Prezentacja została wsparta przez Erasmus Plus KAII.
Cooperation Partnerships.
Innowacja struktury i treści programów studiów w dziedzinie zarządzania genetycznymi
zasobami zwierzęcymi i żywnościowymi przy użyciu digitalizacji.
Wsparcie Komisji Europejskiej dla
produkcji tej prezentacji nie
stanowi poparcia
dla jej treści,
które odzwierciedlają jedynie poglądy autorów, a Komisja nie może ponosić
odpowiedzialności za jakiekolwiek wykorzystanie zawartych w niej informacji.
Nazywam się Katarzyna Andraszek.
Pracuję w Instytucie Zootechniki i Rybactwa
Wydziału Agrobioinżynierii i Nauk o zwierzętach Uniwersytetu Przyrodniczo-Humanistycznego
w Siedlcach i mam przyjemność przedstawić wykład na temat nowoczesnej biotechnologii
stosowanej w hodowli zwierząt, elementów inżynierii genetycznej i postępu w hodowli.
Współczesna biotechnologia optymalnie
wykorzystuje techniki rekombinacji DNA i jest związana z rozwojem wielu
dyscyplin naukowych, między innymi mikrobiologii, biochemii,
biologii molekularnej i biologii komórkowej, a także chemii, informatyki i fizyki.
Badania biotechnologiczne to badania interdyscyplinarne.
Biologiczne cechy badawcze to przede wszystkim optymalizacja poziomu ekspresji
genu, modyfikacja sekwencji nukleotydowych kodujących białko lub regulujących
ekspresję genu, sekwencjonowanie genomów i genów wybranego organizmu
oraz porównania tych sekwencji z wcześniej poznanymi.
Konstrukcja organizmów transgenicznych o nowych cechach, somatyczna i reprodukcyjna
terapia genowa, a także diagnostyka genetyczna i klonowanie zwierząt.
Realizacja celów biotechnologicznych to nie tylko osiągnięcia, ale także obawy
i zagrożenia. Prawidłowe diagnozy, ulepszone metody zapobiegania i leczenia
chorób genetycznych niewątpliwie należą do osiągnięć biotechnologicznych.
Możemy do nich zarówno zaliczyć zarówno nowe korzystne odmiany roślin i zwierząt,
nowe szczepy mikroorganizmów o korzystnych cechach produkcyjnych, nowe substancje
uzyskane dzięki badaniom i wdrożeniom oraz nowe metody ochrony środowiska.
Do obaw i zagrożeń można zaliczyć możliwe szkody wyrządzane innym organizmom lub
środowisku przez transgeniczne szczepy i odmiany, zmniejszenie bioróżnorodności
genetycznej, ingerencję w genotypy człowieka i zwierząt, naruszenie granic
informacji osobistych u ludzi oraz taki aspekt społeczny, dalsze uprzywilejowanie
bogatych ludzi i bogatych krajów dzięki dostępności drogich i często
patentowanych technologii.
Od kilkunastu lat biotechnologię przyjęto dzielić na trzy główne pola.
Biotechnologia czerwona prowadząca do
znajdowania nowych form zapobiegania, leczenia i wyleczenia, szczególnie chorób
dotychczas nieuleczalnych z użyciem nowych metod, diagnostyki i terapii.
Interesująca nas w tym momencie najbardziej biotechnologia zielona,
czyli manipulacje genetyczne u roślin i zwierząt prowadzące do ulepszenia plonów
i wytworzenia nowych produktów rolniczych oraz uzyskiwania nowych cech przez rośliny
i zwierzęta oraz biotechnologia biała to biotechnologia działająca na rzecz przemysłu.
Zielona biotechnologia to produkcja genetycznie modyfikowanych roślin i zwierząt.
Działanie zielonej biotechnologii można obserwować w zakresach produkcji in vitro
roślinnego materiału wyjściowego do upraw, prowadzania nowych genów warunkujących
pożądane cechy roślin i zwierząt, czyli proces transgenezy oraz to,
czemu chciałabym najwięcej poświęcić czasu, czyli hodowla z wykorzystaniem markerów genetycznych.
We współczesnej hodowli zwierząt nastawionej na maksymalny postęp hodowlany
najistotniejszą rolę odgrywają markery genetyczne i ocena postępu hodowlanego
oraz wartości hodowlanej zwierząt z wykorzystaniem tych markerów.
Warto w tym momencie zapytać czym jest marker genetyczny.
Markerem genetycznym może być gen lub sekwencja DNA o znanej lokalizacji w genomie zwierzęcia.
Sprzężona z genem lub fragmentem
chromosomu, determinującym konkretną cechę, zazwyczaj cechę ilościową,
mającą duże znaczenie w hodowli danego gatunku.
Przydatność markera zależy od tego, czy jest on polimorficzny,
co zachodzi wówczas, gdy w populacji występują przynajmniej dwa allele w locus z tego markera.
Polimorfizm markerów bada się za pomocą metod
analitycznych, wśród których kiedyś dominowały metody serologiczne z wykorzystaniem surowic testowych,
metod biochemicznych technikami opartymi na elektroforezie białek oraz
najnowocześniejszymi technikami wykorzystującymi analizy sekwencji DNA.
Prowadzono podział markerów genetycznych na dwie klasy.
Klasa pierwsza obejmuje klasyczne markery, czyli geny.
Polimorfizm tych markerów wykrywany był wcześniej przez analizę produktów genów
metodami serologicznymi i klasyczną techniką elektroforezy białek.
Ale może być również badany na drodze analizy sekwencji tych genów
metodami takimi jak sekwencjonowanie DNA.
Wykorzystywane są także testy RFLP, czyli
polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych lub testy SSCP,
czyli polimorfizmy długości prostych sekwencji.
Klasa druga markerów to polimorficzne sekwencje niekodujące,
wśród których za najważniejsze uznawane są tandemowo powtarzające się sekwencje
mikrosatelitarne, a w mniejszym stopniu sekwencje minisatelitarne.
Polimorfizm tej klasy markerów analizowany jest wyłącznie z użyciem analiz sekwencji DNA.
Oprócz markerów DNA można wyróżnić jeszcze grupę markerów związanych z
polimorfizmem chromosomowym, który jest wykrywany za pomocą
technik prążkowego barwienia chromosomu.
Polimorfizm chromosomowy dotyczy przede wszystkim wielkości i lokalizacji
bloków heterochromatyny konstytutywnej.
Jest on identyfikowany, kowany techniką barwienia CBG
oraz polimorfizm obszarów jąderkotwórczych identyfikowany techniką
wykorzystującą azotan srebra, krócie określana jako technika AGNOR.
Wływ na postęp hodowlany zwierząt ma niewątpliwie odpowiednio prowadzona praca
selekcyjna. Przeprowadzenie selekcji zwierząt na
podstawie oceny wartości hodowlanej oszacowanej z wykorzystaniem markerów
genetycznych nosi nazwę selekcji wspomaganej markerami w skrócie MAS.
Przydatność markerów genetycznych w programach MAS zależy od tego jaka część
wariancji genetycznej ocenianej cechy może zostać wyjaśniona dzięki informacjom
dostępnym z markerów genetycznych.
Wykorzystanie markerów genetycznych w programach hodowlanych zwiększa
dokładność oceny wartości hodowlanej, a tym samym powiększa postęp hodowlany.
Dodatkowa informacja o wartości hodowlanej zwierząt dostarczana przez markery
genetyczne przydatna jest zwłaszcza w przypadku cech o niskiej odziedziczalności.
Cech których pomiary dostępne są w późnym okresie życia zwierzęcia lub dopiero po
jego uboju oraz cech związanych z płcią.
Kolejną korzyścią jaka płynie z możliwości
wykorzystania markerów genetycznych jest skrócenie odstępu pokoleń.
Szybkie pozyskanie informacji o ocenianym
osobniku, a takie możliwości dają markery genetyczne może znacząco skrócić
odstęp pokoleń i przyspieszyć postęp hodowlany.
Przydatność markerów genetycznych w ocenie wartości hodowlanej zwierząt zależy od tego,
jak mocno są one sprzężone z locus cechy ilościowej, czyli QTL.
O sile sprzężenia markera z QTL informuje nierównowaga sprzężeń, czyli LD,
mówiące o nielosowym sprzężeniu alleli z dwóch lub większej liczby loci.
Jeżeli markery genetyczne sprzężone są w danym locus w sposób całkowicie losowy,
to markery takie występują w równowadze sprzężeń, czyli w skrócie LE.
Biorąc pod uwagę siłę sprzężenia,
markery w związku z tym dzielimy na markery LD i markery LE.
Najbardziej przydatnymi w hodowli zwierząt są
markery będące w silnej nierównowadze sprzężeń z loci cech ilościowych,
co oznacza, że sprzężenie markera z QTL bardzo rzadko jest rozrywane przez rekombinację.
Wykorzystanie informacji
dostarczanej przez markery genetyczne w ocenie wartości hodowlanej metodą BLUP
polega na włączeniu do modelu mieszanego dodatkowego efektu losowego,
jakim jest efekt QTL.
Estymacja efektów QTL możliwa jest dzięki analizie sprzężeń markerów
genetycznych z cechami ilościowymi.
Na podstawie takiej analizy wybierane są
regiony chromosomów, których najprawdopodobniej znajduje się poszukiwany QTL.
Istota selekcji z wykorzystaniem markerów w przypadku oceny wartości hodowlanej na
podstawie modelu z dodatkowym efektem losowym QTL polega na połączeniu
wykorzystania informacji fenotypowej, tak jak w klasycznych bazujących na
fenotypie metodach oceny wartości hodowlanej z dodatkową informacją
dostarczaną przez markery genetyczne.
W ostatnich latach coraz popularniejsze stają się badania nad wykorzystaniem
polimorfizmu pojedynczych nukleotydów, czyli SNP jako źródła informacji o wartości
hodowlanej zwierząt.
W przeciwieństwie do szacowania wartości hodowlanej z efektem QTL w modelu
mieszanym, gdzie identyfikacja lokalizacji QTL wymaga przeprowadzenia testu
istotności, selekcja z wykorzystaniem markerów wykorzystująca SNP
polega na jednocześnie z tej estimacji efektów wszystkich SNP lub haplotypów
SNP bez konieczności testowania ich istotności.
W badaniach tych zakłada się, że markery typu SNP będą jedynym źródłem
informacji o wartości hodowlanej zwierząt.
Zbędne stanie się gromadzenie informacji fenotypowych, dzięki czemu możliwe będzie
uzyskanie dokładnej oceny wartości hodowlanej dla bardzo młodych osobników
bezpośrednio po urodzeniu.
Pozwoli to na znaczne skrócenie odstępu pokoleń, przyspieszenie postępu hodowlanego
i ograniczenie kosztów oceny wartości hodowlanej.
Dzięki możliwościom, jakie stwarza technologia mikromacierzy SNP,
możliwe jest szybkie genotypowanie setek tysięcy loci SNP.
Z ogromnej liczby poznanych SNP wybierane są te najbardziej informatywne,
określane jako tak SNP, następnie ustalane są najbardziej prawdopodobne
frekwencje haplotypów SNP, po czym poszukiwane są związki pomiędzy
haplotypami SNP a cechami, których wartości hodowlane mają być szacowane.
Po oszacowaniu efektów haplotypów zakłada się, że efekty haplotypów nie są
osobniczo specyficzne, ale są takie same dla całej populacji.
Wartość hodowlaną, zwaną genomową wartością hodowlaną, szacuje się jako sumę
estimowanych efektów haplotypów SNP charakterystycznych dla danego gatunku
lub dla danego osobnika. Zakłada się, że efekty haplotypów SNP
sumują się, a oddziaływania epistatyczne między loci SNP nie występują.
Szacowanie genomowej wartości hodowlanej można przeprowadzić w tym przypadku metodą
BLUB, prowadzając do modelu liniowego losowy efekt haplotypów.
Polimorfiz markerów genetycznych jest wykorzystywany w badaniach nad odpornością,
podatnością zwierząt na różne choroby i zaburzenia genetyczne.
Dzięki czemu nosiciele niekorzystnych
allelii mogą być wykrywani, zanim wystąpią objawy chorobowe.
Szczególne znaczenie mają badania
związku pomiędzy antygenami lub genami głównego kompleksu zgodności tkankowej,
a występowaniem chorób, zwłaszcza chorób infekcyjnych.
Markery genetyczne są także niezwykle przydatne w szacowaniu stopnia zinbredowania,
czyli homozygotyczności poszczególnych populacji lub linii hodowlanych,
w analizie podobieństw i różnic między populacjami oraz w ustalaniu dystansu
genetycznego między innymi. Szacowanie dystansu genetycznego i wybór ras,
które cechuje duża zmienność genetyczna, służy zachowaniu bioróżnorodności
zwierząt gospodarskich. Z kolei ocena zmienności genetycznej
między populacjami lub liniami hodowlanymi
ułatwia wybór optymalnego wariantu krzyżowania, a w krzyżowaniu towarowym
uzyskanie maksymalnego efektu heterozli, ujawniającego się głównie zwiększeniem
wydajności cech użytkowych zwierząt. Charakterystyka wybranych markerów
genetycznych pozwala śledzić wpływ pracy selekcyjnej na strukturę genetyczną
danej populacji, jak określone geny ulegają eliminacji równolegle z
eliminacją cech niekorzystnych z punktu widzenia hodowliń.
Dziękuję bardzo za uwagę.