Ausgewählte Kapitel der Populationsgenetik

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1 Ausgewählte Kapitel der Populationsgenetik Ausbildung zum Bienenwirtschaftsmeister Mai 2012 Christian Boigenzahn

2 Tierzucht- 2 Sichtweisen Sicht des Züchter: Das Zuchttier (Stier, Kuh, Eber, Sau, Bienenvolk, etc.) steht im Mittelpunkt. Sicht der Zuchtorganisation: Population, zu denen die Tiere gehören, steht im Vordergrund. Populationsgenetik: Beschäftigt sich mit Auswirkungen bestimmter Einflussfaktoren auf Populationen (Genotypen und Allelefrequenzen) Zuchtmethode Paarungssystem Selektion Mutation, Migration,

3 Definitionen 1 Population: Paarungsgemeinschaft von Tieren; kann mit Rasse zusammenfallen. Rasse kann mehrere Populationen haben, zwischen denen kein Paarungskontakt besteht. Mutation: Spontane oder künstlich erzeugte Veränderung der Nukleotidsequenz eines DNA Moleküls innerhalb eines Gens, von Chromosomen oder des Genoms. (Wichtig für Evolution)

4 Definitionen 2 Migration: Ein- oder Auswanderung einzelner Individuen, größerer Gruppen oder einer Population in eine andere Population der gleichen Art. Selektion: Natürliche Selektion: Natürliche Auswahl u. Fortpflanzung der am besten an die Umwelt angepassten Individuen. Künstliche Selektion: Vom Menschen gesteuerte Auswahl.

5 Paarung: Definitionen 3 Zufällige Paarung (Panmixie): Zufällige Paarung zwischen Individuen einer Population (Standbegattung) Gerichtete Paarung (assortative P.): Vom Menschen gesteuerte Paarung zw. Individuen einer Population. Positiv gerichtete P.: gleiche Phäno- oder Genotypen werden gepaart (Reinzucht) Negativ gerichtete P.: ungleiche Phäno- oder Genotypen werden gepaart (Kreuzungszucht)

6 Qualitative u. quantitative Merkmale 1 Qualitative Merkmale: Eindeutige Ausprägung (Blütenfarbe, Fellscheckung, Panzerfarbe, Augenfarbe etc.) Meist von nur einem oder wenigen Genen bestimmt. Nur wenige Geno- und Phänotypen. Spielen in Tierzucht va. in ihrer negativen Form als Erbfehler eine Rolle

7 Qualitative u. quantitative Merkmale 2 Quantitative Merkmale: Meisten wirtschaftlich wichtigen Merkmale in der tier. Produktion können innerhalb natürlicher Grenzen alle möglichen Zwischenwerte annehmen. Z.B. Milch-, Fleisch-, Woll-, Eier-, Honigleistung, Durch Wiegen, Messen, Zählen, etc. erfasst. Zeigen eine kontinuierliche Variation. Allele vieler Genorte an der Ausprägung beteiligt Treten sehr viele Geno- und Phänotypen auf Zusätzlich von vielen Umweltfaktoren beeinflusst Fütterung, Haltung, Hygiene, Standort, Tracht,...

8 Modell der Merkmalsprägung Nach Johannson gilt: Schwein = Genotyp + Umwelt; doch manchmal gibt es bei der Schätzung des Genotyps Schwierigkeiten! Aus: So ein Schweineleben! Bernhard Carre, 1988

9 Modell der Merkmalsprägung Wie entsteht eine Nutzleistung? (Quantitative Merkmale) Phänotyp (Honigleistung, Milchleistung, Fleischleistung,...) setzt sich zusammen aus: Genotyp Genetische Veranlagung + Umwelteffekte

10 Genotyp: Summe der Effekte aller Gene eines Tieres. Genotyp in diesem Sinne = ZUCHTWERT = wichtigste Selektionskriterium! Umwelteffekte: verursachen + oder - Abweichung des Phänotyps vom Zuchtwert (Genotyp) Durchschnitt der Umweltabweichungen = 0 Durchschnitt der Phänotypwerte = Durchschnitt der Genotypwerte.

11 Praktische Schlussfolgerungen 1 Wenn alle Tiere unter gleichen U gehalten würden: Leistungsunterschiede ausschließlich genetisch bedingt. Nur dann direkter Schluss von der (phänotyp.) Leistung auf G möglich. In der Praxis nicht möglich: U werden mit mathematisch-statistischen Methoden so gut wie möglich korrigiert. Auf Basis der umweltkorrigierten, phänotypischen Leistungen kann G eines Tieres geschätzt werden. ZUCHTWERTSCHÄTZUNG

12 Praktische Schlussfolgerungen 2 Ist nur die Leistung eines Tieres (Phänotyp) bekannt und keine Informationen über U Direkter Schluss von P auf G nicht möglich! Fehler bei der Selektion Nur Verfahren der ZUCHTWERTSCHÄTZUNG bringen Abhilfe Zuchtwerte sind vergleichbar!

13 Populationsparameter Zur Beschreibung quantitativer Merkmale einer Population. Wichtig um: Erfolgsaussichten züchterischer Maßnahmen einschätzen zu können. Populationsparameter: Populationsdurchschnitt (PD) Phänotypische Variabilität Genetische Variabilität Heritabilität Phänotypische Korrelation zwischen 2 Merkmalen Genetische Korrelation zwischen 2 Merkmalen

14 Heritabilität (Erblichkeit): h 2 Wichtigste genetische Parameter Wertbereich: zwischen 0 und 1 (0% und 100%) Maß für die Stärke des Zusammenhanges zwischen phänotypischen Leistungen und den Zuchtwerten für ein Merkmal in einer Population Gibt Auskunft, wie groß die Chancen einer züchterischen Bearbeitung eines Merkmals sind Gibt Auskunft, zu welchem Teil eine Mehrleistung genetisch bedingt ist.

15 Erblichkeit (Heritabilität, h 2 ) + 10 kg Honig 25% oder 2,5 kg genetische Veranlagung 75% oder 7,5 kg umweltbedingt Die Erblichkeit gibt an, zu welchem Teil eine Mehrleistung genetisch bedingt ist und wie hoch der Umwelteinfluss ist.

16 h 2 - Bereiche Sehr gering: nur sehr geringe genetische Variation in der Population. Die phänotypische Variabilität hauptsächlich durch Umwelt verursacht. Züchterische Maßnahmen (Selektion) wirkungslos Hoch: Unterschiede zwischen den Tieren großteils genetisch bedingt. Selektionsmaßnahmen erfolgreich. Ohne Kenntnis der h 2 eines Merkmals: züchterische Maßnahmen wenig erfolgversprechend

17 h 2 Bereiche Fitnessmerkmale (Fruchtbarkeit, Krankheitsresistenz, Varroatoleranz): niedrige h 2 (0,05 bis 0,15) Typische Leistungsmerkmale (Milch-, Fleisch-, Eier-, Woll-, Honigleistung,...): mittlere h 2 (0,15 bis 0,40) Körperform (Formmerkmale, Cubitalindex,...): hohe h 2 (0,5 bis 0,7) h 2 von 1 nur für qualitative Merkmale (Blüten-, Panzerfarbe,...) möglich, da keine Umweltbeeinflussung.

18 Erblichkeiten (h 2 ) für verschiedene Eigenschaften der Honigbiene Merkmal h 2 Autor Honig 0,23 Willam (1991) Honig 0,20 Boigenzahn und Willam (1997) Varroatoleranz 0,13 Boigenzahn und Willam (1997) Bienefeld (2002) 0,11 Brutstärke Trachtbeginn 0,18 Willam (1991) Volksstärke Trachtbeginn 0,21 Willam (1991) Volksstärke Auswinterung 0,19 Willam (1991) Sanftmut, Wabensitz 0,12 Willam (1991) Schwarmneigung 0,12 Willam (1991)

19 Genetische Korrelation Der wirtschaftliche Nutzen der Haustiere ergibt sich aus einer ganzen Reihe von Merkmalen (Honigleistung, Varroatoleranz, Sanftmut, Milch- und Fleischleistung,...) Wenn in der Zucht mehrer Merkmale berücksichtigt werden, sind die genetischen Zusammenhänge zwischen den Merkmalen zu berücksichtigen! Als Gradmesser für die Enge und die Richtung des genetischen Zusammenhanges zwischen zwei Leistungsmerkmalen wird die genetische Korrelation (r g ) herangezogen. Veränderung eines Merkmals führt zur Veränderung des korrelierten Merkmals..

20 r g - Bereiche r g kann sein: positiv, neutral, negativ. Positiv: Veränderung der Merkmale in die gleiche Richtung. Negativ: Merkmalsveränderung in die entgegengesetzte Richtung Neutral: kein Zusammenhang zwischen Merkmalen Wertebereich: -1 bis 0 bis + 1 Positiv, negativ ist im mathematischen Sinn zu verstehen; entspricht nicht immer erwünscht u. unerwünscht im züchterischen Sinn. Grad der Veränderung des korrelierten Merkmals hängt von Höhe der r g ab. Ohne Kenntnis der r g : Selektion kann zu unerwünschten Folgen führen (z.b. Rückenspeckdicke Fitness beim Schwein)

21 Genetische Korrelationen r g zwischen verschiedenen Leistungsmerkmalen der Honigbiene Merkmale Honigleistung/Sanftmut 0,10 Honigleistung/Wabensitz 0,10 Honigleistung/Schwarmneigung 0,15 Honigleistung/BT 0,37 Honigleistung/VT 0,48 Honigleistung/VA 0,49 Honigleistung/Varroatoleranz -0,13 r g

22 Problem: Leistungsantagonismen Gleichzeitige Selektion auf mehr als ein Merkmal wird schwierig, wenn zwischen den Leistungsmerkmalen negative genetische Zusammenhänge bestehen. Beispiele: Einseitige Zucht auf niedrigen Fettanteil beim Schwein Milch- und Fleischleistung beim Rind

23 Genotyp-Umwelt-Interaktion (GUI) Wechselwirkung zwischen dem Genotyp eines Tieres und der Umwelt, in der sich das Tier befindet. Frage: Ist die Rangierung der Tiere nach den Zuchtwerten in verschiedenen Umwelten (Standort, Betriebssystem, Fütterung, etc.)gleich oder verschieden? Sind verschiedene Populationen, Rassen in bestimmten Umwelten überlegen? Beispiel: Sklenar: Bessere Frühtrachtbiene??

24 Verschieden Ausprägungen der GUI U 1 U 2 U 1 U 2 U 1 U 2 Typ 1: Rangierung gleich, Differenz gleich keine GUI Typ 2: Rangierung gleich, Differenz verschieden GUI Typ 3: Rangierung verschieden, Differenz verschieden GUI

25 Heterosis Abweichung der durchschnittlichen Nachkommensleistung vom Durchschnitt der Elternpopulation Wird in Kreuzungszuchtmethoden systemisch genutzt Bleibt nicht vollständig erhalten, wenn mit den Tieren der F1 Generation weitergezüchtet wird (50% Heterosis geht verloren) Tritt va. Bei Merkmalen mit niedriger Heritabilität auf (Fruchtbarkeit, Fitness) Bei den wichtigen Leistungsmerkmalen gering. Heterosis kann prinzipiell erwünscht od. unerwünscht sein. Vor Anwendung von Kreuzungszucht Programmen - Testkreuzungen durchführen!