Genomische Selektion

Grundlage für die G-Genomic Bullen der GGI-SPERMEX ist die genomische Selektion. Erfahren Sie unter den folgenden Punkten mehr über die Ziele, Grundlagen und Technik der genomischen Selektion:

1. Was ist neu?

Das Ziel der Tierzucht besteht darin, die genetische Veranlagung der Tiere zu verändern und dadurch ihre Eigenschaften zu verbessern. Dabei handelt es sich jedoch nicht um genetische Manipulation am Tier selbst. Dazu erfolgt bisher eine Selektion anhand der phänotypischen (gezeigten) Leistung als Indikator für die genetisch bedingte Leistungsveranlagung. Ideal wäre es, wenn man die Leistungsveranlagung der Tiere direkt aus den Erbinformationen ablesen könnte, ohne dabei den Umweg über das indirekte Merkmal des Phänotyps zu gehen. Diesem alten Traum kommt die genomische Zuchtwertschätzung und Selektion jetzt sehr nahe. 

Obwohl das Genom des Rindes inzwischen entschlüsselt ist, wissen wir dennoch sehr wenig über die Lage und Wirkungsweise der Gene für die Mehrzahl der züchterisch bearbeiteten Merkmale. Daher arbeitet die genomische Zuchtwertschätzung nicht direkt auf der Basis von Informationen zu den Genen, sondern auf der Basis von Markern. Die Entwicklung dieser neuen Verfahren der genetischen Analyse und die Anpassungen der Zuchtwertschätzung wurden mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in der Fördermaßnahme FUGATO entwickelt.

2. SNP-Marker

Bei den verwendeten Markern handelt es sich um sogenannte SNP (Single Nucleotide Polymorphism)-Marker. Sie sind nur einen genetischen Buchstaben lang und es gibt für jeden Marker nur zwei unterschiedliche Varianten in der ganzen Population. Jedes Tier hat die genetische Information in Form eines doppelten Chromosomensatzes; einen Satz vom Vater und einen Satz von der Mutter. 

Daraus ergibt sich, dass jeder Marker für ein Tier drei Zustände haben kann:

  • reinerbig Variante AA,
  • reinerbig Variante BB oder
  • Mischerbig AB.

Mischerbig AB bedeutet, dass das Tier vom Vater und Mutter unterschiedliche Varianten bekommen hat.

3. Marker-Test bzw. Typisierung

Es sind viele hunderttausend solcher SNP-Marker beim Rind bekannt. 54.001 davon, die etwa gleichmäßig über das gesamte Genom d.h. alle Chromosomen verteilt sind, können inzwischen in einem relativ preiswerten Laborverfahren in einem Arbeitsgang gelesen werden. Diesen Vorgang nennt man „Typisierung“. Die labortechnische Einheit mit den Tests für die 54.001 Marker nennt man Chip oder 54K-Chip, um die Anzahl der gleichzeitig untersuchten Marker anzugeben. 

Gebraucht wird für die Typisierung ein wenig genetisches Material des Tieres. Da alle Zellen eines Tieres über Erbmaterial verfügen, kann man Blut (ca. 2 ml) oder auch Sperma (ca. 2 Portionen) verwenden. Auch aus ca. 30 Haarwurzeln kann man genügend Genmaterial für die Typisierung extrahieren. Allerdings ist bei Haarproben die Gefahr der Verunreinigung mit genetischem Material anderer Tiere höher und das Ergebnis könnte verfälscht sein. Das Ergebnis der Typisierung ist 54.001-mal AA oder BB oder AB.

4. Vom Marker zum genomischen Zuchtwert; die Lernstichprobe

Durch die gleichmäßige Verteilung von sehr vielen Markern über das gesamte Genom geht man davon aus, dass in der Nähe jedes Gens, das die Leistung in einem der züchterisch bearbeiteten Merkmale beeinflusst, mindestens einer der 54.001 Marker liegt. Das bedeutet, dass der Marker fast immer zusammen mit der entsprechenden Variante des Gens vererbt wird. Die Gene und ihre Wirkung kennen wir aber nicht. Damit der genomische Zuchtwert eines Tieres mithilfe seiner Marker geschätzt werden kann, sind daher zunächst bestimmte Vorleistungen nötig. 

Abbildung 1: Herkunft der über 17.000 Holsteinbullen in der deutschen Lernstichprobe (März 2010). Die deutsche Lernstichprobe ist die größte und beststrukturierte weltweit.

DFS = Denmark Finland Sweden

Um herauszufinden, welche SNPs, also welche Marker, mit welchem Merkmal in Verbindung stehen, müssen zunächst die SNP-Muster mit den sicher bekannten (genetischen) Leistungsveranlagungen von ausgesuchten Tieren verglichen werden. Tiere mit sicher bekannter genetischer Leistung sind töchtergeprüfte Bullen. Aus dem Vergleich von SNP-Muster mit genetischer Leistung an diesen Bullen wird ermittelt, welcher SNP wie viel Einfluss auf ein Merkmal hat; d.h. die genomischen Schätzformeln werden so abgeleitet. Je mehr sicher geprüfte Bullen man für diese Formelableitung zur Verfügung hat, desto besser kann man die Zuordnung eines SNPs zu einem Merkmal vornehmen und die Höhe des Einflusses bestimmen. Die geprüften Bullen die in diese Analyse einbezogen werden, bilden die sogenannte „Lernstichprobe“. Die an der Lernstichprobe abgeleiteten genomischen Schätzformeln werden anschließend zur Berechnung der genomischen Zuchtwerte von beliebigen anderen (jüngeren) Tieren noch ohne eigene sichere konventionelle Zuchtwertinformation verwendet. 

5. Sicherheit

Die Sicherheit der genomischen Zuchtwerte hängt in erster Linie von der Größe und Struktur der Lernstichprobe sowie der Sicherheit der Töchter-Zuchtwerte der Lernstichproben-Bullen ab. Der Datenumfang und die Sicherheit der konventionellen Zuchtwerte für alle – auch alle funktionalen Merkmale – sind führend in der Welt. Die Größe und Struktur der deutschen Lernstichprobe ist auch durch den Austausch mit den drei europäischen Partnern aus Frankreich, Skandinavien und den Niederlanden weltweit einmalig. Keine andere Lernstichprobe weltweit ist so gut strukturiert, d.h. repräsentiert die gesamte aktuelle Holsteingenetik aus Europa und Nordamerika. Die genomischen Formeln können die Zuchtwerte junger Tiere nur dann sicher abschätzen, wenn deren Genetik (SNP-Muster) über möglichst viele verwandte Tiere (Vater, Muttersvater, väterliche Halbgeschwister, ...) in der Lernstichprobe möglichst gut repräsentiert ist. Daher muss die Lernstichprobe auch mit der Populationsentwicklung laufend erweitert und aktualisiert werden. 

Die Sicherheiten der ausschließlich auf den genomischen Daten (SNP-Typisierung) beruhenden Zuchtwerten für junge Tiere zeigt die Tabelle in der mittleren Spalte. Dabei ist die angegebene Sicherheit die realisierte Sicherheit; d.h. sie wurde bereits um die in allen genomischen Schätzverfahren beobachtete Überschätzung korrigiert. 

Abbildung 2: Sicherheiten der genomischen Zuchtwerte im Vergleich zur Sicherheit des Pedigree-Zuchtwert:

CEpat. = calving ease paternal
CEmat. = calving ease maternal 

6. Kombinierte genomische Zuchtwerte

Aus den Typisierungen (SNP-Mustern) werden für alle Merkmale die direkten genomischen Werte (dGW) berechnet. Für alle Tiere mit bekannter Abstammung liegen aber auch immer weitere d.h. konventionelle Zuchtwertinformationen vor, nämlich immer mindestens der Pedigree-Zuchtwert. Damit auch weiter jedes Tier zu einem bestimmten Zeitpunkt nur einen Zuchtwert mit der maximalen Informationsmenge und Sicherheit hat, wird nicht der direkte genomische Wert veröffentlicht, sondern der genomisch verbesserte Zuchtwert (gZW) als Kombination aus direktem genomischen Wert und konventionellem Zuchtwert. 

Die Gewichtung erfolgt anhand der Sicherheiten der beiden Werte; d.h. für junge Tiere mit konventionell nur Pedigree-Zuchtwert zählt im wesentlichen der direkte genomische Wert und der unsichere Pedigee-Zuchtwert kann die Sicherheit des genomisch verbesserten ZW (gZW) nur um ca. 3-5% erhöhen (siehe rechte Spalte der Tabelle). 
Sobald der konventionelle Zuchtwert durch Töchterinformationen deutlich sicherer als der direkte genomische Wert ist, zählt dieser stärker im kombinierten gZW. Daher unterscheidet sich der kombinierte gZW von töchtergeprüften Bullen meist kaum vom nur konventionellen Zuchtwert.

7. Was können genomische Zuchtwerte?

Die realisierte Sicherheit der genomisch verbesserten Zuchtwerte junger Bullen ist mit ca. 75% für die Milchleistungsmerkmale bzw. 50% für die Töchterfruchtbarkeit deutlich höher als die Sicherheit des bisherigen Pedigree-Zuchtwert der Testbullen. Daher qualifizieren junge Bullen mit ihren offiziellen gZW jetzt formal als Vererber und Testbullen im früheren Sinne gibt es nicht mehr. 
Der Vergleich mit den Sicherheiten von töchtergeprüften Vererbern (Abb. 3) zeigt aber, dass für die hocherblichen und wichtigen Merkmale Leistung, Exterieur und Eutergesundheit selbst Bullen mit ausschließlich Test-Töchtern in der ersten Laktation höhere Zuchtwertsicherheiten haben.

Abbildung 3: Sicherheiten der genomisch verbesserten Zuchtwerte (gZW) junger Bullen im Vergleich zur Sicherheit töchtergeprüfter Bullen

Obwohl die deutschen genomischen Zuchtwerte aufgrund der größten Lernstichprobe mit über 17.000 Bullen die sichersten im internationalen Vergleich sind, sind die genomischen Zuchtwerte unsicherer als die töchtergeprüfter Vererber. Mit stärkerer Betonung der funktionalen Merkmale hat dabei in den letzten Jahren die Bedeutung der Vererber mit Tausenden von Töchtern aus dem Wiedereinsatz zugenommen, da diese hohe Sicherheiten auch für Merkmale wie Nutzungsdauer und Töchterfruchtbarkeit bieten. Die realisierten Sicherheiten der genomischen Zuchtwerte für diese funktionalen Merkmale sind mit ca. 50% noch sehr begrenzt. 
Wem also bisher die Sicherheiten der ersten veröffentlichten Töchterzuchtwerte neuer Vererber noch zu unsicher waren, für den dürften junge nur genomisch geprüfte Bullen keine Alternative sein. Auf der anderen Seite eröffnet die junge Generation der nur genomisch geprüften Bullen auch neue züchterische Möglichkeiten. Beim Einsatz dieser jungen g-Bullen sollte einem die begrenzte Sicherheit aber immer bewusst sein und das Risiko durch den Einsatz mehrerer solcher Bullen gestreut werden. Die Sicherheitsberechnungen und Angaben für genomische Zuchtwerte sind international noch nicht standardisiert. Die Angaben zu den deutschen genomischen Zuchtwerten sind in jedem Fall realistisch und die tatsächliche Qualität der deutschen genomischen Zuchtwerte international führend. 
Zur richtigen Einschätzung wird bei den deutschen Zuchtwerten auch weiter neben der Sicherheit in Prozent die Angabe der Töchter mit Leistungsinformation erfolgen, so dass jeder den passenden Vererber vom jungen nur genomisch geprüften Bullen über den aktuellen mit Testeinsatz-Töchtern geprüften Bullen bis hin zum bewährten Wiedereinsatzvererber auf objektiver Grundlage auswählen kann.