Lektion 9: Indavl og Krydsning Effekt af indavl på individuelt og populationsniveau Effekt af krydsning Minimum indavlssystemer Populations struktur, avlspyramide Denne lektion vil omhandle Effekt af indavl på individuel og populationsniveau - hvorledes nedsætter indavl produktionsevnen af de enkelte dyr såvel som indavlens gennemsnitlige reduktion af produktionsevne for en population? Definition af indavl blev givet i lektion 4 og konsekvenserne af indavl når det drejer sig om letalgener er behandlet i lektion 5. Effekt af krydsning - - indavlens modsætning. Begrebet omtales først på dette tidspunkt da, der er ikke nogen selvstændig teori for begrebet krydsning, men som nævnt er det indavlens modsætning med forøget heterozygoti til følge. Krydsning anvendes i stor udstrækning i husdyrproduktionen især hos svin og fjerkræ. Minimum indavl systemer er vigtige især i forbindelse med praktisk produktion i små populationer og for truede dyrearter. Deres vigtigste funktion er at opretholde genetisk variabilitet og dermed at imødegå indavlens uheldige virkninger.

Indavlsdepression Produktionsegenskaberners niveau falde, når derer indavl. Dette skyldes: Gener med dominans giver den største effekt hos heterozygoterne Forøget homozygotigrad er den underliggende årsagsfaktor til indavlsdepression Genotype AA Aa aa Frekvens p2 + pqF 2pq - 2pqF q2 + pqF Indavlsdepression er lineær og proportional med pqF og dominansafvigelsernes størrelse Faldet i produktionsegenskaberners niveau, der skyldes indavl, kaldes indavlsdepression Når man taler om udspaltning af recessive letalgener taler man om indavlsdegeneration, faldet i produktionsevne kaldes derimod indavlsdepression. Når der er dominansafvigelser giver et poitivt gen sin største effekt hos heterozygoterne. Dominansavigelser opstår, som vist i lektion 6, når heterozygotens værdi for en kvantitativ egenskab afviger fra middelværdien af de to homozygoter. Dette medfører, at ved fuldstændig dominans, har heterozygoten samme værdi som den dominante homozytot. Forøget homozygotigrad er den underliggende årsagsfaktor til indavlsdepression. Som det blev vist I lektion 4.5 er faldet i hetrozygotigrad og stigningen I homozygotigraden proportional med populationenes gennemsnitlige indavlsgrad. Faldet i produktivitet er derfor proportional med indavlsgraden, som vist i ovenstående formler, der stammer fra lektion 4.5, og på data fra praksis vist på næste billede.

Beregning af indavlsdepression, eksempel P(A1)= 0,3 q(A2)= 0,7 Musevægte med genotyperne: A2 A2 A2 A1 A1 A1 6 12 14 gram Ppop = (genotypeværdifrekvens) = 60,72 + 122 0,70,3 + 140,32 = 9,24 Ved F = 0,25 Fpq = 0,3*0,7 * 0,25 = 0,0425 6*(0,72 + 0,0425) + 12*0,33 + 14*0,13 = 9.15 p2 + Fpq 2pq - 2Fpq q2 + Fpq Nu vil prøve at få nogle ting sat på plads med et eksempel på beregning af den definitonsmæssige avlsværdi på et enkelt locus a for egenskaben “vægt” hos mus. Det er forudsat, at der er en effekt af locus a på vægten, og at genemsnittet for dyr med de tre tilsvarende genotyper er forskellige. Populationsgenemsnittet beregnes derefter som en middelværdi. Genfrekvensen af A1 og A2 er henholdsvis p lig med 0,3 og q lig med 0,7. Som illustreret, vejer mus med genotypen A2A2 i genemsnit 6 gram, mus med med genotypen A1A2 i gennemsnit 12 gram og mus med genotypen A1A1 i gennemsnit 14 gram. Disse vægte bruges som genotypeværdierne for musevægte til beregning af populationsgennemsnittet, p streg. Dette populationsgennemsnit bereges som summen af genotypeværdierne gange frekvensen af den givne genotype. Dette fås for musevægt til 9,24.

Indavlsdepression er lineær Lineært fald i dgl. slagtetilvækst hos svin Eksempel: Det lineære fald i dgl. slagtetilvækst hos svin Grafen viser den daglige tilvækst hos svin som funktion af indavlsgraden. Eksemplet er givet for at vise de praktiske konsekvenser af indavl, grafen illustrer med god tydelighed, at faldet i vækstevne er proportional med stigning I indavlensgraden. Et tilsvarende fald finder man for de fleste produktionsegenskaber med en heritabilitet af størrelsesorden omkring 25 procent. Det lineære fald svarer for dgl tilvækst til 0,4 procent af indavlsstigningen. Dette svarer til at ved ti procents indavl er produktionsfaldet på 4 procent og ved 100 procents indavl er faldet på 40 procent. For egenskaber med lav heritabilitet, som feks. Reproduktionsevne er indavlsdepressionen direkte proportional med indavlsstigningen. Dette bevirker, at det praktisk taget er umuligt at få 100 procent indavlede husdyr, da deres reproduktionsevne er tæt ved nul.

Krydsningsfrodighed Stigning i produktionsegenskaberners niveau, der skyldes krydsning, kaldes krydsningsfrodighed eller heterosis Gener med mere eller mindre dominans giver den største effekt hos heterozygoterne Forøget heterozygotigrad er den underliggende årsagsfaktor til krydsningsfrodighed Stigningen i produktionsegenskaberners niveau, der skyldes krydsning, kaldes krydsningsfrodighed eller heterosis Ordet krydsningsfrodighed hentyder til, at man oplever en frodighed, der er ukendt i renavl. Det andet ord for krydsningsfrodighed ’heterosis’ er afledt af heterozygoti og antyder dermed hvorledes effekten opstår. Effekten af krydsning er modsat rettet i forhold til effekten af indavl. Når der er dominansafvigelser giver et poitivt gen sin største effekt hos heterozygoterne. Dominansavigelser opstår, som vist i lektion 6, når heterozygotens værdi for en kvantitativ egenskab af viger fra middelværdien af de to homozygoter. Dette medfører at ved fuldstændig dominans har heterozygoten samme værdi som den dominante homozytot . Forøget heterozygotigrad er den underliggende årsagsfaktor til krydsningsfrodighed. Stigning i hetrozygotigrad giver en højere middelværdi, der er proportional med stigningen.

Effekt af krydsning Kan ikke forudsiges ved ny krydsningskombination Prøv og fejl princippet anvendes God krydsnings-kombination kan gentages igen og igen Stigningen i produktivitet ved en given krydsning kan ikke forudsiges, da der ikke er kendskab til de underliggende gener, man skulle derfor tro, at det var en umulig effekt at arbejde med i praksis For at finde heldige krydsnings-kombinationer må der anvendes prøv og fejl princippet. Dette princip går ud på, at man tester alle mulige racekombinationer mod hinanden. Nogle kombinationer vil udvise store positive effekter, andre mindre, og nogle vil udvise ingen eller selv negative effekter. Så at finde frem til en heldig krydsningskombination er næsten lige som at spille i lotteriet. Racer af fjern genetisk oprindelse udviser dog typisk relativ større krydsningsfrodighed sammenlignet med racer, der er nærmere hinanden i genetisk oprindelse. Er der først fundet en god krydsnings-kombination kan den gentages igen og igen. Produktion af slagtesvin i danmark foregår på grundlag af en trevejskrydsning hvor stort set alle produktionsgrise har en LY (Landrace*Yorksire) mor og en Duroc far. Tilsvarende krydsningskombinationer finder man indenfor fjerkræproduktion og minkproduktion. Indenfor kvægproduktionen er krydsning overraskende lidt anvendt - i alt fald i Danmark. Dette skyldes tildels få afkom pr. ko, men nok mere en stærk lidenskabelig interesse for renavl. Man kunne f.eks. tænke sig at renavlen foregik i nogle få elite besætninger, der fremavlede renrace tyre til brug i produktionsbesætninger med rotationskrydsning. Kødkvægproduktionen i USA anvender krydsning i stor stil.

Krydsningsystemer F.eks. tovejs-, trevejs-, firvejs-, tilbage-, eller rotationskrydsning Der findes forskellige systemer, som søger at udnytte givne krydsningsfrodigehder meller racer. Krydsning kan gennemføres som tovejs, trevejs eller firvejskrydsning, tilbagekrydsning, eller rotationskrydsning I figuren er der vist fire racer eller linier A, B, C og D Tovejskrydsninger er en krydsning mellem to racer A og B Tilbageskrydsning er når krydsningsdyret AB parres med enten race A eller B Trevejskrydsning er når krydsningsdyrene CD parres med en tredie race f.eks. A Firevejskrydsning er når krydsningsdyret AB parres med krydsningsdyret CD Rotationsskrydsning kan gennemføres med 3, 4 eller 5 racer, I nærværende tilfælde 4. Den næste racer, der skal anvendes, er race C og derefter D, hundyrene er krydsninger hvorimod handyrene er renracedyr Tovejskrydsning giver kun heterosis på afkommet, man skal have tilbage- trevejs eller firvejskrydsning for at få krydsningsfrodighed på moderegenskaberne

Effekt af krydsning: Eksempel Denne figur viser det kummulative antal overlevende mus en hunmus får på livstidsbasis, som funktion af den kummulative tid mellem to fødsler Som det ses af figuren, er der en meget stor krydsningsfrodighed i dette eksempel, idet mus fra de rene linier kun får halvt så mange unger som trevejs-krydsningsmus. Effekterne kan opdeles i en effekt på fosteret og en effekt på moderegenskaber. Effekten af, om fosteret er en krydsning eller ej, aflæses af forskellen mellem de to nederste kurver. Den nederste repræsenterer et renavlsfoster i en renavlsmor. Den næstnederste kurve repræsenterer et krydsninngsfoster i en renavlsmor. Effekten af, om hunmusen er en krydsning eller ej, aflæses af forskellen mellem de nederste to kurver og de to øverste. Den største del af krydsningsfrodigheden ligger her, hvor moderen er en krydsning. Her drejer det sig om evnen til at ovulere mange æg og evnen til at bringe dem frem til fødsel, såkaldt maternel krydsningsfrodighed. Så store krydsningsfrodigheder som er vist i ovenstående eksempel er sjældne. Set i forbindelse med husdyrproduktion, er det ikke usædvanligt at finde effekter på op til 10 procent.

Krydsningssystem i svineproduktionen L Krydsningseffekten er størst i F1 LY-so D

Rotationskrydsning Y L L LY L-LY-so D Krydsningseffekten er mindre end i F1 L-LY-so D

Beregning af krydsningsfrodighed hos søer: Eksempel kuldstørrelse Landrace  Yorkshire  13 Renrace  12 Krydsningsfrodighed = (13 - 12)/12 = 8 % Krydsningsfrodighed beregnes som krydsningernes gennemsnitlige værdi minus gennemsnit af de rene racers gennemsnit i forhold til de rene racers gennemsnit. Eksempel: Landrace Yorkshire krydsningssøer giver en ekstra gris per kuld, i alt 13, i forhold til renrace søerne, der har en gennemsnitlig kuldstørrelse på ca. 13. Krydsningsfrodighed = (13 - 12)/12 = 0,08 eller 8 % for kuldsstørelse hos svin af nævnte kombination.

Krydsning kræver overskud af hundyr En RDM eller SDM i ko føder i gennemsnit kun 1,1 til 1,2 kviekalve, hvilket lige er tilstrækkeligt til at opretholde renavlsbestanden. Derfor kan der ikke anvendes krydsningsproduktion i disse malkekvægracer, såfremt man ønsker at dyrke renavl i hele populationen For at et produktionskrydsningsprogram skal kunne gennemføres, er det nødvendigt, at der bagved gennemføres avl med de rene racer eller linier. Krydsning kræver, at der er et overskud af avlsdyr. Dette er feks. ikke tilfældet inden for de danske malkekvægracer, da man stort set skal bruge alle de fødte hundyr til avl. En RDM eller SDM ko føder i gennemsnit kun 1,1 til 1,2 kviekalve, hvilket lige er tilstrækkeligt til at opretholde renavlsbestanden. Derfor kan der ikke anvende krydsningsproduktion i disse malkekvægracer, såfremt man ønsker at dyrke renavl i hele populationen. Dette er dog ikke en nødvendig forudsætning som tidligere diskuteret. Man kan sagtens indsnævre renavlen til nogle få elite besætninger og foretage rotationskrydsning i resten af besætningerne. Ligeledes kan superovulation og ET øge antallet af afkom pr. ko således at en krydsningsstruktur á la svinesektoren kan anvendes.

Negative rekombinationseffekter i F2 Biokemi i et to-gen system, der kan blive aktuel i F2 individer efter en krydsning aabb x AABB I de viste krydsningssystemer var der mindst en af forældrene, der var af ren linie. Hvis man producerer en F2, er dette ikke tilfældet. Produktion på grundlag af F2 -dyr eller krydsning mellem forskellige krydsningsdyr er normalt en dårlig ide set i forhold til tilbagekrydsning eller tre-vejs krydsning. Hos de to sidstnævnte opnås de største heterosiseffekter. Hos F2 vil der endda kunne opstå såkaldt negative rekombinationseffekter, der skal forstås som at der kan opstå kombinationer af gener, som ikke fandtes i en af de oprindelige linier (racer). Dannes eksempelvis en F1 på grundlag af krydsningen af genotyperne aabb x AABB, vil der i F2 opstå dyr med genotypen aaBB eller AAbb, som ikke fandtes i nogen af udgangslinierne, disse typer kan være letale. Herudover vil F2 dyrene være meget mere heterogene, end alle de andre nævnte krydsningsdyr eller renrasedyr.

Avlssystemer, opsummering Indavl i en population er karakteriseret ved stigning i homozygotigrad og derved tab af genetisk variabilitet. Indavl anvendes til tider i hobbydyrsbestande til at fiksere ønskede egenskaber. Med denne anvendelse følger der normalt udspaltning af recessive skadelige arveanlæg, hvad der f.eks. er kendt i mange hunderacer. Renavl er ikke defineret tidligere, men ordet hentyder til, at der hverken sker indavl eller krydsning, så avl i en større population (race) af husdyr betegnes som renavl. Er indavlsstigningen under 0,5 % svarende til en effektiv populationsstørrelse på mindst 100, vil nymutationer kunne holde trit med tab af gener der skyldes den svage indavl - Linieavl er det samme som renavl, men man har opdelt racen i flere linier (sub populationer), hvori der drives renavl. Krydsning er karakteriseret ved større heterozygotigrad i forhold til en renavlspopulation. To og trevejs krydsninger kan give en betydelig produktionsstigning i forhold til renavlsdyr, men anvendelse af F2 dyr i husdyrbrugsproduktionen er meget problematisk. F2 dyr er meget uensartede og der kan endog være tale om negative rekombinationseffekter. Firevejskrydsninger anvendes dog af avlskompagnier hvor de kun sender krydsnings moder og fader dyr på markedet, på den måde kan de beskytte deres renavlsbestande mod kopiering. Indavlseffekter og den tilsvarende krydsningsfrodighed er størst for egenskaber med lav heritabilitet. For egenskaber med høj heritabilitet, dvs. 50 % og derover er der ikke nævneværdig indavlsdepression eller heterosis. Dette er vigtigt, at holde sig for øje, i det egenskaber som sygdomsresistens og frugtbarhed dermed udviser stor krydsningsfrodighed. Indavl Renavl Linieavl Krydsning

Minimum indavlssystemer Brug af stamtavler Selekterede individer får samme antal afkom Cirkulære parringssystemer Der er forskellige måder hvorpå man kan minimere indavlen, vi vil her gennemgå tre metoder hertil. De selekterede individer skal få samme antal afkom - - man kan benytte stamtavler til at sikre sig, at man ikke parrer nært beslægtede dyr - - desuden kan man anvende cirkulære parringssystemer.

Brug af stamtavler Sammenparring af ubeslægtede (fjernt beslægtede) individer Ca. 3-4 generationers slægtskab bagud Nødvendigt at føre stamtavler i renavl Ved anvendelse af stamtavler kan man reducere den tilfældigt opstående indavl ved at sikre sig, at de to dyr man ønsker at sammenparre er ubeslægtede, eller i små bestande at de er så lidt beslægtede som muligt. Stamtavler har dog den ulempe, at de kun går et vist antal generationer tilbage, normalt 3 eller 4. Slægtskab længere bagud I stamtavlen kan der ikke tages højde for. Skal der drives klassisk renavl med selektion, er det dog altid nødvendigt at føre stamtavler.

Minimum indavl: Alle individer får to stk. afkom – effektiv pop Minimum indavl: Alle individer får to stk. afkom – effektiv pop. størrelse fordobles Fordeling af antal afkom ved tilfældig parring I mindre populationer vil man gerne holde den generelle indavlsstigning på et så lavt niveau som muligt, dels for at opretholde den genetiske variabilitet og dels for at ungå de uheldige følger af indavl. En af måderne, man kan reducere indavlen på, er at sørge for, at alle dyr får lige meget afkom, der fortsætter som avlsindivider. Alle individer får to stk. Afkom. Man kan gå på kompromis og selektere nogle dyr fra, som så får ca. samme antal afkom, hvis man ønsker en højere selektionsintensitet på bekostning af en højere grad af indavl. I princippet skal hvert individ være far eller mor til et hanligt og et hunligt afkom. Er dette tilfældet, vil den effektive populationsstørrelse være 2 gange den faktiske. Dette skyldes, at man ved tilfældig sammenparring i en H-W population i princippet vil have en fordeling af afkom pr. individ, der svarer til en venstreskæv binominalfordeling, en Poissonfordeling, med middelværdi to, og derved vil fordeling af afkom pr. individ være 0, 1, 2, 3 og 4 som de hyppigste. Der er en del individer, 13,5 procent, der slet ikke får afkom.

Cirkulære parringssystemer anvendes normalt til at vedligholde små udavlede linier, hvor man ønsker minimum indavl En anden måde man kan mindske indavl på, er ved hjælp af cirkulære parringssystemer. I figurerne er vist systemer med fortsat anvendelse af hel og halvsøskende, disse er minimum indavlssystemer. Skal halvsøskende systemet gennemføres har det dog den ulempe, at en hun skal have unger sammen med to forskellige hanner, hvilket kræver to kuld og dermed forlænger generationsintervallet. Helsøskende systemet i cirkulære systemer, kræver kun et kuld, men på figuren kan man se at der går to generationer før systemet gentager sig selv. Cirkulær helsøskende systemet virker på den måde, at der f.eks. er tre kasser med dyr. Hunungerne forbliver i kassen, mens hanungen flyttes til kassen til højre. Forestil jer at kasserne står på en cirkel, så når man har været raden rundt, er systemet gennemført. Dette gentages generation efter generation, med minimum indavl til følge. Det samme kan praktiseres med dyrehaller, er der fire haller med dyr, flyttes de unge hanner en hal til højre mens hunnerne forbliver I halen hvori de er født. Dette giver også minimum indavl på besætningsniveau uden brug af stamtavler. Helsøskende parring er lettest at praktisere

Inavlslinier Vedligeholdes ved fortsat helsøskende parring. Stigning i indavlsgraden sker efter følgende formel, se løsninger opgave 4.2. Fn = (1 + 2*F(n-1) + F(n-2))/4, hvor Fn er indavlen i generation n. Fra en indavlsgrad på 0 tager det ca. 20 generationer at nå op på F > 99 %. Fuldstændig indavlede dyr har en mindre fejlvarians da alle dyr genetisk set er identiske, derfor er de meget effektive i forbindelse med afprøvninger af lægemidler etc.. Veldefineret stabilitet Vedligeholdes ved fortsat helsøskende parring. Stigning i indavlsgraden sker efter følgende formel. Fn = (1 + 2*F(n-1) + F(n-2))/4, hvor Fn er indavlen i generation n. Fra en indavlsgrad på 0 tager det ca 20 generationer at nå op på F > 99 %. Fuldstændig indavlede dyr har en mindre fejlvarians da alle dyr genetisk set er identiske, derfor er de meget effektive i forbindelse med afprøvninger.

Avlspyramide i dansk svineavl Avlspyramide i dansk svineavl med tre følgende tre led: Avlskerne Opformering (af forældredyr) Produktion Avlsleddet består af ca. 50 privatejede avlsbesætninger (avlscentre) med renavl. I disse avlsbesætninger med 5-10 tusinde avlssør foregår den egentlige avl hen imod de fastsatte avlsmål. Handyrene findes hovedsagelig på KS-stationerne. I grafen er antydet ved pile hvordan generne flyder gennem systemet. I produktionsbesætningerne fødes ca halvdelene af dyrene efter KS-orner. Besætningsorner, der stort set alle er indkøbt fra avlsbesætningerne, må klare resten ved naturlig parring.

individer inden for hver afkomsgruppe er paternelle halvsøskende. Opgave 7.3 Hos svenske sportsheste forekommer syndromet osteochondrose (OCD) med en hyppighed på 30% (dvs. 30% OCD, 70% OCD-fri). Populationen kan betragtes som et resultat af tilfældig parring. Den genetiske disposition er polygenisk og har en heritabilitet på 0,20. Den relative værdi af individer med OCD sættes til 0, medens værdien af OCD-fri individer er 1.  A har 40 stk. afkom, af hvilke 20 er OCD-fri og 20 har OCD. B har 60 stk. afkom, af hvilke 45 er OCD-fri og 15 har OCD. C har 20 stk. afkom, af hvilke 16 er OCD-fri og 4 har OCD.   a) Beregn populationsgennemsnittet og beregn gennemsnittet for de 3 afkomsgrupper. b) Beregn de tre hingstes (A, B og C's) avlsværdiestimat, idet alle individer inden for hver afkomsgruppe er paternelle halvsøskende.

Opgave 7.3 Svar: Egenskaben behandles som en tærskelegenskab med værdierne 0 og 1. a) Populationsgennemsnittet for tærskelegenskaben OCD fri hos svenske sportsheste er 0,7 og gennemsnittet for de 3 afkomsgrupper er A 0,5, B 0,75 og C 0,80   b) De tre hingstes avlsværdiestimat vurderet på halvsøskende-afkom, a'=1/2 a=1/4   Hingsten A har 40 stk. afkom, af hvilke 20 er OCD fri.   0,7 + [(40*0,20*,5)/(1+39(,20*,25))]*(0,5-0,7) = 0,43 Hingsten B har 60 stk. afkom, af hvilke 45 er OCD fri. 0,7 + [(60*0,20*,5)/(1+59(,20*,25))]*(0,75-0,7) = 0,78 Hingsten C har 20 stk. afkom, af hvilke 16 er OCD fri.  0,7 + [(20*0,20*,5)/(1+19(,20*,25))]*(0,8-0,7) = 0,80

b) Hingsten A har 40 stk. afkom, af hvilke 20 har OCD Opgave 7.3 Alternativ svar: Egenskaben behandles om en tærskelegenskab med værdierne 0 og 1. a) Populationsgennemsnittet for tærskelegenskaben OCD hos svenske sportsheste er 0,3 og gennemsnittet for de 3 afkomsgrupper er A 0,5, B 0,25 og C 0,20   b) Hingsten A har 40 stk. afkom, af hvilke 20 har OCD 0,3 + [(40*0,20*,5)/(1+39(,20*,25))]*(0,5-0,3) = 0,57 Hingsten B har 60 stk. afkom, af hvilke 45 har OCD 0,3 + [(60*0,20*,5)/(1+59(,20*,25))]*(0,25-03) = 0,22 Hingsten C har 20 stk. afkom, af hvilke 4 har OCD. 0,3 + [(20*0,20*,5)/(1+19(,20*,25))]*(0,2-0,3) = 0,20