Moderne Züchtungsmethoden Tier - liegen sie im Megatrend?
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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
Megatrend? 2 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Was ist Tierzüchtung?
Vom Menschen
gelenkte Evolution
Evolutionsfaktoren Enorme genetische
Selektion Mutation Variation und
Genetische Drift Veränderungspotential
Rekombination
Reproduktive Fitness,
Domestikation
Genetische Bürde
Züchten heißt in Generationen denken
3 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Praktische Tierzüchtung
über Jahrtausende
Frei nach Aschenputte:
Die Guten ins Töpfchen, die Schlechten ins Kröpfchen
4 | 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld 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
Bis Mitte 19. Jh Bis Mitte 20. Jh Bis 90er 20. Jh Bis heute
• Tierzucht • Beginn der systema- • Etablierung von • Zunehmende Nutzung
weitestgehend intuitiv tischen Tierzucht Besamungszuchtpro- der Molekulargenetik
• Vielzahl regionaler • Erste Herdebücher, grammen • Genomische Selektion
Rassen und Schläge Zuchtprogramme und • Systematische Nutzung bringt Umbau der
• Nutzung: Dung, Militär, Zuchtorganisationen Kreuzungszucht Zuchtprogramme
Zugkraft, Ernährung • Systematische • Populationsgenetik • Nutzung Bioinformatik,
Leistungsprüfung prägt Zuchtmethodik Big Data
• Zuchtziele zur • Zunehmende Nutzung
Ernährungssicherung von Reproduktions-
techniken
1900 2000
Wiederentdeckung Aufklärung Doppel- 1983 Entwicklung der Leistungsfähige Sequenzierung der
der Mendel‘schen helixstruktur Watson Polymerase- IT-Technik Genome der
Gesetze um 1900 und Crick 1953 Kettenreaktion (PCR) verfügbar Nutztiere
Breite Anwendung Wichtiger Erkennt-
Markergestützte Genomische
der Künstlichen niszuwachs in der
Selektion Selektion
Besamung Populationsgenetik
Breite Einführung der
1986 Wilmut klont
BLUP- Gene Editing
identische Lämmer
Zuchtwertschätzung
5 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Hauptelemente
der konventionellen Tierzucht
Zuchtziel
Merkmale Wichtung
Selektion
Selektionsverfahren
Selektionsintensität
Beurteilung Verpaarung
Leistungsprüfung Reinzucht / Kreuzung
Zuchtwertschätzung Anpaarungsplanung
Systematische Züchtung setzt zwingend ein Zuchtprogramm voraus
Züchtung heißt in Generationen denken!
6 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Einflussfaktoren auf den
Selektionserfolg
Genauigkeit der
Zuchtwertschätzung
Selektionsintensität Genetische
Variabilität
ds r g
g / t ZW , ZW
GI
Generationsintervall
GI
ds, r, σ
7 | 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld
Erfolgreiche Zuchtarbeit
Nachhaltige
Zuchtziele
Exakte +
Leistungsfähiges
zuchtzielgerechte
Marketing
Leistungsprüfung
Effiziente
Sichere Zuchtorganisation
Zuchtwertschätzung
Optimiertes
Zuchtprogramm
Moderne IT-Systeme Zielgerichtete Nutzung
biotechnischer und
molekulargenetischer
Verfahren
8 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Was hat die Entwicklung der
Zuchtmethoden geprägt?
❙ Populationsgenetik
❙ Reproduktionsbiologische Verfahren
❙ Molekulargenetische Verfahren
Höhlenmalereien von Lascaux
(zwischen 17.000 und 15.000 v. Chr.)
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/H%C3%B6hle_von_Lascaux
9 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
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
10 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deZiele moderner Zuchtverfahren
Zuchtziel
Merkmale Wichtung
Selektion
Selektionsverfahren
Selektionsintensität
Beurteilung Verpaarung
Leistungsprüfung Reinzucht / Kreuzung
Zuchtwertschätzung Anpaarungsplanung
Reproduktionsbiologische und molekulargenetische
Verfahren in der Tierzucht
Zuverlässigere Erkennung Erweiterung des
Frühere Erkennung des
des genotypischen Wertes Reproduktionspotentials
genotypischen Wertes
11 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deSequenzierungserfolge
❙ 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 Illumina MiSeq Sequenzierer
(http://en.wikipedia.org/wiki/Next-
❙ 2012 Schaf generation_sequencing#Next-
generation_methods)
Sequenzierung kostet heute
noch wenige Hundert EuroReprodukionsbiologische Verfahren Künstliche Besamung • Erhöhung männliche Vermehrungsrate um Faktor 10 bis >100 • Räumliche Trennung der Vatertierhaltung • Deckhygiene, Deckseuchen Spermakonservierung • Flüssigkonservierung, Gefrierkonservierung • haltbar über Tage bis Jahre • Spermatransport, Spermalagerung Embryotransfer • Niedrige Erfolgsraten, kostenintensiv • Nur zur Nutzung in der züchterischen Spitze 13 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Reprodukionsbiologische Verfahren OPU/IVP • Niedrige Erfolgsraten (1,6 ttE/OPU) • Nur zur Nutzung in der züchterischen Spitze • Wiederholte Nutzung möglich Spermasexing • In der Praxis etabliert • Trenngenauigkeit > 90%, geringere TR • Kombination mit IVP interessant Klonierung • Verfahren der Erstellung genetisch identischer Individuen • Im Stadium der Forschung und Entwicklung (viele offene Fragen) • Produziert keinen züchterischen Fortschritt • Keine öffentliche Akzeptanz 14 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Molekulargenetische Verfahren Erbfehlerdiagnose • 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 15 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Bovine Leukocyte Adhesion
Deficiency (BLAD)
Deficiency of Uridine Mono- Maple syrup urine disease
phosphate Synthase (DUMPS) (MSUD)
Kongenitale
Pomp´s Disease Hypothyreose
-Mannosidose Wichtige -Mannosidose
Erbdefekte
beim Rind
Spherocytose CVM
Glykogenspeicher-
Citrullinämie
krankheit V
Dermatosparaxie Marfan-Syndrom
White Heifer Disease
(Roan)
16 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deMolekulargenetische Verfahren Erbfehlerdiagnose • 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 Genomanalyse auf Leistungs- und Qualitätsmerkmale • 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 Abstammungsnachweis , Identitätskontrolle, Herkunftssicherung • Blutgruppentest DNA-Typisierung • höhere Aussagesicherheiten • 10 – 15 Mikrosatellitenmarker • SNP 17 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Molekulargenetische Verfahren Gentransfer • 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 Gene Editing • 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 Medizinische Anwendungen • "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). 18 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
19 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Prinzip der Genomischen Selektion
GTCATAGCATTATTATTATTATTCAGGACCCGGATTTGGACGTTCCAAAGCTATAACCGGG
CAGTATCGTAATAATAATAATAAGTCCTGGGCCTAAACCTGCAAGGTTTCGATATTGGCCC
Genetik
SNP‘s
Umwelt Umwelt
Leistung
20 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deBasis der Genomischen Selektion
SNP
S..ingle
N..ucleotide
P..olymorphismus
❙ Identifizierung der wichtigen SNP
❙ SNP-Chip-Technologie
❙ Methodik der genomischen ZWS
(Meuwissen et al. 2001).
Ausgangsmaterial = DNA: > 2 µg
z.B. 1 ml Blut enthalten ~ 200 µg SNP-Chip:
1 Spermaportion enthält ~ 50 µg 2k 600k
10 Haarwurzeln enthalten ~ 1 µg Low High Denity
21 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.dePrinzip der Genomischen Selektion
Tiere
Typisierung der Individuen
nach SNP-Genotypen
SNP
SNP=Single Nucleotide Polymorphism
-log10 (Additive Model P-value)
Bestimmung des genetischen
Wertes der SNP-Genotypen
Ableitung von
Schätzfunktionen
22 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.dePrinzip der Genomischen Selektion
Referenzpopulation Zuchtpopulation
(Lernstichprobe) (Selektionskandidaten)
Genotypen
SNP Typisierung
Genotypen
SNP Typisierung
Phänotypen
Sicher geschätzte
BLUP Zuchtwerte
Laufende
Validierung
Schätzfunktion
Genomische
Zuchtwerte
23 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deGenomische Selektion:
Ein großer Schritt in der Tierzucht…
Wer hat‘s erfunden???
Theo Meuwissen Mike Goddard Ben Hayes
24 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deGenauigkeit der Zuchtwertschätzung beim Milchrind 25 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de Nach Rensing (2008)
Aufbau von Rinderzuchtprogrammen
Gesamtpopulation
Bullenmütter
KB ELP
Herdbuch
MLP Prüfbullen
Wartebullen
Bullenväter
NKP
Kuhväter
26 | 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld (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
27 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deDie Vermessung der Tiere 28 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
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. 29 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de nach Bennewitz (2016)
Zuchtziele 30 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Zuchtziele
Züchtung heißt in Generationen denken!
Ökonomie
Ökologie Gesellschaft
Genetisches
Balancierte und nachhaltige Leistungspotential Gesellschaftliche
Zuchtziele Akzeptanz
Zu erwartende
Marktbedingungen
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.
(Fleisch, Milch, Wollfasern, Fell, Fett, Arbeit, Eier, Honig, Seide, …)
31 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deEntwicklung der durchschnittlichen Milchleistung
in Sachsen von 1906 bis 2016
10.000
9.000
8.000
Milchleistung in kg
7.000
6.000
5.000
4.000
Quellen:
3.000 1906 bis 1950: LKV Sachsen
1950 bis 1988: Stat. Jahrbuch DDR 1989
1989 bis 1990: Stat. Jahrbuch Sachsen
2.000 1991 bis 2016: LKV Sachsen
1.000
32 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deWichtung im Zuchtziel der Deutschen Holsteinzucht 33 | 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld
Emissionen je Produkteinheit
Ausscheidungen je kg essbares Protein tierischer Herkunft bei
verschiedenen Proteinquellen
Erhebliche Differenzen
zwischen Wiederkäu-
ern und Monogastri-
den
CO2- Bindung über
Photosynthese im Fut-
terbau ist zu berück-
sichtigen
Starke leistungsbe-
dingte Degression
Flachowsky u.a. 2008
34 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deZuchtziele gestern, heute und morgen
Gestern Heute Morgen
Ernährungssicherung
Leistung
Fruchtbarkeit
Fitness, Funktionalität
Qualität
Effizienz
Tierschutz
Gesundheit
Umwelt
35 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deZuchtziele 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
36 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deDie „multiOmics “…
Aus dem Werkzeugkasten der Molekulargenetik
Genom Genomics
Transkriptom Transkriptomics
Proteom Proteomics
Metabolom Metabolomics
Phänom Phänomics
Mikrobiom Microbiomics
37 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deAlternativen 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…?
38 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deCredo
❙ 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
39 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.deMegatrend? 40 | 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 41 | 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld
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