Options for selecting dairy cattle for milk coagulation ability

Lypsylehmien maidon juoksettumiskyvyn jalostuskeinot Väitöskirjassa tutkittiin lypsylehmien maidon juustonvalmistuslaadun parantamista jalostusvalinnan avulla. Tutkimusaihe on tärkeä, sillä yhä suurempi osa maidosta käytetään juustonvalmistukseen. Tutkimuksen kohteena oli maidon juoksettumiskyky, sillä se on yksi keskeisistä juustomäärään vaikuttavista tekijöistä. Maidon juoksettumiskyky vaihteli huomattavasti lehmien, sonnien, karjojen, rotujen ja lypsykauden vaiheiden välillä. Vaikka tankkimaidon juoksettumiskyvyssä olikin suuria eroja karjoittain, karja selitti vain pienen osan juoksettumiskyvyn kokonaisvaihtelusta. Todennäköisesti perinnölliset erot lehmien välillä selittävät suurimman osan karjojen tankkimaitojen juoksettumiskyvyssä havaituista eroista. Hyvä hoito ja ruokinta vähensivät kuitenkin jossain määrin huonosti juoksettuvien tankkimaitojen osuutta karjoissa. Holstein-friisiläiset lehmät olivat juoksettumiskyvyltään ayrshire-rotuisia lehmiä parempia. Huono juoksettuminen ja juoksettumattomuus oli vain vähäinen ongelma holstein-friisiläisillä (10 %), kun taas kolmannes ayrshire-lehmistä tuotti huonosti juoksettuvaa tai juoksettumatonta maitoa. Maitoa sanotaan huonosti juoksettuvaksi silloin, kun juustomassa ei ole riittävän kiinteää leikattavaksi puolen tunnin kuluttua juoksetteen lisäyksestä. Juoksettumattomaksi määriteltävä maito ei saostu lainkaan puolen tunnin aikana ja on siksi erittäin huonoa raaka-ainetta juustomeijereille. Noin 40 % lehmien välisistä eroista maidon juoksettumiskyvyssä selittyi perinnöllisillä tekijöillä. Juoksettumiskykyä voikin sanoa hyvin periytyväksi ominaisuudeksi. Kolme mittauskertaa lehmää kohti riittää varsin hyvin lehmän maidon keskimääräisen juoksettumiskyvyn arvioimiseen. Tällä hetkellä juoksettumiskyvyn suoran jalostamisen ongelmana on kuitenkin automatisoidun, laajamittaiseen käyttöön soveltuvan mittalaitteen puute. Tämän takia väitöskirjassa tutkittiin mahdollisuuksia jalostaa maidon juoksettumiskykyä epäsuorasti, jonkin toisen ominaisuuden kautta. Tällaisen ominaisuuden pitää olla kyllin voimakkaasti perinnöllisesti kytkeytynyt juoksettumiskykyyn, jotta jalostus olisi mahdollista sen avulla. Tutkittavat ominaisuudet olivat sonnien kokonaisjalostusarvossa jo mukana olevat maitotuotos ja utareterveyteen liittyvät ominaisuudet sekä kokonaisjalostusarvoon kuulumattomat maidon valkuais- ja kaseiinipitoisuus sekä maidon pH. Väitöskirjassa tutkittiin myös mahdollisuuksia ns. merkkiavusteiseen valintaan tutkimalla maidon juoksettumattomuuden perinnöllisyyttä ja kartoittamalla siihen liittyvät kromosomialueet. Tutkimuksen tulosten perusteella lehmien utareterveyden jalostaminen parantaa jonkin verran myös maidon juoksettumiskykyä sekä vähentää juoksettumattomuutta ayrshire-rotuisilla lehmillä. Lehmien maitotuotos ja maidon juoksettumiskyky sekä juoksettumattomuus ovat sen sijaan perinnöllisesti toisistaan riippumattomia ominaisuuksia. Myöskin maidon valkuais- ja kaseiinipitoisuuden perinnöllinen yhteys juoksettumiskykyyn oli likimain nolla. Maidon pH:n ja juoksettumiskyvyn välillä oli melko voimakas perinnöllinen yhteys, joten maidon pH:n jalostaminen parantaisi myös maidon juoksettumiskykyä. Todennäköisesti sen jalostaminen ei kuitenkaan vähentäisi juoksettumatonta maitoa tuottavien lehmien määrää. Koska maidon juoksettumattomuus on niin yleinen ongelma suomalaisilla ayrshire-lehmillä, väitöksessä selvitettiin tarkemmin ilmiön taustoja. Kaikissa kolmessa tutkimusaineistoissa noin 10 % ayrshire-lehmistä tuotti juoksettumatonta maitoa. Kahden vuoden kuukausittaisen seurannan aikana osa lehmistä tuotti juoksettumatonta maitoa lähes joka mittauskerralla. Maidon juoksettumattomuus oli yhteydessä lypsykauden vaiheeseen, mutta mikään ympäristötekijöistä ei pystynyt täysin selittämään sitä. Sen sijaan viitteet sen periytyvyydestä vahvistuivat tutkimusten edetessä. Lopuksi tutkimusryhmä onnistui kartoittamaan juoksettumattomuutta aiheuttavat kromosomialueet kromosomeihin 2 ja 18, lähelle DNA-merkkejä BMS1126 ja BMS1355. Tulosten perusteella maidon juoksettumattomuus ei ole yhteydessä maidon juoksettumistapahtumassa keskeisiin kaseiinigeeneihin. Sen sijaan on mahdollista, että juoksettumattomuusongelman aiheuttavat kaseiinigeenien syntetisoinnin jälkeisessä muokkauksessa tapahtuvat virheet. Asia vaatii kuitenkin perusteellista tutkimista. Väitöksen tulosten perusteella maidon juoksettumattomuusgeeniä kantavien eläinten karsiminen jalostuseläinten joukosta olisi tehokkain tapa jalostaa maidon juoksettumiskykyä suomalaisessa lypsykarjapopulaatiossa.

Quantitative trait loci detection and benefits from marker-assisted selection in dairy cattle

Knowing the chromosomal areas or actual genes affecting the traits under selection would add more information to be used in the selection decisions which would potentially lead to higher genetic response. The first objective of this study was to map quantitative trait loci (QTL) affecting economically important traits in the Finnish Ayrshire population. The second objective was to investigate the effects of using QTL information in marker-assisted selection (MAS) on the genetic response and the linkage disequilibrium between the different parts of the genome. Whole genome scans were carried out on a grand-daughter design with 12 half-sib families and a total of 493 sons. Twelve different traits were studied: milk yield, protein yield, protein content, fat yield, fat content, somatic cell score (SCS), mastitis treatments, other veterinary treatments, days open, fertility treatments, non-return rate, and calf mortality. The average spacing of the typed markers was 20 cM with 2 to 14 markers per chromosome. Associations between markers and traits were analyzed with multiple marker regression. Significance was determined by permutation and genome-wise P-values obtained by Bonferroni correction. The benefits from MAS were investigated by simulation: a conventional progeny testing scheme was compared to a scheme where QTL information was used within families to select among full-sibs in the male path. Two QTL on different chromosomes were modelled. The effects of different starting frequencies of the favourable alleles and different size of the QTL effects were evaluated. A large number of QTL, 48 in total, were detected at 5% or higher chromosome-wise significance. QTL for milk production were found on 8 chromosomes, for SCS on 6, for mastitis treatments on 1, for other veterinary treatments on 5, for days open on 7, for fertility treatments on 7, for calf mortality on 6, and for non-return rate on 2 chromosomes. In the simulation study the total genetic response was faster with MAS than with conventional selection and the advantage of MAS persisted over the studied generations. The rate of response and the difference between the selection schemes reflected clearly the changes in allele frequencies of the favourable QTL. The disequilibrium between the polygenes and QTL was always negative and it was larger with larger QTL size. The disequilibrium between the two QTL was larger with QTL of large effect and it was somewhat larger with MAS for scenarios with starting frequencies below 0.5 for QTL of moderate size and below 0.3 for large QTL. In conclusion, several QTL affecting economically important traits of dairy cattle were detected. Further studies are needed to verify these QTL, check their presence in the present breeding population, look for pleiotropy and fine map the most interesting QTL regions. The results of the simulation studies show that using MAS together with embryo transfer to pre-select young bulls within families is a useful approach to increase the genetic merit of the AI-bulls compared to conventional selection.

Microfiltration in cheese and whey processing

Milk microfiltration (0.05-0.2 um) is a membrane separation technique which divides milk components into casein-enriched and native whey fractions. Hitherto the effect of intensive microfiltration including a diafiltration step for both cheese and whey processing has not been studied. The microfiltration performance of skimmed milk was studied with polymeric and ceramic MF membranes. The changes caused by decreased concentration of milk lactose, whey protein and ash content for cheese milk quality and ripening were studied. The effects of cheese milk modification on the milk coagulation properties, cheese recovery yield, cheese composition, ripening and sensory quality as well as on the whey recovery yield and composition by microfiltration were studied. The functional properties of whey protein concentrate from native whey were studied and the detailed composition of whey protein concentrate powders made from cheese wheys after cheese milk pretreatments such as high temperature heat treatment (HH), microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) were compared. The studied polymeric spiral wound microfiltration membranes had 38.5% lower energy consumption, 30.1% higher retention of whey proteins to milk retentate and 81.9% lower permeate flux values compared to ceramic membranes. All studied microfiltration membranes were able to separate main whey proteins from skimmed milk. The optimal lactose content of Emmental cheese milk exceeded 3.2% and reduction of whey proteins and ash content of cheese milk with high concentration factor (CF) values increased the rate of cheese ripening. Reduction of whey protein content in cheese milk increased the concentration of caseinomacropeptide (CMP) of total proteins in cheese whey. Reduction of milk whey protein, lactose and ash content reduces milk rennet clotting time and increased the firmness of the coagulum. Cheese yield calculated from raw milk to cheese was lower with microfiltrated milks due to native whey production. Amounts of a-lactalbumin (a-LA) and b-lactoglobulin (b-LG) were significantly higher in the reference whey, indicating that HH, MF and UF milk pretreatments decrease the amounts of these valuable whey proteins in whey. Even low CF values in milk microfiltration (CF 1.4) reduced nutritional value of cheese whey. From the point of view of utilization of milk components it would be beneficial if the amount of native whey and the CMP content of cheese whey could be maximized. Whey protein concentrate powders made of native whey had excellent functional properties and their detailed amino acid composition differed from those of cheese whey protein concentrate powders.

Lipeäkäsitellyn vehnän vaikutus lypsylehmien syöntiin ja tuotokseen vapaalla seosrehuruokinnalla

Lipeä on vahva emäs, jonka on havaittu lisäävän hemiselluloosan ja ligniinin hydrolyysiä pötsissä. Näin ollen lipeäkäsittelyllä on mahdollista korvata viljan mekaaninen litistys ja jauhatus. Seosrehuruokinnalla, jonka osana on lipeäkäsitelty vilja, on mahdollista vähentää liiallisesta tärkkelyksestä aiheutuvia metabolisia ongelmia pötsissä. Tämän tutkielman tarkoituksena oli selvittää lipeäkäsitellyn vehnän vaikutusta lypsylehmien syöntiin ja tuotokseen ad libitum seosrehuruokinnoilla. Ruokinnoissa korvattiin kuivaa murskattua vehnää asteittain kokonaisella lipeäkäsitellyllä vehnällä. Kontrollina oli perinteisesti käytetty kuiva, murskattu ohra-kaura seos. Koe tehtiin Ruotsin maatalousyliopiston (SLU) maataloustieteiden laitoksella Uumajassa. Koe alkoi syyskuussa ja päättyi joulukuussa 2010. Kokeessa oli 17 useamman kerran poikinutta lehmää ja 6 ensikkoa (Ruotsin punainen -rotu). Lehmät olivat lämpimässä pihattonavetassa, jossa seosrehun syöntiä mitattiin vaakakuppien avulla. Koekäsittelyt olivat murskattu ohra-kaura seos (1:1), murskattu kuiva vehnä (1:0), murskatun kuivan vehnän ja kokonaisen lipeävehnän seos (1:1) ja kokonainen lipeävehnä (1:0). Ruokintojen kuiva-ainepitoisuudeksi asetettiin 370 g/kg ja raakavalkuaispitoisuudeksi 180 g/kg kuiva-ainetta. Näennäinen ravintoaineen sulavuus määritettiin happoon liukenemattoman tuhkan avulla. Typen hyväksikäyttöä arvioitiin laskennallisen typpitaseen avulla. Koe toteutettiin 4x4 latinalaisen neliön koemallin mukaisesti ja käsittelyjen väliset tilastolliset erot testattiin kontrastien avulla. Kuiva-aineen (PQ=0,02) ja orgaanisen aineen (PQ=0,02) syönnit lisääntyivät, samalla kun niiden sulavuudet paranivat korvattaessa puolet kuivasta vehnästä lipeävehnällä. Ruokintojen välillä ei ollut tilastollisesti merkitsevää eroa maitotuotoksessa eikä energiakorjatussa maitotuotoksessa. Maidon rasvatuotos lisääntyi vähän (PQ=0,04) ja rasvapitoisuus selvästi (PQ=0,004), kun kuivasta vehnästä korvattiin puolet lipeävehnällä. Kun kaikki kuiva vehnä korvattiin lipeävehnällä, maidon valkuaispitoisuus väheni (PL<0,001). Samoin kävi maidon ureapitoisuudelle (PL=0,002). Lipeäkäsittely ei tuottanut tässä kokeessa taloudellisesti kannattavaa tulosta, sillä maidon valkuaispitoisuus väheni ja syönti lisääntyi maitotuotoksen pysyessä samana. Vehnäruokinnoista paras tuotosvaste saatiin kuivan vehnän ja lipeävehnän seoksella.

Comparative and functional genome analysis of fungi for development of the protein production host Trichoderma reesei

Filamentous fungi of the subphylum Pezizomycotina are well known as protein and secondary metabolite producers. Various industries take advantage of these capabilities. However, the molecular biology of yeasts, i.e. Saccharomycotina and especially that of Saccharomyces cerevisiae, the baker's yeast, is much better known. In an effort to explain fungal phenotypes through their genotypes we have compared protein coding gene contents of Pezizomycotina and Saccharomycotina. Only biomass degradation and secondary metabolism related protein families seem to have expanded recently in Pezizomycotina. Of the protein families clearly diverged between Pezizomycotina and Saccharomycotina, those related to mitochondrial functions emerge as the most prominent. However, the primary metabolism as described in S. cerevisiae is largely conserved in all fungi. Apart from the known secondary metabolism, Pezizomycotina have pathways that could link secondary metabolism to primary metabolism and a wealth of undescribed enzymes. Previous studies of individual Pezizomycotina genomes have shown that regardless of the difference in production efficiency and diversity of secreted proteins, the content of the known secretion machinery genes in Pezizomycotina and Saccharomycotina appears very similar. Genome wide analysis of gene products is therefore needed to better understand the efficient secretion of Pezizomycotina. We have developed methods applicable to transcriptome analysis of non-sequenced organisms. TRAC (Transcriptional profiling with the aid of affinity capture) has been previously developed at VTT for fast, focused transcription analysis. We introduce a version of TRAC that allows more powerful signal amplification and multiplexing. We also present computational optimisations of transcriptome analysis of non-sequenced organism and TRAC analysis in general. Trichoderma reesei is one of the most commonly used Pezizomycotina in the protein production industry. In order to understand its secretion system better and find clues for improvement of its industrial performance, we have analysed its transcriptomic response to protein secretion stress conditions. In comparison to S. cerevisiae, the response of T. reesei appears different, but still impacts on the same cellular functions. We also discovered in T. reesei interesting similarities to mammalian protein secretion stress response. Together these findings highlight targets for more detailed studies.

Content of zinc, iron and their absorption inhibitors in Nicaraguan common beans (Phaseolus vulgaris L.).

Protein-energy malnutrition and mineral deficiencies are two of the three forms of nutritional deficiencies that affect most developing countries due to inadequate access to food and diets based on a sole crop. Common bean (Phaseolus vulgaris L.) is the staple crop of Nicaragua and it has the potential to improve the nutritional status of the poorest group of the nation. Its high content of both protein and nonhaem iron provides many nutrients, but inhibitors also may prevent absorption of iron and zinc by the human consumer. A proper production chain must be followed to ensure the best grain quality for the consumer. To achieve food security, both production and high nutritional content must be maintained. Four nationally important accessions of common bean, with different harvesting dates, were selected to be submitted to two treatments: to evaluate the impact of storage conditions on the end quality of the grain. The duration of the study was six months with sampling every six weeks, and the two treatments were controlled one stored at 40°C and 75 RH %, and the other was stored in in-situ conditions. Proximate and mineral composition was evaluated as well as tannin, phytate and bioavailability. Significant differences among different accessions were found, being the most significant in protein, Fe and Zn content, tannins and phytate. Protein values ranged from 21-23%. Iron content was 61-81 mg/kg but only 3-4% was bioavailable. Zinc content was 21-25 mg/kg and 10-12% was bioavailable. The concentration of phytate ranged from 8.6-9.6 mg/g while tannin values ranged within 37.7-43.8 mg/g. Storage at high temperatures was demonstrated to have an impact on certain nutritional compounds and proved detrimental to final grain quality. Soluble sugar content and tannin content decreased after six months in both storage conditions, IDF decreased in the in-situ and SDF in the stress. The iron content and bioavailability in INTA Biofortificado were not as outstanding as expected, so experiments should be conducted to compare its iron uptake and delivery with other cultivars.

Introduction of high-content screening method for studying drug-induced mitochondrial dysfunction in hepatocytes

Drug induced liver injury is one of the frequent reasons for the drug removal from the market. During the recent years there has been a pressure to develop more cost efficient, faster and easier ways to investigate drug-induced toxicity in order to recognize hepatotoxic drugs in the earlier phases of drug development. High Content Screening (HCS) instrument is an automated microscope equipped with image analysis software. It makes the image analysis faster and decreases the risk for an error caused by a person by analyzing the images always in the same way. Because the amount of drug and time needed in the analysis are smaller and multiple parameters can be analyzed from the same cells, the method should be more sensitive, effective and cheaper than the conventional assays in cytotoxicity testing. Liver cells are rich in mitochondria and many drugs target their toxicity to hepatocyte mitochondria. Mitochondria produce the majority of the ATP in the cell through oxidative phosphorylation. They maintain biochemical homeostasis in the cell and participate in cell death. Mitochondria is divided into two compartments by inner and outer mitochondrial membranes. The oxidative phosphorylation happens in the inner mitochondrial membrane. A part of the respiratory chain, a protein called cytochrome c, activates caspase cascades when released. This leads to apoptosis. The aim of this study was to implement, optimize and compare mitochondrial toxicity HCS assays in live cells and fixed cells in two cellular models: human HepG2 hepatoma cell line and rat primary hepatocytes. Three different hepato- and mitochondriatoxic drugs (staurosporine, rotenone and tolcapone) were used. Cells were treated with the drugs, incubated with the fluorescent probes and then the images were analyzed using Cellomics ArrayScan VTI reader. Finally the results obtained after optimizing methods were compared to each other and to the results of the conventional cytotoxicity assays, ATP and LDH measurements. After optimization the live cell method and rat primary hepatocytes were selected to be used in the experiments. Staurosporine was the most toxic of the three drugs and caused most damage to the cells most quickly. Rotenone was not that toxic, but the results were more reproducible and thus it would serve as a good positive control in the screening. Tolcapone was the least toxic. So far the conventional analysis of cytotoxicity worked better than the HCS methods. More optimization needs to be done to get the HCS method more sensitive. This was not possible in this study due to time limit.