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

potomne

-60

-40

-20

0

20

40

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

reakcja pozytywna reakcja negatywna

p o k o l e n i a

Δg

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

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 ?

Liczba loch i samic zwierząt futerkowych objętych

ochroną zasobów genetycznych (Krupiński, 2008)

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., 1996]

92,2% 78,4%

62,3%

39,3%

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 (σP=0.1p) i zygot (σP=0.2p) [Filistowicz i wsp.,1995].

[Fot. T. Jezierski]

Ewolucja rasy simentalskiej w latach 1800 - 2000

1800 r.

1850 r.

1890 r.

1947 r.

2000 r.

*Wg Engeleza, za Konopioskim, 1949+

*Fot. T. Konopioski+

Rodzime rasy bydła

Rasa polska czerwono-biała Rasa polska czarno-biała

[Fot. T. Jezierski]

Rasa białogrzbieta Rasa polska czerwona

*Fot. Z. Litwioczuk+

Udział procentowy potomstwa buhajów importowanych z Holandii i Niemiec oraz buhajów lokalnych w populacji rasy czb na Dolnym Śląsku *Filistowicz, 1976+.

5%

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

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

-kazeina 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

-kazeina 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

-lakto-

globulina

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]

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12fr

ekw

en

cja

PC'69 PC'82 PC'96 PC'02 CC DC NC

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

frekw

en

cja

PC'69 PC'82 PC'96 PC'02 CC DC NC

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

frekw

en

cja

PC'69 PC'82 PC'96 PC'02 CC DC NC

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

frekw

en

cja

PC'69 PC'82 PC'96 PC'02 CC DC NC

αs1-kazeina (allel C) β-kazeina (allel B)

κ-kazeina (allel B) β-laktoglobulina (allel A)

D

R

Y

F

G

E

N

E

T

Y

C

Z

N

Y

ndmNdmNmNGdV1112

4

1

dmNmNGdV212

2

1

Wariancja dryfu genetycznego [Smith, 1982]

gdy każdy z Nm samców jest kojarzony z kilkoma (d) samicami

i z każdego kojarzenia otrzymuje się kilku (n) potomków

gdy każdy z Nm 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

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

-kazeina 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

-kazeina 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

-lakto-

globulina

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

DUŃSKA CZERWONA

POLSKA CZERWONA 96

POLSKA CZERWONA 82

CZESKA CZERWONA

POLSKA CZERWONA 69

4

1

2 3

[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]

[Filistowicz i wsp., 2002]

Frekwencje alleli sekwencji mikrosatelitarnych

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

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

PC CC DC

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 (Nm=25♂ i

Nf=25♀), Ne=100 w systemie

reprezentatywnym i tylko Ne=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 (Ne) i tempo wzrostu inbredu (ΔF) przy

losowym i reprezentatywnym wyborze rodziców

Rasa

Liczba w 2010

roku

Wybór

losowy reprezentatywny

krów buhajów Ne ΔF (%) Ne 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