Lektion 8: Selektionsrespons

Præsentationer af emnet: "Lektion 8: Selektionsrespons"— Præsentationens transcript:

1 Lektion 8: Selektionsrespons
Selektionsdifferencer og –intensitet Der har har altid hersket stor interesse for - - hvilke dyr der skal bruges til avlsdyr, og dermed også hvilke der ikke skal….

2 Selektionsrespons Selektionsdifferens Selektionsintensitet
Heritabilitet af tærskelegenskab Avlsværdi for tærskelegenskab Genetisk korrelation Ændring i korrelerede egenskaber Det overordende emne for denne lektion er selektionsrespons, dvs. den effekt man får ved en given selektion. I den sammenhæng er selektionsdifference og selektionsintensitet vigtige begreber som vil blive gennemgået. Herefter gives forskellige formeler til beregning af selektionsresponset. Desuden kommer vi lidt ind på tærskelegenskaber og hvorledes man estimerer heritabilitetten og beregner et avlsindeks. Ved en selektion for en given egenskab vil der ske ændringer i egenskaber der er genetisk korrelerede med egenskaben der selekteres for. Til slut gives nogle eksempler på ændring i korrelerede egenskaber.

3 Selektionsdifferens, S
Grafen viser en normalfordeling i en population for en given egenskab. På grafen er p-streg middelværdien af populationen, mens p-streg-s er middelværdien af de dyr, som er udvalgt til at blive avlet på, det vil sige den farvede del af grafen. Selektionsdifferensen angives med stort s, og den er forskellen mellem de selekterede dyrs middelværdi p-s-streg og populationens middelværdi p-streg. Selektionsdifferensen har sammen enhed, som egenskaben er udtrykt i. S = PS - P

4 Selektionsintensitet, i
Sigma-p angiver spredningen af den givne egenskab i populationen. Selektionsintensiteten er så givet ved selektionsdifferencen divideret med sigma-p. Selektionsintensiteten kan også findes ved tabelopslag, hvis man kender proportionen af selekterede dyr. Proportionen af selekterede dyr er arealet af det farvede område divideret med arealet under hele normalfordelingskurven. Der er en omvendt proportional sammenhæng mellem selektionsintensiten og proportionen af selekterede dyr. Når hele populationen udvælges er selektionsintensiteten således 0. Det bemærkes at selektionsintensiteten ligesom proportionen ikke har nogen enhed modsat selektionsdifferensen. i = S/sP

5 Intensitetstabel Et eksempel på hvordan man finder selektionsintensitet, findes i tabellen udfra kolonnen med proportionen af selekterede dyr til avl. Det vil sige: Proportionen af selekterede dyr fra den foregående graf. Er proportionen af selekterede dyr eksempelvis 50%, går man ind under 0,50 og over i kolonnen for intensitet, og aflæser intensiteten til at være 0,80.

6 Selektionsrespons, G individuel selektion
R = G = h2 S = h2 i P = h i A eller G = (IS – A) Når der avles på en population, skulle der gerne ske en ændring i populationens middelværdi i en gunstig retning. Denne ændring kaldes for selektionsrespons og betegnes R som tidligere omtalt i lektion 6. R er således forskellen mellem forældre populations middelværdi og afkoms populations middelværdi. Hvis vi kigger på grafen fra før, og betegner delta-G som den genetiske ændring eller selektionsresponset, er den givet ved produktet af heritabiliteten og selektionsdifferensen. Der ud over kan G beregnes som gennemsnitlig avlsværdiskøn (store Is) minus populationsgennemsnitet (A streg) jævnfør lektion 7.

7 Selektionsrespons, G i = Selektionsintensitet rAI = Sikkerhed
A = Additiv genetisk spredning L = Generationsinterval Selektionsrespons realiseres hos afkom efter selekterede forældre, derfor er delta g beregnet per generation. For at få tidsenhen ind I billed kan delta g ses I forhold til generations intervallets længde. Her ses den generelle formel for selektionsrespons pr. år, som er den mest almindelige enhed. Selektionsintensiteten i, sikkerheden rIA og spredningen A er defineret tidligere i denne og forrige lektion. Generationsintervallet L er tilgengæld et nyt begreb. L er defineret som forældrenes gennemsnitlige alder, når afkommet fødes. Hos mennesker siges det at være 30 år, hos kvæg 2 til 8 år afhængig af køn, mens ved svin regner man kun med et generationsinterval på 1-3 år.

8 Udvidet formel for G generel formel
Nu er det jo sådan, at et stykke afkom har to forældre, der hver bidrager med halvdelen af dets arveanlæg. De to forældre køn kan have forskellig selektionsintensitet, sikkerhed, spredning og generationsinterval, så derfor er det nødvendig at opdele bidraget af arveanlæg til den nye generation i to. Et fra møderen og et fæderen, som lægges sammen. Formlerne for selektionsrespons kan benyttes til modelstudier for at udvikle optimale avlsprogrammer, hvor den bedste balance findes mellem generationsintervaller, intensitet og sikkerhed. De har også stor værdi til at forudsige hvad der kan forventes af et givent avlsprogram. Det er jo vigtigt at vide hvilke resultater man kan forvente før man poster en masse tid og penge i et avlsprogram, der som oftest strækker sig over mange år. Det ville jo være bittert at population ikke havde haft den ønskede fremgang efter mange års arbejde! Beregning af delta G

9 Tærskelegenskaber Nu skal vi til at beskæftige os lidt med tærskelegenskaber, og hvordan de nedarves Vi husker at en tærskelegenskab er en egenskab, der nedarves kvantitativt, men kommer til udtryk kvalitativt. Der er normalt et stort antal gener som ligger til grund for tærskelegenskaber, og dette er baggrunden for, at der er en tilnærmet kvantitativ arvegang. Grunden til at den udtrykkes kvalitativt, er netop at egenskaben på trods af den kvantitative arvegang kun kan registreres kvalitativt, dvs. i forskellige grupper, f.eks. Syg/ikke syg. Hvis man sammenligner familievis forekomst af tærskelegenskaber og Mendelske egenskaber, vil man se at både tærskel- og mendelske egenskaber optræder familievis. For sygdomme med lav populationsfrekvens vil man ikke kunne skelne mellem Mendelske nedarvede sygdomme og en tærskelsygdom. I begge tilfælde vil frekvensen af sygdommen være meget højere hos nære slægtninge til en syg end frekvensen i populationen. Differentieringen mellem de to former for nedarvning kan kun ske på grundlag af testparringer, hvor man i tilfælde af Mendelsk nedarvede sygdomme kan forudsige det nøjagtige udspaltningsforhold, hvilket ikke er tilfældet for tærskelsygdomme.

10 Tærskelegenskaber, eksempel
Hvid bug i midterlinie hos mink Hvid buglinie hos mink falder I samme kategori som spina bifida og navlebrok Det er en cellepopulation der vokser for langsomt I første trimester under organegonesen. I samme kategori har man navlebrok hareskår, ganespalte og spina bifida En cellepopulation vokser for langsomt

11 Familievis forekomst som for Mendelske egenskaber
Ved lave populationsfrekvenser er det svært at skelne mellem tærskel egenskaber og de klassiske Mendelske egenskaber. For Mendelske egenskaber kan der gennemføres testparringer hvor det nøjagtige udspaltningsforhold kan forudsiges. Og feks. ved recessiv*recessiv parring skal alt afkom være afficeret.

12 Heritabilitets estimering for tærskelegenskaber
I kapitel 6 er der redegjort for heritabiltetsestimering for normalfordelte egenskaber. Man kan estimere heritabiliteten for en tærskelsygdom hvis man kender populationsfrekvensen af sygdommen, samt frekvensen hos afkommet efter syge dyr eller slægtninge til de syge dyr. I grafen viser den øverste normalfordeling, en population med en frekvens på 5% syge dyr. Den stiplede linje angiver forældregenerationens middelværdi. Den fuldt optrukne linje angiver tærsklen. Afkomsgenerationen, vist i den nederste graf, har en sygdomsfrekvens på 20%. Situationen kan opfattes som et selektionseksperiment, hvor der kun avles videre med syge dyr. Den almindelige formel for heritabiliteten på data fra et selektionsforsøg R=h2S, og det er en standardiseret normalfordeling, hvor store S er lig med i. Responset store R findes ved at trække x1 fra x2. De kan slås op i en tabel over normalfordelingen. Man finder ved tabelopslag x1 til 1,6 og x2 til 0,8, ligeledes findes selektionsintensiteten i ved tabelopslag til 2,06. Heritabiliteten udregnes til 0,39. Kender man sygdomsfrekvensen hos slægtningen med et slægtskab på 0,5, det vil sige far, mor eller helsøskende gennemføres beregninger på samme måde, men facit er heritabiliteten gange 0,5. Bruger man slægtninge med en slægtskabsgrad på 0,25, som fx halvsøskende er facit heritabiliteten ganget med 0,25. En opgørelse af nærværende type kan også betragtes som en epidemiologisk undersøgelse hvor risikofaktoren er at være beslægtet med et sygt individ. Den relative risiko for at blive syg er 4 gange så stor hos afkom hvor begge forældre er syge som hos et tilfældigt individ i populationen. Denne metode er let, men giver en usikker bestemmelse af heretabiliteten, når datematerialet er af ringe størrelse.

13 Heritabilitets estimering, eksempler
Eksempel fra foregående side Heritabilitets estimering, eksempler Relativ risk beregning Hib diskokation in man

14 Tærskelegenskaber skalaproblemer
Antal mastitisudbrud hos en ko kan betragtes som en semikvantitativ egenskab, især når det gælder et helt livsforløb med mange laktationer. For antal tilfælde af mastitis vil der ikke være tvivl om, at der er en rimelig lineær sammenhæng mellem antal tilfælde og dyrets resistens mod sygdommen. Der kan i andre tilfælde være betydelig mere tvivl om, at man har at gøre med en lineær skala. Der kan her henvises til den såkaldte 'pind og fjertest' hos mink for at teste dyrenes reaktionsmønstre. Man har klasserne for mulige udfald aggressiv, nysgerrig og frygtsom, der måles i samme test. Men vil det overhovedet være relevant at sætte de tre klasser på en lineær skala og i så fald hvordan? Nej for at få en mening i en sådan test må man arbejde med tre uafhængige tærskelegenskaber der bliver 1) aggressiv eller ikke aggressiv 2) frygtsom eller ikke frygtsom og 3) nysgerrig eller ikke nysgerrig. Et eksempel på anvendelse af semilineær skala er vist i det følgende for egenskaben hofteledsdysplasi hos hunde

15 Tærskelegenskab, HD som enten eller egenskab
Alle raske har samme phenotypeværdi Bortselektion af syge giver ringe selektions respons ved lave frekvenser Hvorledes finder man de 5 % bedste til avl, for at få høj selektionsintensitet Tærskelegenskab, HD som enten eller egenskab. Alle raske har samme phenotypeværdi. Bortselektion af syge giver ringe selektions respons ved lave frekvenser. Hvorledes finder man de 5 % bedste til avl, for at få høj selektionsintensitet.

16 Tærskelegenskab, HD som enten eller egenskab
Hvorledes finder man de 5 % bedste til avl, for at få høj Selektionsintensitet Afkomsundersøgelse er en mulighed Graduering en anden Tærskelegenskab, HD som enten eller egenskab Hvorledes finder man de 5 % bedste til avl, for at få høj selektionsintensitet Afkomsundersøgelse er en mulighed. Graduering en anden

17 Tærskelegenskaber, klassisk eksperiment med parringstyper for HD
Offspring Mating type Total number % HD Normal*Normal ,5 N * HD ,3 HD * N ,8 HD * HD J. Small Anim. Pract. 1966, 12:

18 Tærskelegenskaber Fordeling af hofteledsdysplasi hos Schæfer hunde B1 og derover rask B2 og deunder syg Et eksempel på en kvantitativ egenskab, der er inddelt med tærskler i flere grupper, er hofte-dysplasi hos schæferhunde. Her er vist data fra en population med i alt 1406 hunde, der er blevet røntgenfotograferet. Hofterne hos de enkelte hunde vurderes på en skala der går fra E2, E1 til A2 A1, med i alt ti klasser som vist i grafen. E2 hunde har HD i meget svær grad, og A1 hunde har perfekte hofter. Hunde fra og med B2 og nedefter har HD med stigende sværhedsgrad. Som det ses af figuren er skalaen ikke lineær, målt på en normalfordelingskurve. Ved beregning af HD- indeks bruges klassemiddel i stedet for en lineær ti delt skala. Klassemiddel er fastsat ud fra en normalfordeling med middelværdi 0 og en standardafvigelse på 1. Den stiplede linje med indeks 100 angiver populationens middelværdi. De farvede klasser er de hundes, som har udviklet HD. Det fremgår her af, at tærsklen mellem at en hund lider af HD eller er rask er blevet sat mellem B2 og B1, men at sværhedsgraden af lidelsen også er inddelt i klasser. Når en sådan indeling i klasser benyttes, er det meget vigtigt, at der foreligger klare retningslinjer for hvordan dyrene klassificeres, da det er tænkeligt, at et dyr ligger på grænsen mellem to klasser og vurderingen der ud over er subjektiv. Jo bedre retningslinjerne, og dermed registreringen er, des større forventes sikkerherheden på de genetiske parametre at være.

19 Tærskelegenskaber Her ses et røngtenbillede fra røngtenklinikken ved KVL. De bedste hofter til venstre er A1, her slutter hofteskålen tæt til lårbenshovedet. Og de værste er E2, er vist I højre billed, hvor hoftteskålen er fladet ud og lårbenshovedet mangler støtte, så det er muskulaturen der skal holde lårbenet på plads.

20 Genetisk korrelation og ændring i sekundære egenskaber
På billedet her ses et stykke malkekvæg og et stykke kødkvæg. Malkekoen er fremavlet så den udnytter sin energi til at danne mælk, hvilket medfører en ringe kødfylde. Det omvendte er tilfældet med kødkvæg, hvor energien udnyttes til at lave nogle ordentlige bøffer. Dette er et eksempel på en negativ genetisk korrelation mellem mælkeydelse og kødfylde. Korrelation er, når man ved at påvirke en egenskab, også vil påvirke en anden egenskab. Hovedårsagen til genetiskkorrelation er pleitropi. Pleitropi er den situation, hvor et enkelt gen påvirker to eller flere egenskaber. For eksempel vil generne, der øger tilvækstraten også øge statur og vægt, så at de resulterer i korrelation mellem disse egenskaber. Derimod vil gener, der øger fedme, influere på vægten uden at påvirke staturen og er derfor ikke korreleret. Graden af korrelation, der stammer fra pleioropi, udtrykker den del af de to egenskaber, der er påvirket af de samme gener. Det er muligt for nogle gener at øge begge de egenskaber, som de påvirker eller at øge den ene og reducere den anden egenskab. Hvis begge egenskaber øges, vil det give en positiv korrelation. Hvis den ene øges, og den anden formindskes, vil der være negativ korrelation. Den genetiske korrelation beskrives med en talstørrelse mellem –1 for negativ korrelation og +1 for positiv korrelation. Kobling kan være en anden årsag til midlertidig genetisk korrelation, specielt i populationer, der er opformeret ved krydsning mellem individer med forskellige egenskabskarakteristika. Hvis sammenhængen mellem to egenskaber umiddelbart kan observeres, er der korrelation af fænotypiske værdier, også kaldet fænotypisk korrelation.

21 Beregning af et avlsindeks, I, for en tærskelegenskab
Pleiotropi Kobling Nu hvor heretabiliteten er estimeret, foregår udregningen på helt samme måde som vist i lektion 7. Den øverste formel bruges til at udregne afkomstgruppens gennemsnitlige fænotypiske niveau. Nedenfor er tallene sat ind i formlerne. Dette resultat bruges i udregningen af indekset, som ses i linje tre. Indeksets gennemsnit A-streg er jo sat til 100, h2 er opgivet til 0,22 og slægtskabet fra far til afkom er ½. t udregnes som for halvsøskende, nemlig 0,25*heritabiliteten på 0,22 og en miljøfaktor på 0. De selekteredes gennemsnit p-streg-g har vi udregnet til 0,2933 og populationsgennemsnittet p-streg er sat til 0. Det hele ganges med 100 for at få indekstallet.

22 Genetisk korrelation er en ustabil parameter sammenlignet med heritabiliteten
Heritabiliteten for en egenskab er stort set konstant gennem mange generationers selektion. Den er også stort ens mellem racer Den genetiske korrelation ændre sig ofte ved selektion og kan være meget forskellig fra population til population

23 Grafisk billede af negativ genetisk korrelation
Der kan forekomme overraskende og til tider uønskede resultater af avlsarbejdet på grund af korrelationer. Under et selektionsprogram må man derfor være opmærksom på, om der opstår en ændring af andre egenskaber, end dem der selekteres for. Den genetiske korrelation har symbolet lille r a1 a2 (rA1,A2), hvor A1 og A2 er avlsværdier for de to egenskaber 1 og 2. I det viste eksempel er der selekteret for store kalve ved fødsel. Hvis køernes udvoksede vægt ikke øges samtidig med vil de støre kalve medføre kælvningsbesvær. Grafen her viser en to-dimensional fordeling med en negativ genetisk korrelation på 0,5. Den skrå linje er selektionsgrænsen, når der er lagt lige stor vægt på de to egenskaber. Dyrene til højre for den skrå linje selekteres, fordi de har gode egenskaber. Som det ses, er det svært, men muligt, at forbedre begge egenskaber på en gang, på grund af den negative korrelation. A2

24 Bestemmelse af genetisk korrelation ved selektionsforsøg
Gy / Ay r Ax,Ay = Gx / Ax Den genetiske korrelation er svær at bestemme, da den kan variere meget, både fra population til population og over tid. En formel til beregning af genetisk korrelation ved selektionsforsøg er givet her. Lille r er den genetiske korrelation, Ax og Ay er avlsværdierne for henholdsvis egenskaberne x og y. Den genetiske korrelation bestemmes som forholdet mellem de standardiserede selektionsresultater, når der kun selekteres for egenskaben x. Korreleret ændring i egenskab y ved selektion for egenskab x

25 Estimering af genetisk korrelation for dgl. tilvækst og foderforbrug
I et selektionsforsøg med kyllinger blev selekteret for dgl. tilvækst (x), der blev samtidig målt ændring i foderforbrug (y). Resultaterne var over 10 generationer Delta x =350 gram og delta y =500 gram h2 var for begge egenskaber 0,35 og deres genetiske spredning var henholdsvis 130 og 310 gram rAx,Ay = (500/310) / ( 350/130) = 1,61/2,65 = 0,607 Estimering af genetisk korrelation for dgl. tilvækst og foderforbrug: I et selektionsforsøg med kyllinger blev selekteret for dgl. tilvækst egenskab x, samtidig blev der målt ændring i foderforbrug, egenskab y. Resultaterne var over 10 generationer Delta x =350 gram og delta y =500 gram H2 var for begge egenskaber 0,35 og egenskabernes genetiske spredning var henholdsvis 132 og 306 gram Den genetiske korrelation mellem de to egenskaber kan nu bestemmes til 0,62 De anvendte data stammer fra det senere omtalte australske forsøg med kyllinger slagtekyllinger

26 Den genetisk korrelation er dynamisk
Den genetiske korrelation er ikke en konstant størrelse, men afhænger bl.a. af det genetiske niveau af egenskaberne. Denne figur er en skitse, der illustrerer tendensen af en stigende negativ genetisk korrelation mellem sygdomsresistens og mælkeydelse i løbet af en periode, hvor der selekteres for en højere mælkeydelse. Resultatet af denne selektion er en højere mælkeydelse. Denne ydelsesstigning fremkommer bl.a. pga. at individer med gener der i stigende grad tilgodeser en næringsstoffordeling til fordel for yveret selekteres. Dermed bliver den genetiske korrelation i populationen mere negativ.

27 Korrelation mellem fitness og selekterede egenskaber
Ved selektion gennem mange generationer vil opstå negativ genetisk korrelation mellem den egenskab, der selekteres på og 'fitness'. Derfor skal være et selektionstryk på egenskaben for at holde den på det niveau, der er opnået. Hvis selektionen opgives , vil populationen gå tilbage mod udgangspunktet hvor der er optimal fitness. Det kan dog være vanskeligt at defenire optimal fitness i et intensivt produktionssystem. Ved at gennemføre miljøændringer så populationens fitness forskydes, kan denne negative effekt undgås. Et eksempel er danske malkestalde. Her er miljøet tilpasset de højtydende dyr, så de har en god fitness. Det ville en dansk malkeko ikke have på den afrikanske savanne. Ved store ændringer både i miljø-forhold eller genetisk baggrund, bliver interaktionen mellem genetik og miljø en faktor, som man skal forholde sig til. Interaktionen afspejler den negative korrelation til fitness.

28 Genetisk korrelation: Eksemplificeret ved korreleret response.
Her ses et eksempel på genetisk korrelation. Det stammer fra et australsk forsøg med kyllinger, hvor tre populationer blev selekteret for henholdsvis tilvækst (weigth gain, angivet med W), det er den første graf. En anden population blev selekteret for fordereffektivitet(food consumption, angivet med F) og og den sidste for foderomsætning (food conversion rate, vist med E ). Foderomsætning er målt i foderforbrug pr. kilo tilvækst. Der er kun selekteret på en af de tre egenskaber i hver population, men som det ses på graferne, har selektion på en egenskab, en effekt på de øvrige egenskabers niveau. Det ses at den linje, som er selekteret for tilvækst, W, får en større foderoptagelse og en bedre fodereffektivitet (mindre foderforbrug pr. kilo tilvækst). Linjen som er selekteret for foderoptagelse, F, ses at have en positiv korrelation med tilvæksten, men til gengæld falder fodereffektiviteten. Så disse to egenskaber er negativt korreleret. Den sidste linje, som er selekteret for fodereffektivitet, E, er positivt korreleret med tilvækst, men der er stort set ingen korrelation med foderoptagelsen, hvilket er lidt I modstrid med det før nøvnte omvendte forsøg.

29 Tilbagefald i genetisk niveau - masksimal fitness
En fritlevende ko som skal opfostre sin kalv giver omkring 1500 liter mælk. Dette gælder f.eks. kød-kvægracerne. En malkeko, som er avlet med henblik på høj ydelse og som får skovlet foder ind yder let 8000 liter mælk. Når der er selekteret på en egenskab som har betydning for fitness gennem en række generationer, og avlsmålet er blevet nået, skal der ligge et stadigt selektionspres på egenskaben, ellers vil den naturlige selektion ”drive” den tilbage mod udgangspunktet. Som eksempel kan anvendes malkekvæg. De er selekterede for en høj mælkeydelse, og vil blive sat ud hvis de ikke giver nok mælk. Hvis de blev udsat som en vild population, vil det genetiske niveau for mælkeydelsen hurtigt falde gennem nogle generationer, da de ikke vil være afhængige af at give meget mælk for at overleve. Tvært imod har de dårligere overlevelses chancer på grund af et højt foderforbrug og den høje mælkeydelse.

30 Autoselektion for kuldstørrelse