Tierzucht Quantitative Genetik

Kontinuierliche Variation

Korrektur systematischer Umwelteffekte

Einführung in die quantitative Genetik

Infinitesimales Modell Werte und Mittel – Geneffekte, Genwirkungen Zusammensetzung des Genotyps G Werte und Mittel – Geneffekte, Genwirkungen Populationsmittel Varianz Zuchtwert

Genetische Populationsparameter

Heritabilität (h2 ) Wiederholbarkeit (w2 ) genetische Korrelationen (r) Genotyp-Umwelt-Interaktion (rgu)

Schwellenmerkmale

• -Erbkrankheit (Progressive Retinaatrophie-PRA)
• -Leistungseigenschaft (Jagdleistung)
• -morphologisches Merkmal (Augenfarbe)
• -Verhaltensweise (ängstliches Verhalten)
• -gemessener Wert (Widerristhöhe)
• -Krankheitsresistenz (Grippeanfälligkeit)
• -Allergie (Staubmilben)
• -Antikörper-Repertoire eines Tieres
• -Empfänglichkeit für eine angeborene Fehlbildung

Phänotyp= Genotyp+Umwelt

Phänotyp =Genotyp+ Umwelt

Phänokopien:

Umwelteffekt allein kann Phänotyp einer bekannten genetischen Mutation imitieren.

Entzündungshemmer wird an trächtige Hündin abgegeben. à Gaumenspalten in den Welpen

Hormon-aktive Substanzen der Umwelt. à Kryptorchismus

Falsche Klassierung von Phänotypen aufgrund von Phänokopien ist sehr schlecht für genetische Analysen!

• -Quantitative Merkmale
• -Varianzen
• -Genwirkungen
• -Modelle

• kontinuierlich variierende quantitative (metrische) Merkmale:
• -Milchleistung
• -täglicher Zuwachs
• -Körpergewicht
• -Rennleistung
• -Jagdleistung
• -Mastleistung
• -Verhalten

• meristische Merkmale:
• -Legeleistung
• -Anzahl Lendenwirbel

• Schwellenmerkmale (für Veterinärmedizin wichtig):
• -Resistenz/Empfänglichkeit für Infektionserkrankungen
• -Anfälligkeit (engl. liability) für Erkrankungen

Die Körpergrösse des Menschen weist eine sehr hohe Erblichkeit auf! a 80% oder 0.80

• Neben den 10 Genen, die oben beschrieben sind, sind noch über 700 DNA-Varianten bekannt, die die Körpergrösse beim Menschen mitbeeinflussen.
• 

• -nicht-identifizierbare oder temporäre Umwelteffekte
• -Vererbung

 

• Die korrigierte Milchleistung von 840 erstlaktierenden Kühen wurde in Klassen eingeteilt. (auf 100 kg Milch gerundeter Milchleistung)
• 

• BEISPIE empirisch bekannte Umwelteinflüsse auf die Milchleistung:
• -Betriebseinfluss (Fütterung, Haltung, Hygiene ....)
• -Kalbesaison: Herbst, Frühwinter > Spätwinter, Frühjahr, Sommer
• -Kalbealter
• -Trächtigkeit
• -Alpung
• -Anzahl Melkzeiten
• -Krankheiten
• -Laktationsnummer

-> Systematische, identifizierbare Umwelteinflüsse korrigieren!

• Man versucht immer, die Korrekturen zu verfeinern!
• 

Die quantitativen Merkmale unterliegen grundsätzlich denselben populationsgenetischen Prinzipien der Vererbung, wie sie für qualitative Merkmale gelten.

Die Segregation der an der Ausprägung von quantitativen Merkmalen beteiligten Allele (VIELE GENE) kann aber nicht mehr individuell verfolgt werden, und somit kann vom Phänotyp nicht direkt auf den Genotyp geschlossen werden.

Für quantitative Merkmale wurden deshalb neue genetisch-statistische Methoden und Konzepte geschaffen.

Die quantitative Genetik ist ein Zweig der Populationsgenetik und befasst sich mit der Vererbung von kontinuierlich variierenden Merkmalen.

Eine unendlich grosse Anzahl von Genen ist an der Ausprägung eines quantitativen Merkmals beteiligt!

Loci (Genorte) sind nicht gekoppelt (unabhängige Weitergabe der Allele)!

Jeder Locus weist multiple Allele aus > viele mögliche Genotypen mit positiven, neutralen und negativen Allelen!

Der individuelle Beitrag der beteiligten Loci an der Ausprägung des Merkmals ist gleich und sehr klein!

Die Vererbung und die beobachtete, gemessene Leistung kommt durch den aufsummierten Effekt der additiven Allele der beteiligten Gene zustande!

Dieser aufsummierte Effekt wird in genetischen Analysen als Leistung eingesetzt.

 

Das infinitesimale Modell ist ein operatives Modell.

Es hat sich als Grundlage für die Tierzüchtung bewährt!

Es ist aber nicht so, dass dieses Modell die Vererbung der meisten quantitativen Merkmale direkt erklären kann!

Z.B. ist bekannt, dass einige Gene, die ein und dasselbe Merkmal kontrollieren, gekoppelt sind.

Z.B. sind sogenannte Hauptgene (englisch: major genes) bekannt, die einen grösseren Beitrag zur Ausprägung eines quantitativen Merkmals leisten.

• Ein Chromosomenabschnitt mit einem solchen Hauptgen wird als QTL (Quantitative Trait Locus) bezeichnet.
• 

Für die quantitative Genetik brauchen wir ein neues Konzept oder Modell, damit wir die Effekte der vielen diskreten Gene mit ihren Allelen auf die kontinuierliche Variation der Phänotypen beschreiben können.

• P=M+G+U
• 

M = Mittelwert, Durchschnitt der Leistung in der Population

(population mean)

P = Phänotypwert (phenotypic value)

P ist der gemessene Wert für ein metrisches Merkmal eines Individuums. P ist von zentraler Bedeutung für alle Beobachtungen von metrischen Merkmalen, à Mittel, Varianz, Kovarianz, etc. in einer Population.

G = Genotypwert (genotypic value)

G ist die individuelle Zusammensetzung der Gene eines Individuums. G überträgt einen bestimmten Wert auf den Phänotypwert des Individuums.

U = Umweltabweichung (environment)

U sind alle nicht-genetischen Umstände, die den Phänotypwert des Individuums beeinflussen und eine Abweichung dieses Wertes in negativer oder positiver Richtung verursachen.

Durch die Einführung des Populationsmittels M werden alle Faktoren der Gleichung “relativ” zur Population

G und U beziehen sich auf die Leistung (P) eines einzelnen Individuums für ein bestimmtes Merkmal!

G und U summiert über die Population für alle Individuen sind = 0!

Es gibt keine nennenswerten Interaktionen zwischen Genotyp und Umwelt!

Schematische Darstellungen von Allelwirkungen (Genwirkungen)

• Vollständige Dominanz
• Unvollständige Dominanz
• Überdominanz
• Additiver Geneffekt

Vollständige Dominanz (d=a)

Vollständige Dominanz ist dann vorhanden, wenn der Effekt des heterozygoten Zustandes Bb an einem Genort dem Effekt des homozygoten Zustandes BB entspricht

• 
• Unvollständige Dominanz (d<a)

Unvollständige Dominanz: der Effekt d kommt nur bei den Heterozygoten vor, und zwar durch den interaktiven Effekt der beiden unterschiedlichen Allele. Dieser Effekt d ist unabhängig vom Effekt a, deshalb ergibt die Summe der beiden Effekte die phänotypische Leistung.

•  
• Unvollständige Dominanz ist dann vorhanden, wenn der Effekt des heterozygoten Zustandes an einem Genort dem Effekt des homozygoten Zustandes bb überlegen ist, aber kleiner ist als der Effekt des homozygoten Zustands BB!

Überdominanz (d>a)

Leistung in Tieren mit dem heterozygoten Genotyp ist besser als in den Tieren mit den beiden homozygoten Genotypen.

• Überdominanz ist dann vorhanden, wenn der Effekt des heterozygoten Zustandes Bb an einem Genort den Effekten der beiden homozygoten Zuständen bb oder BB überlegen ist
• 
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Additiver Geneffekt a: wenn das Allel «b» durch das Allel «B» ersetzt wird, dann steigt die phänotypische Leistung in diesem Fall um 1. Dieser Effekt ist unabhängig vom anderen Allel des selben Genorts.

 

 

 

Jedes an diesem Merkmal beteiligte Allel leistet, unabhängig von anderen Allelen im Genom, einen additiven Beitrag zur Ausprägung des Merkmals.

Additive Geneffekte machen die Ähnlichkeit zwischen Individuen aus (morphologische Merkmale und Leistungsmerkmale).

Einfaches, hypothetisches Beispiel für Widerristhöhe mit zwei Loci und je zwei Allelen ohne Umwelteffekte und HWE erfüllt:

• Allele A, a mit Frequenz A = 0.5
• Allele B, b mit Frequenz B = 0.5

Die Allele A und B tragen je zusätzliche 15 cm zur Widerristhöhe im Vergleich zu ihren Varianten (a und b).

aabb-Genotyp soll eine Widerristhöhe von150 cm ergeben.




Additive Geneffekte, wenn sie weitergegeben werden, erbringen Wirkung unabhängig von den Allelen am selben Genort und unabhängig von Allelen an anderen Genorten!

Wird korrekt selektioniert.

Die Genetik von metrischen Merkmalen basiert auf dem Studium ihrer Variation, denn die primären genetischen Fragen werden mit Hilfe der Varianz (Variation) formuliert!

Die grundlegende Idee beim Studium der Variation ist ihre Aufteilung in Komponenten, welche unterschiedlichen Ursachen zugeordnet werden können.

Das relative Ausmass dieser Komponenten bestimmt die genetischen Eigenschaften der Population, insbesondere den Grad der Ähnlichkeit zwischen Verwandten.

Was ist die Natur dieser Komponenten?

• -Heritabilität (h2 )
• -Wiederholbarkeit (w)
• -gemeinsame Wurfumwelt (c2)
• -genetische Korrelation (r)
• -Genotyp-Umwelt-Interaktion (rgu )

Schwellenmerkmale

• Der Mittelwert liefert Informationen darüber, wo der zentrale Punkt für eine Reihe von Messungen für ein quantitatives Merkmal liegt.
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• Das Ausmass der Variation eines metrischen Merkmals einer Stichprobe wird gemessen und ausgedrückt als die VARIANZ (s2 )
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• Die Standardabweichung s dient dazu, die Variation um den Mittelwert mit den Ursprünglichen Masseinheiten auszudrücken.
• 

HERITABILITÄT ß MISSVERSTÄNDNISSE

Eine Erblichkeit von 0.40 besagt, dass 40% der phänotypischen Variation dieses Merkmals durch die Genotypen verursacht wird.

Bedeutet also nicht, dass in jedem Tier 40% der Ausprägung eines Merkmals auf die Genetik zurückgeht und der Rest durch nicht-genetische Einflüsse verursacht wird!

"Eine tiefe Erblichkeit bedeutet nicht, dass Merkmale nicht durch Genetik bestimmt werden!" Aber die genetische Varianz ist sehr tief!

Hunde haben vier Beine! Es sind zwar viele Gene an der Ausbildung der Gliedmassen beteiligt, aber die genetische Varianz ist sehr klein!

Werte von Erblichkeiten sind populationsspezifisch, gelten für einen bestimmten Zeitpunkt. à können sich ändern (Selektion, Umweltänderungen, etc.)!

GGUUUUUU   ->tiefe Heritabilität eines Merkmals

GGGGUUUU->mittlere Heritabilität eines Merkmals

GGGGGGUU->hohe Heritabilität eines Merkmals

• Der Begriff der Heritabilität eines Merkmals wird oft nicht korrekt verwendet! Das Ausmass, zu welchem ein Merkmal in diesen beiden Fällen erblich ist, kann sehr wohl unterschiedlich sein.
• 

Heritabilität misst die Stärke des Zusammenhanges zwischen Leistung (phänotypische Werte) und Zuchtwerten für ein Leistungsmerkmal in einer Population.

• Heritabilität im engeren Sinn (h2 ) misst für ein Merkmal den Grad der Übereinstimmung zwischen Eltern und deren Nachkommen.
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• -Selektionsexperiment! Tiere oder Pflanzen
• -Umwelteinfluss minimieren! Subpopulationen von Pflanzen
• -In verwandten Tieren oder Menschen! Aufgrund phänotypischer Ähnlichkeit
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• Die Grundlage der Methoden zur Schätzung der Heritabilität ist die Ähnlichkeit zwischen Verwandten (Äusseres Erscheinungsbild und/oder Leistungen). Varianz- und Regressionsanalysen!

Heritabilitäten können mit Computer-Programmen (z.B. REML) nach Varianzkomponenten-Analysen geschätzt werden.

Heritabilitätswerte sind Schätzungen, bezogen auf Population und Zeitpunkt der Schätzung!

Die Heritabilitätswerte für ein Merkmal gelten für die Population, in denen sie geschätzt wurden und für diesen Zeitpunkt der Schätzung!

Im allgemeinen ist die Zuverlässigkeit der Schätzung umso besser, je enger die Verwandtschaft und je grösser das Familienmaterial mit Leistungsdaten ist.

Schätzungen besser, je enger die Verwandtschaft und je grösser vorhandene Daten über Leistung sind

• Die Schätzwerte von Heritabilität können sich ändern:
• -Es sind Informationen zu mehr Tieren in der Population für ein Merkmal sind vorhanden.
• -Die systematischen Umwelteinflüsse wurden besser korrigiert.
• -Heritabilitätsschätzung wird besser, wenn genauere klinische Diagnosen verfügbar sind und die Tiere genauer klassifiziert werden können*.

->Heritabilitätsschätzung wird problematisch, wenn Prävalenz einer Erkrankung klein ist (5-10%)

à Heritabilität ist deshalb für ein Individuum dieser Population lediglich ein statistischer Erwartungswert.

• -Laktationsleistungen
• -Wurfgrössen multiparer Spezies (Hund, Schwein)
• -Rennleistungen (Hund, Pferd)
• -Eigewichte
• -Woll-Leistung

Können zeitlich wiederholbare Leistungen an Individuen, die für Alter und systematische Umwelteinflüsse korrigiert wurden, gemessen werden, so bezeichnet die Wiederholbarkeit (w) den Grad an Übereinstimmung dieser Leistungen.

-> Können Genauigkeit einer Merkmalserfassung (Leistungsmessung) erhöhen. 

-> Hohe Wiederholbarkeit kann guter Indikator von späteren Leistungen eines Tieres sein.

Wiederholbarkeit hoch: temporäre Umwelteffekte gering, keine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit bei wiederholter Messung

Tiefe Wiederholbarkeit: markanter Genauigkeitszuwachs bei Wiederholung, fällt aber rapide ab wenn Anzahl Messungen ansteigt -> mehr als 5 zahlt sich aus

Wiederholbarkeit kann helfen, künftige Leistungen eines Tieres zu schätzen, wenn sie in derselben Umwelt erbracht werden.

Klinische Mastitis schädigt das Eutergewebe so stark, so dass das Euterviertel in den nachfolgenden Laktationen eine reduzierte Milchleistung zeigt. 

Hunde/Pferde

Ein genetisch hervorragendes Tier wird von einem schlechten Hundeführer oder Reiter ausgebildet. Es schneidet bei Wettkämpfen deshalb oft immer am unteren Ende seines Leistungspotenzials ab.

Eine Genotyp-Umwelt-Interaktion bedeutet, dass die Qualität der Umwelt die Leistung verschiedener Genotypen unterschiedlich beeinflusst.

• ->  Wechselwirkung zwischen Genotyp (Zuchtwert) und der Umwelt!
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In der Schweiz werden starke GUI normalerweise selten beobachtet!

Treten starke GUI auf, so kann der Selektionserfolg nur für die geprüfte Umwelt vorausgesagt werden.

 à ergänzend Feldprüfungen durchführen

 

-> Wenn Unterschiede zwischen Genotypen und Umwelt klein: keine oder nur geringe Interaktionseffekte zu erwarten

-> Wenn GUI innerhalb eines Zuchtprogramms auftreten: für jede Umwelt der genetische Wert (Zuchtwert) separat ermitteln!

• -Pleiotropie (ein Gen beeinflusst mehr als ein Merkmal)
• -Selektion auf ein Merkmal und gleichzeitige Veränderung von einem oder mehreren anderen Merkmalen
• -Selektion auf Merkmale, die gleichzeitig Fitness beeinflussen
• -korrelierte Merkmale können als so genannte Hilfsmerkmale (auch als funktionelle Merkmale bezeichnet) zur indirekten Selektion eingesetzt werden.

Das züchterisch zu verbessernde Merkmal kann nur mit grossen Kosten gemessen werden. Indirekte Selektion auf korreliertes Hilfsmerkmal, das mit viel kleineren Kosten gemessen werden kann, kann eine sinnvolle Alternative sein.

Das züchterisch zu verbessernde Merkmal kann nur mit grossem technischen Aufwand gemessen werden, so dass Messfehler auftreten und die h2 negativ beeinflussen können. Indirekte Selektion auf korreliertes Hilfsmerkmal, das einfacher zu messen ist und höhere h2 aufweist, kann eine sinnvolle Alternative sein.

Das züchterisch zu verbessernde Merkmal ist geschlechtsbegrenzt. Ein korreliertes Hilfsmerkmal, das in beiden Geschlechtern gemessen werden kann, kann die Selektionsintensität erhöhen. Optimale Lösung für eine solche Situation: direkte Selektion und indirekte Selektion auf das züchterisch zu verbessernde Merkmal bzw. auf das Hilfsmerkmal.

Das züchterisch zu verbessernde Merkmal erfordert eine lange Messperiode. Als Alternative kann eine Teilleistung gemessen werden. Dadurch kann über eine Verkürzung des Generationenintervalls die Selektionsdifferenz zeitlich früher realisiert.

• Beispiel (Schwein)
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• Kuh
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• Hund
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• Qualitative Merkmale:
• Diskontinuierliche Variation
• Phänotypen à wenige Klassen
• Vererbung: ‚monogen (Mendel-Merkmale)‘

• Quantitative Merkmale:
• Kontinuierliche Variation
• Phänotypen à keine natürliche Klassenbildung möglich
• Vererbung komplex: Gene und Umwelt

• Schwellenmerkmale:
• Diskontinuierliche Variation
• Vererbung komplex
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