Тагиров М.Т., Институт птицеводства УААН
Введение
Проблема контроля полового соотношения у птиц в настоящее время рассматривается в двух аспектах: раннее определение пола и элиминация особей нежелательного пола– с одной стороны и разработка методов, основанных на генетических или физиологических механизмах регуляции полового соотношения – с другой.
Повышенный интерес к половой детерминации у птиц объясняется несколькими причинами:
1. За последние 20-30 лет достигнут значительный прорыв в понимании молекулярно-генетических основ регуляции половой дифференциации у позвоночных животных – прежде всего благодаря применению новейших технологий анализа генома и генной активности.
2. Благодаря внедрению интенсивных технологий в птицеводстве и, прежде всего новейших биотехнологических и инкубационных технологий повысился роль продуктов птицеводства как источника высококачественного белкового продукта. В связи с этим автоматизируются все звенья в цепи производства, включая сбор яиц, их оценка, инкубация, вакцинация молодняка, выращивание птицы, убой, переработка и упаковка.
3. Решение проблемы ранней диагностики пола или управления половой детерминации птиц позволит сэкономить значительные финансовые, энергетические и пищевые ресурсы. Появится возможность инкубации или же производства яиц только определенного пола.
4. В странах с высоким уровнем жизни в последние годы все чаще подымается этическая сторона проблемы, связанная с массовым умерщвлением цыплят (в частности, петушков) в яичном птицеводстве, в связи с неэкономичностью их выращивания на мясо.
Целью настоящей статьи является краткий обзор современных представлений о механизмах определения и основных положений по регуляции половой детерминации у птиц.
Краткое введение в современные методы сексирования птицы.
До настоящего времени в птицеводстве половое соотношение 1:1 считалось чем- то незыблемым и исследовательские усилия в основном были направлены на сексирование (определение пола) как можно на более ранних стадиях развития птицы. Так как интерес к полу цыпленка часто имеет экономический оттенок, еще с давних времен разрабатывались эмпирические приемы определения пола цыпленка, основанные на различиях по некоторым рефлекторным движениям особей разных полов. Часто и в наши дни на птичьем базаре можно увидеть такую картину, когда покупатель подвешивает цыпленка, то ли за ноги, то ли за загривок. Считается, что в первом случае
петушок висит спокойно, а курочка пытается приподнимать голову, а во втором - ноги у петушка будут висеть ровно вниз, тогда как курочка попытается приподнять их и скрючить пальцы. Точность таких методов обычно не превышает 60-65%.
В настоящее время для сексирования суточного молодняка в мировом птицеводстве широко применяются три метода: японский (вентсексинг), колорсексинг и федерсексинг. Японский метод определения пола основан на осмотре клоаки птенца с последующей дифференциацией оператором-сортировщиком формы и величины полового бугорка. В отличие от японского, колор- и федерсексинг более просты в исполнении и позволяют легко идентифицировать пол суточного молодняка по окраске пуха (колорсексинг) или степени развития оперения крыла (федерсексинг).
Вентсексинг молодняка яичных пород кур рекомендуется проводить сразу же после выборки цыплят из инкубатора в возрасте 6-16 часов. К этому времени птенцы уже хорошо обсохли и у них зарубцевалась пуповина. У молодняка старше 16-часового возраста отличительные признаки пола постепенно сглаживаются, что заметно снижает точность его сексирования.
Скорость сексирования квалифицированного оператора японским методом может доходить до 600-800 голов за 1 час со средней точностью свыше 90%. Скорость сек-сирования индюшат, утят и гусят несколько ниже (500 гол./час) при точности: для индюшат - 88-92 %, гусят и утят - 96-99 %. В процессе определения пола молодняка этим методом возможно травмирование и перезаражение птенцов патогенной микрофлорой кишечника.
Цитогенетический метод основан на наличии различий в размерах половых хромосом у птиц: W- половая хромосома самки в 10 раз меньше Z- половой хромосомы самца. Несмотря на абсолютную точность, данный метод непрактичен ввиду трудоемкости и сложности определения.
В лабораторной практике, да часто и в полевых исследованиях, в зоопарках или заказниках для определения пола птиц в последнее время все большее применение находит молекулярно-генетический метод. Данный способ позволяет практически безошибочно определить пол особи с помощью специфических ДНК праймеров даже в образце ткани, состоящей из нескольких клеток. Следует, однако, признать, что данный метод также недоступен для широкого практического применения ввиду дороговизны и высокотехнологичности.
Следует также упомянуть про способ определения пола по гормональному статусу эмбрионов птиц, различия которых становятся достоверными, начиная с 12-13 суток развития. Данный способ, разрабатываемый Американской биотехнологической компанией “Эмбрекс”, возможно найдет практическое применение в ближайшем будущем. Автоматизация процесса взятия проб и анализа образцов может значительно удешевить стоимость такого определения пола. Эта компания рассматривает возможность использования для взятия проб своего запатентованного оборудования по “in ovo” вакцинированию цыплят.
Наряду с методами ранней диагностики пола все больше исследовательских работ появляются посвященных возможности применения генетических или физиологических механизмов регуляции полового соотношения птиц.
Генетические механизмы определения пола у птиц.
У птиц, в отличие от млекопитающих, гетерогаметным полом является самка с хромосомной конституцией ZW. У самцов половые хромосомы представлены гомогаметной парой ZZ. Окончательный механизм детерминации пола у птиц до сих пор не выяснен, хотя в последнее время получены убедительные экспериментальные данные, в значительной степени проясняющие данную ситуацию.
Первый, наиболее простой механизм детерминации пола, аналогичный тому, что действует у млекопитающих, это предположение о наличии на W хромосоме гена, определяющей самку. W хромосома схожа на Y хромосому млекопитающих; маленького размера, содержит мало активных генов и много повторяющейся ДНК.
Птицы значительно менее чувствительны к отклонениям количества хромосом; зарегистрированы много фактов живых триплоидов или триплоид-диплоид мозаиков. Считают, что в коммерческих стадах 1 из 2000 несушек является интерсексом, проявляя промежуточные свойства самца и самки. Анализ триплоидов (ZZW) показал, что они являются интерсексами. Будучи по фенотипу самками при рождении, они имеют правый семенник, левый овотестис (среднее между семенником и яичником), а к возрасту полового созревания женская составляющая овотестиса дегенерирует и птицы становятся самцами. Можно предположить о присутствии на W хромосоме гена самки, который находится под доза- зависимым влиянием Z хромосомы.
В специальных исследованиях установлено, что если переносить предшественников половых клеток самцов в эмбрион самки, то из этих клеток вместо сперматозоидов будут развиваться нормальные яйцеклетки. Если так, то получается, что присутствие W хромосомы не является обязательным условием для прохождения мейоза и что гены оогенеза, скорей всего, расположены на Z хромосоме или аутосомах.
На W хромосоме открыто всего лишь несколько генов, но до сих пор не выяснено, имеет ли какой-либо из них полоопределяющее значение.
Вторая гипотеза предполагает детерминацию мужского пола птиц двойной дозой генов, сцепленных с Z хромосомой. Наиболее подходящий кандидат на роль мужского фактора у птиц – это ген DMRT1 (doublesex and mab-3 related transcription factor 1). Он находится на Z хромосоме, но не имеет гомолога на W хромосоме. DMRT1 экспрессируется в гонадах птиц до и в ходе их дифференциации, будучи более активным в семенниках, чем в яичниках.
У рептилий, с температурной детерминацией пола, концентрация DMRT1 увеличивается в термочувствительный период, когда определяется пол, и только при самцовой температуре. Таким образом, DMRT1 может оказаться доза чувствительным наследственным половым фактором как у птиц, так и у низших позвоночных, который заменяется геном SRY у млекопитающих.
Смещение полового соотношения в результате нарушения сегрегации половых хромосом.
Задав вопрос о возможности управления детерминацией пола у птиц нельзя умолчать о таком явлении как первичное смещение полового соотношения за счет нарушения сегрегации половых хромосом во время мейоза, или, так называемый, мейотический драйв половой хромосомы.
Нарушители сегрегации – это аллели, которые нарушают нормальную сегрегацию хромосом по своему усмотрению. Нарушение сегрегации возникает в целом ряде таксономических групп организмов от грибов до растений и животных. Аллели - нарушители присутствуют в более чем 90% функциональных гамет. Однако эффективное смещение сегрегации может варьировать от 0,5 до почти 1.
Когда нарушители сегрегации локализованы на половой хромосоме, они не только влияют на приспособленность особи, но также смещают половое соотношение в популяции. Нормальное половое соотношение может быть восстановлено или путем подавления нарушителя, или изменением механизма половой детерминации.
Драйв половой хромосомы означает неравную передачу половых хромосом от особей с гетерогаметным полом, что приводит к смещенному половому соотношению у потомков и внутри популяций. В большинстве случаев нарушение сегрегации происходит в ходе сперматогенеза в результате нерасхождения Y хроматид в мейозе II, или повреждения Х хромосомы, приводящей к неспособности развития сперматид.
Мейотический драйв самки известен значительно меньше. У некоторых млекопитающих гетерогаметные самки с Х и Y хромосомами проявляют мейотический драйв. Например, у древесных леммингов Myopus schisticolor гетерогаметные самки продуцируют только ооциты, несущие Х хромосомы, как возможный результат элиминации Y хромосомы на стадии первичных половых клеток или оогониев.
Другие механизмы мейотического драйва половых хромосом основаны на цитоплазматических элементах, ответственных за смещенное в сторону самок половое соотношение.
Несмотря на то, что генетический механизм детерминации пола, характерный для птиц, не предполагает получение стабильного смещения полового соотношения, довольно широко распространено и регистрировано явление адаптивного изменения полового соотношения в связи с социальными и физиологическими условиями воспроизводства. Считают, что птицы должны обладать значительно более развитыми способностями в отношении смещения полового соотношения по сравнению с млекопитающими в связи с гетерогаметностью самки и в связи с тем, что полоопределяющее деление мейоза у птиц происходит перед овуляцией и оплодотворением. Эти обстоятельства делают детерминацию пола птиц особенно чувствительной к материнским влияниям. Данное предположение подтверждается наблюдениями по смещению полового соотношения в зависимости от расположения яйца в кладке и особенностями роста ооцита у птиц.
Среди позвоночных животных птицы обладают в высокой степени непосредственным контролем пола потомства благодаря гетерогаметности самки, а также периферическому расположению мейотической пластинки в ооците и времени первого деления мейоза непосредственно перед овуляцией.
Механизмы, лежащие в основе инверсии пола у птиц.
Механизмы детерминации пола позвоночных животных можно грубо объединить на два типа: генотипическая (ГДП) и средовая детерминация пола (СДП). На самом деле эти два типа детерминации пола представляют собой крайности, между которыми существуют множество переходных форм. При ГДП, что наблюдается у млекопитающих, птиц, многих видов рептилий и рыб, один пол продуцирует гаметы гомозиготные по половой аллели или хромосоме (гомогаметные), а другой пол - равное количество двух различных типов гамет (гетерогаметный).
СДП означает, что пол организма безвозвратно определяется в раннем эмбриогенезе условиями окружающей среды: температурой, рН, соленостью воды, социальными условиями, относительными ювенальными размерами. Следует, однако, отметить, что у многих видов рыб смена пола после первичной детерминации является частью нормальной жизни и индуцируется различными стимулами окружающей среды.
Классическая теория Фишера предполагает, что половое соотношение в потомстве должно стремиться к соотношению 1:1, но часто при СДП наблюдается смешение в сторону самцов или самок. Молекулярный механизм, через какой температура запускает детерминацию пола до конца не выяснен, однако работы по влиянию гормонов на половое соотношение подсказывают, что полоопределяющие триггеры действуют через изменение концентрации эстрогенов или их рецепторов.
В то время как пол у млекопитающих определяется в момент оплодотворения, у птиц- после первого, редукционного деления мейоза, полоопределяющие гены активируются позже, в ходе эмбриогенеза, включая формирование семенников и яичников.
Гонады птиц бипотенциальны на 3,5-4,5 сутки развития. Направление половой дифференциации гонад зависит от того, какая из составляющих гонады- кортекс или медуллярный слой - получит дальнейшее развитие.
У млекопитающих гонадогенез устойчив против действия половых гормонов: развитие зародыша происходит в море гормонов матери. Развитие гонад у птиц более лабильно, будучи чувствительным к обработке гормонами. Реверсию пола можно индуцировать инъекцией in ovo эстрогенов или подавлением их секреции. Таким образом, эстрогены у птиц играют критическую роль в половой детерминации. Синтетические ингибиторы ароматазы, фермента катализирующего синтез эстрогена, могут индуцировать устойчивую реверсию пола самка→самец. Левая гонада маскулинизируется, а правая становится семенником. Критическим фактором при этом является время воздействия, которая соответствует трем суткам инкубации яиц (см. рис.). Напротив, обработка самцов ZZ эстрадиолом приводит к феминизации, хотя и обратимой. Логически было бы предположить, что ген - определитель самки на W хромосоме активирует раннюю экспрессию ароматазы. В то же время, по-видимому, половые гормоны самца: тестостерон и дегидротестостерон не играют какой-либо определяющей роли в раннем развитии самцов.
Последовательность событий во времени в ходе детерминации пола у птиц.
Инверсию пола самка→самец можно вызвать пересадкой эмбрионального семенника в генетическую самку перед половой дифференциацией. В этом случае обе гонады развиваются как семенники. Ответственным за реверсию пола считают антимюллеровый гормон (АМГ). АМГ- гликопротеин, секретируемый клетками Сертоли развивающихся семенников. АМГ вызывает регрессию Мюллерового протока у самцов, который в противном случае развивался бы в яйцевод.
Если проследить филогенетическое древо от рыб до плацентарных млекопитающих, то можно заметить снижение роли стероидных гормонов в половой детерминации. У рыб и амфибий обычным является чувствительность половой дифференциации гонад к андрогенам и эстрогенам, у рептилий, птиц и сумчатых млекопитающих – к эстрогенам. У плацентарных млекопитающих половая дифференциация гонад не зависит от половых стероидов и может происходить без их участия. Возможно, такая тенденция связана с обеспеченностью стабильных условий вынашивания потомства или инкубации яиц. По мере появления в ряду различных классов животных приспособлений, обеспечивающих стабильность зародышевого развития, снижается зависимость половой детерминации от внешних условий и внутренних сигналов на поздних стадиях эмбриогенеза. И в то же время появляются закрепленные на генетическом уровне половые детерминанты, активные на самых ранних стадиях развития.
Согласно палеонтологическим и молекулярно-генетическим исследованиям ближайшими родственниками птиц являются крокодилы, которые относятся к диапсидам. Следует отметить, что кроме птиц для всех групп позвоночных, относящихся к диапсидам: крокодилам, черепахам, змеям и ящерицам характерны как ГДП, так СДП, с возможностью полного смещения пола в ту или иную сторону в зависимости от температуры инкубации яиц. Отличительной особенностью птиц от остальных диапсидов является эволюционное приобретение гомойотермности. Эмбрион птиц представляет собой пойкилотермный организм и поддерживает постоянную температуру тела за счет внешних источников. Однако новорожденный цыпленок быстро становится гомойотермным и уровень потребления кислорода очень быстро возрастает при рождении благодаря уникальной системе дыхания, характерной для птиц. Возможно, у всех диапсидов, включая птиц, работает один и тот же механизм детерминации пола, схожий на описанный выше. Известно, что австралийский бородатый дракон (Pogona vitticeps), проявляя гетерогаметность самки (ZW) при обычных условиях, способен изменить пол ZZ самцов в сторону формирования самок при повышенных температурах. Это указывает на то, что присутствие W хромосомы не является обязательным условием детерминации пола самки у некоторых видов ящериц. Как было отмечено выше, то же самое справедливо и в отношении птиц. Если предположить, что мужским половым детерминантом у этих ящериц является ген DMRT1, как и у птиц, то у некоторых видов могут встречаться формы, кодирующие термочувствительные продукты, которые инактивируются при высоких температурах. Если это действительно так, то вполне оправдан поиск таких форм и среди птиц. И тогда замена DMRT1 у птиц на его термочувствительную форму может позволить целенаправленное получение особей только женского пола.
Исходя из вышеизложенного необратимую инверсию пола у птиц в направлении самка→самец можно индуцировать химическими агентами или изменением внешних условий, влияющими на активность соответствующих ферментов или гормонов. В качестве мишеней таких обработок могут выступать, как гипотетический ген самки на W хромосоме, так и фермент ароматаза, эстрогены или АМГ. Подтверждением сказанному являются результаты исследований, полученных Фергусоном. При обработке яиц слишком высокими или низкими температурами в ходе инкубации были получены 10% особей, у которых половой фенотип (гистологические и макроскопические данные) отличался от полового генотипа (W-специфический молекулярный маркер). Очевидно, температурный фактор, по крайней мере, в некоторых случаях может переопределить влияние генов, детерминирующих пол у птиц. Неизвестно, встречаются ли в природных условиях особи с реверсированным полом, и с какой частотой.
Нами было обнаружено, что при продолжительном хранении яиц некоторых пород кур также происходит смещение полового соотношения в сторону преимущественного формирования самцов. Можно предположить, что для нормальной индукции пола самки на определенной стадии развития (у кур это соответствует третьим суткам инкубации) необходим критически минимальный уровень фермента ароматазы, что, возможно, достигается определенной температурой инкубации и стадией развития зародыша. Известно, что после продолжительного хранения эмбрионы развиваются с большим отставанием, особенно в первую, критическую неделю. Возможно, существуют видо- и породоспецифические аллельные формы ароматазы или гипотетического гена самки на W хромосоме по разному чувствительные к факторам внешней среды.
Таким образом, краткий обзор механизмов, лежащих в основе инверсии пола у птиц, позволяет заключить, что:
1. в начале эмбрионального развития происходит индукция женского пола, которая зависит от активности ароматазы, эстрогенов или АМГ;
2. если по каким-либо причинам не обеспечивается достаточный уровень активности необходимых ферментов или гормонов, то возможна истинная реверсия пола: самка→самец; Это свидетельствует о том, что скорей не двойная доза гена DMRT1 определяет мужской пол у птиц, а соотношение мужских и женских факторов;
3. начало формирования пола самца совпадает с повышением активности гена DMRT1 в будущих семенниках. Подавление активности гена DMRT1 приводит к инверсии пола в сторону самки, но скорей всего, такой подавляющий фактор должен действовать постоянно в ходе развития. Временная обработка эстрогенами приводит только к обратимой инверсии пола.
Тагиров М.Т.
http://[недопустимая ссылка]