎng)管理直接影響奶牛在整個泌乳期的生產性能和經(jīng)濟效益。本研究團隊前期研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)[13],荷斯坦牛泌乳早期SCC(SCCel)與泌乳期測定日SCC的群體規(guī)律不同,泌乳早期體細胞評分(somatic cell score)與泌乳期各測定日SCS存在顯著的相關關系;VLIEGHER等在比利時奶牛群體中發(fā)現(xiàn)[14],奶牛產后5—14 d內的SCC增加會引起泌乳后期SCC的增加;陳振亮等[15]在江浙滬地區(qū)牛群中采用隨機回歸模型分析全期 SCC遺傳力時,發(fā)現(xiàn)SCC在泌乳早期具有更高的遺傳力(0.5)。【本研究切入點】由此可見,SCCel對于奶牛具有特殊的意義,監(jiān)測并研究奶牛的 SCCel十分必要。目前,在我國荷斯坦牛群中,泌乳早期的 SCC(尤其是產后6—35 d)與泌乳期各測定日SCC、產奶量之間的關系尚不明確。此外,國內尚無專門針對泌乳早期SCS(SCCel)進行遺傳分析的報道?!緮M解決的關鍵問題】因此,本研究基于北京奶牛中心長期積累的荷斯坦牛群的大規(guī)模數(shù)據(jù),分析了 SCCel與泌乳期各測定日SCC和產奶量之間的關系,同時定義了多個 SCSel性狀,并對這些性狀進行了遺傳分析,以期為牧場利用SCCel管理牛群提供理論依據(jù),為荷斯坦牛乳房炎抗性的選育提供新的思路。
1.1.1 體細胞數(shù)記錄 本研究所使用的奶牛體細胞數(shù)記錄來自北京奶牛中心2008年至2018年積累的奶牛生產性能測定數(shù)據(jù)(dairy herd improvement,DHI),原始數(shù)據(jù)覆蓋全國141個牛場的182 378頭荷斯坦牛,共包含2 783 046次測定日記錄。原始數(shù)據(jù)包含測定牛只的個體號、胎次、出生日期、產犢日期、測定日期、產奶量和SCC。
1.1.2 系譜資料 本研究所使用的原始系譜數(shù)據(jù)庫來自于北京奶牛中心,共包括11 254頭公牛和282 248頭母牛?;谠枷底V數(shù)據(jù)庫,對有表型記錄的個體向上進行系譜追溯,直到不再增加相關個體而獲得用于遺傳分析的小系譜,其中包括6 451頭公牛和103 452頭母牛,這些個體出生于1934—2018年。
利用R(3.5.1)語言(https://www.r-project.org/)對DHI記錄進行整理,并剔除異常數(shù)據(jù):①年均DHI測定記錄少于200條的牧場;②SCC值缺失的個體;③產后前5 d 的記錄;④ 3胎以上的記錄;⑤各胎次產犢月齡不符合要求(第1胎為 23—33月齡,第 2胎為35—49月齡,第3胎為48—62月齡)的記錄;⑥根據(jù)測定日期與產犢日期計算泌乳天數(shù)(days in milk,DIM),剔除泌乳天數(shù)不處于6—305 d 的記錄。經(jīng)整理得到數(shù)據(jù)集1,共包括59個牧場的150 864頭荷斯坦牛的1 869 976條SCC記錄。
為研究SCCel和各測定日SCC之間的關系,本研究將每頭牛產后6—305 d 的測定日DHI記錄按照每30 d間隔分為 10個階段(產后 6—35 d、36—65 d、……、276—305 d)。其中,將產后6—35 d的SCC定義為泌乳早期體細胞數(shù)(SCCel),將產后36—305 d的SCC定義為泌乳期不同泌乳階段的測定日SCC。在數(shù)據(jù)集1的基礎上,篩選擁有SCCel記錄的個體形成數(shù)據(jù)集2,用于分析SCCel的變化規(guī)律并估計其遺傳參數(shù),數(shù)據(jù)集2共包括94 027頭荷斯坦牛的174 046條SCCel記錄;在數(shù)據(jù)集2的基礎上,將有表型的母牛與系譜記錄進行匹配,剔除沒有系譜記錄的記錄,獲得數(shù)據(jù)集3,共包括68 761頭荷斯坦牛的132 639條SCSel記錄,用以估計SCSel的遺傳參數(shù);將各胎次SCSel分別定義為一個性狀,獲得數(shù)據(jù)集4,各胎次內多個SCSel測定記錄時,僅保留泌乳天數(shù)較早的記錄,用以分別估計1胎、2胎和3胎SCSel性狀的遺傳力及性狀間的遺傳相關,數(shù)據(jù)集3中1胎、2胎和3胎SCSel性狀分別有42 745頭、36 859頭和19 254頭牛的單次測定記錄。在數(shù)據(jù)集1的基礎上,篩選同時具有SCCel和泌乳期測定日SCC、產奶量記錄的個體形成數(shù)據(jù)集5,用于分析SCCel對泌乳期測定日SCC和產奶量的影響,及SCSel對泌乳期測定日SCS和產奶量的回歸關系,數(shù)據(jù)集5共包含94 027頭牛的1 307 764條記錄。為分析SCCel對泌乳期測定日SCC和產奶量的影響,將SCCel劃分為5個水平,水平1(≤50千個/mL)、水平2(50—200千個/mL)、水平3(200—500千個/mL)、水平4(500—1 000千個/mL)和水平5(>1 000千個/mL),以分析SCCel處于不同水平時,泌乳期各測定日SCC和產奶量的變化規(guī)律。
本研究中,胎次效應包含3個水平,分別為1胎、2胎和3胎;根據(jù)牧場在泌乳早期的年均DHI測定頭數(shù)將牧場測定規(guī)模劃分為3個水平,規(guī)模1(年均測定200—500頭)、規(guī)模2(年均測定501—1 000頭)、規(guī)模3(年均測定數(shù)1 000頭);將測定季節(jié)劃分為4個水平,春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(1、2和12月);將測定年份劃分為11個水平,2008—2018年每年為一個水平;將泌乳早期泌乳天數(shù)劃分為30個水平,產后第6—35天每天為一個水平。
1.3.1 影響因素分析 采用固定模型(模型1),利用SAS 9.2軟件(https://www.sas.com)的GLM過程分析非遺傳因素對SCSel的影響,用Bonferrini t檢驗進行多重比較,以P<0.05為差異顯著。
式中:Yijklmn為SCSel,μ為總體均值,HSi為牧場測定規(guī)模效應,TYj為測定年份效應,TSk為測定季節(jié)效應,PARITYl為胎次效應,DIMm泌乳天數(shù)效應,eijklmn為隨機殘差。
1.3.2 混合線性回歸分析 采用混合線性回歸模型(模型2),使用SAS9.2軟件的REG過程分別分析SCSel對泌乳期各測定日SCS及MY的回歸關系,以P<0.05為回歸關系顯著。
式中:Yijkl分別為泌乳期各測定日SCS或MY,β0為回歸模型的截距項,SCSeli為泌乳早期SCS,DIMj為泌乳早期泌乳天數(shù)固定效應,PARITYk為胎次固定效應,F(xiàn)IDijkl為個體隨機效應,β1和 β2分別為回歸系數(shù),eijkl為誤差項。
1.3.3 遺傳參數(shù)估計 基于DMU軟件AI模塊[17],利用平均信息約束估計最大似然法求解混合線性方程組獲得各性狀的(協(xié))方差組分估計值,并計算各性狀的遺傳參數(shù)。首先,采用單性狀重復力動物模型對SCSel進行遺傳分析,模型中包含的效應如模型3所示。
式中:yijklm為 SCSel,HSi為牧場規(guī)模固定效應,YSj為測定年-季固定效應,Pk為胎次固定效應,DIMl為泌乳天數(shù)固定效應,aijklm為個體加性遺傳隨機效應,Peijklm為個體永久環(huán)境隨機效應,eijklm為隨機殘差效應。
然后,采用單性狀和二性狀動物模型分別對不同胎次SCSel性狀進行遺傳分析,模型中包含的效應如模型4所示。
式中:yijkl為個體觀察值,分別為1胎、2胎和3胎牛的SCSel,HSi為牧場規(guī)模固定效應,YSj為測定年-季固定效應,DIMk為泌乳天數(shù)固定效應,aijkl為個體加性遺傳隨機效應,eijkl為隨機殘差效應。
利用數(shù)據(jù)集2分析不同胎次的荷斯坦牛SCCel隨泌乳天數(shù)的變化趨勢,如圖1所示。整體上,荷斯坦牛 SCCel隨著泌乳天數(shù)的增加呈逐漸下降的趨勢。1胎和2胎荷斯坦牛泌乳前10 d SCC下降幅度較大,泌乳20 d 后,SCC變化趨于穩(wěn)定;且1胎和2胎荷斯坦牛泌乳第6天SCC最高,第35天最低,極差分別為99.88千個/mL和76.18千個/mL。此外,3胎牛在泌乳早期SCC的波動較大,且3胎牛SCCel整體高于1、2胎牛。
圖1 不同胎次荷斯坦牛泌乳早期體細胞數(shù)的變化趨勢Fig.1 The change trends of somatic cell count during early lactation under different parities in Holstein
對數(shù)據(jù)集2中數(shù)據(jù)利用固定模型1分析非遺傳因素對SCSel的影響,結果表明牧場規(guī)模、測定年份、測定季節(jié)、胎次和泌乳天數(shù)均對SCSel有顯著影響(P<0.05)。由表1可知,泌乳早期年均測定規(guī)模1 000頭以上牧場的奶牛 SCSel顯著低于年均測定規(guī)模1 000頭以下的牧場。SCSel隨胎次的增加呈先下降后上升的趨勢,頭胎奶牛(2.87 ± 0.01)與3胎奶牛(2.85± 0.01)較高,均顯著(P<0.05)高于2胎奶牛(2.65± 0.01),SCSel相差0.22和0.20,即SCC相差14.56千個/mL和14.36千個/mL。不同季節(jié)之間,奶牛在夏季SCSel最高,為3.10 ± 0.01;在冬季最低,為2.64 ±0.01,兩季節(jié)間相差0.46,即SCC相差17.19千個/mL;除春季與秋季之間無顯著差異外,其他季節(jié)兩兩之間均存在顯著差異(P<0.05)。此外,研究還發(fā)現(xiàn)測定年份和泌乳天數(shù)對SCSel有顯著影響;其中,泌乳早期的SCSel隨泌乳天數(shù)的增加也呈逐漸下降的趨勢,與圖1相似,泌乳第6 天最高,為3.26 ± 0.03,第35 d最低,為2.54 ± 0.02,SCS相差0.72,即SCC相差20.59千個/mL。
表1 不同測定規(guī)模、胎次、測定季節(jié)對荷斯坦牛泌乳早期體細胞評分的影響Table 1 The impacts of different herd test scale,parity,test season on the somatic cell score during early lactation in Holstein
通過對數(shù)據(jù)集2中的泌乳早期體細胞數(shù)水平進行分組,以探究不同分組奶牛在數(shù)據(jù)集5中整個泌乳期內SCC的表現(xiàn)情況如圖2所示。荷斯坦牛SCCel處于較高水平時,其泌乳期各測定日的SCC水平均處于較高水平。同時,隨著泌乳期的延長,不同SCCel分組之間的泌乳期 SCC差異逐漸變小。與 SCCel處于50—200千個/mL的奶牛相比,SCCel表現(xiàn)最好的奶牛在隨后的泌乳期,泌乳期SCC平均降低16千個/mL;與SCCel大于1 000千個/mL的奶牛相比,SCCel表現(xiàn)最好的奶牛隨后的泌乳期,泌乳期 SCC平均降低22千個/mL。
圖2 泌乳早期不同體細胞數(shù)水平的奶牛在整個泌乳期內體細胞數(shù)的差異Fig.2 The difference of somatic cell count during the whole lactation period among the cows with different performance on somatic cell count in early lacatation
荷斯坦牛SCCel處于不同水平時,其在整個泌乳期內各測定日產奶量差異如圖3所示。荷斯坦牛SCCel處于較高水平時,其在每個測定日的產奶量均有不同程度的損失;隨著泌乳期的延長,不同SCCel分組的奶牛之間,測定日產奶量的差異逐漸減小。與 SCCel表現(xiàn)最好的一組奶牛相比,SCCel處于51 — 200千個/mL的奶牛在整個泌乳期內的日產奶量平均損失約為0.65 kg,每頭牛每個泌乳期的損失約為176 kg;其他3組奶牛在整個泌乳期內的日產奶量平均損失分別為0.88、1.19和1.43 kg。
圖3 不同分級體細胞數(shù)對應每30d 間隔產奶量均值的變化Fig.3 The difference of daily milk yield during the whole lactation period among the cows with different performance on somatic cell count in early lacation
利用線性回歸模型2分別對數(shù)據(jù)集2中SCSel與數(shù)據(jù)集5中泌乳期各測定日SCS進行回歸分析,結果如表2所示。SCSel對泌乳期各測定日SCS均有極顯著(P<0.01)的回歸關系,SCSel越高,泌乳期各測定日SCS越高;隨著泌乳天數(shù)的增加,SCSel對測定日SCS的回歸系數(shù)逐漸減小,SCSel對測定日SCS的影響逐漸減小。相同胎次的荷斯坦牛,其SCSel每上升一個單位,測定日SCS上升0.06(275—305 d)—0.19(36—65 d)個單位,即泌乳期SCC增加13.03(275—305 d)—14.25(36—65 d)千個/mL。
表2 泌乳早期體細胞評分對不同泌乳階段測定日體細胞評分的多元線性回歸Table 2 Multiple linear regression of somatic cell score in early lactation on test-day somatic cell score in different lactation stages
利用模型2分別對數(shù)據(jù)集2中SCSel與數(shù)據(jù)集5中泌乳期各測定日產奶量進行回歸分析,結果如表3所示,SCSel對泌乳期各測定日產奶量均有極顯著(P<0.01)的回歸關系,回歸系數(shù)隨著泌乳階段的增加而減小,不同測定日的回歸系數(shù)為-0.46—-0.16。相同胎次的荷斯坦牛,其SCSel每上升1個單位,每頭奶牛在隨后的泌乳期日產奶量損失范圍為 0.16—0.46 kg,每頭奶牛整個泌乳期產奶量損失約為40.5—159.3 kg。
表3 泌乳早期體細胞評分對各測定日產奶量的多元線性回歸Table 3 Multiple linear regression of somatic cell score in early lactation on test-day milk yield
使用單性狀重復力動物模型和單性狀動物模型分別對數(shù)據(jù)集3中SCSel和數(shù)據(jù)集4中各胎次SCSel進行遺傳分析,各性狀的方差組分和遺傳參數(shù)估計值如表4所示。由表4可知,荷斯坦牛SCSel及各胎次SCSel均為低遺傳力性狀,遺傳力估計值在0.03—0.07之間,其中頭胎牛SCSel性狀的遺傳力最高,三胎牛SCSel性狀的遺傳力最低。
表4 荷斯坦牛泌乳早期體細胞評分方差組分及遺傳參數(shù)估計值Table 4 Estimates of variance components and genetic parameters for somatic cell score during early lactation in Holstein
使用二性狀動物模型分別對荷斯坦牛不同胎次SCSel性狀進行遺傳分析,各性狀之間的表型相關和遺傳相關估計值如表5所示。不同胎次的SCSel性狀之間的表型相關均較低,均小于0.1;不同胎次SCSel性狀之間存在中等到高的遺傳相關,范圍為 0.54(1胎與3胎)—0.87(2胎與3胎)。
表 5 不同胎次荷斯坦牛泌乳早期體細胞評分的表型相關與遺傳相關Table 5 Phenotypic correlations and genetic correlations among somatic cell score during early lactation under different parities in Holstein
本研究發(fā)現(xiàn),荷斯坦牛不同胎次泌乳早期SCC隨泌乳天數(shù)的增加有下降的趨勢,泌乳前10 d SCC下降幅度較大,這與張海平等[18]對不同泌乳階段SCC變化的研究結果一致。牛奶中的SCC一直被作為衡量乳房健康狀況的指標[19-20],在泌乳前2周,SCC波動幅度較大,這可能是由于奶牛的代謝和內分泌在這段時期發(fā)生巨大變化,奶牛機體自身免疫作用逐漸增強;產奶量的增加對SCC起到了稀釋作用,降低了牛奶中的SCC[21]。
本研究中,牧場測定規(guī)模、測定季節(jié)和奶牛胎次均對荷斯坦牛泌乳早期SCS有顯著影響。泌乳早期年均測定次數(shù)在1 000頭以上的牧場,其荷斯坦牛泌乳早期SCS顯著低于年均測定次數(shù)1 000頭以下的荷斯坦牛,這可能是由于大規(guī)模牧場更加充分地利用DHI測定報告,制定了更加科學的乳房健康管理措施。在夏季時,泌乳早期SCC明顯高于其他季節(jié),這與郭家中等[22]研究產奶月份對泌乳期測定日SCS影響的結果類似;王相根等[23]也發(fā)現(xiàn),夏季牛奶體細胞數(shù)明顯高于其他月份。這可能是由于夏季環(huán)境溫濕度較高,奶牛同時受到熱應激的影響,導致奶牛乳房發(fā)生炎癥的風險進一步增加。本研究發(fā)現(xiàn)3胎及以上荷斯坦牛泌乳早期SCS和泌乳期SCS明顯高于1、2胎牛,這與張崢臻等[24]對牛奶體細胞數(shù)與乳成分的研究結果類似。這可能是由于隨著母牛年齡和胎次的增加,機體抵抗力和免疫力逐漸下降,泌乳母牛的乳房受長期擠奶的刺激,乳房的損傷較多,使得病原菌更易侵入并感染乳區(qū),最終導致乳中SCC升高。
本研究發(fā)現(xiàn),SCCel處于較高水平時,在隨后的泌乳期,其SCC均處于較高水平,且其產奶量也存在不同程度的損失。VLIEGHER等[25]研究發(fā)現(xiàn),頭胎牛泌乳早期SCC(5—14 d)持續(xù)在較高水平會對整個泌乳期的SCC和產奶量造成負面影響,這與本研究結果類似。大量研究表明[26-27],SCC與產奶量呈負相關,其原因可能是乳中SCC較高時,乳房炎致病菌分泌的毒素損傷乳腺上皮細胞,影響乳腺的泌乳機能。本研究中,低水平和高水平泌乳早期SCC的奶牛在隨后泌乳期的測定日產奶量的差異可達1.43—2.69 kg·d-1,這與以上文獻結果一致。
本研究發(fā)現(xiàn),荷斯坦牛不同胎次 SCSel與產后36—305 d的測定日SCS之間均存在極顯著的正回歸關系,并與36—305 d的測定日產奶量之間均存在極顯著的負回歸關系。竹磊等[13]對泌乳早期(0—7 d)SCS與產后不同泌乳階段的SCS關系的研究中發(fā)現(xiàn),泌乳早期SCS與不同泌乳階段的SCS存在顯著或接近顯著水平的回歸關系。VLIEGHER等[14]研究發(fā)現(xiàn),頭胎牛泌乳早期(5—14 d)的SCS與泌乳期SCS之間存在極顯著的回歸關系,泌乳早期SCS過高時,會造成整個泌乳期的SCS始終保持在較高水平,泌乳期不同階段產奶量均會產生不同程度的損失。由此可見,泌乳早期SCS與泌乳期SCS和MY之間存在關系,利用泌乳早期 SCS可以預測奶牛在整個泌乳期 SCS和產奶量表現(xiàn);通過對泌乳早期SCS進行監(jiān)測,有利于牧場在母牛產后及早地對 SCC表現(xiàn)不同的個體進行差異化管理。
本研究發(fā)現(xiàn),SCSel和不同胎次SCSel均為低遺傳力性狀,不同胎次SCSel的遺傳力在0.03—0.07。KONSTANTINOV 等[28]在澳大利亞奶牛群體中研究SCS性狀時發(fā)現(xiàn),不同胎次的SCS性狀具有不同的遺傳力,其估計澳大利亞 1—3胎的荷斯坦牛泌乳全期SCS的遺傳力估計值為0.05—0.16;任小麗等[29]利用測定日模型估計頭胎荷斯坦牛體細胞評分的遺傳力為0.09;CASTILLO等[30]在研究美國荷斯坦牛群體在不同環(huán)境下生產性能的遺傳和表型關系時,高產奶牛組和低產奶牛組其 SCS的估計遺傳力分別為 0.10和0.09;本研究所獲得的泌乳早期SCS的估計遺傳力略低于上述研究所報道的范圍。在不同群體中,由于遺傳背景、飼養(yǎng)環(huán)境和管理模式等的差異,同一性狀的遺傳參數(shù)估計值略有差異。另外,本研究發(fā)現(xiàn),不同胎次SCSel之間存在中等及以上的遺傳相關,不同胎次的泌乳早期 SCS具有不同的遺傳基礎。鑒于泌乳早期SCS與泌乳期SCS具有相近的遺傳力,及其對泌乳期 SCS的預測能力,有必要對該性狀進行進一步研究。
由本研究結果可知,泌乳早期SCC與泌乳期SCC有不同的群體特征,其變異更大;此外,泌乳早期SCC與泌乳期 SCC,產奶量均有一定關系。因此,在我國奶牛育種實踐中,建議增加奶牛泌乳早期SCC測定頻率,以捕獲泌乳早期SCC的變異,并開發(fā)泌乳早期SCC新性狀,已完善我國奶牛群體乳房炎抗性選育方法。
荷斯坦牛泌乳早期(6—35 d)體細胞數(shù)(SCC)受胎次、季節(jié)等影響,泌乳早期SCC具有不同于泌乳期測定日SCC的群體特征。泌乳早期SCC較高會使整個泌乳期的SCC處于較高水平,還會造成奶牛在整個泌乳期的產奶量損失。泌乳早期SCC與泌乳期內各測定日SCC和產奶量之間存在顯著的回歸關系,監(jiān)控奶牛泌乳早期的 SCC水平有助于管理奶牛在整個泌乳期內的性能表現(xiàn)。荷斯坦牛泌乳早期體細胞評分為低遺傳力性狀,不同胎次的泌乳早期體細胞評分之間存在中到高的遺傳相關。本研究為牧場在母牛產后根據(jù)泌乳早期 SCC水平進行差異化精細管理提供了理論依據(jù),并為探究荷斯坦牛在泌乳早期體細胞數(shù)差異的遺傳機制奠定了基礎。