Molekulargenetische Informationen als Ergänzung zur Populationsgenetik

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1 Züchtungskunde, 79, (1) S , 2007, ISSN Eugen Ulmer KG, Stuttgart Molekulargenetische Informationen als Ergänzung zur Populationsgenetik R. Reents 1 und F. Reinhardt 2 1 Einleitung Die konventionelle Selektion hat in den letzten Jahrzehnten sehr große Leistungssteigerungen in wirtschaftlich wichtigen Merkmalen ermöglicht. Als Handwerkszeug wurden dazu die Konzepte der quantitativen Genetik, phänotypische Informationen aus der Leistungsprüfung, Abstammungsdaten aus Pedigreedateien und leistungsfähige Rechentechnik verwendet. Exemplarisch mag dazu das Merkmal Milchleistung bei der Rasse Deutsche Holsteins dienen, das sich unter Verwendung dieser Methodik bereits über einen längeren Zeitraum deutlich verbessern ließ (Abbildung 1). Jedoch handelt es sich um ein sehr aufwendiges Selektionsverfahren, das Züchtungskosten für einen zuchtwertgeprüften Bullen in Höhe von ca EUR verursacht. Außerdem ist diese Selektionsmethodik bei niedrig erblichen Merkmalen nicht annähernd so erfolgreich. Das bei der o.g. Selektionsmethodik verwendete genetische Konzept unterstellt eine große Anzahl von Genen, die sich alle mit kleinem Effekt (infinitesimal model) auf die Abb. 1. Beobachteter Selektionsfortschritt für deutsche Holstein Bullen im Merkmal Milchmenge, Observed selection gain in German HF bulls for milk yield, Geschäftsführer Vereinigte Informationssysteme Tierhaltung w. V. (VIT), Heideweg 1, Verden, info@vit.de 2 Geschäftsbereichsleiter Biometrie und Zuchtwertschätzung Vereinigte Informationssysteme Tierhaltung w. V. (VIT), Heideweg 1, Verden, info@vit.de

2 42 R. Reents und F. Reinhardt Leistungsausprägung des entsprechenden Tieres auswirken. Anfang der 90er Jahre eröffnete sich durch Fortschritte in der Analyse des Genoms die Möglichkeit, einzelne leistungsbestimmende Gene direkt zu ermitteln oder zumindest Marker in ihrer Nähe zu finden, die mehr oder weniger konstant mit diesen vererbt werden. So identifizierte Chromosomenregionen bezeichnet man deshalb auch als Quantitative Trait Loci (QTL), also Genorte, die einen bedeutenden Einfluss auf Merkmale mit kontinuierlicher Verteilung haben. Die meisten der wirtschaftlich wichtigen Merkmale unserer Nutztiere werden nicht von einzelnen, sondern von einer Vielzahl von Genen beeinflusst. Die Nutzung von einzelnen mit Hilfe der Molekulargenetik direkt identifizierten Genen macht daher eine Kombination mit den restlichen polygenen Effekten in der Zuchtwertschätzung notwendig. Deshalb spricht man auch von Markergestützter Zuchtwertschätzung, was schon deutlich macht, dass die Integration der Marker eine Ergänzung zum bisher verwendeten konventionellen Zuchtwert darstellt. Deren Einbeziehung in die praktische Selektion wird auch als Markergestützte Selektion (MAS) bezeichnet. Im vorliegenden Beitrag werden Erfolgsaussichten der MAS für unterschiedliche Merkmalskomplexe diskutiert und klassifiziert. 2 Voraussetzungen und Erfolgsaussichten für die Nutzung von molekulargenetischen Informationen Es gibt abhängig vom Merkmal, aber auch von der Spezies erhebliche Unterschiede im Aufwand für die Entdeckung und Nutzung von QTLs. Wichtig ist, und dies wird häufig nicht beachtet, dass für das Auffinden solcher Genorte und die Quantifizierung ihrer Effekte auf die Leistungsausprägung ein umfangreiches Material mit phänotypischen Leistungsbeobachtungen notwendig ist. Daneben ist eine gute Dokumentation der Abstammung von Tieren mit Hilfe eindeutiger Lebensnummern in Pedigreedateien eine wichtige Voraussetzung, bei den meisten Nutztierspezies aber inzwischen Standard. Aufgrund dieser Tatsache hat man schon relativ viele Genorte gefunden und ihren Effekt auf z.b. die Milchleistung quantifiziert. Bei denjenigen Leistungsmerkmalen, die auch mit den bisherigen Verfahren sehr erfolgreich züchterisch bearbeitet wurden, wird durch die Möglichkeiten der Molekulargenetik vor allem die Vorselektion junger Tiere genauer werden. Somit ist eine Verringerung der Züchtungskosten durch weniger zu testende Zuchttiere möglich, oder es kann bei gleichbleibender Zahl der Probanden eine höhere Ausbeute an hochwertigen Zuchttieren erzielt werden. Wesentlich höhere Effizienzsteigerungen sind in Merkmalen zu erwarten, deren tatsächliche Leistungsausprägung erst spät im Leben eines Tieres zu erfassen sind, wie bei vielen funktionalen Merkmalen oder Krankheiten (Meuwissen und Goddard, 1996). Dekkers (2004) hat eine Klassifizierung von Merkmalen im Hinblick auf die Voraussetzungen für eine erfolgversprechende züchterische Verbesserung durch die MAS gegeben (siehe Tabelle 1). Die Autoren dieses Beitrages haben exemplarisch praxisrelevante Merkmale in Tabellenform eingefügt, um das Verständnis zu erleichtern. Die Chancen, QTLs überhaupt zu entdecken, steigen mit der Verfügbarkeit von phänotypischen Daten (c nach a) und innerhalb dieser Gruppen von III nach I. In der Konsequenz bedeutet dies, dass ohne ausreichende phänotypische Datensammlung fast keine Aussicht besteht, für funktionale Merkmale überhaupt QTLs zu finden. Meuwissen und Goddard (1996) haben den potenziellen zusätzlichen Gewinn von MAS gegenüber der konventionellen Selektion bewertet. Anhand der Tabelle 1 kann man auch diese Zusammenhänge erläutern. Der mögliche potenzielle zusätzliche Gewinn von MAS gegenüber konventioneller Selektion ist umgekehrt proportional zur Möglichkeit, mit konventioneller Selektion Züchtungsgewinn zu erzielen (innerhalb der Merkmale von a) nach c) und innerhalb dieser von I nach III). Das heißt dort, wo ein-

3 Molekulargenetische Informationen als Ergänzung zur Populationsgenetik 43 Tab. 1. Klassifizierung von Merkmalen bezüglich Erfassungsaufwand und zeitlicher Verfügbarkeit (nach Dekkers, 2004) Classification of traits for recording costs and availability in life of animal (Dekkers, 2004) Einteilung quantitative Merkmale Erfassung bei Tieren I II III beide nur bei einem spät im Leben eines Geschlechter Geschlecht Tieres a) einfach, routinemäßig zu Exterieur Milchleistung, Nutzungsdauer, erfassen Gewicht Zellzahl, Lebensleistung Legeleistung b) schwierig/teuer zu erfassen Futteraufnahme Eutergesundheit, Schlachtkörper- Fruchtbarkeit, zusammensetzung Kalbeverlauf c) typischerweise nicht erfasst Krankheiten Erreger von gewisse Krankheiten Geburtsgewichte Mastitis fache Datenerfassung früh im Leben eines Tieres (idealerweise bei beiden Geschlechtern) möglich ist, bringt die MAS sehr wenig zusätzlichen Nutzen. Bei spät und aufwendig zu erfassenden Merkmalen ist die potenzielle Überlegenheit am größten. Deshalb kommt es in der Zukunft immer mehr darauf an, zunächst phänotypische Daten zu diesen Merkmalskomplexen zu erfassen, um überhaupt die potentiellen QTLs und dazugehörige Marker als Basis für eine markergestützte Selektion zu identifizieren und zu quantifizieren. Die Entschlüsselung des Genoms von allen Nutztierarten aber vor allem des Menschen und anderen Spezies wie der Maus ist durch unerwartet rasche technische Fortschritte weit vorangeschritten. Deshalb kann heute schon vorausgesagt werden, dass Zuchtprogramme in der Nutztierzucht in mittelfristiger Zukunft nur dann noch wettbewerbsfähig sein werden, wenn sie diese Methodik zur Steigerung des Selektionserfolges verwenden. Dies gilt speziell für Merkmale, die mit Hilfe der konventionellen Selektion schwer zu bearbeiten sind, von den Tierhaltern aber immer mehr in ihre Ankaufüberlegungen für Zuchtmaterial einbezogen werden. 3 Markerunterstützte Zuchtwertschätzung Im Rahmen des Genomforschungsprojektes ADR II (Bennewitz et al., 2003)wurde im VIT eine Genom-Datenbank für Milchrinder etabliert, in der alle Informationen zum Genom eines Tieres gespeichert werden. Diese Informationen stehen in engem Verbund mit den Leistungs- und Abstammungsdaten der Milchleistungsprüfung und Herdbuchführung. Unter Nutzung dieses umfassenden Informationssystems wurde eine markerunterstützte Zuchtwertschätzung (MA-BLUP-ZWS) entwickelt, die seit zwei Jahren regelmäßig für Milchleistungsmerkmale und die Zellzahl durchgeführt wird. Die Ergebnisse daraus werden den Zuchtorganisationen über das Internet verfügbar gemacht. Das Schätzverfahren basiert im Wesentlichen auf der von Fernando und Grossmann (1989) vorgeschlagenen Methode. An Echtdaten konnte gezeigt werden, dass für 1997 bis 1999 geborene Testbullenkandidaten mit der MA-BLUP-ZWS auf Basis ihrer Typisierungsinformation und der ihrer Eltern sowie deren Information aus der konventionellen Zuchtwertschätzung aus 1998 ihr zukünftiger Zuchtwert aufgrund von Töchterleistungen signifikant genauer

4 44 R. Reents und F. Reinhardt vorhergesagt werden konnte. Während der konventionelle Pedigreezuchtwert dieser Bullen eine Korrelation von 0,45 zu ihrem Zuchtwert nach Testeinsatz hat, erreicht der MA-BLUP-Pedigreezuchtwert eine entsprechende Korrelation von über 0,60. Dies beweist, dass aufgrund der Pedigreezuchtwerte einer MA-BLUP-ZWS eine bedeutend genauere Vorauswahl von Testbullen möglich ist. Das an diesen Echtdaten gezeigte Ergebnis kann sogar noch gesteigert werden, wenn ganze Familien und vor allem auch Bullenmütter konsequenter typisiert werden. 4 Integration in Zuchtprogramme Der gesamte Zuchtwert eines Tieres in einem Merkmal kann also zukünftig in den polygenen Anteil und den QTL-Anteil differenziert dargestellt werden. Insbesondere bei noch jungen Tieren ohne eigene Leistungsinformation ist dies eine entscheidende Verbesserung bei der Schätzung des Pedigreezuchtwertes (MacKinnon et al., 1997). Die QTL-Effekte sind eine zusätzliche früh verfügbare Information zur Vorselektion von Testbullen aus mehreren Vollgeschwistern. Aus der herkömmlichen Zuchtwertschätzung resultieren für alle Vollgeschwister gleiche Pedigreezuchtwerte, nach einer MA- BLUP-ZWS können sie aber genetisch differenziert werden. Damit ist eine Selektion der erfolgversprechendsten Vollgeschwister aus einer gezielten Paarung möglich. Nach Vorliegen der Leistungen vieler Nachkommen bringt die zusätzliche Markerinformation des Bullen keine bemerkenswerte Genauigkeitssteigerung seiner Zuchtwertschätzung mehr. Trotzdem ist das Wissen seiner QTL-Allele und deren Effekte eine zusätzliche wichtige Information für Anpaarungsentscheidungen. Zum einen können Bullenväter mit positivem QTL-Allel gezielt angepaart werden, andererseits kann aber auch auf Bullen mit möglichst hohem polygenen Anteil selektiert werden, um auch für die Zukunft maximale genetische Variation zu erhalten. 5 Schlussfolgerungen In Deutschland ist, beginnend mit den Genomforschungsprojekten ADR I und ADR II und nun mit FUGATO, ein Netzwerk aus Wissenschaft, Wirtschaft und Rechenstellen geknüpft, das optimale Voraussetzungen für weitere Forschungen auf diesem Gebiet geschaffen hat, aber auch eine schnelle Umsetzung der verwertbaren wissenschaftlichen Erkenntnisse in die praktischen Zuchtprogramme ermöglicht. Neben der Leistungsinformation wird in Zukunft Information direkt zum Genom verfügbar sein. Es gilt diese Möglichkeit konsequent zu nutzen, das heißt von allen wichtigen Zuchttieren und deren Eltern frühzeitig Gewebe einzulagern, die bereits bekannten mit Leistungsmerkmalen korrelierten Marker zu analysieren und diese Information in die Zuchtwertschätzung zu integrieren. Die Auswahl von Testbullen für die künstliche Besamung sollte auf einer markergestützten BLUP-Zuchtwertschätzung basieren. Um die hohen Kosten des gesamten Systems effektiv für die Zucht umzusetzen, ist große Sorgfalt in der Gewebeziehung, Laboranalyse und Datenverarbeitung sehr wichtig. Für die Entdeckung neuer signifikanter Marker vor allem für funktionale Merkmale ist neben zuverlässigen genotypischen Informationen die Erfassung umfangreicher phänotypischer Daten unerlässlich. Zusammenfassung Die Möglichkeiten, Grenzen und Vorteile einer Ergänzung der konventionellen Zuchtwertschätzung durch molekulargenetische Informationen zu einem Tier werden aufgezeigt. Die Erfolgsaussichten und Effizienzsteigerungen durch eine markergestützte Se-

5 Molekulargenetische Informationen als Ergänzung zur Populationsgenetik 45 lektion sind bei Merkmalen, die erst spät im Leben eines Tieres erfasst werden können, am höchsten einzuschätzen. Vor allem zum Auffinden neuer Marker oder direkter Genorte für funktionale Merkmale sind breite und sichere Leistungserfassungen unerlässlich. Dies gilt aber auch für eine sichere MA-BLUP-ZWS als Basis für eine markergestützte Vorselektion junger Testbullenkandidaten. In Deutschland sind in vorangegangenen Forschungsprojekten die Voraussetzungen geschaffen worden, um auf dem Gebiet der Genomanalyse weiter erfolgreich zu forschen und die gewonnenen Erkenntnisse schnell in die praktische Zucht umzusetzen. Schlüsselwörter: Markergestützte Selektion, Markergestützte Zuchtwertschätzung, QTL Literatur Bennewitz, J.; Reinsch, N.; Thomsen, H.; Szyda., J.; Reinhardt, F.; Kühn, C.; Tuchscherer, A.; Schwerin, M.; Weimann, C.; Erhardt, G. und Kalm, E. (2003): Marker Assisted Selection in German Holstein Dairy Cattle Breeding: Outline of the Program and Marker Assisted Breeding Value Estimation. Session G1.9, 54st Ann. Meet. Europ. Ass. Anim. Prod., 31 August to 3 September, Rome, Italy. Dekkers, J. C. M., (2004): Commercial application of marker- and gene-assisted selection in livestock: Strategies and lessons, Departments of Animal Science, Iowa State University, Ames Fernando, R., and Grossmann, M. (1989): Marker assisted selection using best linear unbiased prediction. Genet. Sel. Evol. 21: MacKinnon M. J. and Georges, M. A. J. (1997): Marker assisted preselection of young dairy sires prior to progeny testing. Livest. Prod. Sci. 54: Meuwissen, Th. H. E. and Goddard, M. E. (1996): The use of marker hyplotypes in animal breeding schemes. Genet. Select. Evol. 28: Use of molecular genetic information to supplement population genetics by R. Reents and F. Reinhardt Genomic information is nowadays available for animal breeding. Possibilities and limitations of a marker assisted selection (MAS) are discussed. MAS has highest potential for traits which are difficult to measure and can be observed only late in the life of an animal. But this potential can only be gathered if enough phenotypic data are available to identify the markers linked to quantitative trait loci and to quantify the effect on the trait of interest. Marker assisted genetic evaluation combines polygenic information with genomic information to estimate a more reliable breeding value early in life, e.g. to select among a group of young test bull candidates. Infrastructure and know-how are giving a high potential for a sucessful use of MAS in Germany. Keywords: Marker assisted selection, marker assisted BLUP evaluation, QTL