Ochrona zasobów genetycznych teoria i praktyka Andrzej Filistowicz Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Balice, 22 listopada 2011 r.
Doskonalenie jako fenomen inwestycyjny - wpływ pojedynczej decyzji selekcyjnej na kolejne pokolenia Δg potomne 60 40 20 0-20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 p o k o l e n i a -40-60 reakcja pozytywna reakcja negatywna
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].
IZ-PIB, 2008: Stan Zasobów Genetycznych Zwierząt dla Wyżywienia i Rolnictwa w Świecie.cie]
Identyfikacja stanu zagrożenia populacji (rozporządzenie Komisji UE NR 1974/2006 z dnia 15.12.2006) progi liczebności pogłowia samic wpisanych do ksiąg hodowlanych, poniżej których populacje uważa się za zagrożone: bydło - 7500 szt. konie - 5000 szt. świnie - 15000 szt. owce - 10000 szt. drób - 25000 szt.
Liczba krów objętych programem ochrony zasobów genetycznych [Krupiński (2008), z uzupełnieniami mgr G. Jendrysiak-Lipietty] Rasa Liczba krów 1. rok 2007 2008 2013 Polska czerwona 1999 * 150 1257 1800 4000 Białogrzbieta 2003 20 111 150 350 Polska czerwono-biała 2007 361 1715 2200 3500 Polska czarno-biała 2008 800 641 800 2500 * program ochrony rasy polskiej czerwonej rozpoczęto nieformalnie w 1973 roku.
Liczba klaczy objętych programem ochrony zasobów genetycznych (Krupiński, 2008) Rasa 1. rok 2007 2013 Konik polski 1999 405 1700 Huculska 1999 755 2000 Małopolska 2005 556 1200 Śląska 2005 394 1000 Wielkopolska 2007 140 900 Sztumska 2008 275 2000 Sokólska 2008 358 2000
Liczba owiec objętych programem ochrony zasobów genetycznych (Krupiński, 2008) Rasa 1. rok 2007 2013 Rasa 1. rok 2007 2013 Świniarka 1999 347 1200 Kamieniecka 1999 763 2000 Wrzosówka 1999 3893 7000 Korideil 2000 283 600 Polska owca górska barwna 2008 222 1000 Merynos starego typu 2008 1867 5000 Merynos barwny 1999 90 600 Żeleźnieńska 1999 218 600 Pomorska 1999 4862 6500 Cakiel podhalański 2008 2691 5000 Uhruska 1999 2895 5000 Olkuska 1999 425 800 Wielkopolska 1999 1778 5000 8
Liczba loch i samic zwierząt futerkowych objętych ochroną zasobów genetycznych (Krupiński, 2008) Świnie Rasa 1. rok 2007 2013 Puławska 1999 1150 1500 Złotnicka biała 1999 400 1500 Złotnicka pstra 1999 900 1500 Zwierzęta futerkowe Królik biały popielniański 1999 122 200 Szynszyla beżowa 2000 192 200 Lis pospolity pastelowy 1999 111 200 Lis pospolity białoszyjny 1999 68 200 Tchórz hodowlany 1999 132 250 Nutria (czarna, perłowa, bursztynowa, złocista, pastelowa, standard) 2007 947?
Liczebność populacji kur nieśnych objętych ochroną zasobów genetycznych (Krupiński, 2008) Rasa/ród 1999 2007 2013 Zielononóżka kuropatwiana Z-11 550 62 602 1000 Zielononóżka kuropatwiana Zk 550 80 598 1000 Żółtonóżka kuropatwiana Ż-33 550 62 602 1000 Rohde Island Red R-II 550 62 602 850 Rohde Island Red K-22 550 141 693 850 Rohde Island White A-33 550 136 660 850 Sussex S-66 550 62 602 850 Leghorn H-22 550 62 602 850 Leghorn S-99 550 62 602 850 Polbar Pb 550 87 600 1000
Liczebność gęsi objętych ochroną zasobów genetycznych w 2007 r. (Krupiński, 2008) Rasa Odmiana Garbonosa 55 154 lubelska 52 142 Roman 57 163 kielecka 53 148 Pomorska 55 150 podkarpacka 52 145 Słowacka 63 193 kartuska 45 135 Landes 63 181 rypińska 52 145 Kubańska 80 289 suwalska 54 156 Biłgorajska 55 172 Zatorska 82 222
Liczebność populacji kaczek objętych ochroną zasobów genetycznych w 2007 r. (Krupiński, 2008) Rasa/ród Pekin duński 30 148 Pekin francuski 32 178 Pekin rodzimy 31 152 Pekin angielski 31 154 Pekin krajowy P11 98 363 Pekin krajowy P22 114 292 Pekin krajowy P44 101 463 Pekin krajowy P55 91 361 Kaczka pomniejszona 34 172 Mieszaniec Kh 01 35 176
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.
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.
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 1,00,999 100,982,866,999,999 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]
*Zwolioska-Bartczak i wsp., 19 39,3% 78,4% 92,2% 62,3%
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].
Ewolucja rasy simentalskiej w latach 1800-2000 1800 r. 1947 r. 1850 r. *Fot. T. Konopioski+ 1890 r. 2000 r. *Wg Engeleza, za Konopioskim, 1949+ [Fot. T. Jezierski]
Rodzime rasy bydła [Fot. T. Jezierski] Rasa polska czerwono-biała Rasa polska czarno-biała *Fot. Z. Litwioczuk+ Rasa białogrzbieta Rasa polska czerwona
5% Udział procentowy potomstwa buhajów importowanych z Holandii i Niemiec oraz buhajów lokalnych w populacji rasy czb na Dolnym Śląsku *Filistowicz, 1976+.
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?
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]
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]
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)
Wariancja dryfu genetycznego [Smith, 1982] Vd 1 4 2 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 1 2 2 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
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]
Podobieństwo genetyczne ras (metoda najbliższego sąsiedztwa) NIEMIECKA CZERWONA 4 3 2 1 POLSKA CZERWONA 69 CZESKA CZERWONA POLSKA CZERWONA 82 DUŃSKA CZERWONA POLSKA CZERWONA 96 [Filistowicz i wsp., 1997]
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]
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 0,1 0 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 1 2 3 4 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 BM6438 BM148 RM012 BOVCASK35 BOVIRPB BTOBCAM BM4621 BOVSEMRN SRC97
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]
Byk rasy polskiej czerwonej Alians 14319-3-5 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.
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).
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 2091 45 176,2 0,3 238,3 0,2 Białogrzbieta 265 12 45,9 1,1 63,0 0,8 Polska czerwono-biała 3258 27 107,1 0,5 143,6 0,3 Polska czarno-biała 2227 19 75,4 0,6 101,0 0,5
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!
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.
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.
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%.
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.
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.
Dziękuję za uwagę