MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2012 MARIE KLIMKOVÁ

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav morfologie, fyziologie a genetiky zvířat Vyuţití molekulární genetiky ve zlepšování populací hospodářských zvířat Bakalářská práce Vedoucí práce: doc. Ing. Tomáš Urban, Ph.D. Vypracovala: Marie Klimková Brno 2012

3

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma Vyuţití molekulární genetiky ve zlepšování populací hospodářských zvířat vypracovala samostatně a pouţila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne... podpis bakaláře

5 PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu mé bakalářské práce doc. Ing. Tomáši Urbanovi, Ph.D. za ochotu, vstřícnost a veškeré cenné rady. Také děkuji rodině za podporu během mého studia.

6 ABSTRAKT Tato práce se zabývá šlechtěním populací hospodářských zvířat. Cílem šlechtění je změna genetického sloţení populace v poţadovaném směru. Pomocí záměrné selekce a efektivních šlechtitelských programů dochází ke genetickému zisku. První část práce je zaměřená na klasické šlechtění, které vyuţívá pro odhad plemenných hodnot fenotypové a rodokmenové informace. Druhá část se zaměřuje na selekci pomocí genetických markerů a genomickou selekci. Markery podporovaná selekce má význam zejména pro vlastnosti s nízkým koeficientem dědivosti, obtíţně měřitelné vlastnosti a vlastnosti nezjistitelné u všech jedinců. Při genomické selekci se předpovídá genomická plemenná hodnota jedince na základě stanovení tisíců SNP markerů. Klíčová slova: šlechtění, selekce, genetický marker, genomika ABSTRACT This work deals with the breeding of populations of farm animals. The aim of breeding is a change of the genetic structure of population in the desire direction. The use of deliberate selection and effective breeding programmes makes a genetic profit. The first part is focused on classical breeding that uses phenotypic and pedigree information for estimation of breeding values (EBV). The second part is focused on selection according to genetic markers and on genomic selection. There is particular importance of the genetic markers selection for traits with low coefficient of heritability, traits measurable with difficulty and for traits undetectable in all individuals. Genomic selection predicts genomic EBV of animal based on determination of thousands of SNP markers. Key words: breeding, selection, genetic marker, genomics

7 OBSAH 1 ÚVOD CÍL PRÁCE LITERÁRNÍ PŘEHLED ŠLECHTĚNÍ HOSPODÁŘSKÝCH ZVÍŘAT Domestikace Historie šlechtění Počátky šlechtění v českých zemích Cíl šlechtění Kontrola uţitkovosti Odhady plemenné hodnoty OPH pomocí metody BLUP - ANIMAL MODEL Teorie selekce Hybridizace Užitkové křížení Rotační křížení Tvorba syntetických populací Zušlechťovací a kombinační křížení Reprodukční techniky Budoucnost v klonování Klonovací vektory Klonování genů savců Klonování celých organismů SELEKCE POMOCÍ MARKERŮ - MAS Faktory způsobující niţší účinnost tradičního šlechtění Lokusy pro kvantitativní vlastnosti (QTL) Existují různé druhy molekulárních markerů Identifikace genů pomocí markerů Principy MAS Vliv na úspěch MAS Využití markerů pro křížení plemen a v syntetických populacích Genomická selekce Genomika... 29

8 Výhody genomické selekce Principy genomické selekce Význam genomické selekce MAS versus genomická selekce DNA chipy (microarray) ŠLECHTĚNÍ A GENETICKÁ DIVERZITA Genetická diverzita Genetické zdroje hospodářských zvířat Metody ochrany genetických zdrojů zvířat Záměrné páření ZÁVĚR SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY A ODKAZŮ SEZNAM POUŢITÝCH ZKRATEK... 40

9 1 ÚVOD Cílem šlechtění je zlepšování uţitkových vlastností hospodářských zvířat. Chceme získat ţádoucí genotyp pro dané produkční podmínky. Genetická proměnlivost jedinců v populaci nám umoţňuje dosáhnout genetického zisku. Při zlepšování uţitkových vlastností musíme brát ohled na ekonomickou efektivnost chovu a zachování dobrého zdravotního stavu. Tradiční šlechtitelské programy vycházejí z informací o fenotypu, který je výsledkem genetického vybavení jedince a efektů prostředí. Změna prostředí můţe být sice okamţitá, ale často je velmi nákladná a zdlouhavá. Pro další reprodukci jsou vybíráni jedinci vykazující nejlepší vlastnosti, které chceme zlepšit. Přestoţe pouţíváním tradičních metod dochází k úspěchu ve zlepšování ţádoucích vlastností, tyhle metody mají jistá omezení. U pokročilejších programů šlechtění zaloţených nejen na hodnocení jedince, ale i jeho potomků a příbuzných, je sice vysoká přesnost odhadů plemenných hodnot, ale velký generační interval, coţ sniţuje míru genetického zisku. K významnému pokroku ve šlechtění přispěly také nové reprodukční technologie, které se rozvíjely v posledních desetiletích. Nástup nových technologií, zaloţených na vyuţívání molekulární genetiky, umoţňuje dosahovat pomalejší, ale trvalé genetické zlepšování zvířat. Nové metody šlechtění můţeme vyuţít i pro zlepšování vlastností, které pomocí klasických metod nemůţeme příliš ovlivnit. Spojením záznamů fenotypových hodnot s moderními metodami můţeme maximalizovat genetický zisk. 9

10 2 CÍL PRÁCE Cílem práce je zpracovat nejnovější informace o molekulárně genetických markerech a jejich výzkum a vyuţívání ve šlechtění zvířat (MAS, genomická selekce). Dílčí cíle byly: seznámit se s obecnými principy šlechtění hospodářských zvířat, zpracovat informace o molekulárně genetických markerech, zabývat se šlechtěním hospodářských zvířat za vyuţití MAS a genomické selekce, vliv šlechtění na genetickou variabilitu v populacích zvířat. 10

11 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Šlechtění hospodářských zvířat Domestikace Procesem domestikace rozumíme zdomácňování zvířat. Jedná se o vyčlenění z jejich původní, divoce ţijící populace a dochází ke změně jejich vlastností. Domestikací začíná zároveň proces umělé selekce, kdy se člověk zbavuje neţádoucích vlastností, čímţ kontroluje plemenitbu zvířat. Počátky domestikace v různých částech světa závisely na vyspělosti civilizace. Zdomácnění divoce ţijících zvířat začalo při přechodu z kočovného ţivota na zemědělství. Jedním z nejstarších domestikovaných hospodářských zvířat byl hovězí dobytek ve Starém Egyptě, přibliţně před 9 10 tisíci roky (Kadlečík, 2007) Historie šlechtění Druhá polovina 18. století je v Evropě spojena s průmyslovou revolucí, která započala v Anglii. Došlo ke zdvojnásobení populace na britských ostrovech a k vytvoření dělnické třídy, z čehoţ plynula i narůstající spotřeba ţivočišných produktů. Tohle období je spojeno s raným šlechtěním všech druhů hospodářských zvířat. První doloţené úspěšné šlechtění ovcí (Leicester) a skotu (Shorthorn) je připisováno Robertu Bakewellovi. Na začátku 19. století v Evropě vznikaly zemědělské společnosti, coţ bylo podnětem k zaloţení plemenných knih pro jednotlivá plemena všech druhů hospodářských zvířat (Jakubec et al., 2002) Počátky šlechtění v českých zemích Zájem velkostatkářů a větších sedláků o pokrok a zvelebování v zemědělství se stal podnětem k zaloţení Společnosti pro orbu a svobodná umění v Království českém, a to roku V roce 1788 císař Josef II. Patentem povýšil společnost na C. k. Vlastenecko-hospodářskou společnost (VHS) pro království české. Koncem 18. století se začala objevovat první vědecká zemědělská literatura, vznikaly odborné časopisy a postupně začaly vznikat pokusné stanice při velkostatcích zemědělských škol. 11

12 Roku 1873 byla zaloţena Zemědělská rada pro Království české, peněţitá podpora státu byla určena na zlepšování chovů hospodářských zvířat, převáţně skotu a prasat. Byly zřizovány plemenné stanice s cílem opatřování a dalšího chovu čistokrevných plemen zvířat. Základem pro plemenářskou práci bylo zaloţení České knihy plemenné v roce Dále byla zavedena kontrola uţitkovosti, jejíţ výsledky slouţily jako podklad pro selekci. Stát v roce 1938 vydal směrnice pro jednotné provádění kontroly uţitkovosti a dědičnosti skotu a vedení plemenných knih. Dalším krokem bylo zavedení právní úpravy plemenářské práce a jednotný postup při výběru plemeníků. Velkým přínosem na zlepšování chovů a zajišťování vysokých výsledků reprodukce bylo zaloţení inseminační stanice býků, první stanice byla zaloţena v roce V 70. letech 20. století začíná budování specializovaných závodů pro jednotlivé kategorie zvířat a rozvoj krmivářského průmyslu, coţ se společně projevilo na uţitkovosti a zdravotním stavu zvířat (Růţičková & Čeněk, 2010) Cíl šlechtění Cíl šlechtění se v jednotlivých chovech liší, záleţí na výrobních podmínkách a výrobním zaměření daného chovu. V současné době se mění i význam jednotlivých vlastností. Vedle uţitkových vlastností nabývají na významu vlastnosti funkční, jako je dlouhověkost nebo zdravotní stav, coţ vede ke sniţování nákladů a hospodárnosti chovu (Zahrádková et al., 2009). Cílem šlechtitelského pokroku je zabezpečit genetický zisk pro budoucí generace, tedy zvýšit uţitkové vlastnosti potomků. Pro efektivní šlechtění je třeba znát genetickou variabilitu vlastnosti v dané populaci. Ta je vyjádřena pomocí koeficientu dědivosti, který je moţné vyjádřit v procentech. Dědivost (heritabilita) udává, do jaké míry je hodnota znaků závislá na genotypu jedince a nakolik je fenotyp ovlivněn působením vnějších faktorů (Štolc et al., 1999). Přesněji vyjadřuje koeficient dědivosti podíl genetické sloţky fenotypové variance z celkové fenotypové variance (Falconer, 1989). Vyšší hodnota heritability udává, ţe je fenotyp z větší části podmíněn geneticky, selekcí se tedy snadněji dosahuje genetického pokroku v uţitkovosti. Naopak při nulové heritabilitě je fenotyp závislý zcela na prostředí (Štolc et al., 1999). Základním předpokladem pro šlechtitelský pokrok je genetická proměnlivost mezi jedinci uvnitř populace. Výběrem ţádoucích zvířat pro další plemenitbu a záměrným 12

13 připařováním vybraných jedinců se zvyšuje genetický zisk populace (Jakubec et al., 2003). Většina uţitkových vlastností je podmíněna velkým počtem genů s malými účinky, tedy polygeny (Jakubec et al., 2002). Jedince nelze zařadit do přísně oddělených typů, ale je moţné vyjádřit stupeň rozdílu mezi nimi, tyhle vlastnosti označujeme jako kvantitativní nebo téţ měřitelné (metrické). Kvantitativní vlastnosti závisí na genových rozdílech značného počtu lokusů, které podmiňují danou vlastnost. Podmínky prostředí mají u kvantitativních vlastností mnohem větší vliv na projev genotypu ve fenotypu. Opakem jsou vlastnosti kvalitativní, které mají jasně rozlišitelnou fenotypovou variabilitu a jsou zřetelné (např. bezrohost a rohatost), jsou podmíněny jedním nebo několika málo geny velkého účinku, tedy majorgeny bez vlivu prostředí (Jakubec et al., 2003). Genetický zisk (selekční pokrok) je definován jako diference mezi fenotypovou hodnotou potomků a jejich rodičů před selekcí, pro selekci na základě vlastní uţitkovosti lze vyjádřit vztahem: G = h 2 P Kde h 2 je koeficient dědivosti a P je selekční rozdíl (diference) selektovaných rodičů. Koeficient dědivosti (heritabilita) je relativní podíl aditivně genetické variance na celkové fenotypové varianci (součet aditivně genetické variance a variance prostřeďové), tedy: h 2 V V A P VA V V A E Koeficienty heritability jsou platné pouze pro populace, ve kterých byly odhadovány, v průběhu generací se mohou vlivem měnících se poměrů variance v dané populaci měnit (Jakubec et al., 2010). Význam ve šlechtitelství má i generační interval, coţ je časový interval mezi generacemi. Můţe být definován jako průměrný věk rodičů, kdyţ mají poprvé vlastní potomky, kteří budou zařazeni k další reprodukci. Krátký generační interval, vysoká heritabilita a rozsáhlá selekční diference vedou k maximálnímu genetickému pokroku (Lawrence & Fowler, 2002). 13

14 3.1.5 Kontrola uţitkovosti Uţitková, tj. fenotypová, hodnota zvířat se zjišťuje na základě kontroly uţitkovosti. Vhodně zvolené ukazatele dané uţitkové vlastnosti je nutné pravidelně měřit (Štolc et al., 1999). Měřením se získávají podklady pro genetické ocenění zvířat k určení geneticky nadřazenějších jedinců. Hlavním zájmem jsou uţitkové vlastnosti s ekonomickou hodnotou a dostatečnou dědivostí. Případně se pro kriteria selekce vyuţívají tzv. pomocné vlastnosti, které jsou dostatečně dědivé, jsou v genetické korelaci s vlastnostmi uţitkovými a pokud jsou snadněji zjistitelné. Uţitkovost se porovnává v rámci celé populace, aby byly očištěny data od systematických prostřeďových efektů vnějších (např. roční období či úroveň výţivy) i vnitřních (např. věk jedinců, pohlaví) Odhady plemenné hodnoty Podkladem pro odhad plemenné hodnoty (OPH) jsou výsledky kontroly uţitkovosti, ale selekce se provádí na základě dědičného zaloţení jedinců, nikoli na základě fenotypu. Dědičné (genetické) zaloţení je definováno plemennou hodnotou, která je výrazem aditivního působení genů. Přímé zjištění plemenné hodnoty není moţné, protoţe jsou fenotypově měřitelné vlastnosti zvířat výsledkem jak genetických efektů aditivních, tak i efektů dominance, interakce a prostředí (Jakubec et al., 2002). Plemennou hodnotu lze vyjádřit v absolutních jednotkách nebo jako odchylku uţitkovosti potomků od populačního průměru. Je tedy nutné specifikovat populaci, ve které se páření uskutečňuje (Jakubec et al., 2003). Plemennou hodnotu odhadujeme vţdy jako odchylku určitého jedince od určité skupiny (rodina, plemeno), proto má tento odhad platnost pouze pro konkrétní populaci a vztahuje se pouze k vrstevníkům (Zahrádková et al., 2009). Plemenné hodnoty se odhadují pouze z hodnot fenotypových. Zvířata z jedné populace, chovaná ve stejných podmínkách, jsou vystavěna stejným efektům prostředí (Jakubec et al., 2002). Genotypové hodnoty jsou stejně ovlivněny. Ale u kaţdého jedince se náhodně projevují prostřeďové efekty nesystematické, které jsou o neznámé velikosti a neznámém směru. Tyhle efekty působí nejčastěji krátkodobě a vedou k nezjistitelné proměnlivosti v uţitkových vlastnostech. Kvantitativní vlastnosti mohou ovlivnit v pozitivním i v negativním směru, jde např. o změnu kvality krmiva. 14

15 Kvantitativní vlastnosti jsou podmíněny polygeny, interakcemi mezi nimi a prostřeďovými modifikacemi, proto z fenotypu nemůţeme přímo odhadnout genotyp. Genotyp se odhaduje pomocí biometrických metod na základě populačně-specifických odhadů parametrů, nazývaných genetické parametry. Předpokladem pro vyjádření genotypové hodnoty je eliminace systematických efektů prostředí. Náhodné prostřeďové efekty mají střední hodnotu rovnající se 0, střední hodnota fenotypových hodnot a genotypových hodnot populace je tedy rovna průměru. Plemennou hodnotou u jedince odhadujeme aditivně genetický efekt (průměrný efekt genu), protoţe není moţné přímo určit genotypovou hodnotu a prostřeďovou odchylku. Průměrným efektem genu rozumíme střední odchylku jedince od populačního průměru. Průměrný efekt genu se vztahuje na gen jednoho rodiče, druhý gen je od druhého rodiče náhodně vybraného z populace. Průměrná genetická hodnota potomstva je určena průměrnými efekty rodičovských genů (Jakubec et al., 2003). Pro zisk potomků mají být vybíráni a vzájemně připařováni jedinci s vysokou obecnou plemennou hodnotou. Obecná plemenná hodnota je měřena průměrnou uţitkovostí potomků, přímo ji lze měřit pouze tehdy, je-li koeficient dědivosti roven jedné, popř. má-li hodnocený jedinec velmi mnoho potomků se zjištěnou uţitkovostí. Obecná plemenná hodnota můţe být odhadována pouze na základě informací o uţitkovosti vlastní a příbuzných jedinců. Běţně se pouţívá pouze výraz plemenná hodnota, existuje ještě speciální plemenná hodnota, které se vztahuje k potomkům dvou konkrétních rodičů (Jakubec et al., 2002). Přesnost OPH jedince na základě uţitkovosti předků je nízká, při zvyšování počtu informací o uţitkovosti vlastní a skupin příbuzných se spolehlivost odhadu zvyšuje. Největší spolehlivost OPH je dosahována při kontrole uţitkovosti velkého počtu potomků, k tomu je ale zapotřebí velká testační kapacita (Zahrádková et al., 2009). Plemenné hodnoty jsou komplexního charakteru, ke genetickému ocenění zvířat na základě více zdrojů informací (předci, jedinec, sourozenci, potomci) a více uţitkových vlastností se pouţívá souhrnná plemenná hodnota, označována jako selekční index. Za předpokladu neexistujících systematických efektů prostředí odhadujeme plemennou hodnotu jedince na základě odchylky fenotypových hodnot od průměru referenční populace. Obě veličiny jsou mezi sebou spojeny regresním koeficientem. Pro OPH na základě vlastní uţitkovosti je regresní koeficient PH na hodnotu fenotypovou roven koeficientu dědivosti, tedy: OPH h P P 2 15

16 3.1.7 OPH pomocí metody BLUP - ANIMAL MODEL Odhadem plemenné hodnoty se rozhoduje, zda jedince zařadit do plemenitby. Lze odhadnout i selekční pokrok při určitém způsobu selekce. Informace o více uţitkových vlastnostech a více příbuzných jedinců slouţí ke konstrukci selekčního indexu, kterým se odhaduje souhrnná plemenná hodnota. Konstrukcí selekčního indexu není moţné při nevybalancovaných datech o uţitkovosti (při nestejném počtu jedinců uvnitř podskupin, např. v ročním období) provést OPH nevychýleně. Selekční indexy poskytují pouze nejlepší lineární předpověď, BLP. Pouţitím metody BLUP (nejlepší lineární nevychýlená předpověď) se vyvarujeme nevýhod uvedených při konstrukci selekčního indexu. Odhadují se současně náhodné i fixní efekty pomocí lineárních modelů se smíšenými efekty (Jakubec et al., 2002). Pouţívání BLUP je efektivní, pokud máme přesné a kompletní záznamy o rodokmenu a máme k dispozici dostatečné záznamy fenotypových hodnot zvířat (Fries & Ruvinsky, 1999). Dalším rozpracováním vznikl BLUP - ANIMAL MODEL (AM), tzv. individuální model. Je moţné provést OPH kaţdého zvířete samostatně a současně v závislosti na uţitkovosti příbuzných jedinců (např. sourozenců). K rozšíření metody BLUP - AM došlo v osmdesátých a devadesátých letech ve všech vyspělých státech, předpokladem pro rozšíření byla účinná výpočetní technika. Původně byl OPH pouze na jednu vlastnost, v současnosti se zahrnuje více uţitkových vlastností (Jakubec et al., 2002) Teorie selekce Selekce je základem zušlechťovacích programů ve šlechtění hospodářských zvířat s cílem změny genetického sloţení populací. Selekce navazuje na kontrolu uţitkovosti a OPH, coţ rozhoduje o míře selekčního pokroku (Jakubec et al., 2003). Znakem populací hospodářských zvířat je variabilita jedinců v četných vlastnostech (Jakubec et al., 2010). Selekce vyuţívá individuálních rozdílů mezi jedinci, které charakterizují převáţně vlastnosti, jejichţ základem je kvantitativní dědičnost. Rozdíly kvantitativních vlastností jsou způsobeny geneticky i podmínkami prostředí, které můţe chovatel přizpůsobit, aby proběhl zušlechťovací proces. Mezi kvantitativní vlastnosti řadíme např. hmotnost zvířat či produkci mléka, jedná se o vlastnosti měřitelné. Obecně selekcí rozumíme výběr ţádoucích, geneticky nadřazených, samčích a samičích jedinců pro reprodukci, čímţ můţe šlechtitel zlepšit genotypovou střední 16

17 hodnotu vlastností v populaci. Upřednostňují se jedinci, kteří poskytují optimální uţitkovost a zajišťují nejlepší ekonomickou prosperitu. Efektivitu selekce lze zvýšit záměrným připařováním konkrétních jedinců (Jakubec et al., 2003). Při dlouhodobé selekci na uţitkové vlastnosti dochází k postupnému hromadění ţádoucích alel a při úspěšném šlechtění je vykazován trvalý genetický zisk (Bouška et al., 2006). Selekce prováděná chovatelem (šlechtitelem) je označována jako selekce umělá, dále jen selekce. Selekce je zaměřená na vybrané vlastnosti a znaky podle náplně šlechtitelského cíle. Čím více vlastností je zařazeno k selekci, tím menší bude selekční pokrok pro jednotlivé vlastnosti. Při selekci na jednu vlastnost můţe dojít i k selekci jiných vlastností, které jsou se selektovanou vlastností v genetické korelaci, mluvíme o tzv. nepřímé selekci. Při pozitivním vlivu korelovaných vlastností na vlastnosti uţitkové je moţné tyto vlastnosti zařadit do selekčního programu. Současně probíhá i selekce přírodní, která je nezávislá na antropogenním zásahu. Přírodní selekce je zastoupena ţivotaschopností a adaptalitou (fitnes) a stupněm rozmnoţovací schopnosti, např. vyloučení neplodných jedinců (Jakubec et al., 2003). Přirozený výběr neustále eliminuje jedince s fenotypem (i genotypem) nevyhovujícím poţadavkům daného prostředí (Flegr, 2005). Selekci můţeme dále rozčlenit do dvou skupin. První skupinou je selekce negativní, sem řadíme část populace, která je vyloučena z rozmnoţovacího procesu. Druhou skupinou je selekce pozitivní, zde řadíme jedince určené pro reprodukci (Jakubec et al., 2003) Hybridizace Hybridizace je odlišná od čistokrevné plemenitby, je součástí šlechtitelských opatření zabývajících se celými populacemi (Jakubec et al. 2010). Hybridizací neboli kříţením rozumíme připařování jedinců různých populací (plemen, linií, rodin). Oproti čistokrevné plemenitbě dochází k navyšování uţitkovosti kříţenců vyuţitím heterozního efektu (Zahrádková et al., 2009). Mezi jednotlivými plemeny existují rozdíly v uţitkových vlastnostech, tyhle rozdíly jsou podmíněny převáţně geneticky a mohou být vyuţity k uţitkovému kříţení. Avšak předpověď uţitkovosti různých hybridů je sloţitější neţ OPH. Při kříţení se realizují 17

18 heterozní efekty a jejich komponenty, lze je odhadnout na základě více či méně sloţitých pokusů. Rozdíly mezi plemeny mohou být značné i v podobných podmínkách prostředí, protoţe jednotlivá plemena vznikla navzájem izolovaně. Rozdíly jsou největší pro vlastnosti, na které byla zaměřená selekce po mnoho generací s ohledem na různé šlechtitelské cíle Užitkové křížení Jde o diskontinuitní kříţení dvou nebo více populací za účelem získání uţitkového zvířete dále nepouţívaného v plemenitbě (Jakubec et al., 2001). Spojují se specializovaná otcovská a mateřská plemena za účelem vyprodukování finálního hybrida k uţitkovému zpracování. Zajímají nás převáţně mateřské vlastnosti u plemen zařazovaných pouze do mateřské pozice, u otcovských plemen bývá kladen důraz na růstové schopnosti (Zahrádková et al., 2009). Vyuţívá se heterozní efekt, kdy uţitkovost F 1 generace převahuje nad střední hodnotou uţitkovosti obou rodičovských generací (Jakubec et al., 2001) Rotační křížení Všechny produkty kříţení nejsou finálními hybridy. Při rotačním kříţení se pouţívají k produkci jatečných zvířat všichni samčí hybridi a jen část samičích hybridů. Zbytek samičích hybridů je doplněn k matkám určených pro další reprodukci. Hybridní matky mateřské populace jsou zapouštěny plemeníky výchozích populací, vyuţívají se pouze plemeníci čistých populací. Při rotaci se dvěma populacemi činí očekávaný heterozní efekt v průměru 67 %. Rovnováţný stav podílu genů obou populací je dosahován aţ v cyklu rotačního kříţení. Výhodou systému rotačního kříţení je, ţe se nemusí nakupovat samičí plemenná zvířata, nakupují se pouze plemeníci nebo semeno plemeníků čistých populací. Nové matky pro doplnění stáda jsou produkovány uvnitř stáda, coţ umoţňuje intenzivnější selekci neţ při čistokrevné plemenitbě, protoţe se rodí a odchovává více potomků a hybridní matky vykazují větší dlouhověkost. Genetické zlepšení stáda je závislé na plemenné hodnotě uţívaných plemeníků. Avšak rotační kříţení je vyuţitelné pouze tehdy, jsou-li výchozí populace ve své uţitkovosti velmi podobné a vyrovnané, jinak můţe dojít k neţádoucímu poklesu 18

19 uţitkovosti u potomstva. V malých chovech s překrývajícími se generacemi je tohle kříţení organizátorsky velmi náročné, protoţe je zapotřebí pouţít v chovu více plemeníků z různých čistých populací Tvorba syntetických populací Rozlišujeme dva typy syntetických populací. Populace uzavřená vznikla vzájemným kříţením dvou nebo více populací (genotypů) a má stejný nebo rozdílný podíl genů výchozích populací. Dále je tato populace udrţována jako populace nová. Naopak v populaci otevřené dochází soustavně a průběţně k imigraci genů jiných populací. Syntetické populace jsou alternativou anebo doplňkem uţitkového či rotačního systému kříţení. Optimálního genetického sloţení syntetické populace, zaloţeného na aditivním a neaditivním působení genů, chceme vyuţít vhodnou volbou populací (Jakubec et al., 2001). Podobně jako u rotačního kříţení dochází pouze k částečnému vyuţití heterozního efektu, ale tvorba syntetických populací vede k širší dědičné základně (k vyšší aditivně genetické variabilitě). Případnou výhodou těchto populací je zvýšená odezva na selekci, která je výsledkem vyšší genetické proměnlivosti, a to díky rozdílům v genových četnostech rodičovských populací. Heterozní efekt má příznivý vliv na zvýšenou reprodukci a umoţňuje zvýšení intenzity selekce (Zahrádková et al., 2009). Tvorba syntetických populací spočívá ve vyhledávání vhodných výchozích populací, výběr parentálních populací by měl vést k zaloţení syntetické populace, u které jsou prostřeďová adaptabilita a vývin uţitkových vlastností v souladu s produkčním prostředím a trţními poţadavky Zušlechťovací a kombinační křížení Zušlechťovací kříţení pouţívá mírnou imigraci genů, ve snaze zlepšit některé vlastnosti při udrţení dědičného základu výchozí populace. Dříve bylo zušlechťovací kříţení pouţíváno k odstranění inbrední deprese, ke které docházelo příbuzenskou plemenitbou v čistokrevných populacích. Cílem kombinačního kříţení byla tvorba nových plemen za pouţití jednoho či více plemen cizích. Takto vznikla řada současných plemen hospodářských zvířat (Jakubec et al., 2001). 19

20 Reprodukční techniky Inseminace Pouţíváním inseminace se zvýšilo vyuţití přirozeného samčího potenciálu. Metoda inseminace umoţnila zvýšit intenzitu selekce na nejkvalitnější plemeníky. Významnou změnu přinesla technologie kryokonzervace semene, která umoţnila jeho dlouhodobé uchovávání. Rozšiřování inseminace v ČR začalo v poválečném období, pozitivní výsledky měly velký přínos na chov skotu, který byl v neutěšeném stavu. Inseminací byla zajišťována vysoká úroveň reprodukce i v chovech, kde byly problémy s drţením plemeníků (Říha et al., 1999). Embryotransfer (ET) Přenos embryí umoţňuje intenzivnější vyuţívání genetického potenciálu špičkových plemenic. Vybraná embrya se přenášejí do synchronizovaných příjemkyň, stejné stadium estrálního cyklu dárkyň a příjemkyň je důleţitým předpokladem pro zabřeznutí. U skotu se embrya vyplachují z dělohy 7. den po superovulaci (vícečetná ovulace navozená gonadotropiny) a inseminaci vybrané dárkyně. Případně se embrya zmrazují a přenášejí později (Bouška et al. 2006). Je moţné získat přímo oocyty z ovarií plemenic, dokonce i od pohlavně nedospělých zvířat. Následně se produkují embrya in vitro (Říha et al., 1999). Ve fázi moruly je moţné embrya mechanicky rozdělit a získat několik jednovaječných sourozenců, získáme tak více potomků vybrané plemenice. Z odebraných buněk embrya je moţné namnoţit jejich nukleovou kyselinu pomocí metody PCR. Následně je moţné analýzou této nukleové kyseliny určit pohlaví embrya pro přenos vybraného pohlaví. Ovlivnit pohlaví lze i pomocí sexace spermií. Provádí se třídění spermií na detekčním zařízení, které na základě vyhodnocení hmoty hlavičky spermie odlišuje spermie s pohlavním chromozomem X a Y (Bouška et al. 2006). 20

21 Budoucnost v klonování Klonovací vektory Úsek DNA s genem, který chceme klonovat, se vloţí do kruţnicové molekuly DNA, tzv. vektoru. Vznikne tak molekula rekombinantní DNA. Pro klonování se nejčastěji pouţívá jako hostitelský organismus bakterie Escherichia coli, pro kterou existuje nejvíce klonovacích vektorů. Uplatňuje se např. při studiu funkce a struktury genu. Některým účelům klonování vyhovují jiné hostitelské organismy, např. pro biotechnologický výzkum primárně zaměřený na moţnosti regulace či zdokonalení některých důleţitých metabolických produktů (např. hormonů), případně na změnu vlastností organismu (rezistence chorobám). Vektory hrají významnou roli v biotechnologii, kde slouţí k syntéze rekombinantních proteinů. Z přirozeného hostitele se vyjme gen, který kóduje důleţitý ţivočišný protein, vloţí se do klonovacího vektoru a vnese se do bakterie. Při správném provedení se gen exprimuje a bakteriální buňka syntetizuje rekombinantní protein. Vývoji vektorových systému pro klonování ţivočišných buněk je věnováno značné úsilí Klonování genů savců V současné době se vyuţívá klonování u savců především ze tří důvodů: 1) Ke knokautování genu, kdy je deletovaná forma genu pouţita k vyřazení funkční formy genu přítomné v chromozomech organismu. 2) K produkci rekombinantních proteinů v kultuře savčích buněk a v technice zvané farming, která se zaměřuje na syntézu důleţitých proteinů (např. léků vyskytujících se v mléce) u hospodářských zvířat. 3) V genové terapii, která se zabývá léčbou chorob pomocí klonovaných genů vnášených do organismu pacienta (Brown, 2007) Klonování celých organismů Technologie klonování se běţně pouţívá v některých částech světa pro replikaci elitních zvířat, především skotu. Klonování můţe být pouţito pro tvorbu geneticky modifikovaných zvířat, a to pro účely biomedicíny, výzkumu a produkce potravin (Pickett, 2010). 21

22 Technologie klonování vede k produkci geneticky totoţných jedinců, takţe nedochází k vzestupu genetického zisku. Ale pomocí klonování by se mohlo redukovat mnoţství průměrných jedinců uvnitř populací (Fries & Ruvinsky, 1999). Technologie klonování by mohly přispět k replikaci jedinců vzácných a ohroţených plemen hospodářských zvířat, coţ by mohlo pomoci k zachování genetické diverzity, která v současné době klesá v celkovém globálním měřítku. Komerční vyuţití klonování k replikaci elitních zvířat pravděpodobně přispívá ke sniţování genetické diverzity v populaci. Sníţená genetická diverzita zvyšuje náchylnost k chorobám, coţ vede ke sníţené adaptaci na změnu podmínek. Dále dochází ke sníţení hodnoty koeficientu dědivosti, genetický zisk je tedy sniţován (Pickett, 2010). 22

23 3.2 Selekce pomocí markerů - MAS Tradiční šlechtitelské programy vyuţívají k odhadu PH a následné selekci fenotypové hodnoty jedinců a jejich příbuzných. Ačkoliv tradiční šlechtění dosahuje genetických zisků, řada ekonomicky významných vlastností má svá biologická omezení, která genetický zisk limitují. Prostřednictvím fenotypových hodnot nelze hodnotit všechny uţitkové vlastnosti, například vlastnosti limitované pohlavím nelze měřit u obou pohlaví (např. denní produkce mléka), vlastnosti limitované věkem (kvalita masa, dlouhověkost) nemůţeme určit u mladých, často ani u ţivých, jedinců. Prostřednictvím klasického šlechtění je také obtíţné zlepšit některé vlastnosti, jako je rezistence vůči chorobám. Jedinci, kteří nemají vlastní záznamy o uţitkovosti, ani záznamy svých potomků, mají odhadovanou stejnou plemennou hodnotu jako jejich blízce příbuzní (vlastní sourozenci). Mnohdy nemůţeme vysvětlit genetickou změnu, dokud nemáme záznamy potomstva (Clarck, 1998). Pro zlepšení odhadu genetického potenciálu zvířat, mohou slouţit tzv. genetické markery (Jakubec et al., 2002). Pouze malá část sekvence DNA je tvořena geny, hlavní podíl DNA představují nekódující sekvence, jejichţ role není ještě zcela jasná. Markery by neměly být povaţovány za normální geny, obvykle nemají ţádný biologický účinek. Jsou to identifikovatelné úseky DNA nacházející se v určitých místech genomu a přenášející se z generace na generaci podle standardních zákonů dědičnosti. Můţeme je určit na základě testů DNA (Ruane & Sonnino, 2007). Tyhle markery jsou spojeny s oblastmi genů na chromozomech, které způsobují genetickou proměnlivost. Oblast DNA (genetický marker) můţe být snadno testována v laboratoři, vyuţití markerů přispívá ke zvýšení efektivnosti šlechtění (Jakubec et al., 2002). Genetické markery lze určovat v kterémkoliv čase, u obou pohlaví a můţeme určit, které chromozomové úseky zdědili sourozenci, případně polosourozenci, od svých rodičů. Markery označují chromozomální úseky (někdy přímo jednotlivé geny), které mohou být děděny na potomstvo. Pokud známe chromozomální úseky, které obsahují hodnotné alely, můţeme pouţít markery k identifikaci zvířat, která tyhle alely zdědila (Clark, 1998). 23

24 3.2.1 Faktory způsobující niţší účinnost tradičního šlechtění Existuje řada faktorů, které mají vliv na niţší účinnost při tradičním šlechtění. Patří sem: Nízká heritabilita (dědivost) řadíme sem vlastnosti s nízkou hodnotou koeficientu dědivosti, jde např. o odolnost vůči chorobám a znaky reprodukce. Vlastnosti vázané na pohlaví uţitková vlastnost se projevuje pouze u jednoho pohlaví a aţ v dospělosti. Vlastnosti nezměřitelné u živých zvířat tyhle vlastnosti můţeme zjistit jen u omezeného počtu jedinců v testačních zařízeních, jde např. o kvalitu masa. Negativní korelace mezi vlastnostmi ţádoucí geny ve vazbě s neţádoucími polygeny mohou být v populaci ztraceny. Dominance a epistáze neaditivní genetické zaloţení je při OPH a selekci opomíjeno. Imigrace genů z cizí populace jedinci z cizí populace mají odlišné genové zaloţení, připařováním s těmito jedinci se často nezohledňují majorgeny, které mohou mít vliv na zlepšení některých uţitkových vlastností Lokusy pro kvantitativní vlastnosti (QTL) Prostřednictvím fenotypových hodnot odhadneme pouze aditivní část genotypu, tj. geny, které se přenášejí na potomstvo. Uţitkové vlastnosti ale nejsou ovlivněny pouze geny s aditivním účinkem, existují interakce mezi geny na jednom lokusu (dominance) a interakce mezi geny na dvou i více lokusech (epistáza). Tradiční šlechtění je zaloţeno na identifikaci jedinců s dobrými uţitkovými vlastnostmi, které jsou podmíněny velkým počtem polygenů. Ale vývin některých kvantitativních vlastností je dán geny velkého účinku (majorgeny), oblasti umístění těchto genů na chromozomech jsou označovány jako lokusy pro kvantitativní vlastnosti (quantitative trait loci), běţně se uţívá zkratka QTL. Polygeny společně s majorgeny na QTL vytvářejí celkovou genetickou proměnlivost. Pouţití informace o QTL ve šlechtění umoţňuje připařování takových jedinců, které umoţní vyuţití ţádoucích neaditivních interakcí u potomstva (Jakubec et al., 2002). 24

25 3.2.3 Existují různé druhy molekulárních markerů Jednotlivé typy markerů se liší mnoha způsoby, například způsobem jejich detekce v laboratoři, mnoţstvím genetických markerů, které mohou být detekovány v celém genomu a mnoţstvím genetické variability kaţdého markeru v dané populaci. Existuje řada druhů molekulárních markerů, například polymorfismy v délkách restrikčních fragmentů RFLP (restriction fragment length polymorphysms), náhodné zesílené polymorfní DNA markery RAPD (random amplified polymorphic DNA), markery zaloţené na PCR, mikrosatelity či jednonukleotidové polymorfismy SNP (single nucleotide polymorphisms). Informace poskytnuté pro šlechtitele se liší podle pouţitého systému markerů (Ruane & Sonnino, 2007). Příčinou velkého počtu SNP jsou substituce jednotlivých nukleotidových párů (např. A:T za G:C). Většina SNP se nachází v nekódujících oblastech genů, v intronech nebo v intergenových oblastech (Snustad & Simmons, 2008). Tyhle polymorfismy hustě pokrývají celý genom, prostřednictvím metod pro genotypizaci SNP můţeme vysvětlit většinu genetické variability důleţitých vlastností (Schefers & Weigel, 2012) Identifikace genů pomocí markerů Pomocí technik molekulární genetiky lze identifikovat umístění a vyuţití více genových lokusů (Jakubec et al., 2002), testování těchto úseků lokusů poskytne doplňující informaci o genetické ceně, coţ vede k přesnější selekci (Fries & Ruvinsky, 1999). Zpřesnit selekci můţeme nalezením lokalizace majorgenu se známým účinkem na uţitkové vlastnosti. V praxi je přesné umístění genů na chromozomech známé jen výjimečně (Jakubec et al., 2002). Některé geny způsobující rozdílnost v uţitkových vlastnostech mohou být identifikovány nebo mapovány pomocí vazby s genetickými markery (Fries & Ruvinsky, 1999). Markery vytvářejí poměrně husté sítě, protoţe se nacházejí v celém genomu, a to v poměrně krátkých intervalech. To nám umoţňuje vytvářet genetické markerové mapy, které jsou nezbytné pro vyuţití MAS. Mapy byly konstruovány pro většinu uţitkově významných druhů, avšak v rámci jednotlivých druhů se hustota map velmi liší. Určením lokalizace markeru v blízkosti genu (nebo přímo na hledaném genu) můţeme přistoupit k MAS. Prostřednictvím markerové selekce vybíráme markerové alely ve vazbě s příznivými alelami zájmového genu (Ruane & Sonnino, 2007). Marker 25

26 musí být na stejném chromozomu a v takové blízkosti od genu, na který se selektuje, aby s ním byl společně přenášen do následující generace (Chloupek, 2008). Pomocí vhodných statistických metod lze určit vzdálenost mezi genem a markery, které jsou s ním ve vazbě. Jestliţe je gen A vázán s markerem x v jedné skupině rodokmenů a gen B je vázán s markerem x v jiné skupině rodokmenů, pak jsou geny A a B vázány i navzájem. Analýza těchto markerů umoţňuje určit vztahy mezi geny, které nesegregují ve stejných rodokmenech (Snustad & Simmons, 2008) Principy MAS MAS vyuţívá geny s významným účinkem, který je natolik velký, aby mohly být majorgeny detekovány a zmapovány na genomu. Znalost genů umístěných na QTL pomáhá při predikci celkového genotypu jedince. Pokud jsou genetické efekty na QTL velké, mohou být tyto geny vyuţity při šlechtění. Odkrytím efektu jednotlivých genů můţeme docílit rychlejšího pokroku. Avšak efekty QTL mohou být určeny převáţně nepřímo, pomocí markerů. Cílem určení genotypu QTL je jejich vyuţití při selekci, a to zvýšením četnosti ţádoucí alely QTL anebo introgrese této alely do jiné linie (Jakubec et al., 2002). Markery mohou být pouţity k selekci pro určité genetické pozadí, protoţe se dědí celé úseky chromozomů. Nicméně asociace mezi vazbou markeru a genu můţe být u potomků pozměněna kvůli rekombinacím, coţ jsou nové kombinace, které se původně nevyskytovaly (Clark, 1998). Markery můţeme identifikovat, pozorujeme dědičnost markerů, které jsou v blízkosti QTL a jsou s QTL ve vazbě (Jakubec et al., 2002). Například, molekulární marker M (s alelami M1 a M2) je identifikován pomocí DNA testu a nachází se na chromozomu v blízkosti genu Q (s příznivou alelou Q1 a alelou zhoršující uţitkovou vlastnost Q2). Gen Q je dosud neznámý. Pokud má jedinec alely M1 a Q1 na jednom chromozomu a M2 a Q2 na druhém chromozomu, některý z potomků s vysokou pravděpodobností obdrţí příznivou kombinaci M1 a Q1. Záleţí na vzdálenosti umístění těchto alel. Upřednostňují se dále jedinci nesoucí příznivou kombinaci (Ruane & Sonnino, 2007). Markery jsou velmi proměnlivé a prostřednictvím nich můţeme určit varianty genetických markerů jedinců. Pomocí experimentů lze identifikovat markery, které jsou v blízkosti majorgenů. Čím blíţ jsou genové markery k majorgenům, tím je menší riziko 26

27 rekombinací. Pokud je majorgen umístěn přímo na markeru, označujeme marker jako přímý a není moţná rekombinace. Přímý marker poskytuje přesnou informaci o QTL, ale přímých genetických markerů pro uţitkové vlastnosti existuje velmi málo. Jedince selektujeme na základě informace o genetickém markeru, jsou zanedbávány efekty jiných QTL genů, které nejsou ve vazbě s tímto markerem. Pro optimální selekční postup zohledňujeme QTL i polygeny (Jakubec et al., 2002). Účinnost selekce vzrůstá kombinací MAS a odhadů PH pomocí fenotypových informací jedinců a jejich příbuzných (Clark, 1998). Pokud bychom vyuţili k selekci pouze informace z genotypu markeru, nepřispějeme k dostatečně velkému genetickému zlepšení, zejména v populaci s téměř fixovanou ţádoucí alelou (Jakubec et al., 2002). MAS je výhodnější ve srovnání se selekčním indexem pro vlastnosti s nízkou heritabilitou (Clark, 1998). Díky univerzální povaze DNA, markerů a genů můţeme vyuţít MAS pro všechny významné druhy, jak hospodářských zvířat, tak plodin. Výzkumné programy se věnují budování genetických map a zjišťování QTL k vyuţití programů MAS, případně k doplnění klasických šlechtitelských programů markerovou selekcí. K vyuţití MAS je zapotřebí komplexní integrovaný přístup, musíme brát ohled na fenotypové záznamy, které umoţní odhalování QTL a jejich účinků (Ruane & Sonnino, 2007). Přímé markery Genetický marker se nachází uvnitř genu. Nedochází zde k rekombinacím, můţeme přímo určit nositele ţádoucích alel. Nepřímé markery Pro určení nositelů příznivých alel potřebujeme k dispozici podklady o uţitkovosti a rodokmenové informace. Předpoklad pro genetický zisk s vyuţitím nepřímých markerů je ten, ţe potomci zdědí markerovou alelu, která je ve vazbě s příznivou alelou QTL. Je-li příznivá alela od otce dominantní, vlastnost se u potomků projeví (Jakubec et al., 2002). 27

28 Vliv na úspěch MAS K úspěšnému pouţití MAS ve šlechtitelských programech je vyţadován pokrok zejména v těchto oblastech: Mapování genů: mapování, identifikace genů a jejich polymorfismů. Markerová genotypizace: genotypizace mnoha jedinců pro velké mnoţství markerů, k detekci QTL a pro aplikaci MAS. Detekce QTL: detekce a odhad sdruţení genů pro uţitkové vlastnosti a vazba těchto genů s genetickými markery. Genetické hodnocení: spojení fenotypových a genotypových dat pro OPH. MAS: rozvoj programů pro vyuţití molekulární genetické informace k selekci (Dekkers & Werf, 2007, s. 169). Úspěch selekce pomocí markerů je ovlivněn vztahem mezi markerem a zájmovým genem. Dekkers (2004) rozlišuje tři druhy vztahu mezi markery a hledanými geny: 1) Marker se nachází přímo na genu, coţ můţeme nazvat jako geny podporovanou selekci (GAS). Marker a gen se dědí společně. Tahle situace se vyskytuje výjimečně. 2) Marker je ve vazbové nerovnováze (LD) s hledaným genem v celé populaci. LD je tendencí určitých kombinací alel, které se dědí společně. Vazbová nerovnováha nastává tehdy, pokud jsou markery a geny zájmu blízko sebe, případně kdyţ byla plemena (linie) v nedávné generaci kříţena. 3) Marker je ve vazbové rovnováze s hledaným genem v celé populaci. Pro vyuţití MAS je to nejvíce sloţitá situace (Ruane & Sonnino, 2007) Využití markerů pro křížení plemen a v syntetických populacích Ţádné plemeno nemá alely podmiňující všechny ekonomicky výhodné vlastnosti. Některá, třeba i ekonomicky méně významná, plemena můţou mít alely podmiňující cenné vlastnosti. Pro kříţením dvou plemen (linií) můţeme vyuţít markery podporovanou introgresi. Lokusy s výhodnějšími alelami z jednoho plemene (dárce) přeneseme do plemene druhého (příjemce), za pomoci genetických markerů, opakovaným zpětným kříţením aţ k lepší linii. Marker slouţí k označení genu, který má být introgresován a pomáhá identifikovat jedince nesoucí tento gen. 28

29 Účinnost MAS v komerčních populacích záleţí na předpokladu, jestli budou určité markery a kvantitativní vlastnosti spolu v asociaci v různých rodinách. Markery v asociaci se zajímavými vlastnostmi jsou zvoleny na základě odhadových studií z analýzy generace F 2. Zvířata jsou selektována na základě jejich markerových genotypů a podle vlastních fenotypových hodnot nebo fenotypových hodnot příbuzných (Clark, 1998) Genomická selekce Genomika Genomika je podoborem genetiky, zabývá se mapováním, sekvenováním a fukční a srovnávací analýzou celých genomů. Výraz genomika pouţil zřejmě jako první Thomas Roderick v roce Postupně se genomika rozčlenila na několik podoblastí. Strukturní genomika se zabývá strukturou genomů, funkční genomika studuje funkce genomu a komparativní (srovnávací) genomika se zaměřuje na studium evoluce genomu (Snustad & Simmons, 2009) Výhody genomické selekce K rychlejšímu a narůstajícímu genetickému zisku přispívají následující faktory: Přesnější předpověď genetické hodnoty uţ u mladých zvířat, je moţné identifikovat geneticky nadřazené jedince v mnohem mladším věku neţ při pouţití klasických OPH. Zkrácení generačního intervalu. Zvýšení intenzity selekce, a to díky moţnosti vyuţívat genomické testování ke kontrole větší skupiny potenciálně nadřazených zvířat (Schefers & Weigel, 2012). Moţnost aplikace na všechny vlastnosti, které jsou zaznamenány v referenční populaci (Eggen, 2012) Principy genomické selekce Genomická selekce navazuje na klasické šlechtitelské programy, ve kterých jsou shromaţďovány rodokmenové informace společně s fenotypovými údaji. 29

30 Sekvenování DNA a výkonné genomické technologie jsou následkem objevování velkého počtu jednonukleotidových polymorfismů (SNP), které hustě pokrývají celý genom. Pomocí SNP z celého genomu můţeme provádět efektivní genotypizaci a můţeme vysvětlit většinu genetické variability důleţitých vlastností (Schefers & Weigel, 2012). Rozmístění SNP po celém genomu umoţňuje provádět asociační studie k určení korelací genotypu a fenotypu, jak pro jednoduché vlastnosti, tak pro vlastnosti komplexního charakteru. Informace z velkého mnoţství markerů by mohly být vyuţity pro odhady plemenných hodnot, i bez znalosti přesné lokalizace konkrétních genů na chromozomu. Očekává se, ţe bude vţdy existovat SNP v blízkosti určitého genu. Vazbová nerovnováha mezi jedním nebo více SNP a příčinnou mutací můţe být pouţita k vysvětlení změny sledovaného znaku. Při genomické selekci se přistupuje k velké skupině zvířat (s přesnými fenotypy pro vlastnosti). U této skupiny by se mělo provést genotypování SNP. Výsledné údaje pak slouţí jako podklad pro vytvoření statistického modelu k odhadnutí vlivu jednotlivých SNP na vlastnosti zájmu. Výsledkem je prediktivní rovnice pro výpočet genetického odhadu plemenné hodnoty (Eggen, 2012). Cílem je předpovědět celkovou genetickou hodnotu. O selekci se rozhoduje na základě odhadovaných genomických plemenných hodnot (GEBV). GEBV jsou vypočteny na základě odhadování účinků SNP z predikce rovnic, které jsou odvozeny z podmnoţiny zvířat referenční populace, mají tedy genotypy a fenotypy SNP pro vlastnosti zájmu. Pro výpočet GEBV se vyuţívají informace z DNA chipů. Přesnost GEBV závisí na velikosti referenční populace (z které se odvozují predikční rovnice), heritabilitě vlastnosti zájmu a rozsahu vztahů mezi referenční populací a kandidáty pro selekci. Testovaná zvířata obdrţí GEBV většinou ještě před pohlavní dospělostí. Na základě GEBV, lze určit uţ mladá zvířata, která budou pouţita v plemenitbě. Nemusí se čekat na otestované potomstvo, na němţ je zaloţen OPH (Schefers & Weigel, 2012) Význam genomické selekce Výzkum v oblasti genomu nemá význam jen pro rozvoj nových technologií, ale také pro informovanost o vztahu mezi geny a jejich funkcemi (Clark, 1998). Pochopení základních struktur a funkce genomů hospodářských zvířat nám pomůţe odhalit historii 30

31 ţivota a charakterizovat příčiny poměrně jednoduchých fenotypů a genetických onemocnění. Tradiční šlechtitelské metody jsou účinné k selekci zaměřené na konkrétní uţitkové vlastnosti, ale jiné, často důleţité vlastnosti nejsou zohledněny. Díky přístupu k sekvencím DNA z mnoha jedinců, můţeme prostřednictvím genomických metod objektivněji vyjádřit genetické hodnoty zvířat, které nejsou omezeny jen na uţitkové vlastnosti. K dalšímu úspěchu genomické selekce je zapotřebí sběr příslušných fenotypových dat, určení příčinných mutací a přesné mechanismy, podle kterých jsou tvořeny fenotypy (Eggen, 2012) MAS versus genomická selekce MAS vyţaduje předchozí znalosti o genových alelách nebo markerech, které jsou s nimi ve vazbě. Kvantitativní odhady těchto sdruţení se provádí v konkrétní populaci. Dále MAS objasňuje pouze omezenou část genetických rozdílů mezi jednotlivci a vztahuje se na konkrétní rodiny. S dostupností panelů SNP po celém genomu, pro významné druhy hospodářských zvířat, můţeme pomocí dostatečného mnoţství genetických markerů sledovat segregaci celého genomu. Při MAS sledujeme pouze konkrétní oblast zájmu (Eggen, 2012). Problémem genomické selekce by mohlo být zachování genetické rozmanitosti při páření elitních jedinců, protoţe jsou mezi nimi často příbuzenské vztahy (Schefers & Weigel, 2012) DNA chipy (microarray) DNA chipy stanovují SNP mutace v řádu desetitisíců. Pomocí DNA chipů můţeme získat snímek genové exprese celého genomu, chipy poskytují přehled o genové expresi pro tisíce přepisů současně (Walsh & Henderson, 2004). Chip se skládá z kolekce různých snímacích molekul, obvykle jsou to cdna nebo oligonukleotidy. Tyhle molekuly (sondy) jsou připojeny k substrátu (obvykle sklo nebo silikonové substráty) do předem stanovených míst uvnitř mříţky. Substráty pouţívané v DNA chipech musí být tepelně a chemicky stabilní, ploché, homogenní a musí být přístupné pro biochemickou manipulaci. Pro připojení sond (cdna nebo oligonukleotidů) k substrátu se pouţívají dvě hlavní strategie. První provádí syntézu oligonukleotidů in situ, tedy přímo na podkladu. V druhém případě slouţí pro upevnění 31

32 cdna (nebo předsyntetizování oligonukleotidů) k podkladu buď kovalentní, nebo nekovalentní vazba. Princip spočívá v hybridizaci mrna (vzorku) získaného z buněk (Walsh & Henderson, 2004) s komplementárními sondami, při větší komplementaritě se vytvoří více vodíkových můstků a vznikne pevnější vazba mezi molekulami vzorku a DNA chipem (Müller & Nicolau, 2005). Teoreticky můţou být na jediný chip naneseny všechny geny z celého genomu. Praxe ale vyţaduje bodování genomu na více chipech. Pro analýzu a interpretaci dat z DNA chipů představují doprovodné statistické problémy a velký objem vygenerovaných dat značné překáţky (Walsh & Henderson, 2004). V praxi se vyuţívají DNA čipy od firem Affymetrix a Illumina. Například GeneChip Bovine Genome Array, od firmy Affymetrix, lze vyuţít ke studiu genové exprese více neţ 23,000 transkriptů, pouţívá se u skotu. Pomocí chipu můţeme sledovat genetické mechanismy, například pro vlastnosti týkající se odolnosti vůči chorobám, mléčné produkce nebo stresové tolerance ( 2009). 32