Brauchen wir alternative Zuchtprogramme? Fortbildungsseminar des Ausschusses für Genetik der ZAR “Neue Selektionskriterien und Zuchtstrategien in der Rinderzucht“ Salzburg, 15. März 2007

Univ. Prof. Dr. Hermann H. Swalve Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften Professur für Tierzucht

Gliederung  Einführung: Mögliche Gründe für alternative Zuchtprogramme

 Formen von Reinzuchtprogrammen / Reorganisation der Leistungsprüfung  Zuchtprogramme und Nachhaltigkeit  Leistungsprüfung für neue Merkmale  Biotechnologie und Molekulargenetik  Schlussfolgerungen

Einführung: Mögliche Gründe für alternative Zuchtprogramme

Alternativen suchen – Weshalb?  Kosten der Leistungsprüfung, Wegfall staatlicher Unterstützung; Optimierung der LP zur Nutzung größtmöglicher additiv-genetischer Varianz  Nachhaltigkeit wird gefordert  Neue Indexmerkmale nötig  Auswirkungen Bio- und Molekulargenetik

Formen von Reinzuchtprogrammen

Konventionelles Besamungszuchtprogramm  Zuchtziel: Milchleistung, Funktionalität / Nutzungsdauer, Fleischleistung  Hauptmerkmal Milchleistung ist geschlechtsgebunden  Nachkommenprüfung wichtig, aber teuer

Formen von Reinzuchtprogrammen

Konventionelles Besamungszuchtprogramm Gesamte Population Herdbuch Bullenmütter

KB

Aufzucht der Bullenkälber / ELP Fleisch

Testbullen

Unter MLP

Wartebullen

Bullenväter Nachkommen-

Kuhväter

prüfung

(n. Fewson, 1979)

Formen von Reinzuchtprogrammen

Die vier Pfade der Selektion Vater

Jungbulle

Mutter

Jungkuh

Formen von Reinzuchtprogrammen

Intensivierungsmaßnahmen für heutige Zuchtprogramme Testeinsatz der Jungbullen

Fragen aus züchterischer Sicht: - Wieviele Bullen soll man testen? - Wieviele Töchter sollen diese Bullen haben? 

Alter Grundsatz: Möglichst viele Bullen testen, da Auch wichtig: Töchterzahl

Annahme: Überlegenheit (DYD) von +1000 kg Milch ZW bei 40 Tö.: +1530 (76%) ZW bei 100 Tö.: +1780(89%)

15.8% 2.3% 0.13 % 100

112 124

136

Formen von Reinzuchtprogrammen

Wie kommt der Bulle in die Topliste? Die aus der von

für einen Verband interessierende Wahrscheinlichkeit, den getesteten Bullen auch Bullen in Toplisten Zuchtwertschätzung wiederzufinden, hängt u.a. folgenden Faktoren ab:



Zahl der getesteten Bullen, relativ zu allen Bullen und relativ zur Größe der Topliste Selektionsschärfe der Testbullen (ZW der Bullenväter und Bullenmütter) Anzahl Nachkommen je Testbulle in der ZWS Varianzverhältnisse im Gebiet, in dem die Bullen getestet werden

  

Formen von Reinzuchtprogrammen

Nachfolgend: Ergebnisse zu den beiden Fragestellungen 1.

Zahl der getesteten Bullen, relativ zu allen Bullen und relativ zur Größe der Topliste

2.

Varianzverhältnisse im Gebiet, in dem die Bullen getestet werden

Formen von Reinzuchtprogrammen

Hierzu: Theoretische Betrachtung (Swalve und Dietl, 2001)

   

Vereinfachtes Modell Betrachtung nur eines Merkmals Keine Verwandtschaft der Bullen Indexkalkuation zur Zuchtwertschätzung



Nur bedingter Vergleich mit nationaler ZWS möglich Die Betrachtungen sollen vielmehr dazu dienen, Trends aufzuzeigen



Theoretischer Hintergrund: Die Varianz der geschätzten Zuchtwerte hängt von den in der BLUP-Zuchtwertschätzung verwendeten (Ko)Varianzen und den wahren (Ko)Varianzen im Testgebiet ab!

Formen von Reinzuchtprogrammen

Wahrscheinlichkeit (%)

Die Wahrscheinlichkeit (%) für einen Verband mindestens 1 oder 3 Bullen in eine Topliste der Größe 20 zu bekommen bei unterschiedlicher Zahl der getesteten Bullen je Jahr Annahmen: Anzahl getesteter Bullen = 700 Der interessierende Verband testet 20, 30, .. , 100 Bullen Alle Varianzverhältnisse sind gleich und so wie in der ZWS 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

“Mindestens Einer“

“Mindestens Drei“

20

30

40

50

60

70

80

90

Zahl der getesteten Bullen

100

Formen von Reinzuchtprogrammen

Die Wahrscheinlichkeit (%) für einen Verband mindestens 3 Bullen in eine Topliste der Größe 20 zu bekommen bei unterschiedlicher wahrer Heritabilität im eigenen Verbandsgebiet Annahmen: Anzahl getesteter Bullen = 700, der Verband testet 100 Die wahre h² variiert von 0.30 ... 0.40 In der ZWS wird .30 verwendet, in allen anderen Gebieten gilt dies auch Wahrscheinlichkeit (%)

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,3 0,31 0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,4

Wahre Heritabilität im eigenen Gebiet

Formen von Reinzuchtprogrammen

Schlussfolgerungen Testeinsatz 

Ein kleiner Verband mit nur wenigen Testbullen je Jahr hat auch nur sehr geringe Chancen, Bullen in Toplisten zu placieren



Falls die wahren Varianzverhältnisse in einem bestimmten Verbandsgebiet von denjenigen der anderen Gebiete abweichen, so bleibt dies nicht ohne Einfluss auf den Erfolg in der Topliste. Dies gilt auch dann, wenn in der ZWS einheitliche Parameter unterstellt wurden



Durch die sehr vereinfachten Kalkulationen dürften diese Auswirkungen in der Praxis aber weniger drastisch sein, als hier dargestellt wurde

Formen von Reinzuchtprogrammen

Nukleusprogramme  

ursprünglich für Situationen mit schwacher Infrastruktur entwickelt



Wichtige Vorteile:  Zentrale Kontrolle über alle Aktivitäten  Keine Datenerhebung im Feld nötig  Ideal, um Technologien anzuwenden  Biotechnologie  Molekulargenetik  Erfassung schwieriger Merkmale

Formen von Reinzuchtprogrammen

Nukleuszuchtprogramm n. Hinks (1978) Zulieferherden Sperma von Testbullen

Nachschub an Jungkühen

Testherden Geprüfte Kühe

Nukleus Sperma geprüfter Bullen

Population

Formen von Reinzuchtprogrammen

MOET-Nukleusprogramme (Nicholas and Smith, 1983)



Embryo Transfer zur Steigerung der Reproduktionsrate der Kühe



Senkung des Generationsintervalls so weit, wie möglich



Nutzung aller Verwandten in der Zuchtwertschätzung



Steigerung der Selektionsintensität, so weit, wie möglich (aber immer noch niedriger als im Feld)

 Straffe Organisation fördert Zuchterfolg

Formen von Reinzuchtprogrammen

MOET Nukleusprogramme - Probleme 

Inzucht



Hygienerisiken



Akzeptanzprobleme, wenn Sperma von Bullen verkauft werden soll, die nur innerhalb eines Nukleus geprüft wurden



Erfolgsrate des Embryotransfer geringer als erwartet

Formen von Reinzuchtprogrammen

Modifikationen traditioneller Programme 

MAS bzw. GAS bei Bullenmüttern und Söhnen



Reduktion des Generationsintervalls  Selektion junger Bullenmütter (Extrem: Rinder oder Kälber)  Jungbullen zur Eliteanpaarung



Steigerung der Reproduktionsrate  ET bei Bullenmüttern obligatorisch  Sexing  OPU



Bullenmütterprüfung auf Station  Bisher 3 Beispiele in Deutschland (OHG, NOG, SRV)

Formen von Reinzuchtprogrammen / Reorganisation der Leistungsprüfung

Probleme der herkömmlichen Nachkommenprüfung beim Milchrind  Milchrindpopulation verkleinert sich um 3–4 % jährlich  Sicherstellung der Testbasis nötig  MLP kann nur Daten liefern, die auch flächendeckend erhoben werden können  Planbarkeit des Testeinsatzes ist u. U. schwierig (besonders in manchen Regionen)  Sonderbehandlungen möglich  Abstammungssicherheit u. U. nicht besonders gut

Formen von Reinzuchtprogrammen / Reorganisation der Leistungsprüfung

Welche Daten liefert die MLP derzeit?  Milchmerkmale  Milchfluss (wenn Lactocorder auch “flächendeckend“)  Zellzahlen  Geburts-, Kalbe-, Abgangsdaten  Nutzungsdauer  Kalbeverlauf, Totgeburten  In Verbindung mit Besamungsdaten: Daten zur Fruchtbarkeit

Formen von Reinzuchtprogrammen / Reorganisation der Leistungsprüfung

Welche Daten kommen hinzu?  Alle Arten von Herdbuchdaten  Lineare Beschreibungen  Gesundheitsmonitoring

Formen von Reinzuchtprogrammen / Reorganisation der Leistungsprüfung

Testherden: Beispiel Neuseeland  schon seit mehr als 30 Jahren eingeführt  400 Betriebe  300 Testbullen / Jahr (150 HOL, 90 JE, 60 KRZG)  13.000 Kühe  433 Anpaarungen je Bulle  Mindestanforderungen: 80 Kühe/Betrieb

Formen von Reinzuchtprogrammen / Reorganisation der Leistungsprüfung

Schema eines intensiven Zuchtprogrammes (Swalve, 1989)

Bullenmütterherden

• offener/geschl. Nukleus • zentral/dezentral • intensive Leistungsprüfung

Hauptpopulation

• ausschließlicher Einsatz geprüfter Bullen • Möglichkeit für jeden Betrieb, BM-Betrieb oder Testbetrieb zu werden

Geprüfte Bullen

Bullenkälber

KB-Station

inklusive Aufzucht der Bullenkälber Testeinsatz

Testherden

• ausschließlicher Einsatz von Jungbullen • vertragliche Bindung

Formen von Reinzuchtprogrammen

Modernes Zuchtprogramm für Milchrinder (Swalve, 2004)

Population unter Milchleistungskontrolle

Testherden

Herdbuchpopulation

Bullenmütterteststation

Potentielle Bullenmütter (Pedigree/Index, Markerselektion) Elitebullen (gesexter Samen) Geprüfte Bullen (gesexter Samen)

Anpaarung mit gesextem Samen

Bullenmütter mit männlicher Nachzucht

Weibliche Kälber (markerselektiert) Bullen von positiv getesteten Bullenmüttern

Bullenkälber (markerselektiert)

Formen von Reinzuchtprogrammen / Reorganisation der Leistungsprüfung

Was qualifiziert einen Betrieb zum Testbetrieb?  Größe  kleine Betriebe haben zu wenige Vergleichstiere  kleine Betriebe erfüttern das genetische Potential meist nicht  Leistungsniveau ab Mittel der Population

 Große, leistungsstarke Betriebe zeigen höhere Heritabilitäten  Bereitschaft zur Dokumentation (und Mehrarbeit)

Formen von Reinzuchtprogrammen / Reorganisation der Leistungsprüfung

Streuung der Kuhzuchtwerte, geschichtet nach Milchleistungs- und Herdengrößenklasse (Höver und Swalve, 2005; unveröffentl.)

Formen von Reinzuchtprogrammen / Reorganisation der Leistungsprüfung

Vorteile von Testherdenprogrammen a)

Sicherung der Testkapazität in Zeiten rückläufiger Besamungszahlen

b)

Erhebung von Merkmalen zusätzlich zu denjenigen aus der flächendeckenden MLP

c)

Verbesserung der Wiederfindungsrate (= Anzahl Töchter in Milch : Anzahl ausgegebener Spermaportionen je Testbulle)

d)

Effiziente Verteilung der Testbullen nach Versuchsplan

e)

Schaffung einer Datengrundlage für molekularbiologische Untersuchungen (QTL-Suche) und der Anwendung der markergestützten Selektion (MAS)

f)

Vereinfachte Logistik der Besichtigung von Nachkommengruppen (innerhalb der Zuchtorganisation; als Marketingaspekt hinsichtlich der Führung von Besuchern)

Nachhaltigkeit und Zuchtprogramme

Erhalt genetischer Ressourcen

 Grundsätzlich keine Änderungen bei den Zuchtprogrammen

 Nötig aber: Verschiebung der Gewichte der einzelnen Selektionspfade  Beispiel Pinzgauer  Hoher Anteil Teststierbesamungen

Nachhaltigkeit und Zuchtprogramme  Inzucht

Inzuchtentwicklung international (Holstein) 5 4 3 2 1

Geburtsjahr

FRA

USA

CAN

NLD

ITA

98

96

94

92

90

88

86

84

82

80

78

76

74

72

0 70

Inzuchtkoeffizient der Kühe (%)

(Miglior, 2000)

Nachhaltigkeit und Zuchtprogramme  Inzucht

Mittlere Verwandtschaft + St.-abw. in Abhängigkeit von der Zuchtwertklasse bei deutschen Holstein-Bullen (König und Simianer, 2003)

Mittlere Verwandtschaft (%)

14 12 10 8 6 4 2 0 64

76

88

100

112

124

Zuchtwertklasse bis ...

136

148

Nachhaltigkeit und Zuchtprogramme  Inzucht

Weshalb ist Inzucht ein Problem? 

Inzuchtdepression  kein sehr großes Problem (s. nächste Folie)



Auftreten von Erbdefekten  durch verbessertes Monitoring in den Griff zu bekommen



Einschränkung der Varianz gefährdet zukünftige Zuchterfolge  hier liegt das Problem

Nachhaltigkeit und Zuchtprogramme  Inzucht

Inzuchtdepression*): Literaturergebnisse Autor

Land

Merkmal

Regression

Hodges et al., 1979

USA

ZKZ

+ 0,2 Tage

Hudson und Van Vleck, 1984

USA

ZKZ

+ 0,1 Tage

Hoeschele, 1991

USA

Rastzeit ZKZ

+ 0,13 Tage + 0,11 Tage

Miglior, 1992

CAN

Milch Fett

- 26,7 kg - 0,0005 %

Short, 1992

USA

Milch

- 22,6 kg

Wiggans et al., 1997

USA

Milch

- 21,3 kg

Smith et al., 1998

USA

Milch SCS LPL

-26,7 kg + 0,0002 - 5,9 Tage

Thompson et al., 2000

USA

Milch SCS Survival

-35,0 kg 0 - 0,25 %

% von P

2,4 0,2

1,5 0,1 1

*) Regression von Leistungs- und Fitnessmerkmalen je % Inzuchtsteigerung

Nachhaltigkeit und Zuchtprogramme  Inzucht

Inzucht begrenzen  Optimal genetic contribution (OGC) (Wooliams und Meuwissen, 1993; Meuwissen, 1997)

 Maximierung des Zuchtfortschrittes unter Restriktion der additiv-genetischen Verwandtschaft der selektierten Tiere

Leistungsprüfung für neue Merkmale

Züchterische Verbesserung funktionaler Merkmale  Standarddaten (MLP, KB-Daten) bringen wenig  Erfassungsprogramme Gesundheitsdaten: Ein wichtiger Schritt vorwärts  Zukünftig: Neue Merkmale finden, die sich eng an die Physiologie anlehnen; Beispiele:  Stoffwechsel: Futteraufnahme, Energiebilanz, Effizienz  Eutergesundheit: Erregerspezifische Beprobung nach Plan  Reproduktion: Zyklusüberwachung  Fundament: Konkrete Befundung (nach Plan; Gesamtherde)  Exterieur: „Standardisierte“ Klassifizierung

 Testherden!

Biotechnologie und Molekulargenetik

Biotechnologie 

Grundsätzlich züchterisch nur von gradueller Bedeutung (s. nächste Folie)



Sperma-Sexing  Derzeit immer noch unbefriedigend  Mittlerweile 2 Anbieter  Wird aber kommen!



Klonierung  Derzeit noch unbefriedigend  Epigenetische Effekte  Könnte auch in der breiten Praxis kommen

Biotechnologie und Molekulargenetik

Genetischer Fortschritt bei Einsatz von Biotechnologie (Van Vleck, 1981)

rTI Herkömmlich Gesextes Sperma Herkömmlich + ET ET + weniger Bullen ET + gesextes Sperma + weniger Bullen

BV .79 2.153 4 2.153 4 2.153 4 2.420 2 2.420 2

Selektionspfad KV BM .79 .65 1.400 1.985 20 6 1.400 2.270 20 3 1.400 2.660 20 1 2.420 2.660 2 1 2.420 2.900 2 .5

KM .65 .195 90 .880 45 1.755 10 1.755 10 2.064 .5

 G/Jahr (kg Milch) 100 115 134 158 166

Biotechnologie und Molekulargenetik

Molekulargenetische Ansätze 





Identifizierung von Markern für die Markergestützte Selektion (MAS)  Ist ein erster Schritt  Ist die Grundlage für den zweiten Schritt (s.u.) Direkte Identifizierung von Genvarianten für die Gengestützte Selektion (GAS)  Erste Gene sind identifiziert (z.B. DGAT)!  Besonders wichtig bei funktionalen Merkmalen

Genomische Selektion: Identifikation von Single Nucleotide Polymorphisms (SNP)  Zucht auf Haplotypen

Biotechnologie und Molekulargenetik

Molekulargenetische Ansätze 



Identifizierung von Genvarianten für qualitative Merkmale / Erbdefekte  es gibt schon viele Beispiele Gentransfer in der breiten Praxis  Nicht auszuschließen  Vermutlich aber noch weit weg

Biotechnologie und Molekulargenetik

Genomische Selektion  An einer initialen Stichprobe von Tieren werden Typisierungen für möglichst viele SNP (z.B. 30.000 SNP je Chip) vorgenommen; die SNP sind gleichmäßig über alle Chromosomen verteilt

 Alle SNP werden innerhalb von Segmenten der DNA als Haplotypen auf mögliche Effekte hinsichtlich der Phänotypen geprüft  Identifizierung von Haplotypen mit signifikantem Effekt („ohne Ursachenforschung“)  Zukünftige Selektion von Tieren (z.B. ab Geburt) basiert allein auf den identifizierten Haplotypen Erfolg der Methode hängt wesentlich von der akkuraten Erfassung der Phänotypen in der „initialen“ Stichprobe ab

Biotechnologie und Molekulargenetik

Genomische Selektion: Initialphase (n. Schaeffer, 2006) Auswahl von Bullenmüttern 1. Selektionsschritt  Beste Haplotypen

Initiale Stichprobe Definierte genetische Struktur z. B. 50 Väter, je 50 Söhne, je 100 Töchter  Typisierung von Vätern  Yield Deviations = Phänotypen  Schätzung der Haplotyp-Effekte

HaplotypenInformation

Population

G-Selektierte Bullenmütter Eliteanpaarungen mit besten Vätern

Bullenkälber 2. Selektionsschritt G-Selektion bei Geburt Unbeschränkter Einsatz

Biotechnologie und Molekulargenetik

Genomische Selektion: Weiterführung Bullenmütter-Auswahl 1. Selektionsschritt

G-Selektierte Bullenmütter Eliteanpaarungen mit besten Vätern

HaplotypenInformation

Periodischer Abgleich Phänotypen - Haplotypen  neue Phänotypen  mehr SNP  neue Umwelten

HaplotypenInformation

Testherden  Typisierung aller Kühe Population

Bullenkälber 2. Selektionsschritt G-Selektion bei Geburt Unbeschränkter Einsatz

Schlussfolgerungen

Schlussfolgerungen  Alternative Zuchtprogramme werden kommen!

 Gründe:  Kosten der LP  Fortschritte Bio- und Gentechnologie  Erhaltung der genetischen Varianz  Nukleuszucht  Testherden