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