北京地區(qū)中國荷斯坦牛體細(xì)胞評(píng)分差值變化規(guī)律及遺傳力估計(jì)

史良玉，張瑞強(qiáng)，李 想，Serafino Musa Abdelkarim Augustino，Muhammad Zahoor Khan，劉 林，肖 煒，唐韶青，張 毅，王雅春，俞 英*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193；2. 北京市奶牛中心，北京 100085；3. 北京市畜牧總站，北京 100029)

隱性乳房炎是泌乳奶牛最常見、危害最大的疾病之一，全世界奶牛群發(fā)病率50%左右，我國約48%～70%[1-2]。奶牛隱性乳房炎缺乏明顯臨床特征，且易發(fā)展成為臨床乳房炎，其嚴(yán)重程度與奶牛先前的健康狀況有關(guān)[3]。奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定(Dairy herd improvement，DHI)中的牛奶體細(xì)胞數(shù)(Somatic cell count，SCC)初步反映了牛奶質(zhì)量及牛只的健康狀況，常作為評(píng)估隱性及臨床乳房炎的間接指標(biāo)[4]。

研究表明，管理良好與否、環(huán)境病原菌狀況、季節(jié)變化以及奶牛自身生理特征均是影響牛奶中SCC值的重要因素[5-10]。因此，僅依據(jù)每月測(cè)定一次DHI數(shù)據(jù)的SCC值，并不能及時(shí)反映奶牛乳房健康的變化狀況。I.Zwertvaegher等[11]研究發(fā)現(xiàn)，SCC值增加可作為炎性反應(yīng)的一個(gè)有效指標(biāo)。本研究團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)，隨著前后兩個(gè)相鄰測(cè)定日之間SCC差值的增加，奶牛產(chǎn)奶量損失也相應(yīng)加大[12-13]。因此，相鄰兩個(gè)月SCC差值變化對(duì)隱性乳房炎具有較好的警示作用。

由于SCC值呈偏態(tài)分布且方差不同質(zhì)，通常將其轉(zhuǎn)化為接近正態(tài)分布的體細(xì)胞評(píng)分(Somatic cell score，SCS)進(jìn)行遺傳統(tǒng)計(jì)分析。本研究擬針對(duì)同一奶牛相鄰兩月SCS差值，利用北京地區(qū)近19年來大群中國荷斯坦牛的DHI數(shù)據(jù)，進(jìn)行SCS差值規(guī)律研究及遺傳力估計(jì)，以期找到適合的奶牛群乳房健康狀況的變化規(guī)律及遺傳參數(shù)，為奶牛隱性乳房炎抗病育種提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)均來自北京奶牛中心，覆蓋121個(gè)牛場(chǎng)的78 386頭中國荷斯坦牛，時(shí)間為1998-2016 年，共計(jì)1 967 310次DHI測(cè)定記錄。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括個(gè)體號(hào)、胎次、產(chǎn)犢日期、測(cè)定日期、產(chǎn)奶量、乳脂量、乳脂率、乳蛋白量、乳蛋白率和SCC。

1.2 數(shù)據(jù)整理

SCS差值計(jì)算方法為，對(duì)于同一頭奶牛的同一胎次內(nèi)相鄰兩月SCS相減(當(dāng)月SCS減去上一個(gè)月SCS)，取測(cè)定記錄時(shí)間間隔在5～50 d的數(shù)據(jù)集。根據(jù)不同胎次內(nèi)不同產(chǎn)犢月齡母牛的分布情況，對(duì)產(chǎn)犢月齡進(jìn)行取舍，定義第1胎為23～33月齡；第2胎為35～49月齡；第3胎為48～62月齡；對(duì)場(chǎng)內(nèi)泌乳牛頭數(shù)過少的場(chǎng)(<200頭)予以剔除，以保證數(shù)據(jù)的平衡性[18]。剔除后，共得到101個(gè)場(chǎng)的936 375條DHI記錄。同時(shí)根據(jù)場(chǎng)內(nèi)泌乳牛頭數(shù)對(duì)場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行劃分，其中，200～400頭產(chǎn)奶牛為小型奶牛場(chǎng)(Small)，400～800頭產(chǎn)奶牛為中型奶牛場(chǎng)(Medium)，大于800頭產(chǎn)奶牛為大型奶牛場(chǎng)(Large)。

1.2.1 影響SCS差值的非遺傳因素分析 采用SAS 9.2 軟件中GLM過程分析了場(chǎng)規(guī)模、當(dāng)前測(cè)定年、當(dāng)前測(cè)定季節(jié)、胎次、產(chǎn)犢季節(jié)、當(dāng)前泌乳月等6個(gè)非遺傳因素對(duì)SCS差值的影響，將上一泌乳月SCS作為協(xié)變量，并進(jìn)行Duncan多重比較分析，模型：

Yijklsmo=μ+Hi+TYj+TSk+Pl+Cs+Lm+bS+eijklsmo

其中，Yijklsmo為SCS差值；μ為總體均值；Hi為場(chǎng)規(guī)模效應(yīng)；TYj為當(dāng)前測(cè)定年份；TSk為當(dāng)前測(cè)定季節(jié)；Pl為胎次效應(yīng)；Cs為產(chǎn)犢季節(jié)；Lm為SCS差值計(jì)算時(shí)的當(dāng)前泌乳月；S為上一泌乳月SCS協(xié)變量；b為對(duì)應(yīng)協(xié)變量的回歸系數(shù)；eijklsmo為隨機(jī)殘差，服從N(0，e)分布。

1.2.2 遺傳參數(shù)估計(jì) 使用DMUv6 R5.2 中的DMUAI模塊，采用平均信息限制最大似然法(Average Information Restricted Maximum Likelihood, AI-REML)結(jié)合期望最大化(Expectation Maximisation, EM)算法對(duì)中國荷斯坦牛SCS差值進(jìn)行方差組分估計(jì)，最后根據(jù)估計(jì)結(jié)果對(duì)遺傳參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。場(chǎng)規(guī)模、當(dāng)前測(cè)定年、當(dāng)前測(cè)定季節(jié)、胎次、產(chǎn)犢季節(jié)、當(dāng)前泌乳月劃為遺傳參數(shù)估計(jì)的6個(gè)固定效應(yīng)，隨機(jī)效應(yīng)考慮加性遺傳效應(yīng)、永久環(huán)境效應(yīng)及殘差隨機(jī)效應(yīng)，并將上一泌乳月SCS作為協(xié)變量。

Yijklsmno=μ+Hi+TYj+TSk+Pl+Cs+Lm+An+bS+Pen+eijklsmno

其中，Yijklsmno為SCS差值；μ為總體均值；Hi為場(chǎng)規(guī)模效應(yīng)；TYj為當(dāng)前測(cè)定年份；TSk為當(dāng)前測(cè)定季節(jié)；Pl為胎次效應(yīng)；Cs為產(chǎn)犢季節(jié)；Lm為SCS差值計(jì)算時(shí)當(dāng)前泌乳月；S為上一泌乳月SCS協(xié)變量；b為對(duì)應(yīng)協(xié)變量的回歸系數(shù)；An為個(gè)體n的加性遺傳效應(yīng)；Pen為個(gè)體永久環(huán)境效應(yīng)；eijklsmno為隨機(jī)殘差，服從N(0，e)分布。

2 結(jié) 果

2.1 中國荷斯坦牛SCS差值分析

北京地區(qū)中國荷斯坦牛各胎次SCC、SCS 、SCC差值及SCS差值分布如圖1所示，其基本統(tǒng)計(jì)量見表1。根據(jù)偏度與峰度的結(jié)果，SCC與SCC差值不符合正態(tài)分布，SCS及SCS差值基本符合正態(tài)分布，由于SCS差值更能反映相鄰兩月牛奶體細(xì)胞變化趨勢(shì)，故選擇SCS差值進(jìn)行后續(xù)分析。

A. SCC分布；B. SCS分布；C. SCC 差值分布；D. SCS 差值分布A. SCC distribution; B. SCS distribution; C. SCC difference distribution; D. SCS difference distribution圖1 北京地區(qū)中國荷斯坦牛SCC、SCS及其相鄰兩月差值數(shù)據(jù)分布Fig.1 The distribution of SCC, SCS and their differences in Chinese Holstein cattle in Beijing

表1 SCC、SCS、SCC差值、SCS差值基本統(tǒng)計(jì)量Table 1 The basic statistics for SCC, SCS, SCC difference, SCS difference

2.2 非遺傳因素對(duì)北京地區(qū)中國荷斯坦牛SCS差值影響的分析

應(yīng)用GLM過程分析了場(chǎng)規(guī)模、當(dāng)前測(cè)定年、當(dāng)前測(cè)定季節(jié)、胎次、產(chǎn)犢季節(jié)、當(dāng)前泌乳月等6個(gè)非遺傳因素對(duì)北京地區(qū)中國荷斯坦牛SCS差值的影響。結(jié)果表明，場(chǎng)規(guī)模、當(dāng)前測(cè)定年、當(dāng)前測(cè)定季節(jié)、胎次、產(chǎn)犢季節(jié)、當(dāng)前泌乳月對(duì)SCS差值均有極顯著的影響(P<0.01,表2)。

表2 影響SCS差值的非遺傳因素的GLM方差分析Table 2 GLM variance analysis of non-genetic factors affecting SCS difference

2.3 北京地區(qū)中國荷斯坦牛SCS差值的多重比較

影響SCS差值的各因素之間的Duncan比較結(jié)果表明(圖2)，小規(guī)模牛場(chǎng)與大中型牛場(chǎng)間SCS差值差異顯著(P<0.05，圖2A)，且小規(guī)模奶牛場(chǎng)SCS差值最高；除1998年外，其他所有年份SCS差值均高于0，且1998年與其他年份差異顯著(P<0.05，圖2B)；經(jīng)產(chǎn)牛SCS差值顯著高于頭胎牛(P<0.05)，而經(jīng)產(chǎn)牛間SCS差值差異不顯著(P>0.05，圖2C)；當(dāng)前泌乳月1、2月與其他泌乳月間差異顯著(P<0.05)，而3～11泌乳月間差異不顯著(P>0.05)，且從第3泌乳月開始，SCS差值大于0(圖2D)。

字母相異表示差異顯著(P<0.05)，字母相同表示差異不顯著(P>0.05)Different letters mean significant difference between the treatments(P<0.05), the same letter means no significant difference between the treatments(P>0.05)圖2 SCS 差值各影響因素均值折線圖Fig.2 The line charts of different influence factors for SCS difference

2.4 北京地區(qū)中國荷斯坦牛SCS差值遺傳力估計(jì)結(jié)果

北京地區(qū)中國荷斯坦牛SCS差值的遺傳力為(0.054±0.003)，低于0.1，屬于低遺傳力性狀(表3)，表明SCS差值易受環(huán)境影響。其中，永久環(huán)境效應(yīng)占表型變異的比例約為7.7%。各胎次遺傳力中，一胎次遺傳力最高，二胎次遺傳力最低，三胎次遺傳力居中但標(biāo)準(zhǔn)誤稍大。

表3 SCS差值方差組分和遺傳參數(shù)Table 3 SCS difference variance components and genetic parameters

3 討 論

奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定(DHI)對(duì)提高奶牛養(yǎng)殖水平發(fā)揮著重要的參考作用，是奶牛群體遺傳改良的基礎(chǔ)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，有效利用DHI數(shù)據(jù)不僅可以提高產(chǎn)奶水平，也可以提高奶牛乳房健康水平[19]。但是僅依據(jù)當(dāng)月測(cè)定的DHI記錄中SCC值及對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的SCS并不能有效反映奶牛乳房健康狀況的變化情況，本研究中所針對(duì)的當(dāng)月SCS與上一月SCS的差值則能夠簡明且及時(shí)地反映其變化狀況。本研究結(jié)果表明，牧場(chǎng)管理人員應(yīng)該對(duì)SCS差值為正值的奶牛予以及時(shí)關(guān)注，防止這樣的奶牛發(fā)展為隱性、慢性或臨床乳房炎牛而帶來經(jīng)濟(jì)損失。

本研究中，200～400頭的小規(guī)模牛場(chǎng)SCS差值顯著高于400頭以上的大中型牛場(chǎng)SCS差值(P<0.05)，與R.Skrzypek等[20]報(bào)道結(jié)果相符。奶牛頭胎SCS差值最低，均值為0.022，與經(jīng)產(chǎn)牛SCS差值差異顯著(P<0.05)，第2、3胎SCS差值分別為0.087、0.090，其可能原因?yàn)殡S著奶牛胎次的增加, 乳房功能逐步下降，病原微生物更易進(jìn)入乳房內(nèi)部, 并由此導(dǎo)致乳中體細(xì)胞數(shù)增加，從而導(dǎo)致SCS差值增加[21]。另外, 隨著年齡和胎次的增加，尤其頭胎奶牛與經(jīng)產(chǎn)奶牛相比，經(jīng)產(chǎn)奶牛對(duì)各種疾病的抵抗力下降, 患病率增加，這也可能是導(dǎo)致乳中體細(xì)胞數(shù)增加的因素[22-25]。但是二胎和三胎牛間SCS差值變化不明顯(P>0.05)，可能由于胎次接近，乳腺組織生理機(jī)能差異小，機(jī)體免疫機(jī)能差異也較小，故對(duì)環(huán)境中致病菌等因素抵抗能力相對(duì)接近[26]。

影響SCS差值變化的因素較多。由于細(xì)胞的脫落及更新，會(huì)造成SCS值的增加，因此隨著泌乳月增加，SCS差值呈上升趨勢(shì)。其中，1～4月，SCS差值上升幅度較大且差異顯著，4～11月，SCS差值趨于平穩(wěn)，且從第3個(gè)泌乳月開始，SCS差值為正值。前人研究表明，隨著泌乳月的增加，SCS值呈上升趨勢(shì)，且上升幅度較大，乳腺上皮細(xì)胞及與產(chǎn)奶相關(guān)的細(xì)胞由0增加至7%[27-29]。此外，統(tǒng)計(jì)年北京地區(qū)的極端氣候環(huán)境也可能會(huì)影響SCS差值的變化。據(jù)歷年天氣及環(huán)境記錄調(diào)研發(fā)現(xiàn)，2000年北京地區(qū)沙塵暴等極端天氣出現(xiàn)次數(shù)較多，可能會(huì)造成SCS差值均值較大；而2014年平均氣溫較為舒適，可能是導(dǎo)致2014年SCS差值平均值較小的原因(圖3B)。

SCS作為監(jiān)控牛群乳房健康狀態(tài)的指標(biāo)，能夠精確檢測(cè)臨床乳房炎，且SCS具有區(qū)分隱性乳房炎的潛力，但是SCS不能判定奶牛隱性乳房炎發(fā)病趨勢(shì)[30-31]。鑒于SCS差值是SCC值對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后的差值，對(duì)奶牛隱性乳房炎乃至金黃色葡萄球菌乳房炎有較好的警示作用，且符合正態(tài)分布，從而能夠進(jìn)行遺傳統(tǒng)計(jì)分析和抗病育種應(yīng)用[32]。

4 結(jié) 論

綜上，本研究發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)規(guī)模、當(dāng)前測(cè)定年、當(dāng)前測(cè)定季節(jié)、胎次、產(chǎn)犢季節(jié)、當(dāng)前泌乳月因素對(duì)北京地區(qū)1998-2016年中國荷斯坦牛SCS差值具有顯著性影響(P<0.01)。盡管SCS差值的遺傳力低于相同牛群SCS的遺傳力(0.106±0.04)，但是由于SCS差值能夠?qū)崟r(shí)地、明確地檢測(cè)隱性乳房炎的發(fā)生，提示SCS差值遺傳力的估計(jì)及應(yīng)用對(duì)中國荷斯坦?？闺[性乳房炎選擇具有重要作用。

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