Crioconservazione delle risorse genetiche animali - Cryoconservation of animal genetic resources

Crioconservazione delle risorse genetiche animali presso l'USDA Gene Bank

La crioconservazione delle risorse genetiche animali è una strategia in cui i campioni di materiale genetico animale sono conservati criogenicamente .

Le risorse genetiche animali, come definite dall'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura, sono "quelle specie animali che sono utilizzate, o possono essere utilizzate, per la produzione di cibo e agricoltura, e le popolazioni all'interno di ciascuna di esse. Queste popolazioni all'interno di ogni specie può essere classificata come popolazioni selvatiche e selvatiche , razze autoctone e popolazioni primarie, razze standardizzate , linee selezionate, varietà, ceppi e qualsiasi materiale genetico conservato; tutti attualmente classificati come Razze. I materiali genetici che sono tipicamente conservati criogenicamente includono sperma , ovociti , embrioni e cellule somatiche . Le strutture criogeniche sono chiamate banche geniche e possono variare notevolmente in dimensioni, solitamente in base alle risorse economiche disponibili. Devono essere in grado di facilitare la raccolta, l'elaborazione e la conservazione a lungo termine del germoplasma , il tutto in modo igienico e organizzato. Le banche genetiche devono mantenere un database preciso e rendere accessibili le informazioni e le risorse genetiche per facilitare adeguatamente la crioconservazione. La crioconservazione è una strategia di conservazione ex situ che spesso coesiste con la conservazione in situ per proteggere e preservare la genetica del bestiame .

La crioconservazione delle risorse genetiche zootecniche viene effettuata principalmente al fine di preservare la genetica delle popolazioni di interesse, come le razze autoctone, note anche come razze locali o minori. Il materiale può essere conservato perché gli individui hanno condiviso geni e fenotipi specifici che possono essere di valore o avere un potenziale valore per ricercatori o allevatori. Pertanto, uno degli obiettivi principali rimane preservare il patrimonio genetico delle razze locali che potrebbero essere minacciate. La genetica del bestiame indigeno è comunemente minacciata da fattori quali globalizzazione , modernizzazione , cambiamenti nei sistemi di produzione, introduzione inappropriata delle principali razze, deriva genetica , consanguineità , incroci , cambiamenti climatici , disastri naturali , malattie, cambiamenti culturali e urbanizzazione. Il bestiame indigeno è fondamentale per lo sviluppo agricolo sostenibile e la sicurezza alimentare , a causa del loro: adattamento all'ambiente e alle malattie endemiche, parte indispensabile nei sistemi di produzione locali, significato culturale e importanza per le economie rurali locali . Le risorse genetiche delle razze minori hanno valore per gli agricoltori locali, i consumatori dei prodotti, le aziende private e gli investitori interessati all'incrocio, le associazioni di razza, i governi, coloro che conducono ricerca e sviluppo e le organizzazioni non governative. Pertanto, sono stati compiuti sforzi da parte dei governi nazionali e delle organizzazioni non governative, come la Livestock Conservancy , per incoraggiare la conservazione della genetica del bestiame attraverso la crioconservazione, nonché attraverso altre strategie ex situ e in situ . Gli esemplari criogenici delle risorse genetiche del bestiame possono essere conservati e utilizzati per lunghi periodi di tempo. Questo vantaggio rende la crioconservazione vantaggiosa in particolare per le razze minacciate che hanno popolazioni di bassa razza. Gli esemplari conservati criogenicamente possono essere utilizzati per far rivivere razze in via di estinzione o estinte , per il miglioramento della razza, incroci, ricerca e sviluppo. Tuttavia, la crioconservazione può essere una strategia costosa e richiede un impegno igienico ed economico a lungo termine affinché i germoplasmi rimangano vitali. La crioconservazione può anche affrontare sfide uniche basate sulla specie, poiché alcune specie hanno un tasso di sopravvivenza ridotto del germoplasma congelato.

Descrizione

La crioconservazione è il processo di congelamento di cellule e tessuti utilizzando azoto liquido per raggiungere temperature estremamente basse con l'intento di utilizzare il campione conservato per prevenire la perdita della diversità genetica. Seme, embrioni, ovociti, cellule somatiche , DNA nucleare e altri tipi di biomateriali come sangue e siero possono essere conservati mediante crioconservazione, al fine di preservare i materiali genetici. Il vantaggio principale della crioconservazione è la capacità di salvare germoplasmi per lunghi periodi di tempo, mantenendo quindi la diversità genetica di una specie o razza. Esistono due tecniche comuni di crioconservazione: congelamento lento e vetrificazione. Il congelamento lento aiuta ad eliminare il rischio di cristalli di ghiaccio intracellulari. Se si formano cristalli di ghiaccio nelle cellule, possono verificarsi danni o distruzione del materiale genetico. La vetrificazione è il processo di congelamento senza la formazione di cristalli di ghiaccio.

Valore

La crioconservazione è uno strumento indispensabile nella conservazione del materiale genetico di origine animale e continuerà ad essere utile per la conservazione del bestiame anche in futuro. La crioconservazione serve come modo per preservare i germoplasmi, che è particolarmente vantaggioso per le razze minacciate. Il bestiame indigeno può essere conservato per una serie di motivi, tra cui la conservazione della genetica locale, la loro importanza nelle tradizioni locali e il loro valore per l'identità culturale e il patrimonio dell'area. La perdita della diversità zootecnica regionale potrebbe aumentare l'instabilità, ridurre le possibilità future e mettere alla prova i sistemi di produzione. Inoltre, il mantenimento delle razze autoctone può aiutare a preservare stili di vita e mezzi di sussistenza tradizionali, anche fornendo reddito attraverso il turismo culturale. Le razze autoctone possono contribuire alle economie e ai sistemi di produzione locali utilizzando terreni non adatti alla produzione agricola per produrre prodotti alimentari, oltre a fornire pelli, letame e forza trainante. Pertanto, la conservazione e la progressione di queste razze sono della massima importanza per la sicurezza alimentare e la sostenibilità.

Un altro fattore benefico nella crioconservazione del bestiame indigeno è in termini di sicurezza alimentare e sviluppo economico. Il bestiame indigeno ha spesso tratti benefici legati all'adattamento al clima locale e alle malattie che possono essere incorporati nelle principali razze attraverso pratiche di crioconservazione. La crioconservazione è una strategia favorevole perché consente di conservare i germoplasmi per lunghi periodi di tempo in una piccola area ristretta. Un ulteriore vantaggio della crioconservazione è la capacità di preservare il materiale biologico delle cellule sia materne che paterne e mantenere la vitalità per lunghi periodi di tempo. La crioconservazione è stata utilizzata con successo come strategia di conservazione per specie e razze che da allora sono state minacciate di estinzione. Uno svantaggio è che la crioconservazione può essere eseguita solo se la preparazione è avvenuta in anticipo. Con un'adeguata preparazione della raccolta e del mantenimento del materiale genetico, questo metodo è molto vantaggioso per la conservazione del bestiame raro e in via di estinzione. La crioconservazione può servire come piano di emergenza quando una popolazione di razza deve essere ripristinata o quando una razza si è estinta, nonché per il miglioramento della razza. Questo processo avvantaggia aziende e ricercatori mettendo a disposizione materiale genetico.

Obiettivi di conservazione
Flessibilità dell'AGR del paese per soddisfare i cambiamenti Assicurazione contro i cambiamenti nelle condizioni di produzione Salvaguardia contro malattie, disastri, ecc. Opportunità per la ricerca genomica
Fattori genetici Consentire la continua evoluzione della razza/adattamento genetico Aumentare la conoscenza delle caratteristiche fenotipiche della razza Ridurre al minimo l'esposizione a correnti genetiche
Utilizzo sostenibile delle aree totali Opportunità di sviluppo nelle aree rurali Mantenimento della diversità dell'agroecosistema Conservazione della diversità della cultura rurale

Il supporto di numerose parti interessate rende possibile questo processo nella creazione e nelle operazioni di crioconservazione. Prima che ogni fase venga eseguita, tutte le parti interessate partecipanti devono essere informate per comprendere la possibile fase imminente. Ciò includerebbe informare le parti interessate delle loro responsabilità e ricevere il loro consenso per il processo di crioconservazione. Le possibili parti interessate all'interno del processo di crioconservazione potrebbero includere:

metodi

Collezione

Esistono diversi modi per raccogliere i materiali genetici in base a quale tipo di germoplasma.

Sperma

Congelamento sperma è una tecnica comunemente usata nella moderna industria zootecnica agricoltura, che è ben studiato con metodi stabiliti Semen è spesso raccolti utilizzando una vagina artificiale , elettroeiaculazione , gloved mano tecnica, accarezzare addominale, o la raccolta spermatozoi dell'epididimo. Le tecniche di raccolta preferite variano in base alle specie e agli strumenti disponibili. La pazienza e la tecnica sono le chiavi per una raccolta di sperma di successo. Esistono diversi stili e tipi di vagine artificiali che possono essere utilizzate a seconda della razza e della specie del maschio. Durante questo processo il pene entra in un tubo che è approssimativamente la pressione e la temperatura della vagina della femmina. All'interno del tubo è presente una sacca monouso che raccoglie lo sperma. Durante questo processo può essere utile avere un animale rompicapo, un animale usato per stuzzicare sessualmente ma non impregnare l'animale, per aumentare l'eccitazione del maschio. L'elettroeiaculazione è un metodo di raccolta dello sperma nell'industria del bestiame perché produce sperma di alta qualità. Tuttavia, questo processo richiede che l'animale sia addestrato e tenuto saldamente, quindi non è l'ideale quando si lavora con animali selvatici o selvatici. Quando si esegue questo processo l'elettroeiaculatore viene inserito nel retto del maschio. L'elettroeiaculatore stimola il maschio provocando un'eiaculazione, dopo di che viene raccolto il seme. La tecnica di raccolta a mano dei guanti è utilizzata principalmente nell'industria suinicola. Durante questo processo, il cinghiale monta un manichino, mentre il conduttore afferra il pene del cinghiale tra le creste delle dita e raccoglie il seme. La carezza addominale viene utilizzata esclusivamente nell'industria del pollame. Durante la tecnica, un tecnico terrà l'uccello, mentre un secondo tecnico massaggia la cloaca dell'uccello. Tuttavia, feci e sperma escono entrambi dal corpo dell'uccello maschio attraverso la cloaca, quindi la qualità del seme è spesso bassa.

Embrione

La raccolta degli embrioni è più impegnativa e richiede più allenamento rispetto alla raccolta del seme perché gli organi riproduttivi femminili si trovano all'interno della cavità corporea. La superovulazione è una tecnica utilizzata per far sì che una femmina rilasci più ovociti del normale. Ciò può essere ottenuto utilizzando gli ormoni per manipolare gli organi riproduttivi della femmina. Gli ormoni utilizzati sono tipicamente simili alle gonadotropine, nel senso che stimolano le gonadi. L'ormone follicolo-stimolante è l'ormone preferito nei bovini, negli ovini e nei caprini. Mentre nei suini, è preferita la gonadotropina corionica equina. Tuttavia, questo non è comunemente fatto nell'industria suina perché le scrofette e le scrofe (maiali femmine) ovulano naturalmente più di un ovocita alla volta. La superovulazione può essere difficile perché non tutte le femmine risponderanno allo stesso modo e il successo varierà a seconda della specie. Una volta che la femmina ha rilasciato gli ovociti, vengono fecondati internamente, in vivo, ed eliminati dal corpo. La fecondazione in vivo ha più successo della fecondazione in vitro. Nei bovini, di solito vengono rimossi 10 o più embrioni dal processo di lavaggio. Per sciacquare l'utero, un tecnico prima sigillerà la cervice della femmina e aggiungerà fluido, che consente all'ovulo di essere risciacquato dalle corna uterine e in un cilindro per l'analisi. Questo processo richiede in genere 30 minuti o meno. I tecnici sono in grado di determinare il sesso dell'embrione, il che può essere particolarmente utile nell'industria lattiero-casearia perché è più desiderabile che l'embrione sia una femmina. La vitrificazione è il metodo preferito per il congelamento degli embrioni perché produce embrioni di qualità superiore. È fondamentale che i tecnici maneggiano gli embrioni con cura e li congelano entro 3-4 ore per preservare la vitalità della maggior parte degli embrioni.

ovociti

Gli ovociti possono essere raccolti dalla maggior parte delle specie di mammiferi. La raccolta convenzionale degli ovociti avviene quando le ovaie vengono rimosse da un animale donatore; questo viene fatto postumo negli impianti di macellazione. Le ovaie vengono mantenute calde mentre vengono riportate in un laboratorio per la raccolta degli ovociti. Mantenere le ovaie calde aiuta ad aumentare il tasso di successo della fecondazione. Una volta raccolti, gli ovociti vengono valutati e classificati in piccoli, medi e grandi e quindi maturati per 20-23 ore. Questa tecnica semplice e poco costosa può portare a circa 24 ovociti raccolti da un bovino. La raccolta convenzionale degli ovociti è particolarmente utile per le femmine che muoiono inaspettatamente o che non possono essere riprodotte a causa di lesioni. Una seconda opzione per la raccolta degli ovociti consiste nell'utilizzare il metodo di raccolta degli ovociti ecoguidato transvaginale altrimenti noto come TUGA. La tecnica di raccolta varia leggermente a seconda della specie, ma i metodi generali per la raccolta sono gli stessi; un ago viene inserito in ciascun follicolo ovarico ed estratto tramite vuoto. Il principale vantaggio dell'utilizzo di questo metodo è la capacità di espandere la produttività riproduttiva nel corso della vita, o il numero di giorni produttivi in ​​cui un animale è nel suo ciclo estrale . Le mucche e le cavalle gravide continuano a sviluppare nuovi follicoli fino alla metà della gravidanza. Pertanto, TUGA può essere utilizzato per aumentare sostanzialmente la forma fisica di un individuo perché la femmina ha quindi il potenziale per produrre più di una prole per gestazione.

Cellule somatiche

Le cellule somatiche sono una risorsa aggiuntiva che può essere recuperata per la banca dei geni, in particolare nei casi di emergenza in cui i gameti non possono essere raccolti o conservati. I tessuti possono essere prelevati da animali vivi o subito dopo la morte. Questi tessuti possono essere salvati tramite crioconservazione o disidratati. Le cellule del sangue possono essere utili anche per l'analisi del DNA, come il confronto dell'omozigosi. La FAO raccomanda di prelevare due fiale di sangue per ridurre la possibilità che tutti i campioni di un particolare animale vadano persi. Il DNA può essere estratto utilizzando kit commerciali, il che rende questa strategia economica e accessibile per la raccolta di germoplasmi.

Sperma Sperma e ovociti embrioni
Numero di campioni necessari per ripristinare una razza 2000 100 di ciascuno 200
Necessario il backcrossing? No No
Geni mitocondriali inclusi? No
Possibile raccolta nelle specie animali Per lo più, non sempre Sì, in alcune specie. Operativo per i bovini Sì, in alcune specie. Operativo per i bovini
Costo del ritiro $$ $$ $$$$
Crioconservazione possibile? Ancora in fase sperimentale Operativo nei bovini, equini e ovini. Promettente nei maiali. Impossibile nel pollame
Utilizzo Inseminazione chirurgica o non chirurgica reincrocio per 4 generazioni Maturazione in vitro/FIV seguita da ET . chirurgica o non chirurgica ET . chirurgico o non chirurgico
Fattibilità attuale Alto medio Alto a seconda delle risorse disponibili

Congelamento

Esistono due metodi di congelamento per crioconservazione: congelamento lento e vetrificazione.

Esempio di laboratorio di congelamento

Congelamento lento

Durante il congelamento lento, le cellule vengono poste in un mezzo che viene raffreddato al di sotto del punto di congelamento utilizzando azoto liquido. Ciò provoca la formazione di una massa di ghiaccio nel mezzo. Quando l'acqua nel mezzo si congela, la concentrazione degli zuccheri, dei sali e del crioprotettore aumenta. A causa dell'osmosi, l'acqua delle cellule entra nel mezzo per mantenere uguali le concentrazioni di zuccheri, sali e crioprotettore. L'acqua che lascia le cellule alla fine viene congelata, causando la diffusione di più acqua fuori dalla cellula. Alla fine, la parte non congelata, cellulare, diventa troppo viscosa perché i cristalli di ghiaccio si formino all'interno della cellula.

vetrificazione

La seconda tecnica per la crioconservazione è la vetrificazione o congelamento flash. La vetrificazione è la trasformazione da uno stato liquido a uno solido senza formazione di cristalli. Il processo e la meccanica della vetrificazione sono simili al congelamento lento, la differenza sta nella concentrazione del mezzo. Il metodo di vetrificazione applica un mezzo selezionato che ha una maggiore concentrazione di soluto, quindi l'acqua lascerà le cellule per osmosi. Il terreno è sufficientemente concentrato in modo che tutta l'acqua intracellulare uscirà senza che il terreno debba essere riconcentrato. La maggiore concentrazione del mezzo in vetrificazione permette di congelare i germoplasmi più rapidamente rispetto al congelamento lento. La vetrificazione è considerata la tecnica più efficace per congelare i germoplasmi.

Progettazione e attrezzatura dell'impianto

Progettazione dell'impianto

Esempio di struttura di detenzione e raccolta di animali

Quando si progetta una struttura, è necessario tenere a mente diverse cose, tra cui la biosicurezza, la sicurezza e l'efficienza dei lavoratori e il benessere degli animali. Sono necessarie diverse infrastrutture per raccogliere e conservare con successo il materiale genetico. Gli edifici necessari dipendono dalle dimensioni delle strutture e dall'estensione delle operazioni.

Biosicurezza

La biosicurezza, una misura di gestione utilizzata per prevenire la trasmissione di malattie e agenti patologici nella struttura, è importante da tenere a mente durante la progettazione di una struttura. Per raggiungere un elevato livello di biosicurezza, le strutture di raccolta dovrebbero essere collocate il più lontano possibile l'una dall'altra, nonché dalle aziende agricole. Secondo le raccomandazioni della Fao, le strutture dovrebbero essere "almeno 3 km da allevamenti o altri rischi biologici e 1 km da strade e ferrovie principali". La separazione tra le strutture di raccolta e le aziende agricole circostanti può migliorare la biosicurezza poiché i parassiti, come mosche e topi, hanno il potenziale di viaggiare da un'azienda agricola all'altra e viceversa. Altri agenti patogeni possono essere in grado di viaggiare nell'aria attraverso il vento, rafforzando l'importanza della separazione degli allevamenti e di un'adeguata igiene e ventilazione dell'aria. Inoltre, viene utilizzata una recinzione perimetrale per evitare che potenziali minacce che potrebbero causare la contaminazione di germoplasmi, come personale non autorizzato o animali indesiderati, entrino nelle strutture. Gli animali possono essere ospitati in recinti situati all'interno o all'esterno di una stalla purché contenuti all'interno del recinto perimetrale. Quando è necessaria l'interazione con oggetti esterni, come camion di alimentazione o personale veterinario, è necessaria un'igiene completa per ridurre il rischio di contaminazione. C'è sempre la possibilità che la malattia si diffonda tra gli animali i cui dati biologici vengono raccolti o da animale a uomo. Un esempio di una malattia che può facilmente diffondersi attraverso il germoplasma è la sindrome riproduttiva e respiratoria del suino, altrimenti nota come PRRS. Una malattia altamente contagiosa tra i suini, la PRRS fa perdere milioni di dollari ogni anno dai produttori. La malattia può essere trasmessa attraverso lo sperma di verro. Pertanto, la biosicurezza è particolarmente importante quando il materiale genetico verrà inserito in un altro animale per prevenire la diffusione di tali malattie.

Considerazioni umane

La sicurezza dei lavoratori è sempre una priorità quando si maneggia il bestiame. Le vie di fuga e l'accesso alternativo in tutta la struttura sono cruciali sia per gli allevatori che per il bestiame. I siti di stoccaggio e raccolta del germoplasma devono includere spogliatoi per il personale, che forniscono armadietti, docce e deposito di indumenti e calzature, al fine di soddisfare i requisiti igienico-sanitari.

Considerazioni sugli animali

Il ricovero degli animali è pratico per la raccolta dei germoplasmi perché tengono gli animali donatori in un'area facilmente accessibile, rendendo più semplice ed efficiente il processo di raccolta dei germoplasmi. Le specie e le razze degli animali ospitati dovrebbero essere considerate durante la pianificazione della struttura; le strutture dovrebbero essere abbastanza grandi da soddisfare gli standard di benessere degli animali, ma sufficientemente piccole da ridurre il contatto umano e aumentare la facilità di manipolazione, riducendo allo stesso tempo lo stress dell'animale. Poiché il processo di raccolta del germoplasma può richiedere diversi giorni, l'animale può essere stressato causando l'ottenimento di una qualità inferiore del materiale genetico. Pertanto, è fondamentale addestrare l'animale a familiarizzare con il processo. Le strutture di detenzione per animali possono anche fungere da quarantena. Le strutture di quarantena sono necessarie per prevenire la trasmissione di malattie da animale ad animale, da animale a germoplasma, germoplasma a germoplasma e germoplasma ad animale. L'introduzione della quarantena per separare gli animali malati da quelli sani dovrebbe essere fatta immediatamente. Tuttavia, una quarantena non sempre impedisce la diffusione della malattia.

Controllo della temperatura e ventilazione

Il controllo della temperatura e la ventilazione dovrebbero essere inclusi nella progettazione delle strutture di detenzione e raccolta per mantenere gli animali comodi e sani, limitando allo stesso tempo lo stress durante il processo di raccolta del germoplasma. La ventilazione è un modo efficace per mantenere un flusso d'aria pulito in tutte le strutture ed eliminare gli odori Il controllo della temperatura aiuta a regolare la qualità dell'aria e il livello di umidità all'interno della stalla.

Attrezzatura

Nello stesso sito dell'impianto di detenzione e raccolta può trovarsi un laboratorio di congelamento e trattamento dei materiali genetici. Tuttavia, il laboratorio deve avere standard igienico-sanitari più elevati. Secondo la FAO, un vero laboratorio di germoplasma dovrebbe includere quanto segue.

La crioconservazione richiede attrezzature per raccogliere materiale biologico e provette per la conservazione. Il prezzo è molto variabile in base alla qualità dei materiali di raccolta e stoccaggio. L'aspettativa di vita degli strumenti dovrebbe essere considerata quando si determinano i costi. Oltre alle tradizionali apparecchiature di laboratorio, la FAO suggerisce anche quanto segue: