Die Regenbogenforelle - Regionale Zucht und genetische Vielfalt versus Importfisch - Tom Goldammer, Marieke Verleih, Alexander Rebl, Ronald ...
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Die Regenbogenforelle – Regionale Zucht und genetische Vielfalt versus Importfisch Tom Goldammer, Marieke Verleih, Alexander Rebl, Ronald Brunner und Kooperationspartner DEUTSCHER FISCHEREITAG Lübeck, 28.-30.August 2018
Inhalt
• Regenbogenforellenproduktion - Standorte
• Zuchtlinien BORN und IMPORT
• Genombasierte Messmethoden
• Molekulargenetische Faktoren der Anpassung
• Produktionsleistungen im Vergleich
• Zusammenfassung und Fazit
• Gedanken und Ausblicke
2
Nachhaltigkeit der Regenbogenforellenproduktion
Kiel voli vi nin
fabriki?
• Wie wollen wir Fische produzieren?
• Welches Maß an Umweltbelastung halten wir für vertretbar?
• Ist es legitim, vermeintliche oder tatsächliche Probleme der
Aquakultur in ferne Länder zu exportieren?
Fachforum Aquakultur der DAFA (2014)
3
Deutschland Regenbogenforellenproduktion 2017
Betriebe und Produktionsleistung
Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss) SH
5 MV
• Produktionsbetriebe: 1045 ?t 5
73t
• davon 29 ökologisch bewirtschaftet NS
86
• Erzeugte Menge: ca. 6800 t im Jahr 2017 ≙ 35 % 423t SA Bb
11 10
• 208 Betriebe > 5 t mit insgesamt 6150 t Produktion (90 %) 324t 187t
NRW
• z.B. B-W: 31 Betriebe > 5 t mit insgesamt 1800 t (96 %) – im Mittel ca. 60 t 112
H Th S
888t
42 43 50
RP 348t 476t 152t
Unklar: 25
• Wie viele Betriebe nutzen eigene Laicherstämme? 340t
Sl
• Wie viele Betriebe importieren sterile Augenpunkteier? 1 BW B
• Ist die Erbrütung und Aufzucht von Importfischen ökologisch? ?t 84 571
1867t 1640t
• Welche genetischen Ressourcen besitzt Deutschland?
Destatis 2018 – Erzeugung in Aquakulturbetrieben - FS3 R4.6 – 2017 4
Regionale Produktion von Regenbogenforellen
Ein positives Beispiel: fischzucht-stoerk.de/forellenzucht
„Außerdem sind wir einer der
führenden Anbieter für Forelleneier in Deutschland.“
• 76 Betriebe mit Brut- und Aufzuchtanlagen – (unverbindlich) Laich, ca. 11 Mio Eier
• Wieviel davon von eigenen regionalen Laicherstämmen?
• Verkauf von fertilen Regenbogenforelleneiern?
• Regionale genetische Ressourcen vorhanden – Wie viele?
• Züchterische Anpassung an regionale Umwelten seit X? Generationen
• Basis für familiengestützte Selektion von Forellen grundsätzlich vorhanden
5
Globaler Export/Import von Regenbogenforellen
Importfisch konfrontiert mit
• 500.000.000 Eier pro Jahr unbekannten regionalen Stressoren:
• Rein weiblich XX steril oder • differente Habitate,
• triploid 3x=90 Chromosomen • Wasserqualitäten,
• nur wenige Genpools World’s leading producer of • Pathogene, Keime, Gifte,
eyed trout eggs
• Export in ca. 70 Länder • Futtermittel, Handling etc.
www.troutlodge.com 6
Verschiedene Haltungsumwelten für eine Fischart
fjordkrone.de/de/haltungsformen-aquakultur/
Durchflussanlagen
raceways/flow-through systems
Geschlossene Kreislaufanlagen
recirculating aquaculture system, RAS
Netzgehege- oder Käfiganlagen
cage or net pen culture
Teichwirtschaft
pond culture
Fotos privat oder freie Quellen
7
Vergleich differenter Zuchtlinien in regionaler Aquakultur
BORN-Forelle
Selektion auf lokales Überleben Kein Stress
Brackwasser
Haltungs- Seewasser
adaptiert
umwelt Flusswasser
Grundwasser
Zucht in neuem Lebensraum - Ostsee-Ästuare, Brackwasser Lokaler Stamm BORN Infektion/Stimul.
Min. 0°C - Monatsdurchschnitt 3-24°C - Max. 28°C Pathogene A. salmonicida
Wasserqualität: Trüb, hohe Keimbelastung
Sommerhitze
IMPORT-Forelle 20°C - 27°C
Selektion auf Wachstum Stamm IMPORT
Moderat
Temperatur
8°C - 15°C - 23°C
nicht adaptiert Kälteschock
5°C - 0°C
Zucht im natürlichen Lebensraum – Gebirgsflüsse/-seen Hoch
Min. 5°C - Monatsdurchschnitt 8-22°C - Max. 25°C Besatzdichte Moderat
Wasserqualität: Klar, keimarm Gering
8
Evolviertes Adaptationspotential / Genomausstattung
Optimale Haltungsbedingungen Zucht/Selektion
Kriterien: Kriterien:
Trinkwasser, • Brackwasser, eutroph, hohe Keimbelastung
Temperatur 12-18°C • stärker schwankende Temperaturen 0-28°C
Fingerlinge im Anzuchtbecken Fingerlinge in Rinnen der Kaltwasseranlage Born
evolviertes Adaptationspotential
Regionale Zuchtlinie BORN wurde züchterisch/genetisch angepasst.
9
Regionale Etablierung des Zuchtstamms BORN
Züchterische Anpassung durch klassische Selektion auf Überleben unter regionalen Umweltbedingungen
Brackwasseraufzucht von Jungfischen < 1g Parallele Haltung von Forellen in
Brackwasser für 180 Tage
100
15000
Überlebende Forellen [n] 15000 81,3
80
Überlebensrate [%]
12000
P0-Generation
60
9000 Genetische Ursachen unbekannt!
40
6000
24,5
3000 2096 20
702 311
0 0
1975 1976 1977 1978 F1-BORN unselektierte
Kontrolle
Darstellungen modifiziert nach E. Anders (1983) Diss. 160pp) 10Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Wesentliche Technologien & Methoden
HiSeq Illumina, cDNA Mikroarrays Agilent Biomark HD Fluidigm; Roche Lightcycler96 Live Cell Mikroskopie Zeiss Observer
Strukturanalysen Funktionsanalysen
DNA, cDNA Genexpression In vitro Zellsysteme
• Gensequenzierung, • Transkriptomsequenzierung (RNA-Seq), • Einzelmolekülaktivität in der Zelle
• Transkriptomsequenzierung • cDNA- bzw. Oliogo-Mikroarray-Hybridisierung • Lokalisation von Molekülen
• Genomsequenzierung • quantitative Real-Time PCR (qPCR) • Fischzellwachstum, -proliferation
• quantitative Biochips-qPCR
11Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Genaktivität stressreaktiver früher Schutzgene “First Barrier”-Gene
• Erhöhte Grundexpression von
Schutzgenen in der Leber
gesunder regionaler Forellen
• Verbesserte Sperre gegen das
Eindringen von Pathogenen
Kein Stress • Adaptation an die lokalen
Wasserparameter
(Keimspektrum, Eutrophie,
Temperaturamplitude)
• Abreguliertes angeborenes
Immunsystem
Rebl et al. (2012) Vet Immunol Immunopathol 145 Mikroarray-Transkriptomstudie 12Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Genaktivität des stressreaktiven angeborenen Immunsystems
Beispiel: Vergleich der Expression von Komplementgenen
• Abreguliertes, weniger
aktives angeborenes
Immunsystem in der Milz
gesunder regionaler Forellen
Kein Stress • Genetisch determinierte
Adaptation an die lokale
Umwelt - Brackwasser
Köbis et al. (2013) Mol Biol Rep 40
Mikroarray-Transkriptomstudie 13
Köbis et al. (2014) Fish & Shellfish Imm 42Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Infektion Effekte veränderter Genetik auf Überleben nach
A. salmonicida i.p.-Infektion mit A. salmonicida [104cfu]
Regionale Zuchtlinie BORN:
• Anpassung des
100
BORN Import 100 BORN
Immunsystems an
21d
kumulative Mortalität [%]
Lebensraum Brackwasser
CD4-Aktivität MHC II [%]
80 Import
80 21d
7d • Effizientere angeborene
60
∆ 50% 60 Immunantwort
40 40 • Höhere Überlebensrate
72h • Schnellere adaptive
20 20
Immunantwort in der
n=30 Fische pro Stamm
0 0 regionalen Zuchtlinie
0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 12 24 0 7 21
Tage nach Infektionsbeginn (dpi) Tage nach Infektionsbeginn
Überleben Aktivität erworbenes Immunsystem
Korytář et al. (2013) Fish Shellfish Immunol 35
Mikroarray-Transkriptomstudie 14
Rebl et al. (2014) Mar Biotechnol 16Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Effekte veränderter Genetik auf Leukozytenzellkinetik nach Stimulation
BORN vs. Import
Stimulation
A. salmonicida
• Lymphozyten dominieren im nicht infizierten Fisch
• Myeloidzellen kontrollieren die Auflösung der beginnenden Entzündung
• Stimulation induziert dramatische Wechsel in der Zellkomposition des Peritoneums
• ca. 24h schnellerer Zelltransfer bei der regionalen Zuchtlinie BORN
Korytář et al. (2013) Fish Shellfish Imm 35 FACS-Zellsortierung 15
Korytář et al. (2013) Diss FLIMolekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Effekte veränderter Genetik auf Leukozytenzellkinetik nach Stimulation
BORN vs. Import
Myeolidzellen Lymphozyten
BORN Import BORN Import
i.P.-Zellkomposition
Stimulation
A. salmonicida
0hpi 24hpi 72hpi 0hpi 24hpi 72hpi
• Stimulation induziert dramatische Wechsel in der Zellkomposition
• Nur moderater Anstieg der Leukozytenanzahl in regionaler Zuchtlinie
Qualität der Abwehr ist wichtiger als erhöhte Quantität an Abwehrzellen!
Korytář et al. (2013) Fish Shellfish Imm 35 FACS-Zellsortierung 16
Korytář et al. (2013) Diss FLIMolekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Identifizierung früher Stressindikatoren für Temperaturstress
Temperatur = abiotischer ökologischer Masterfaktor in der Aquakultur (Brett JR,1971)
Umfassende globale Genexpression Kieme
Transkriptomanalysen BORN/IMPORT
8°C 23°C • Nachweis linienspezifischer
Heat map
Heat map Strategien für die Stress-
Top 20
Gene antwort auf moderaten
Temperaturstress
• Angeborenes Immun-
system wird auch bei
Moderat
8°C - 15°C - 23°C Temperaturstress aktiviert
Kiemen Leber
Niere Gehirn • Temperaturanstieg
induziert Akute-Phase-
Gene nur in der regionalen
Zuchtlinie BORN
Rebl et al. (2013) Marine Biotechnol 15 Mikroarray-Transkriptomstudie
Verleih et al. (2015) Marine Biotechnol 17 17Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Transkriptomsequenzierung zur Identifizierung genetischer Zuchtlinienunterschiede
n=8/Zuchtlinie Hauptkomponentenanalyse Gen-/DNA- Gen-/DNA- Linienspezifische
6 Gewebe Differente Geneexpression Fragmentassemblierung Sequenzvariation SNPs
30-fold
coverage/strain GATK - Genome GIMAP7
Analysis Toolkit
Reads Pre-Processing
Variantensuche
Variantenanalyse
SNP’s / Indels
Callset Refinement
Kein Stress Genotypen
• Genotypisierung identifiziert ca. 150 Gene mit zu 100% zuchtlinienspezifischen SNPs
• u.a. First Barrier Gene und angeborenes Immunsystem
• Frühe Stressindikatoren mit „Zuchtpotential“ – DNA-Sequenzvariation
Borchel (2015) Diss. 28-diss2015-0192-2
Brunner & Verleih (2014-17) Labordaten Illumina HiSeq – RNA-Seq 18
Doktorandin Lydia de los Rios Pérez (2018)BORN vs. IMPORT – Produktionsleistung in regionalen Umwelten
Mittlere Produktionsleistungen von 4 Testbetrieben
Brackwasser
Seewasser
Flusswasser
Grundwasser Fotos: Ralf Bochert
Rinnenanlage Netzkäfiganlage Rinnenanlage Teichanlage
Brackwasser See Fluss Grundwasser
BORN (selektiert auf Überleben) IMPORT (selektiert auf Wachstum)
65% männliche Tiere
Regional + Import -
Goldammer et al. (2016) Fischerei & Fischmarkt 3
19
www.aquakultur-mv.de – Abschlussbericht EFF-BORN-Forelle (2015)Zusammenfassung & Fazit - Regionale versus Importzuchtlinie
Regionale Zucht führt zu signifikanten Unterschieden:
- Gen-, Genomsequenzvariation, Genotyp
- Gen-, Genomfunktion
- Stressbewältigungsstrategien
• First Barrier-Gene
• angeborene & erworbene Immunabwehr
• Leukozytenaktivität
• spezifisch regulierte Stressgene und Signalkaskaden
- Mortalitätsrate unter Stresseinwirkung
- Produktionsleistungen, Phänotyp
Fazit: Regionale Zucht ist nachhaltig, ökologisch und produktiv.
20Gedanken und Ausblicke
Deutschland fördert die Verbesserung von:
Fischfutter, Aquakultursystemen, Filtersystemen, Fütterungssystemen,
Erbrütungstechnologien, die Nachnutztung von Abprodukten (Aquaponik).
Fischhaltung erfolgt sogar im Ökolandbau….
Fischzucht in Deutschland erfolgt zumeist über
phänotypgestützte Massenselektion
- Wir müssen das ändern!
- Wann “verbessert” Deutschland die Fische?
Foto: Ronald Brunner 21Gedanken und Ausblicke – Genomanteil am Zuchterfolg
Deutschland braucht die familiengestützte Selektion von Regenbogenforellen
Regenbogenforelle Rind
Zuchtprogramm Finnland Milchleistung [kg] bei
Verbesserung Filetqualität natürlichem Fettgehalt
HB-Kühe RZMV 1994-2009
9000
8000
7000
20 bis 40% frf@fdacf.ssw.dhhs.gov (1996)
6000
5000
Selektion auf Merkmal
Körpergewicht
ausgenommen am Selektion auf Milchmenge,
praktikabelsten mittlere 9200l – mittlere
Heritabilität [h²] = 0.29 Heritabilität h2=0,25
http://aquagen.no/en/2013/06/12/selective-breeding-progress/
Kause et al. (2007) J.Anim.Sci. 85 Zuchtreport_Milch-09 (2009) LALLF
22Gedanken und Ausblicke - Genomanteil am Zuchterfolg
Grundvoraussetzung: Familienstrukturen und Zuchtwertschätzung
Sire 1 Sire 2 Sire 3
+ Dam
Offspring
Familie 1 Familie 2 Familie 3
Erfassung von Leistungsdaten und deren Abweichung vom Populationsmittelwert ergibt den Zuchtwert für jedes Tier.
Zuchtwertberechnung über Phänotypen von:
- Individuum Vorteile:
- Elterntiere - Garantierter schneller Zuchtfortschritt
- Voll- und Halbgeschwister - Zuchtfortschritt auch bei niedriger Vererbbarkeit
- Nachkommen
Schätzung der Genetik (Genotyp) mit geeignetem Test: BLUP-Test
Best Linear Unbiased Prediction 23Gedanken und Ausblicke - Genomanteil am Zuchterfolg
Familiengestützte Selektion – verschiedene Zuchtziele
Grundvoraussetzung: Familienstrukturen
Familie mit Familie mit
bestem niedrigster
Wachstum Mortalität
1 3+ Erhaltung und Verbesserung
einer Familie
Neue Elterntiere mit besten individuellen und
Familienmittelwerten im Vergleich zur
Zucht neuer Familien durch Kreuzung Gesamtpopulation
Kombination gewünschter Merkmale
24Gedanken und Ausblicke – Pioniere von Zuchtprogrammen
1992 2015 2018
*troutlodge.com
*seafoodsourc.com *vbcn.se Boosting European aquaculture by
*aquagen.no advancing selective breeding to the
next levels
*troutex.dk
Europa gesamt in 2011: 1,55 Mrd Eier
? *hofer-forellen.de
*uni-goettingen.de
(Dänemark 320 Mio, Frankreich 400 Mio)
Vergleich von 15 Zuchtbetrieben
eigene Zuchtstämme mit eigener
Laichproduktion in Europa – davon:
Familiengestützte Selektion: 9
*assumed breeders Phänotypbasierte Massenselektion: 6
25Gedanken und Ausblicke - Zuchtprogramme
Betriebe mit Laichproduktion
Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss)
• 208 Betriebe > 5 t / 6151 t Produktion (90 %) SH
MV
• z.B. B-W: 31 Betriebe > 5 t / 1786 t (96 %)
NS
Bb
• 76 Betriebe mit Laichproduktion, ca. 11 Mio Eier 5
0,56 Mio Eier
SA
Notwendige Schritte zur kompetitiven NRW Rest:13
8 0,65 Mio Eier
Erhöhung der Eigenproduktion: 0,70 Mio Eier
S
H Th
• Zuchtprogramme (national/ regional)
RP
• Zuchtzentren: Betriebe/ Bundesländer mit eigenen
Sl B
Zuchtstämmen 38
• Aufbau echter Familienstrukturen – Monitoring – BW 6,65 Mio Eier
12
Stammbucherstellung (Herdbuch) – Digitalisierung 2,45 Mio Eier
• Genetische Vielfalt regionaler Zuchtstämme erfassen
Destatis 2018 – Erzeugung in Aquakulturbetrieben - FS3 R4.6 – 2017 26Gedanken und Ausblicke - Anpassungszeitraum
Populationsgenetische Metaanalyse zur Erschließung Pazifik
450 mi +
neuer Verbreitungsareale durch Salmoniden in ±
700 km
Flußgebieten:
+
Zeitspanne für Anpassung an neuen Lebensraum
und Manifestierung als neue Population: ±
6-30 Generationen (>15 - 100 Jahre) +
Oncorhynchus spec.-Populationen
+ lokale Population
± neue Population (lokale Adaptation erschwert)
Fraser et al. (2011) Heredity 106
27
Primmer (2011) Heredity 106Gedanken und Ausblick – Genetische Vielfalt erfassen
Werkzeuge für markergestützte Selektion von Forellen sind vorhanden
Molekulare Werkzeuge zur
Stressmessung: Biochip mit
Indikatorgenen
Fluidigm Integrated Fluidic Circuit (IFC) Arrays
Duplex-PCR-Typisierung zur
Geschlechtsbestimmung in der
Regenbogenforelle
28Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Abteilung Fischgenetik (2018)
Finanzielle Unterstützung u.a. durch den Europäischen
Fischereifond (EFF) und das Ministerium für Landwirtschaft,
Umwelt und Verbraucherschutz des Landes M-V (2012-2016).
Danke an die beteiligten Fischereibetriebe in M-V für ihre Kooperation.
Danke an die LFA-MV mit E. Anders, Carsten Kühn, Ralf Bochert u.a. sowie
das FLI mit Bernd Köllner und Tomas Korytar u.a. für die aktive Kooperation,
Mitarbeit und Unterstützung der Projekte zur BORN-Forelle (2009-2016).
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