Genetické inženýrství ve šlechtění prasat
Farmář, 2017 (7): 37-39.
Lidstvo využívá principů biotechnologií od nepaměti (např. kvasné procesy při výrobě piva), ale v moderním pojetí dostávají biotechnologie zelenou až s rozvojem molekulární biologie (termín poprvé užil britský fyzik William Astbury, 1898–1961), nové vědní disciplíny, která studuje biologické procesy a jevy na molekulární úrovni. Tím se náplň pojmu biotechnologie posouvá z makrosvěta, kde chov hospodářských zvířat může být též chápán jako biotechnologie, do mikrosvěta, kde je středem zájmu jednotlivá buňka, či její funkční struktury. Výzkum a využívání biotechnologií se intenzivně rozvíjí a vznikají stále nové oblasti lidské činnosti, ve kterých jsou biotechnologie nepostradatelné, popř. se jejich nepostradatelnost očekává ve velmi blízké budoucnosti. Jednou takovou oblastí je šlechtění prasat, kde se velké naděje vkládají do technik genetického a genového inženýrství.
Lidstvo využívá principů biotechnologií od nepaměti (např. kvasné procesy při výrobě piva), ale v moderním pojetí dostávají biotechnologie zelenou až s rozvojem molekulární biologie (termín poprvé užil britský fyzik William Astbury, 1898–1961), nové vědní disciplíny, která studuje biologické procesy a jevy na molekulární úrovni. Tím se náplň pojmu biotechnologie posouvá z makrosvěta, kde chov hospodářských zvířat může být též chápán jako biotechnologie, do mikrosvěta, kde je středem zájmu jednotlivá buňka, či její funkční struktury. Výzkum a využívání biotechnologií se intenzivně rozvíjí a vznikají stále nové oblasti lidské činnosti, ve kterých jsou biotechnologie nepostradatelné, popř. se jejich nepostradatelnost očekává ve velmi blízké budoucnosti. Jednou takovou oblastí je šlechtění prasat, kde se velké naděje vkládají do technik genetického a genového inženýrství.
Techniky genetického inženýrství
Techniky genetického inženýrství zahrnují cílené zásahy do genetických procesů organismů na úrovni buňky, včetně regulace rozmnožovacích procesů. Ve šlechtění prasat jsou využitelné zejména umělá inseminace, embryotransfer, produkce embryí in vitro (ve skle) a klonování.
Inseminace
V hospodářsky vyspělých zemích je umělá inseminace prasat používána standardně, i když její zavádění do praxe probíhalo mnohem pomaleji než u skotu. V současnosti se inseminace rychle rozšiřuje a v mnoha zemích je více než polovina chovných prasnic inseminována uměle. Díky inseminaci se geneticky nejlepší kanci (top kanci) mohou používat rozsáhle, jednak ve šlechtitelském nukleu (jádru) a také na rozmnožovací a produkční úrovni. Inseminace umožňuje na úrovni nuklea propojení jednotlivých farem, čímž vzniká velký super-nukleus, vzrůstá genetický zisk a snižuje se genetický interval mezi nukleem a produkční populací. Dále rozvoj inseminace mění marketingovou strategii šlechtitelských společností, a to od prodeje živých kanců k prodeji spermatu. Avšak na rozdíl od skotu je dopad kvalitních kanců na populaci omezenější, kvůli horším výsledkům s kryokonzervovaným spermatem.
Embryotransfer a produkce embryí in vitro
Mnohonásobná ovulace a embryotransfer obecně zvyšují reprodukční možnosti samců a samic, avšak u prasat narazily tyto techniky na mnoho praktických překážek, počítaje v to nesnadnost kryokonzervace spermatu a embryí, polyspermii a komplikovanost nechirurgických metod přenosu embryí. Produkce embryí in vitro znamená odběr a uchování folikulů z poražených nebo živých prasnic, v návaznosti na kultivaci, konzervaci embryí a klonování.
Vysoká reprodukční schopnost prasat klade otázku, v čem by embryotransfer nebo produkce embryí in vitro mohly být prospěšné ve šlechtitelských programech? Samy o sobě tyto techniky nejsou pravděpodobně cenově přístupné (s výjimkou hygienických transferů zvířat). Avšak v kombinaci s dalšími technikami, jako jsou markery využitelné při selekci a introgresi, mohou zvýšit selekční intenzitu a to zejména tím, že kvalitní prasnice mohou mít stejně velký vliv na genetický pokrok jako mají kanci. Například pokud by se intenzita selekce u prasnic zvýšila z 1,27 na 1,76 (což odpovídá podílu selektovaných 25 a 10 %) a je-li samčí intenzita selekce 2,06 (tj. selektovaný podíl je 5 %), jednoletý genetický zisk pro růstové znaky by se zvýšil přibližně o (2,06+1,76)/(2,06+1,27) = 15 %. Pro reprodukční znaky, kde části informace o samcích a samicích nejsou stejné, by bylo proporcionální zvýšení ještě větší.
Kromě zvýšení intenzity selekce by produkce embryí in vitro mohla změnit i rozmnožovací strukturu průmyslového chovu prasat. Produkce embryí by mohla být pojata jako několik „embryo farem“, ve kterých by se produkovala embrya od top prasnic a uměle by se inseminovala spermatem od top kanců. Embrya by byla implantována do příjemkyň, které dosahují rané pohlavní dospělosti a které mají velkou reprodukční kapacitu, například čistokrevné genotypy meishan nebo existující hyperplodné mateřské linie. Selata narozená od příjemkyň by byla transportována na komerční farmy. Výhodou takovéhoto schématu je, že se přepravuje méně zvířat z nuklea do rozmnožovacích chovů, dále je potřeba méně prasnic v rozmnožovací úrovni a je umožněna větší kontrola nad rozmnožovacím procesem pro šlechtitelské společnosti. Uvedené schéma může efektivně přenášet požadavky na čistokrevný rozmnožovací pás a redukuje hybridní pás ve šlechtitelské pyramidě, čímž snižuje genetický interval.
Klonování
Smyslem klonování v chovu prasat by mělo být nejen namnožení geneticky kvalitních zvířat, ale i snížení variability (proměnlivosti) požadovaných užitkových vlastností. Na rozdíl od přirozeného páření či využívání technik produkce embrií in vitro, kdy embryo pochází od jedné dárkyně a je oplodněno jiným plemeníkem, což zvyšuje variabilitu v genetickém zisku, jsou klony geneticky identické a vzniklá populace je více uniformní. Klonování také umožňuje snížit genetický interval mezi nukleem, rozmnožovacími a komerčními chovy, neboť klonovaná zvířata by mohla být dodávána přímo komerčním zemědělcům. A v neposlední řadě má používání technik klonování za následek jednorázové zvýšení genetického zisku především v komerční sféře.
Obecně platí, že zvyšování genetického zisku je závislé na dědivosti daného znaku, přesnosti selekce a na stupni inbrídingu (příbuznosti). Klonování umožňuje zvyšovat genetický zisk i tehdy, kdy klasické metody genetického zušlechťování jsou již prakticky neúčinné. Předpokládá se, že používání klonování v nukleové populaci prasat nemá žádný nebo malý vliv na další zvyšování genetického zisku v této úrovni, avšak existuje disproporce ve vývoji genetického zisku v nukleu a v komerční sféře. Úroveň zvýšení genetického zisku pro porážkové znaky u komerčních prasat je průměrem zvýšení pro tyto znaky u otcovských a mateřských linií. Jestliže by mohlo být levně aplikované klonování a embryotransfer, porážkové generace prasat by neobsahovaly geny z mateřských linií a zvýšení genetického zisku by v komerční sféře bylo stejné jako u otcovských šlechtěných linií. To by mohlo znamenat značný ekonomický profit, neboť selekční tlak na reprodukční geny u mateřských linií je v komerční sféře bezvýznamný, což je také důvod, proč jsou současná šlechtitelská schémata tak málo účinná. Lze si představit i kompletní separaci genů pro produkci a reprodukci, čímž by se mohla docílit větší úroveň zvýšení genetického zisku na komerční úrovni. Ovšem zároveň s tím je třeba vyvíjet i kultivační techniky pro přenos buněčných jader, jelikož rozsáhlé operace přesunů v nukleu vyžadují konstantní zdroj kvalitních ovocytů a jejich ověřený vývoj in vitro.
Techniky genového inženýrství
Genové inženýrství se zabývá manipulací s genetickou informací na úrovni jednotlivých genů (resp. na úrovni desoxyribonukleové kyseliny - DNA). Jedním z cílů genového inženýrství je identifikovat a lokalizovat geny spojené s expresí (vyjádřením) kvalitativních nebo kvantitativních znaků. Použití těchto informací ve šlechtitelských programech umožňuje postihnout genetickou hodnotu jedince přímo, aniž by se musel nevyhnutelně brát do úvahy jeho fenotyp nebo fenotypy jeho příbuzenstva. Jelikož DNA může být získána od jedinců libovolného pohlaví nebo věku, umožňuje to hodnotit všechny jedince pro znaky, které by jinými metodami byly obtížně měřitelné.
Genové markery
Poznání genů ovlivňujících kvantitativní znaky v současnosti rychle roste. U prasat již byly objeveny jednotlivé geny nebo chromozómové oblasti s velkým účinkem na expresi žádaných znaků (např. halotanový gen, estrogen receptor gen). Genová mapa prasete má tisíce tzv. markerů (v přeneseném slova smyslu označených míst), jenž poskytují důležitý zdroj informací při mapování lokusů kvantitativních znaků (což je místo nebo část v genomu, u kterého byl zjištěn vliv na kvantitativní znak). Pomocí informací o markerech lze sledovat chromozomální oblasti přes celé generace a vztahy mezi zvířaty mohou být odhadovány použitím testu identity. Studium vztahů mezi testem identity a fenotypovou užitkovostí umožňuje detekci vztahů mezi markery a lokusy kvantitativních znaků a tím identifikaci těch oblastí genomu, které mají velký vliv na kvantitativní znaky.
Využití genetických markerů ve šlechtitelských programech má široké uplatnění. Markery mohu být využívány při kombinování alel odlišných plemen nebo linií, nebo pro zlepšení odezvy selekce uvnitř linií. Kromě těchto dvou hlavních funkcí existují i různé další způsoby, jak používat genetické markery. Patří sem zjišťování heterozygotnosti a inbrídingu, kontrola a identifikace produktů a zvířat a prognóza dominance či heterozy uvnitř a mezi liniemi.
Introgrese s využitím markerů
Obecně je cílem genové introgrese přenesení a zabudování příznivé vlastnosti od dárců jednoho plemene (linie) do příjemců druhého plemene (linie). V zootechnické praxi to znamená, že se chová populace F1, vzniklá křížením populace příjemců a dárců, a je selektována na žádoucí znaky z populace dárců. Po několika generacích (zpravidla po 5-7) zpětného křížení je genetický původ výsledné populace stejný jako populace příjemců, ale je uchován příznivý znak z populace dárců. Je tedy nasnadě, že jsou-li známé jednotlivé geny nebo části genomu (markery) s velkým vlivem na znak, mohou být využívány pro jednorázovou introgresi do genomu populace příjemců a tím urychlit obnovu jejich genomu (což je ekvivalentní jedné až dvěma generacím selekce).
Například, u prasat je známá dominantní bílá alela, kterou přinášejí prasata bílého fenotypu a může být použita k introgresi do barevných plemen a linií. Existují zprávy o alele QTL od plemena Meishan na chromozomu 7, která zvyšuje libovost u kříženců s evropskými prasaty. Introgrese této příznivé alely do komerčních mateřských linií by byla žádoucí, zejména mohlo-li by to být spojeno s introgresí dalších QTL pro reprodukční vlastnosti.
Selekce podle markerů
Cílem využití markerů při selekci je zlepšení odezvy na selekci zejména uvnitř populace. V programech šlechtění prasat se prospěšnost selekce podle markerů očekává nejen ve zvýšení přesnosti odhadu plemenné hodnoty, ale také ve zvýšení intenzity selekce a ve snížení generačního intervalu. Použití markerů je v literatuře hodně diskutováno a byly navrženy různé způsoby, přizpůsobené rozdílným šlechtitelským postupům u hospodářských druhů zvířat, včetně prasat. Rozdíly jsou prakticky v tom, že se buď využívají jen informace o DNA nebo jsou tyto ještě kombinovány se záznamy o užitkovosti zvířat.
Výběr plemen či linií pro křížení a produkci F1 populace nebo porážkových prasat je v praxi často náhodný a mnohokrát i chybný, což je drahý způsob, jak produkovat křížence, a lze předpokládat, že nejlepší kombinace křížení stejně nebude nalezena, jelikož nelze vyzkoušet všechny kombinace plemen a linií. Pomocí molekulárních markerů lze vytypovat specifické linie, které jsou mnohem pravděpodobnější k produkci vysoce výkonného potomstva a stejně tak lze určit vhodné páry rodičů.
Genové modifikace
Až dosud byly uváděny reprodukční a molekulární technologie, které nemění genom jinak, než prostřednictvím standardních postupů selektivního šlechtění. Diskuse o transgenních nebo geneticky modifikačních technologiích je zatím bezpředmětná, jelikož se nepředpokládá, že by tyto technologie byly využívané ve šlechtění prasat. Tento předpoklad je založený především na spotřebitelském hledisku, neboť geneticky upravené maso není pravděpodobně přijatelné pro spotřebitele v blízké budoucnosti.
reference
reference
Velogenetika - rychlá genetika
Počátkem 90. let minulého století byla vytvořena koncepce tzv. velogenetiky (velos znamená řecky rychlý). Jedná se o proces intenzivního šlechtění, který vychází z principů klasické genetiky a používá výše uváděné techniky genetického a genového inženýrství ke zrychlení přenosu genetické informace z rodičů na potomky. Selekční cyklus velogenetiky začíná odběrem embryí od vhodné dárkyně, následuje kultivace in vitro (ve skle) pro získání pohlavních buněk (dalších ovocytů a spermií), které jsou nadále kultivovány a oplodněny in vitro. Nově vzniklá embrya jsou selektována např. podle markerů a buď implantována do příjemkyně nebo jsou využita v dalším cyklu kultivace in vitro (viz obr. 1).
Obr.1. Selekční cyklus velogenetiky
Praktické dopady velogenetiky - změna schémat křížení prasat
Komerční schéma křížení prasat s využitím velogenetiky znázorňuje obr. 2 a zahrnuje následující prvky:
· Samostatná produkce a reprodukce linií, šlechtěných dle požadavků spotřebitelů.
· Selekce uvnitř linií konstruovaná na optimalizovanou užitkovost u křížených zvířat a prováděná pomocí markerů.
· Data z nuklea rozšířená o elektronický sběr dat ze všech úrovní pyramidy.
· Introgrese nových alel do linií použitím velogenetiky.
· Tvorba hybridních embryí pro produkci (popř. reprodukci) zvířat s využitím inseminace.
· Párování na základě konečných lokusových modelů pro optimalizaci rozumné kombinace genů.
· Embrya transportována na komerční farmu a nechirurgický embryotransfer používaný u hostitelské prasnice.
Obr.2. Schéma šlechtění prasat s využitím velogenetiky
Nové šlechtitelské programy jsou podstatně odlišné od tradičních šlechtitelských programů, které využívají zejména reciproční rekurentní selekce a je požadovaná fenotypová informace v každém cyklu selekce. Velogenetika kombinuje zkrácení generačního intervalu se selekcí (např. podle genových markerů), která není závislá na pohlaví a věku zvířat a která není závislá ani na čekání na informace o užitkovosti. Dále snižuje počet linií, které je nutné chovat, vyřazuje jeden nebo dva pásy z tradiční šlechtitelské pyramidy a efektivně využívá informace z křížení pro selekci uvnitř čistokrevných linií.
Produkční a reprodukční prasata jsou kříženci F1 a navíc vykrmovaná prasata neobsahují alely z reprodukčních linií, porážkové genotypy jsou kompletně nepříbuzné k reprodukčním genotypům. To je podstatný rozdíl od soudobých mateřských linií, které obsahují alely od produkčních linií a porážková prasata dostanou polovinu genů od mateřských linií.
Tab.1. Pravděpodobnost efektivního používání biotechnologií ve šlechtění prasat v blízké budoucnosti a jejich potenciální vliv na genetické změny (1=nízký, 3=vysoký)
Technika | Pravděpodobnost efektivního využívání | Potenciální dopad |
Inseminace (I) | 3 | 3 |
Nechirurgický embryotransfer (ET) | 2 | 1 |
Produkce embryí in vitro (IVEP) | 1 | 2 |
Klonování (K) | 1 | 2 |
ET+IVEP+K | 1 | 3 |
Molekulární techniky (MT) | 3 | 2 |
Velogenetika (I+ET+IVEP+K+MT) | 2 | 3 |
Genetické modifikace | 0 | 0 |
Uváděné schéma je závislé na účinnosti používaných technik a na jejich praktické realizovatelnosti. V tabulce 1 je uveden předpokládaný dopad používání jednotlivých technik samostatně nebo kombinovaně. Pro širší komerční použití je nutné jejich zdokonalení, než se stanou ekonomicky efektivní. To však nebrání jejich současnému používání na úrovni nukleových chovů. Do budoucna lze předpokládat, že radikálně změní celou strukturu průmyslové produkce prasat.
