Genetické parametry ve šlechtění jsou
tématem této přednášky.
Přednáška je součástí modulu 3, šlechtění
zvířat. Vytvoření této
prezentace bylo podpořeno grantem Erasmus
+ KA2 v rámci projektu
ISAGREED Inovace obsahu a struktury
strujních programů v oblasti managementu
živočišných, genetických a potravinových
zdrojů s využitími digitalizace.
Budeme se zabývat genetickými parametry,
zejména v heritabitou a principu metod
jejího odhadu. Genetické
parametry jsou statistické hodnoty, které
definují genetický potenciál a
heritabilitu vlastností v dané populaci
zvířat. Heritabilita
je populačně statistický parametr a je
vyjádřena jako koeficient heritability.
Ten měří podíl celkové fenotypové
variability vlastnosti, který lze
připsat genetické variabilitě.
Je to podíl a tedy jeho hodnoty se mohou
pohybovat v rozmezí od 0 do 1.
Dalším genetickým parametrem jsou
genetické korelace. Ty
kvantifikují míru, do jaké geny
ovlivňující jeden znak a současně ovlivňují i
jiný znak. Hodnoty se
pohybují od -1 do +1.
Pozitivní genetické korelace naznačují,
že zlepšení jednoho znaku povede i ke zlepšení
jiného znaku. Záporné
genetické korelace naznačují kompromis
mezi znaky, když zlepšení jednoho znaku
může vést ke snížení hodnoty druhého.
Poslední genetickým parametrem je
koeficient opakovatelnosti r,
který odhaduje genetickou variabilitu u
opakující se vlastnosti během života
jedince.
Metody odhadu genetických parametrů
pro odhad genetických parametrů je
potřeba znát fenotypové hodnoty, tedy
změřené užitkové vlastnosti.
Dále je potřeba kvantifikovat příbuzenské
vztahy, to jest podílí společných genů.
Tyto vztahy můžeme určovat pomocí
rodokmenových dat, nebo v
současnosti pomocí genomických dat. Jak
je odhadneme, musíme využívat
statistické metody zejména
lineární modely, jako jsou regresní
analýza, analýza variance a
kovariace, korelační analýza.
Dřív však chceme odhadnout hodnotu
genetické a prostřeďové variance.
Přičemž genetickou varianci rozčleňujeme
ještě na tři základní dílčí složky.
Z nichž nás nejvíce zajímá aditivně
genetická variance.
Mezi nejstarší metody odhadu genetických
parametrů patří analýza
variance, která využívá součty nejmenších
čtverců odchylek od průměru. Pro použití této
metody je výhodné mít vybalancovaná data,
pokud nejsou data vybalancovaná, musí se
použít upravené Hendersonovy metody,
které jsou součástí různých softwarů,
jako je SAS, Harway a podobně.
V praxi se však více využívají metody
maximální věrohodnosti,maximum likelyhood
metody nebo jejich různé varianty,
například REML. Které dávají nejlepší
odhady i u nevybalancovaných dat.
Zejména ve výzkumné oblasti se ještě
využívají i bayeziánské metody.
Popíšeme si využívání hodnot užitovosti v
rodinách k odhadu heritability.
Vždy jsou počítaný fenotypové variance
mezi rodinami a fenotypové variance
uvnitř rodin. Pokud je variance v
rodinách nízká, pak je současně
variace mezi rodinami vysoká. Potom
spočítáme u těchto vlastností vysokou
hodnotu heritability.
Naopak, pokud je variance v rodinách
vysoká a variance mezi rodinami
nízká, poté odhadneme nízkou
hodnotu heritability. Je to z toho
důvodu, že variance je uvnitř rodin, tedy
mezi jedinci v rámci rodiny,
více způsobená prostřeďovou variancí.
Naopak, variace mezi rodinami je více
způsobena genetickou variancí.
Platí pak pravidlo, že celková
variance vlastnosti v populaci je
způsobena variancí mezi rodinami, která
je stejná jako kovariace uvnitř rodin
a variancí uvnitř rodin.
Schéma takového pokusu můžeme vidět v
následujícím obrázku. Máme zde
tři rodiny, kdy rodinu tvoří otec,
který má s více matkami mnoho potomků.
U těchto potomků jsou změřeny fenotykové
hodnoty. Můžeme pak hodnotit
variabilitu uvnitř potomků s
variabilitou mezi skupinami příbuzných
jedinců podle otců nebo podle otců i
matek současně. Můžeme tak mít skupiny
polosourozenců s 25
procenty společných genů, ale také můžeme
hodnotit skupiny vlastních sourozenců z
50 procenty společných genů.
Na tento model se nejlépe aplikuje
analýza variance. ANOVA vám může
detekovat důležité zdroje, efekty,
které přispívají k rozdílnosti mezi
jedinci. V našem případě to budou rodiče.
Dále umožňuje určit jejich příspěvek na
celkovou varianci. Hlavní
způsoby, jak určit tuto varianci je
odvodit součet čtverců odchylek od
průměru a stupňů volnosti.
Je důležité mít jedince, ve stejných
skupinách se stejným stupněm příbuznosti,
například skupiny polosourozenců podle
otců nebo vztah rodič potomek.
Platí vztah, že kovariance čili
podobnost mezi členy rodiny neboli
skupinami, je rovna komponentě
variance mezi skupinami.
Pokud použijeme model rodiny
polosourozenců, pak variance mezi
rodinami polosourozenců, otcovská,
je rovna kovarianci mezi polosourozenci
a ta je rovna čtvrtině variance aditivně
genetické. Variance je v
rodinách polosourozenců rovna
reziduální varianci, která se obecně
označuje jako variance prostřeďová.
Heritabilita je pak rovna podílu variance
aditivně genetické a celkové fenotypové
variance. Což je rovno čtyřnásobku
variance otcovské čili variance mezi
rodinami polosourozenců ku celkové
fenotypové.
Zjednodušený design pokusů vidíme na
tomto schématu. Každý otec má s jednou
matkou jednoho potomka.
Variabilita mezi potomky tedy
hodnotíme podle skupin podle otců.
Pak samozřejmě platí, že variance je
aditivně genetická, a je rovna čtyřnásobku
variance otcovské. Variaci otcovskou
pomocí Analýzy variance můžeme odhadnout.
Tomuto modelu se říká otcovský model
neboli sire model. Jedná se o
jedno faktorovou analýzu variance, kdy
jediným pevným efektem
v rovnici je efekt otců a.
Předpokládá se, že otcové a matky jsou
nepříbuzní a že jsou
náhodně páření a nepůsobí na ně selekce.
Dalším předpokladem je, že máme
vybalancovaný design pokusu. To znamená,
že p-otců je vždy pářeno s n-matkami
a ty mají jednoho potomka.
Ve výsledné tabulce analýzy variance
otcovského modelu vidíme tři řádky.
Poslední řádek je celková fenotypová
variance. Zajímá nás ale 1. a
2. řádek, které vyjadřují odhad
variance mezi rodinami a variance
uvnitř rodin. Jsou zde vyjádřeny stupně
volnosti DF, dále jsou zde
vzorce pro výpočet součtu čtverců
odchylek od průměru podle zdroje
variability a dále výpočet průměrného
čtverce MS tedy variance.
Což je podíl součtu čtverců odchylek od
průměru a stupně volnosti.
Zde končí statistika a v posledním
sloupci začíná genetická část analýzy.
Varianta prostředí je přímo rovná
varianci uvnitř rodin, tedy reziduální
varianci. A variance mezi
rodinami čili mezi skupinami podle
otců, MSA, tak v této
varianci je obsažena genetická variance.
Variance mezi otci, MSA, je rovna
reziduální varianci plus n0 krát
genetická variance. N0 je
vážený počet potomků na jednoho otce.
Protože reziduální variance je přímo
rovná prostřeďové varianci můžeme přímo
vypočítat genetickou varianci jako rozdíl
mezi MSA čili otcovskou
variancí mínus MSE,
reziduální varianci, to celé děleno
n0. Dále
spočítáme intraklasní korelační
koeficient, jako podíl genetické
variance a celkové fenotypové
variance. Vlastní odhad
heritability pak získáme tak, že
vynásobíme tento intraklasní korelační
koeficient čtyřkou. Čtyřkou
proto, že počítáme genetickou varianci na
základě skupin polosourozenců.
A my víme, že polosourozenci mají
čtvrtinovou podobnost genu.
Pro správnou interpretaci výsledků odhadu
heritability je ještě potřeba spočítat
její střední chybu odhadu.
Výše střední chyby, jak vidíme podle
vzorce, závisí zejména na počtu skupin
polosourozenců a na váženém
počtu potomků na otce.
Jaký je význam odhadu heritability?
Vysoká heritabilita
naznačuje, že fenotypová variance
dané vlastnosti v populaci je do značné míry
ovlivněna genetickou variancí.
Šlechtitelské programy se mohou zaměřit
na vlastnosti s vysokou heritabilitou a
dosáhnout tak rychlejšího genetického
pokroku čili genetického zisku.
Závěrem lze říci, že pochopení
genetických parametrů je pro efektivní
šlechtění zvířat klíčové.
Heritabilita, genetické korelace a
pokroky jako je GWAS a genomická selekce
umožňují cílené zlepšování znaků pro
zvýšení produktivity a ziskovosti v
živočišné výrobě.
Děkuji vám za vaši pozornost.