Advanced

Milk Genomics – Impact of Genetic Polymorphism on Bovine Milk Composition and Processability

Glantz, Maria LU (2011)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Ny kunskap gör det möjligt att med hjälp av DNA-information välja ut vilka kvigor/kor som förväntas ge en hög mjölkavkastning, höga halter av mjölkens komponenter och optimala egenskaper för ostproduktion. Denna information kan användas för att bättre anpassa mjölkens sammansättning och processegenskaper med de svenska mejeriernas behov för att på så vis förbättra mjölkens betalningsförmåga.



Kons gener styr den individuella kons egenskaper och påverkar därmed även mjölkens sammansättning och funktion. Aveln är här ett viktigt hjälpmedel för att kontrollera denna styrning. Genetiska förändringar skapas genom att välja ut de bästa djuren och använda dessa till nästa generation.... (More)
Popular Abstract in Swedish

Ny kunskap gör det möjligt att med hjälp av DNA-information välja ut vilka kvigor/kor som förväntas ge en hög mjölkavkastning, höga halter av mjölkens komponenter och optimala egenskaper för ostproduktion. Denna information kan användas för att bättre anpassa mjölkens sammansättning och processegenskaper med de svenska mejeriernas behov för att på så vis förbättra mjölkens betalningsförmåga.



Kons gener styr den individuella kons egenskaper och påverkar därmed även mjölkens sammansättning och funktion. Aveln är här ett viktigt hjälpmedel för att kontrollera denna styrning. Genetiska förändringar skapas genom att välja ut de bästa djuren och använda dessa till nästa generation. Under de senaste 25 åren har mängden mjölk som korna producerar ökat med över 50 procent i Sverige. En större andel av mjölken processas till olika produkter som ost, yoghurt och smör. Avelsarbetet har varit en drivande kraft i utvecklingen mot allt större mjölkmängder, men kunskapen om vilka gener som påverkar mjölkens sammansättning och processegenskaper är ofullständig. Nya tekniker för att studera kons genuppsättning har gjort att avelsarbetet har genomgått stora förändringar de senaste åren. I denna avhandling undersöks sambanden mellan kons gener och mjölkens egenskaper ur olika genetiska perspektiv genom att följa avelsarbetets utveckling, från traditionell avelsvärdering, via möjligheten att använda specifika gener hos kon som markörer för mjölkegenskaper till den senaste tekniken kallad genomisk selektion.



Milk genomics är ett nytt forskningsfält som innefattar bland annat identifiering av olika gener hos kon. Mjölkens kvalitetsegenskaper har ofta en komplex bakgrund och regleras av en mängd gener i samverkan. En gen kan liknas vid en ritning för ett protein och generna finns lagrade i arvsmassan, DNA. De proteiner som tillverkas behövs dels som byggstenar, dels som verktyg, enzymer, för att tillverka andra byggstenar. Enzymerna förändrar sedan övriga beståndsdelar till lämplig form, som proteiner, fett och kolhydrater. En ökad kunskap om kons genuppsättning ger nya möjligheter att i framtiden välja ut kor som ger mjölk med önskad sammansättning och processegenskaper. I det långa loppet leder det till att en mer högkvalitativ mjölk kan levereras till mejerierna.



Mjölkens sammansättning är avgörande för mjölken som näringskälla, som råvara för tillverkning av olika produkter på mejeriet och som ingrediens vid övrig livsmedelsframställning. Mjölk antas innehålla mer än 100 000 olika ämnen där många ännu inte är identifierade. De till mängden största beståndsdelarna är vatten, laktos, fett och protein. Laktos är mjölkens viktigaste kolhydrat och har mycket stor betydelse för viktiga egenskaper som smak, hållbarhet och konsistens i ost, yoghurt och filmjölk. Fettet finns i form av kulor och dessa är omgivna av ett yttre skikt som skyddar dem mot olika hanteringar som pumpning och omrörning. Skadas skiktet riskeras smakfel och förkortad lagringsstabilitet av mjölken. Fett är även huvudråvara vid tillverkning av grädde och smör. Mjölkens proteiner kan delas in i två stora grupper, kaseiner och vassleproteiner, som i sin tur finns i olika varianter. I mjölken finns kaseinerna i form av miceller. Kaseinerna bidrar till strukturen i ost medan vassleproteinerna är betydelsefulla för den vattenhållande förmågan och därmed konsistensen i syrade produkter som yoghurt och filmjölk.



I studien har kor av de två vanligaste korraserna i Sverige använts, Svensk Holstein och Svensk röd och vit boskap. Sverige är det land i Europa där korna mjölkar mest och de studerade korna är rekordmjölkare i detta sammanhang. I genomsnitt mjölkar en svensk ko ca 25 liter per dygn. De studerade korna producerar drygt 30 procent mer mjölk än medeltalet i landet, vilket bland annat beror på att de har höga avelsvärden. Genom deras höga avelsvärden återspeglar de studerade korna den förväntade produktionskapaciteten hos våra framtida svenska kor och kan på så sätt klassas som elitkor. Detta ger möjlighet att jämföra framtida mjölksammansättning och teknologiska egenskaper med dagens mjölk, samt att korrigera och anpassa inriktningen av avelsarbetet.



Studien har visat att elitkorna producerar mer mjölk än dagens kor och även mer fett, protein och laktos. Däremot har halten av mjölkens beståndsdelar i genomsnitt minskat. Rent praktiskt betyder detta att det finns mer vatten i mjölken, något som kan påverka både mjölkens näringsvärde och egenskaper när man framställer olika produkter. Så här långt är ändå de högavkastande kornas mjölk bra för att göra ost, men mjölken är mer känslig för oxidation, en kemisk process som påverkar mjölkens fett och ger mjölken en dålig smak. Jämför man de två korraserna har skillnaderna i mjölkens sammansättning blivit mindre för de högavkastande korna jämfört med dagens kor. Detta betyder att mejerierna får in mjölk med en mer jämn kvalitet än tidigare, vilket kan minska processproblem.



I Sverige blir över 30 procent av mjölken som produceras till ost. Vid tillverkning av ost är kaseinmicellerna viktiga och studien har visat att ju mindre kaseinmicellerna är, desto starkare blir den gel som bildas i det första steget vid osttillverkningen. Detta betyder att man kan optimera mjölken för en bra ostproduktion med hjälp av avelsarbetet. I avhandlingen visades också att den största delen av mjölkens kaseinmiceller är runda, men det finns även större och långsmala sammanslagna kaseinmiceller. Förekomsten av dessa sammanslagna miceller tros påverka ostens egenskaper. Men mycket är fortfarande okänt.



I studien har tre gener, leptin, leptinreceptor och DGAT1, samt olika genetiska varianter av kaseiner och vassleproteiner undersökts hos de högavkastande korna. Resultaten har visat att kornas gener har betydelse för både mjölkens sammansättning och ostegenskaper och att olika varianter av generna ger mjölken varierande egenskaper. Kvigor/kor som förväntas producera den mjölk man önskar kan då väljas ut och möjlighet finns att förändra mjölkens sammansättning, processegenskaper och hälsoegenskaper efter de svenska mejeriernas behov. Detta sker genom ett selektivt avelsarbete.



De olika generna påverkar olika beståndsdelar i mjölken. Leptin har betydelse för mjölkens proteiner och mineraler, medan leptinreceptorn har samband med ostegenskaper. Detta i sin tur ger möjligheter att redan på gårdsnivå förbättra osttillverkningen. Den nya kunskapen kommer i framtiden att vara praktiskt tillämpbar i avelsarbetet för att optimera både mjölkens och produkternas kvalitet, stabilitet och hållbarhet.



Genomisk selektion är den senaste tekniken inom avelsarbetet och här använder man sig av information från hela kons genuppsättning för att välja ut de bästa korna. Genom ett blodprov från kon kan man skatta fram djurets så kallade direkta genetiska avelsvärde. I studien har samband hittats mellan direkta genetiska avelsvärden för bland annat mjölk-, protein- och fettmängd samt protein- och fetthalt och mjölkens proteiner, mineraler och ostegenskaper. Detta gör att man indirekt kan välja ut kor till att producera mjölk till specifika produkter. Eftersom avelsvärdena fås genom ett blodprov ges möjlighet att i ett tidigt stadium i djurets liv få värdefull information som man annars måste vänta på.



Sammanfattningsvis har avhandlingen visat att det finns möjlighet att förändra mjölkens kvalitet och egenskaper efter de svenska mejeriernas behov genom ett selektivt avelsarbete. Det svenska avelsarbetet har idag och tidigare selekterat för mjölkens sammansättning genom att analysera halt och mängd av mjölkens fett och protein. Detta projekt går bortanför denna traditionella avelsstrategi genom att analysera mjölkens sammansättning och teknologiska egenskaper i detalj och har på så vis bidragit till en fördjupad kunskap som kan leda till en bättre användning av mjölkråvaran. Detta innebär att nya krav på mjölkråvaran kan mötas när framtida produkter ska produceras, vilket bidrar till en ökad lönsamhet inom mjölkproduktionen och mejeriindustrin. (Less)
Abstract
Milk genomics is a new area of research that explores the relations between cow genetics and milk characteristics. Identifying the genes controlling compositional and technological traits of milk will give opportunities to select cows for targeted milk production. In this thesis, the impact of different genetic approaches, i.e. quantitative genetic evaluation, single gene effects and genomic selection, on numerous compositional traits and technological properties of milk have been studied. The cows used were elite dairy cows of the Swedish Holstein and Swedish Red breeds with high genetic merit, reflecting the future Swedish cow population.

The elite dairy cows were shown to have genetic progress in relation to yields of milk and... (More)
Milk genomics is a new area of research that explores the relations between cow genetics and milk characteristics. Identifying the genes controlling compositional and technological traits of milk will give opportunities to select cows for targeted milk production. In this thesis, the impact of different genetic approaches, i.e. quantitative genetic evaluation, single gene effects and genomic selection, on numerous compositional traits and technological properties of milk have been studied. The cows used were elite dairy cows of the Swedish Holstein and Swedish Red breeds with high genetic merit, reflecting the future Swedish cow population.

The elite dairy cows were shown to have genetic progress in relation to yields of milk and milk components that are to a great extent contributing to the Nordic total merit of the Swedish breeding objective, whereas the contents of some milk components, e.g. lipid and whey protein contents, had decreased on average. Milk from the elite cows had good rennet-induced gelation properties, but was more susceptible to lipid autooxidation. These findings show clearly that breeding program influences milk characteristics considerably, offering opportunities to alter milk quality through breeding. Selecting for smaller casein micelles and lower milk pH through breeding would enhance gelation properties and may thus improve the initial step in the processing of cheese. Furthermore, it was shown that the majority of the casein micelles have a spherical shape, but a low concentration of larger and elongated aggregates exists, which can be expected to have a large impact on technological properties during renneting of milk.

Polymorphisms in the leptin, leptin receptor, ß-casein, κ-casein and ß-lactoglobulin genes were shown to be associated with milk composition traits and cheese characteristics, thus indicating possibilities of using these polymorphisms as markers within genetic selection programs to improve and adjust several parameters and properties. Using genomic selection, relations between direct genomic values for traditional production traits and novel milk traits were found. This shows opportunities of indirect selection of milk composition traits and technological properties important for cheese production that are not registered in the milk recording scheme.

In conclusion, this thesis has shown possibilities of changing the quality and functionality of milk through selective breeding. The Swedish breeding objective is today and was previously selecting for milk composition by analyzing the contents and yields of lipids and proteins. This study goes beyond this traditional breeding strategy by analyzing compositional traits and technological properties in detail and has thus contributed to a deeper knowledge of milk quality. This gives opportunities to meet new demands on milk, which certainly will increase the economic output of both the breeding and dairy industries. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Mortensen, Grith, Department of Food Science, Aarhus University, Denmark
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
milk genomics, bovine milk, milk composition, technological properties, processability, cheese, quantitative genetic evaluation, single gene effect, genomic selection, genetic polymorphism, leptin, direct genomic value
pages
164 pages
defense location
Lecture Hall C, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2011-06-10 10:15
ISBN
978-91-978122-3-8
language
English
LU publication?
yes
id
f8d45ddd-49b8-404a-9999-3af9f95e39c6 (old id 1962831)
date added to LUP
2011-05-17 08:23:52
date last changed
2016-09-19 08:45:17
@misc{f8d45ddd-49b8-404a-9999-3af9f95e39c6,
  abstract     = {Milk genomics is a new area of research that explores the relations between cow genetics and milk characteristics. Identifying the genes controlling compositional and technological traits of milk will give opportunities to select cows for targeted milk production. In this thesis, the impact of different genetic approaches, i.e. quantitative genetic evaluation, single gene effects and genomic selection, on numerous compositional traits and technological properties of milk have been studied. The cows used were elite dairy cows of the Swedish Holstein and Swedish Red breeds with high genetic merit, reflecting the future Swedish cow population.<br/><br>
 The elite dairy cows were shown to have genetic progress in relation to yields of milk and milk components that are to a great extent contributing to the Nordic total merit of the Swedish breeding objective, whereas the contents of some milk components, e.g. lipid and whey protein contents, had decreased on average. Milk from the elite cows had good rennet-induced gelation properties, but was more susceptible to lipid autooxidation. These findings show clearly that breeding program influences milk characteristics considerably, offering opportunities to alter milk quality through breeding. Selecting for smaller casein micelles and lower milk pH through breeding would enhance gelation properties and may thus improve the initial step in the processing of cheese. Furthermore, it was shown that the majority of the casein micelles have a spherical shape, but a low concentration of larger and elongated aggregates exists, which can be expected to have a large impact on technological properties during renneting of milk. <br/><br>
 Polymorphisms in the leptin, leptin receptor, ß-casein, κ-casein and ß-lactoglobulin genes were shown to be associated with milk composition traits and cheese characteristics, thus indicating possibilities of using these polymorphisms as markers within genetic selection programs to improve and adjust several parameters and properties. Using genomic selection, relations between direct genomic values for traditional production traits and novel milk traits were found. This shows opportunities of indirect selection of milk composition traits and technological properties important for cheese production that are not registered in the milk recording scheme. <br/><br>
 In conclusion, this thesis has shown possibilities of changing the quality and functionality of milk through selective breeding. The Swedish breeding objective is today and was previously selecting for milk composition by analyzing the contents and yields of lipids and proteins. This study goes beyond this traditional breeding strategy by analyzing compositional traits and technological properties in detail and has thus contributed to a deeper knowledge of milk quality. This gives opportunities to meet new demands on milk, which certainly will increase the economic output of both the breeding and dairy industries.},
  author       = {Glantz, Maria},
  isbn         = {978-91-978122-3-8},
  keyword      = {milk genomics,bovine milk,milk composition,technological properties,processability,cheese,quantitative genetic evaluation,single gene effect,genomic selection,genetic polymorphism,leptin,direct genomic value},
  language     = {eng},
  pages        = {164},
  title        = {Milk Genomics – Impact of Genetic Polymorphism on Bovine Milk Composition and Processability},
  year         = {2011},
}