Moderne Züchtungsmethoden Tier liegen sie im Megatrend?€¦ · Precision Animal Breeding -...
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Moderne Züchtungsmethoden Tier –
liegen sie im Megatrend?
simul+Forum Landwirtschaft 2030 im Spannungsfeld von Globalisierung, Gesellschaft und Regionalität am 5. November in Thum
Dr. Uwe Bergfeld
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie Abteilung 07 – Landwirtschaft, Waldheimer Str. 219, 01683 Nossen
| 7. November 2018 | [email protected] 2
Megatrend?
Was ist Tierzüchtung?
Züchten heißt in Generationen denken
| 7. November 2018 | [email protected] 3
Vom Menschen gelenkte Evolution
Evolutionsfaktoren Selektion Mutation
Rekombination
Genetische Drift
Enorme genetische Variation und
Veränderungspotential
Reproduktive Fitness, Genetische Bürde
Domestikation
| 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld 4
Frei nach Aschenputte:
Die Guten ins Töpfchen, die Schlechten ins Kröpfchen
Praktische Tierzüchtung
über Jahrtausende
Snježana Vidović, Aschenputtel, 2006, Öl auf Leinwand, 25 x 30 cm
http://frederike-daun.blogspot.com/2010/07/entrumpeln-wie-aschenputtel.html am 03.11.2018
Entwicklungsetappen der Tierzucht
| 7. November 2018 | [email protected] 5
Bis Mitte 19. Jh Bis Mitte 20. Jh Bis 90er 20. Jh Bis heute
• Tierzucht weitestgehend intuitiv
• Vielzahl regionaler Rassen und Schläge
• Nutzung: Dung, Militär, Zugkraft, Ernährung
• Beginn der systema-tischen Tierzucht
• Erste Herdebücher, Zuchtprogramme und Zuchtorganisationen
• Systematische Leistungsprüfung
• Zuchtziele zur Ernährungssicherung
• Etablierung von Besamungszuchtpro-grammen
• Systematische Nutzung Kreuzungszucht
• Populationsgenetik prägt Zuchtmethodik
• Zunehmende Nutzung von Reproduktions-techniken
Wiederentdeckung der Mendel‘schen Gesetze um 1900
• Zunehmende Nutzung der Molekulargenetik
• Genomische Selektion bringt Umbau der Zuchtprogramme
• Nutzung Bioinformatik, Big Data
1900 2000
Breite Anwendung der Künstlichen
Besamung
Wichtiger Erkennt-niszuwachs in der
Populationsgenetik
Aufklärung Doppel-helixstruktur Watson
und Crick 1953
Genomische Selektion
1983 Entwicklung der Polymerase-
Kettenreaktion (PCR)
Sequenzierung der Genome der
Nutztiere
1986 Wilmut klont identische Lämmer
Gene Editing
Leistungsfähige IT-Technik verfügbar
Breite Einführung der BLUP-
Zuchtwertschätzung
Markergestützte Selektion
Beurteilung
Leistungsprüfung
Zuchtwertschätzung
Selektion
Selektionsverfahren
Selektionsintensität
Verpaarung
Reinzucht / Kreuzung
Anpaarungsplanung
Zuchtziel Merkmale Wichtung
Hauptelemente
der konventionellen Tierzucht
Züchtung heißt in Generationen denken!
Systematische Züchtung setzt zwingend ein Zuchtprogramm voraus
| 7. November 2018 | [email protected] 6
Genetische
Variabilität
Genauigkeit der
Zuchtwertschätzung
Selektionsintensität
Generationsintervall
GI
rd
tgg
ZWZWs
,/
Einflussfaktoren auf den
Selektionserfolg
| 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld 7
ds, r, σ
GI
| 7. November 2018 | [email protected] 8
Erfolgreiche Zuchtarbeit
Nachhaltige Zuchtziele
Exakte + zuchtzielgerechte Leistungsprüfung
Moderne IT-Systeme
Sichere Zuchtwertschätzung
Zielgerichtete Nutzung biotechnischer und
molekulargenetischer Verfahren
Optimiertes Zuchtprogramm
Effiziente Zuchtorganisation
Leistungsfähiges Marketing
Was hat die Entwicklung der
Zuchtmethoden geprägt?
❙ Populationsgenetik
❙ Reproduktionsbiologische Verfahren
❙ Molekulargenetische Verfahren
| 7. November 2018 | [email protected] 9
Höhlenmalereien von Lascaux
(zwischen 17.000 und 15.000 v. Chr.) Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/H%C3%B6hle_von_Lascaux
Populationsgenetik in der Tierzucht
❙ Genetische Analyse von Populationen
❙ Verfahren der Zuchtwertschätzung (lineare gemischte Modelle)
❙ Genetische Grundlagen von Reinzucht und Kreuzung
❙ Modellierung und Optimierung vom Zuchtprogrammen
❙ Methodische Grundlagen der Nutzung molekulargenetischer Informationen –
Nutzung Bioinformatik
| 7. November 2018 | [email protected] 10
Beurteilung
Leistungsprüfung
Zuchtwertschätzung
Selektion
Selektionsverfahren
Selektionsintensität
Verpaarung
Reinzucht / Kreuzung
Anpaarungsplanung
Zuchtziel Merkmale Wichtung
Ziele moderner Zuchtverfahren
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Erweiterung des Reproduktionspotentials
Zuverlässigere Erkennung des genotypischen Wertes
Frühere Erkennung des genotypischen Wertes
Reproduktionsbiologische und molekulargenetische Verfahren in der Tierzucht
❙ 2000 Fruchtfliege Drosophila melongaster
❙ 2001 Mensch
kostete mehrere Milliarden Euro ❙ 2002 Maus
❙ 2005 Hund
❙ 2009 Rind
kostete noch 50 Millionen Euro ❙ 2009 Schwein
❙ 2009 Pferd
❙ 2012 Schaf
Sequenzierung kostet heute
noch wenige Hundert Euro
Sequenzierungserfolge
Illumina MiSeq Sequenzierer (http://en.wikipedia.org/wiki/Next-
generation_sequencing#Next-
generation_methods)
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• Erhöhung männliche Vermehrungsrate um Faktor 10 bis >100
• Räumliche Trennung der Vatertierhaltung
• Deckhygiene, Deckseuchen
Künstliche Besamung
Reprodukionsbiologische Verfahren
• Flüssigkonservierung, Gefrierkonservierung
• haltbar über Tage bis Jahre
• Spermatransport, Spermalagerung
Spermakonservierung
• Niedrige Erfolgsraten, kostenintensiv
• Nur zur Nutzung in der züchterischen Spitze
Embryotransfer
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• In der Praxis etabliert
• Trenngenauigkeit > 90%, geringere TR
• Kombination mit IVP interessant
Spermasexing
Reprodukionsbiologische Verfahren
• Verfahren der Erstellung genetisch identischer Individuen
• Im Stadium der Forschung und Entwicklung (viele offene Fragen)
• Produziert keinen züchterischen Fortschritt
• Keine öffentliche Akzeptanz
Klonierung
• Niedrige Erfolgsraten (1,6 ttE/OPU)
• Nur zur Nutzung in der züchterischen Spitze
• Wiederholte Nutzung möglich
OPU/IVP
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• Tierschutz + wirtschaftliche Schäden
• oft nicht erkannt i.d.R. monogen rezessiv vererbt Defekte treten nur bei wenigen Tieren auf, aber viele sind Merkmalsträger
• Gendiagnostik ermöglicht Erkennung der Merkmalsträger
Erbfehlerdiagnose
Molekulargenetische Verfahren
| 7. November 2018 | [email protected] 16
Bovine Leukocyte Adhesion Deficiency (BLAD)
Citrullinämie
Deficiency of Uridine Mono- phosphate Synthase (DUMPS)
Pomp´s Disease
Maple syrup urine disease (MSUD)
Spherocytose
Kongenitale Hypothyreose
CVM
Glykogenspeicher- krankheit V
Marfan-Syndrom White Heifer Disease
(Roan)
Dermatosparaxie
-Mannosidose -Mannosidose Wichtige
Erbdefekte beim Rind
| 7. November 2018 | [email protected] 17
• Tierschutz + wirtschaftliche Schäden
• oft nicht erkannt i.d.R. monogen rezessiv vererbt Defekte treten nur bei wenigen Tieren auf, aber viele sind Merkmalsträger
• Gendiagnostik ermöglicht Erkennung der Merkmalsträger
Erbfehlerdiagnose
Molekulargenetische Verfahren
• Gendiagnostik für qualitative Merkmale (MHS-Gentest, Myostatin-Gentest, Scrapie-Gentest, ESR-Gentest, Hornlosigkeit, ...)
• Identifizierung von DNA-Abschnitten mit Einfluss auf Leistungs- und Qualitätsmerkmale
• Genetische Marker, QTL, Kopplungsanalysen, Marker gestützte Selektion (MAS)
• Genomische Selektion
Genomanalyse auf Leistungs- und Qualitätsmerkmale
• Blutgruppentest DNA-Typisierung
• höhere Aussagesicherheiten
• 10 – 15 Mikrosatellitenmarker
• SNP
Abstammungsnachweis , Identitätskontrolle, Herkunftssicherung
| 7. November 2018 | [email protected] 18
Molekulargenetische Verfahren
• extrem aufwendig, noch längst nicht praxisreif, sehr hohe Kosten
• Die Erfolge bei der Züchtung von transgenen Nutztieren sind auf Grund der Größe und der komplexen Organisation ihrer Genome bislang recht bescheiden.
• Rechtliche und ethische Grenzen
Gentransfer
• "Gene Pharming„ = Erzeugung pharmazeutischer Produkte mit Hilfe von transgenen Tieren – i.d.R. über die Milchdrüse (z.B. menschliche Blutgerinnungsfaktoren und Interleukine)
• Einbau von Transgenen zur Begrenzung von Abstoßungsreaktionen bei der Organspende von Nutztieren für den Menschen (Xenotransplantation).
Medizinische Anwendungen
• Einsatz von DNA-Nukleasen als molekulare Scheren Zinkfinger Nukleasen (ZFNs), Transcription Activator-like Effector Nucleases (TALENs) und Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR/Cas) erste Publikationen 2012 - größte Biotech-Entdeckung des Jahrhunderts?
• Mutationen exakt dort in der DNA hervorrufen, wo sie benötigt werden.
• Durch DNA-Reparaturmechanismen kann ein zielgenauer Umbau des Gens erreicht werden
Gene Editing
| 7. November 2018 | [email protected] 19
Umwelt
Leistung
Umwelt
Genetik
SNP‘s
Prinzip der Genomischen Selektion
GTCATAGCATTATTATTATTATTCAGGACCCGGATTTGGACGTTCCAAAGCTATAACCGGG
CAGTATCGTAATAATAATAATAAGTCCTGGGCCTAAACCTGCAAGGTTTCGATATTGGCCC
| 7. November 2018 | [email protected] 20
Basis der Genomischen Selektion
| 7. November 2018 | [email protected] 21
Ausgangsmaterial = DNA: > 2 µg z.B. 1 ml Blut enthalten ~ 200 µg 1 Spermaportion enthält ~ 50 µg 10 Haarwurzeln enthalten ~ 1 µg
SNP-Chip: 2k 600k Low High Denity
S..ingle
N..ucleotide
P..olymorphismus
SNP
❙ Identifizierung der wichtigen SNP
❙ SNP-Chip-Technologie
❙ Methodik der genomischen ZWS
(Meuwissen et al. 2001).
SN
P
-lo
g1
0 (
Ad
ditiv
e M
od
el P
-va
lue
) SNP=Single Nucleotide Polymorphism
Typisierung der Individuen nach SNP-Genotypen
Bestimmung des genetischen Wertes der SNP-Genotypen
Ableitung von Schätzfunktionen
Prinzip der Genomischen Selektion Tiere
| 7. November 2018 | [email protected] 22
Schätzfunktion
Genomische
Zuchtwerte
Laufende
Validierung
Prinzip der Genomischen Selektion
Referenzpopulation (Lernstichprobe)
Genotypen SNP Typisierung
Phänotypen Sicher geschätzte
BLUP Zuchtwerte
Zuchtpopulation (Selektionskandidaten)
Genotypen SNP Typisierung
| 7. November 2018 | [email protected] 23
Theo Meuwissen Ben Hayes Mike Goddard
Wer hat‘s erfunden???
Genomische Selektion:
Ein großer Schritt in der Tierzucht…
| 7. November 2018 | [email protected] 24
Nach Rensing (2008)
Genauigkeit der Zuchtwertschätzung beim Milchrind
| 7. November 2018 | [email protected] 25
| 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld 26
Bullenmütter
ELP
Prüfbullen
Wartebullen
NKP
Gesamtpopulation
Herdbuch
MLP
KB
Bullenväter
Kuhväter
Aufbau von Rinderzuchtprogrammen
(In Anlehnung an Swalve)
Vorteile der Genomischen Selektion
für die Tierzucht
❙ Früher Selektionszeitpunkt mit hoher Sicherheit
❙ Sichere Zuchtwerte auch für weibliche Tiere
❙ Projekte Kuh-Vision, Herdentypisierung, Genomisches Herdenmanagement
❙ Merkmalsprüfung nur noch für Tiere in der Lernstichprobe erforderlich
❙ Verbesserte Möglichkeit der Zucht auf „schwierige“ Merkmale
❙ Funktionale Merkmale
❙ Gesundheitsmerkmale
❙ Verhaltensmerkmale
❙ Energiebalancen, Stoffwechselstabilität
❙ Neue Phänotypen (Daten von Sensoren am Tier, …)
❙ …
❙ Schafft Möglichkeiten für betriebs- und umweltspezifische Zuchtziele
| 7. November 2018 | [email protected] 27
Die Vermessung der Tiere
| 7. November 2018 | [email protected] 28
Strategie der Tierzuchtwissenschaften
Precision Animal Breeding - Präzisionstierzüchtung
nach Flint & Woolliams (2008) beinhaltet drei grundsätzliche Ziele:
1. Genauere & umfassendere Vorhersage der Ergebnisse von züchterischen
Entscheidungen.
2. Vermeidung unerwünschter Seiteneffekten, die das Wohl des Tieres oder der
Population beeinträchtigen.
3. Langfristige Erhaltung der genetischen Diversität, die innerhalb & zwischen
Population zu finden ist.
| 7. November 2018 | [email protected] 29 nach Bennewitz (2016)
| 7. November 2018 | [email protected] 30
Zuchtziele
Zuchtziele
| 7. November 2018 | [email protected] 31
Genetisches Leistungspotential
Ökonomie
(Fleisch, Milch, Wollfasern, Fell, Fett, Arbeit, Eier, Honig, Seide, …)
Das Ziel der Nutztierzüchtung liegt in der Heranbildung gesunder und leistungsfähiger Tiere,
die in einem gegebenen Lebensraum das verfügbare Futter mit hohem Wirkungsgrad in dienstbare Leistungen und Produkte für den Menschen umzuwandeln vermögen.
Zu erwartende
Marktbedingungen
Züchtung heißt in Generationen denken!
Balancierte und nachhaltige
Zuchtziele Gesellschaftliche
Akzeptanz
Ökologie Gesellschaft
Entwicklung der durchschnittlichen Milchleistung
in Sachsen von 1906 bis 2016
| 7. November 2018 | [email protected] 32
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
9.000
10.000
Milc
hle
istu
ng in k
g
Quellen:
1906 bis 1950: LKV Sachsen 1950 bis 1988: Stat. Jahrbuch DDR 1989
1989 bis 1990: Stat. Jahrbuch Sachsen
1991 bis 2016: LKV Sachsen
| 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld 33
Wichtung im Zuchtziel der
Deutschen Holsteinzucht
Emissionen je Produkteinheit
| 7. November 2018 | [email protected] 34
Ausscheidungen je kg essbares Protein tierischer Herkunft bei verschiedenen Proteinquellen
Flachowsky u.a. 2008
Erhebliche Differenzen zwischen Wiederkäu-ern und Monogastri-den
CO2- Bindung über Photosynthese im Fut-terbau ist zu berück-sichtigen
Starke leistungsbe-dingte Degression
Zuchtziele gestern, heute und morgen
Ernährungssicherung
Leistung
Fruchtbarkeit
Fitness, Funktionalität
Qualität
Effizienz
Tierschutz
Gesundheit
Umwelt
| 7. November 2018 | [email protected] 35
Gestern Heute Morgen
Zuchtziele zwischen Ökonomie, Ökologie und
gesellschaftlicher Akzeptanz
❙ Leistungszucht Wirtschaftlichkeit und Nährstoffeffizienz
❙ Züchtung ist eine der nachhaltigsten Strategien, um eine effiziente Nutzung
tiergenetischer Ressourcen zu erreichen aufwendig, teuer, langwierig – aber
dauerhaft
❙ Hohes genetisches Leistungspotential hohe Ansprüche an die Haltungsumwelt
❙ Die physiologisch bedingten Leistungsgrenzen wurden immer weiter nach oben
korrigiert
❙ Erkrankungsrisiko steigt v.a. Fruchtbarkeitsprobleme, Stoffwechselstörungen und
peripartalen Erkrankungen
❙ Ganzheitliche Auswirkungen für hoch komplexe Merkmale sind tiefgreifender zu
untersuchen
❙ Lösung nur über interdisziplinäre Ansätze
❙ gemeinsam mit der Tierernährung und der Tierphysiologie
❙ unter Verwendung von multiOmics Technologien einschließlich des Mikrobioms
| 7. November 2018 | [email protected] 36
Die „multiOmics “… Aus dem Werkzeugkasten der Molekulargenetik
Genom Genomics
Transkriptom Transkriptomics
Proteom Proteomics
Metabolom Metabolomics
Phänom Phänomics
Mikrobiom Microbiomics
| 7. November 2018 | [email protected] 37
Alternativen zur tierischen Erzeugung
❙ Pflanzliche Fleischersatzprodukte
❙ Tierische Proteinquellen (Insekten, Algen, …)
❙ In-Vitro-Fleisch (kultiviertes Fleisch, Fleisch aus dem Labor)
❙ 2013 250.000 € je Burger
❙ 2017 10 € je Burger
Vorteile? Nachteile? Akzeptanz?
Intensives Forschungsfeld – v.a. im Ausland
Zukünftig: Das vom Tier ist das Besondere…?
| 7. November 2018 | [email protected] 38
Credo
❙ Leistungszucht hat hocheffiziente Populationen mit hohen Ansprüchen an die Umwelt
geschaffen
❙ Produktion im physiologischen Grenzbereich birgt gesundheitliche Risiken
interdisziplinärer Forschungsbedarf zur Leistungsphysiologie
❙ Neue Züchtungsmethoden bieten leistungsfähige Werkzeuge
❙ um Populationen gezielt züchterisch zu bearbeiten
❙ um funktionale und schwierige Merkmale besser zu bearbeiten
❙ um das Herdenmanagement zu optimieren (genombasiertes Herdenmanagement)
❙ um die genetischen und physiologischen Mechanismen komplexer Merkmale zu verstehen
❙ um gezielt betriebs- und umweltspezifische Zuchtziele zu verfolgen
❙ um diversifizierte und regionalisierte Märkten gezielt zu bedienen zusätzliche
Eigenschaften vermehrt in Wert gesetzt werden (Qualitäten, Regionalitäten, Botschaften, …)
❙ Zuchtziele wie auch Zuchtmethoden, mit denen diese Ziele verfolgt werden sollen,
erfordern eine tragfähige gesellschaftliche Akzeptanz
| 7. November 2018 | [email protected] 39
| 7. November 2018 | [email protected] 40
Megatrend?
| 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld 41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit