Река молока: как ученые меняют технологии для развития животноводства

Ленинградская область считается одним из крупнейших аграрных регионов в стране. В том числе лидирует в молочном животноводстве: надои коров здесь составляют от 12 000 литров молока в год. Чтобы повысить продуктивность животных, ученые разрабатывают новые технологии кормления, исследуют условия содержания скота и используют методы геномной селекции.

Как производят коровье молоко? С какими трудностями сталкиваются фермеры? Из-за чего у животных возникает стресс? Об этом порталу Наука.РФ рассказала заведующий кафедрой генетических и репродуктивных биотехнологий Санкт-Петербургского государственного университета ветеринарной медицины, доктор ветеринарных наук (СПбГУВМ), лауреат премии президента в области науки и инноваций для молодых ученых Елена Корочкина.

Сложное направление

Животноводство — одно из важнейших направлений в сельском хозяйстве. Эта отрасль напрямую влияет на продовольственную безопасность и экономическую стабильность страны. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на растущий спрос и объем сельскохозяйственной продукции. Например, в прошлом году потребление молока в стране выросло до рекордных 250 кг на человека.

За этими успехами кроются научные достижения в области селекции и ветеринарии: профилактика и терапия заболеваний, создание вакцин для животных, производство качественного корма, внедрение цифровых технологий и борьба с негативным влиянием на окружающую среду (подробнее об этом направлении мы рассказывали здесь).

«Ленинградская область может похвастаться высокопродуктивными животными. В основном, это коровы голштинской и голштинизированной черно-пестрой пород. Однако в некоторых хозяйствах производство молока достигает такой критической точки, что для коров это уже становится работой на износ. Мы, ученые, должны думать о том, как сберечь и пролонгировать жизнь животных. К тому же это необходимо, чтобы сохранить рентабельность хозяйств и обеспечить население продовольствием», — отмечает профессор кафедры генетических и репродуктивных биотехнологий СПбГУВМ, доктор ветеринарных наук Елена Корочкина.

Корова в стрессе

На первый взгляд производство молока может показаться простым делом — нужно лишь приобрести корову, кормить ее и получать продукт. Но на практике все намного сложнее. Сначала выращивают молодняк до девяти месяцев. При этом следует соблюдать необходимые условия содержания, правильный уход и сбалансированное кормление. Затем наступает этап искусственного осеменения (поскольку содержать племенных быков-производителей экономически невыгодно). Далее следует период лактации и рождение теленка. В транзитный период крайне важно следить за здоровьем коров.

Таким образом, время, за которое можно получить молоко, составляет всего 2-3 лактации. В среднем этот период у коров занимает 240-305 дней — в зависимости от физического состояния особи и других факторов. Причем некоторые из них могут негативно повлиять на производство, снижая продуктивность животных.

Например, стресс. Причины у него могут быть разные: от нарушения технологии доения до климатических условий. Жаркое лето, нехарактерное для региона, вызывает тепловой стресс. Использование корма низкого качества или резкие изменения в рационе — кормовой. Гормональные изменения влекут за собой физиологический стресс.

Чекап для коровы 

Еще одна частая проблема связана с нехваткой витаминов. Прием пищи у коров происходит за так называемым кормовым столом — специальной зоной, где рассыпают сено, силос и различные премиксы (комплексные добавки с питательными веществами). При высокой влажности корм нередко залеживается, из-за чего ценные компоненты в его составе теряют свойства.

«Кроме того, коровы — стадные животные. Часть из них являются доминантными: такие особи первыми подходят к кормовому столу и поедают бóльшую часть корма. Другим достается то, что осталось. Поэтому некоторые недополучают полезные вещества», — объясняет Елена Корочкина.

Чтобы выяснить, каких витаминов и микроэлементов не хватает животным в разные фазы производственного цикла, ученые Санкт-Петербургского государственного университета ветеринарной медицины провели комплексное исследование. В том числе биохимический и клинический анализ крови, а также изучили уровень гормонов, состояние печени, надпочечников, щитовидной железы и репродуктивной системы в новотельный период. Учитывали и условия содержания.

«Качество молока во многом зависит от качества кормов. А они, в свою очередь, зависят от технологии изготовления и почвы, на которой выращивают пищевые компоненты. Наш Северо-Западный регион отличается холодным, влажным климатом. Есть зоны, дефицитные по таким микроэлементам, как йод», — делится руководитель исследования Елена Корочкина.

На основе полученных данных специалисты разработали витаминно-минеральные комплексы и упаковали их в специальные капсулы — болюсы с краткосрочным и пролонгированным действием. Препарат вводят с помощью специального болюсодавателя или аппликатора. Попадая в организм, биодобавка растворяется в течение 120-180 дней.

«Одна из сложностей заключается в том, что у жвачных животных есть три преджелудка и один истинный. Первые три отдела (их называют рубец, сетка и книжка — прим. ред.) служат для предварительной обработки пищи. Существует целый цикл употребления, переваривания и усвояемости корма. Это нужно учитывать при создании препаратов», — рассказывает эксперт.

Дальнейшие наблюдения показали, что новая биодобавка помогла животным восполнить дефицит витаминов, а также макро- и микроэлементов — в частности кальция, меди и фосфора — в ключевые периоды производственного цикла.

Эксперт подчеркнула, что препарат предназначен, в первую очередь, для профилактики и лечения гипокальциемии у коров в транзитный период. Поскольку дефицит кальция у животных повышает риск послеродового пареза — одного из самых опасных осложнений после отела. Эти препараты уже находятся на этапе внедрения: сейчас их используют на нескольких предприятиях в регионе.

Введение болюса

Генетический потенциал

Второе направление исследований, которым занимается научная группа СПбГУВМ под руководством Елены Корочкиной, связано с сохранением генетического потенциала сельскохозяйственных животных.

На качество и объем коровьего молока влияет не только корм, но и генетика, отмечает эксперт. Как это работает? Для искусственного осеменения фермы закупают мужские клетки разных быков-производителей. Чтобы сохранить биоматериал, применяют метод криоконсервации, который при определенных условиях позволяет сохранить клетки в течение десятилетий.

Но главное преимущество в том, что с помощью этой технологии можно создавать племенное ядро высокоценных животных — группу особей с нужными генетическими характеристиками (например, устойчивостью к заболеваниям). Такие животные предназначены для воспроизводства высококачественного молодняка.

Однако у этого подхода есть недостаток. В процессе разморозки клеток происходят резкие изменения температуры (от –196 °C до +38 °C). При таких экстремальных условиях часть биоматериала может оказаться нежизнеспособной. Чтобы решить задачу, петербургские ученые разработали средовой компонент для криобанка. В его основе — мезенхимальные стволовые клетки (МСК). Для современной науки, в том числе медицины, эти клетки представляют особый интерес. Известно, например, что они обладают способностью к самообновлению и могут дифференцироваться в различные типы клеток (кости, хрящи и нервы). Подробнее об этом мы рассказывали здесь и здесь.

Эксперимент оказался успешным. Специалисты СПбГУВМ впервые в мире установили, что МСК можно использовать для сохранения сперматозоидов сельскохозяйственных животных. Причем выяснилось, что для хранения биоматериала не обязательно использовать стволовые клетки той же особи или вида. Например, для сохранения семени быков ученые добавили клетки, полученные от баранов. Благодаря новому методу в процессе криоконсервации удалось увеличить сохранность и подвижность половых гамет до 80%.

В чем секретóм

Изначально эту технологию ученые разработали для небольших фермерских хозяйств, которые занимаются разведением мелкого рогатого скота. Для такой методики не нужно дорогое оборудование, пояснила руководитель проекта Елена Корочкина.

«Сейчас наша научная группа сфокусирована на быках. Это более значимо с точки зрения развития молочного животноводства. Мы формируем заявку на грант. Наша задача — выяснить, какой компонент секретóма МСК влияет на половые клетки, что вызывает у них регенеративный эффект после криоконсервации», — говорит доктор ветеринарных наук.

Важная часть работы ученых — подготовка протоколов, которые позволят хозяйствам применять новые вспомогательные репродуктивные технологии и масштабировать разработки.

«На кафедре генетических и репродуктивных биотехнологий я курирую несколько научных групп. У нас есть студенческие стартапы, занимающиеся созданием методов для оценки качества половых клеток производителей. В будущем эти исследования будут полезны и для человека, в области репродуктивной медицины», — считает профессор.

Коров по ДНК считают

Сегодня разработки в области генетических исследований и биотехнологий выходят за рамки лабораторных экспериментов и становятся реальными инструментами в сельском хозяйстве.

Например, одно из перспективных направлений — геномная селекция. С 2025 года племенным хозяйствам в стране будут возмещать до 70% затрат на молекулярно-генетическую экспертизу молодняка крупного рогатого скота. Соответствующее постановление этим летом подписал премьер-министр Михаил Мишустин. Такое решение позволит определять происхождение племенного молодняка и выявлять у животных генетические заболевания. На глобальном уровне — обеспечить генетическую независимость отрасли и укреплять продовольственную безопасность страны.

«Геномная селекция — это сейчас действительно популярный метод. Он помогает быстро и точно оценить племенную ценность особи. Что это значит? Допустим, у вас есть большое стадо из тысячи коров. Мы не знаем, какие из них являются ценными с точки зрения генетики, качества молока или воспроизводства. С помощью генетических технологий, если говорить простыми словами, мы можем определить лучших производителей и таким образом ускорить генетический прогресс», — комментирует Елена Корочкина.

Еще одно активно развивающееся направление в сельском хозяйстве — клонирование. Такие исследования в области вспомогательных репродуктивных технологий проводят во Всероссийском научно-исследовательском институте животноводства им. академика Л. К. Эрнста в Московской области, а также на предприятии Усть-Лабинского района в Краснодарском крае.

«Меня, как репродуктолога, конечно, привлекают эти методы. Хотя на самом деле у каждого из направлений — будь то искусственное осеменение, трансплантация эмбрионов или клонирование — есть свои подтехнологии. Если заглянуть в эти ниши, можно увидеть много интересного. Например, сексирование — технология разделения семени животных по полу. Для людей мы так делать не можем, а вот с точки зрения ветеринарной медицины — вполне. Эта технология позволит увеличить рентабельность отрасли, если, например, в молочном животноводстве нужно больше особей женского пола», — заключает специалист.

Анна Шиховец