Ochrona zasobów genetycznych teoria i praktyka

Transkrypt

1 Ochrona zasobów genetycznych teoria i praktyka Andrzej Filistowicz Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Balice, 22 listopada 2011 r.

2 Doskonalenie jako fenomen inwestycyjny - wpływ pojedynczej decyzji selekcyjnej na kolejne pokolenia Δg potomne p o k o l e n i a reakcja pozytywna reakcja negatywna

3 Podstawy prawne ochrony zasobów genetycznych zwierząt gospodarskich Konwencja o różnorodności biologicznej z Rio de Janeiro [1992], Ustawa o organizacji hodowli i rozrodzie zwierząt gospodarskich z dnia 20 sierpnia 1997 roku, Ustawa o rolnictwie ekologicznym z dnia 16 marca 2001 roku, RAPORT: Stan Zasobów Genetycznych Zwierząt dla Wyżywienia i Rolnictwa w Świecie FAO [2007].

4 IZ-PIB, 2008: Stan Zasobów Genetycznych Zwierząt dla Wyżywienia i Rolnictwa w Świecie.cie]

5 Identyfikacja stanu zagrożenia populacji (rozporządzenie Komisji UE NR 1974/2006 z dnia ) progi liczebności pogłowia samic wpisanych do ksiąg hodowlanych, poniżej których populacje uważa się za zagrożone: bydło szt. konie szt. świnie szt. owce szt. drób szt.

6 Liczba krów objętych programem ochrony zasobów genetycznych [Krupiński (2008), z uzupełnieniami mgr G. Jendrysiak-Lipietty] Rasa Liczba krów 1. rok Polska czerwona 1999 * Białogrzbieta Polska czerwono-biała Polska czarno-biała * program ochrony rasy polskiej czerwonej rozpoczęto nieformalnie w 1973 roku.

7 Liczba klaczy objętych programem ochrony zasobów genetycznych (Krupiński, 2008) Rasa 1. rok Konik polski Huculska Małopolska Śląska Wielkopolska Sztumska Sokólska

8 Liczba owiec objętych programem ochrony zasobów genetycznych (Krupiński, 2008) Rasa 1. rok Rasa 1. rok Świniarka Kamieniecka Wrzosówka Korideil Polska owca górska barwna Merynos starego typu Merynos barwny Żeleźnieńska Pomorska Cakiel podhalański Uhruska Olkuska Wielkopolska

9 Liczba loch i samic zwierząt futerkowych objętych ochroną zasobów genetycznych (Krupiński, 2008) Świnie Rasa 1. rok Puławska Złotnicka biała Złotnicka pstra Zwierzęta futerkowe Królik biały popielniański Szynszyla beżowa Lis pospolity pastelowy Lis pospolity białoszyjny Tchórz hodowlany Nutria (czarna, perłowa, bursztynowa, złocista, pastelowa, standard) ?

10 Liczebność populacji kur nieśnych objętych ochroną zasobów genetycznych (Krupiński, 2008) Rasa/ród Zielononóżka kuropatwiana Z Zielononóżka kuropatwiana Zk Żółtonóżka kuropatwiana Ż Rohde Island Red R-II Rohde Island Red K Rohde Island White A Sussex S Leghorn H Leghorn S Polbar Pb

11 Liczebność gęsi objętych ochroną zasobów genetycznych w 2007 r. (Krupiński, 2008) Rasa Odmiana Garbonosa lubelska Roman kielecka Pomorska podkarpacka Słowacka kartuska Landes rypińska Kubańska suwalska Biłgorajska Zatorska

12 Liczebność populacji kaczek objętych ochroną zasobów genetycznych w 2007 r. (Krupiński, 2008) Rasa/ród Pekin duński Pekin francuski Pekin rodzimy Pekin angielski Pekin krajowy P Pekin krajowy P Pekin krajowy P Pekin krajowy P Kaczka pomniejszona Mieszaniec Kh

13 Skład i minimalna wielkość próby reprezentatywna, aby zawierała wszystkie geny chronionej populacji; ograniczona z uwagi na wysokie koszty ochrony; tak duża, aby roczne tempo wzrostu inbredu (ΔF) nie przekraczało 0,5% rocznie. Należy wyznaczyć taką efektywną wielkość populacji, aby zachować wszystkie geny rasy i utrzymać roczne tempo wzrostu inbredu na poziomie ΔF 0,5%, a następnie tak wybierać zwierzęta remontowe i prowadzić kojarzenia, aby nie zmieniać struktury populacji i ograniczać dryf genetyczny.

14 Wyznaczanie minimalnej wielkości próby Prawdopodobieństwo, że żaden z N osobników w próbie nie ma genu, wynosi [Smith, 1982]: (1 q) 4N - gdy zachowujemy zygoty oraz (1 q) 2N - gdy zachowujemy gamety, gdzie: q frekwencja genu, N liczebność próby.

15 Prawdopodobieństwo zachowania genu (z wyjściową frekwencją q) w próbie (liczącej N) zygot (tło brązowe) lub gamet (tło zielone) N q = 0,01 q = 0,05 q = 0,10 q = 0,15 5,182,096,642,401,878,651,961,803 10,331,182,872,642,985,878,999,961 25,634,395,994,923,999,995,999,999 50,866,634,999,994,999,999 1,00, ,982,866,999,999 1,00,999 1,00 1,00 150,998,951 1,00,999 1,00 1,00 1,00 1,00 200,999,982 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 [Filistowicz i wsp.,1995]

16 *Zwolioska-Bartczak i wsp., 19 39,3% 78,4% 92,2% 62,3%

17 Prawdopodobieostwo (P) zachowania struktury genetycznej wyjściowej populacji z frekwencją genów (p od 0,1 do 0,9) i jej minimalną efektywną wielkością (N) próby złożonej z gamet (σ P =0.1p) i zygot (σ P =0.2p) [Filistowicz i wsp.,1995].

18 Ewolucja rasy simentalskiej w latach r r r. *Fot. T. Konopioski r r. *Wg Engeleza, za Konopioskim, [Fot. T. Jezierski]

19 Rodzime rasy bydła [Fot. T. Jezierski] Rasa polska czerwono-biała Rasa polska czarno-biała *Fot. Z. Litwioczuk+ Rasa białogrzbieta Rasa polska czerwona

20 5% Udział procentowy potomstwa buhajów importowanych z Holandii i Niemiec oraz buhajów lokalnych w populacji rasy czb na Dolnym Śląsku *Filistowicz,

21 Pytania Jeśli genotypy zwierząt rasy polskiej czerwono-białej zawierają 95% genów bydła rasy czerwono-białej holenderskiej i niemieckiej, to dlaczego nie korzystamy z puli genowej tych ras, a utrzymujemy w populacji chronionej mieszańce z dużym stosunkowo udziałem genów rasy holsztyńsko-fryzyjskiej? Jeśli podobna sytuacja występuje w rasie polskiej czarno-białej, to dlaczego utrzymujemy w tej rasie mieszańce z dużym stosunkowo udziałem genów rasy holsztyńsko-fryzyjskiej?

22 Ocena stanu ochrony rasy polskiej czerwonej PC 69 Michalak [1969] PC 82 Falenczak [1982] PC 96 Filistowicz i wsp. [1996] PC 02 Filistowicz i wsp. [2002]

23 Frekwencje alleli białek mleka w różnych populacjach bydła czerwonego Białko Allele PC 69 PC 82 PC 96 DC NC CC S1 -kazeina -kazeina -kazeina -laktoglobulina B 0,889 0,913 0,943 0,996 0,975 0,964 C 0,111 0,087 0,057 0,004 0,025 0,036 A 0,910 0,967 0,938 0,940 0,943 0,786 B 0,090 0,033 0,062 0,060 0,057 0,214 A 0,604 0,609 0,690 0,810 0,712 0,464 B 0,396 0,391 0,310 0,190 0,288 0,536 A 0,397 0,328 0,224 0,110 0,191 0,429 B 0,603 0,672 0,776 0,890 0,809 0,571 [Filistowicz i wsp., 1997]

24 frekwencja frekwencja frekwencja frekwencja 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 D R Y F 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 PC'69 PC'82 PC'96 PC'02 CC DC NC PC'69 PC'82 PC'96 PC'02 CC DC NC PC'69 PC'82 PC'96 PC'02 CC DC NC α s1 -kazeina (allel C) G E β-kazeina (allel B) 0,5 N 0,45 0,4 E 0,35 0,3 T 0,25 0,2 Y 0,15 0,1 C 0,05 0 Z N PC'69 PC'82 PC'96 PC'02 CC DC NC κ-kazeina (allel B) Y β-laktoglobulina (allel A)

25 Wariancja dryfu genetycznego [Smith, 1982] Vd G 1 Nm Nm 1 d Nm 1 d n gdy każdy z N m samców jest kojarzony z kilkoma (d) samicami i z każdego kojarzenia otrzymuje się kilku (n) potomków Vd G 1 Nm Nm 2 d gdy każdy z N m samców jest kojarzony z kilkoma (d) samicami i z każdego kojarzenia otrzymuje się 1 potomka

26 Frekwencje alleli białek mleka w różnych populacjach bydła czerwonego Białko Allele PC 69 PC 82 PC 96 DC NC CC S1 -kazeina -kazeina -kazeina -laktoglobulina B 0,889 0,913 0,943 0,996 0,975 0,964 C 0,111 0,087 0,057 0,004 0,025 0,036 A 0,910 0,967 0,938 0,940 0,943 0,786 B 0,090 0,033 0,062 0,060 0,057 0,214 A 0,604 0,609 0,690 0,810 0,712 0,464 B 0,396 0,391 0,310 0,190 0,288 0,536 A 0,397 0,328 0,224 0,110 0,191 0,429 B 0,603 0,672 0,776 0,890 0,809 0,571 [Filistowicz i wsp., 1997]

27 Podobieństwo genetyczne ras (metoda najbliższego sąsiedztwa) NIEMIECKA CZERWONA POLSKA CZERWONA 69 CZESKA CZERWONA POLSKA CZERWONA 82 DUŃSKA CZERWONA POLSKA CZERWONA 96 [Filistowicz i wsp., 1997]

28 Dystans genetyczny między rasami czerwonymi Rasa PC 69 PC 82 PC 96 DC NC CC PC 69 PC 82 0,0045 PC 96 0,0243 0,0104 DC 0,0674 0,0428 0,0111 NC 0,0339 0,0167 0,0008 0,0061 CC 0,0152 0,0282 0,0593 0,1206 0,0732 [Filistowicz i wsp., 1997]

29 Frekwencje alleli sekwencji mikrosatelitarnych [Filistowicz i wsp., 2002] 1 0,9 PC CC DC 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, BM6438 BM148 RM012 BOVCASK35 BOVIRPB BTOBCAM BM4621 BOVSEMRN SRC97

30 Dystans genetyczny między rasami: polską czerwoną (PC), czeską czerwoną (CC) i niemiecką czerwoną (NC) w 2002 roku Autor metody PC - CC PC - NC CC - NC Nei 0,1573 0,1121 0,1577 Cavalli-Sforza 0,1977 0,1730 0,1815 Reynolds 0,1810 0,1589 0,1721 [Filistowicz i wsp., 2005]

31 Byk rasy polskiej czerwonej Alians W 1997 roku zakupiono w MCB Krasne 300 dawek nasienia do wzbogacenia puli genowej rasy czeskiej czerwonej. Ten młody byk ma 78% genów rasy pc.

32 Tempo wzrostu inbredu w zależności od efektywnej wielkości próby oraz systemu wyboru rodziców następnego pokolenia System reprezentatywny [Gove i wsp., 1959] i losowy [Wright, 1931]; Przy N=50 osobników (N m =25 i N f =25 ), N e =100 w systemie reprezentatywnym i tylko N e =50 w systemie losowym, co powoduje dwukrotnie większe tempo wzrostu inbredu (ΔF) w systemie losowym (ΔF=0,010) niż w reprezentatywnym ΔF=0,005).

33 Liczebność ras chronionych w 2010 roku oraz ich parametry: efektywna wielkość (N e ) i tempo wzrostu inbredu (ΔF) przy losowym i reprezentatywnym wyborze rodziców Rasa Liczba w 2010 roku Wybór losowy reprezentatywny krów buhajów N e ΔF (%) N e ΔF (%) Polska czerwona ,2 0,3 238,3 0,2 Białogrzbieta ,9 1,1 63,0 0,8 Polska czerwono-biała ,1 0,5 143,6 0,3 Polska czarno-biała ,4 0,6 101,0 0,5

34 Pytania Jeśli system reprezentatywny jest efektywniejszy, dlaczego stosuje się system losowy, albo oparty na wyborze zwierząt remontowych na podstawie kryteriów stosowanych w dużych populacjach (tj. na podstawie wartości hodowlanej cech doskonalonych)? Dlaczego tempo wzrostu inbredu i minimalizacja dryfu genetycznego nie są dotychczas podstawowymi kryteriami efektywności ochrony zasobów genetycznych metodą in situ? Dlaczego tak mało samców używamy? Przecież to liczba samców limituje efektywną wielkość populacji i tempo wzrostu inbredu!

35 Program hodowli koni rasy huculskiej [Jackowski, 1985] hodowla prowadzona jest w oparciu o 7 linii męskich: Polana (Po.), Gurgula (Gu.), Górala (Go.), Hrobego (Hr.), Ouora (Ou.), Pietrosu (Pt.) i Prislopa (Pr.) oraz 14 rodzin żeńskich: (A) Agatki, (B) Bajkałki, (C) Czeremchy, (F) Wrony, (G) Gurgul, (J) Góralki nowosądeckiej, (L) Laliszki, (N) Nakonecznej, (O) Wołgi, (P) Polanki, (S) Sroczki, (T) Sekundy, (W) Wydry i (Z) Redy; głównym kryterium doboru do kojarzeń jest stopień pokrewieństwa; dobór powinien być tak prowadzony, by nie dopuścić do depresji inbredowej, przy czym dobór ogierów do krycia klaczy jest ustalany przez podmiot prowadzący księgę; aby zachować zmienność genetyczną, dąży się do zrównoważonego utrzymania liczebności istniejących linii męskich i rodzin żeńskich; podjęto decyzję o stosowaniu systemu reprezentatywnego.

36 załamanie programu w 1992 roku [Brzeski i Jackowski, 1992] Przedwcześnie wymieniono 2 spośród 7 ogierów na inne niż synowie usuniętych samców; skutek: szybki wzrost inbredu w grupach potomstwa nowych ogierów; Nie dokonano wymiany klaczek między SK w Siarach (sprzedaż poza granice kraju) i ZZD w Rymanowie; skutek: zamiast 7 grup klaczy pozostało 5, a ponadto wzrósł szybko średni inbred w ZZD w Rymanowie; Naprawa programu trwała kilka lat, ale wszystkich negatywnych skutków nie udało się szybko usunąć.

37 Zalecenia do modyfikacji programów ochrony 1. Należy rozważyć zastąpienie buhajów z udziałem genów rasy holsztyńsko-fryzyjskiej w programach ochrony bydła w typie kombinowanym buhajami z Holandii i/lub Niemiec. 2. Należy przejść z systemu losowego na system reprezentatywny wyboru rodziców. Zastępowanie ojca przez syna i matki przez córkę jest warunkiem niezbędnym, aby utrzymać roczne tempo wzrostu inbredu ( F) na poziomie nieprzekraczającym 0,5%.

38 3. Należy stosować kojarzenia sterowane z unikaniem spokrewnienia. W skład rodziny i rodu powinny wejść zwierzęta najbardziej ze sobą spokrewnione. 4. Należy monitorować na bieżąco skutki dryfu genetycznego i selekcji naturalnej. 5. Trzeba na bieżąco monitorować spokrewnienie w rodzinach i rodach oraz między rodzinami i rodami, a także średni inbred w populacji. 6. Należy okresowo szacować wskaźniki heterozygotyczności (HET) i polimorficzności (PIC) oraz frekwencje genów i genotypów uznanych za reprezentatywne dla rasy.

39 7. Trzeba dla każdej rasy, linii, rodu, odmiany i szczepu ustalić niezbędną liczbę samic i samców (określić liczbę etatów), zapewniającą niskie tempo wzrostu inbredu i minimalizację dryfu genetycznego. Rozbudowane obecnie stany pogłowia samic można ograniczyć, aby objąć ochroną kolejne rasy, linie, odmiany, rody i szczepy. 8. W komputerowej bazie danych trzeba gromadzić wszystkie informacje oraz rezultaty monitoringu ochrony. Baza powinna być dostępna dla szerokiego grona użytkowników. 9. Konieczne jest zweryfikowanie obecnych programów ochrony zasobów genetycznych i wprowadzenie wszystkich postulowanych mechanizmów zabezpieczających chronione populacje przed erozją genetyczną.

40 Dziękuję za uwagę