Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav morfologie, fyziologie a genetiky zvířat. Odznaky u koní. Seminární práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav morfologie, fyziologie a genetiky zvířat Odznaky u koní Seminární práce Vypracovala: Lucie Svobodová Brno 2010

2 Obsah 1. ÚVOD A CÍL Polygenní znak a jeho dědičnost Odznaky u koní Vznik bílých odznaků Genetické pozadí a vliv prostředí Vliv barvy srsti a pohlaví na odznaky Odhady heritability h² Heritabilita odznaků hlavy Heritabilita odznaků končetin Studie odznaků končetin Závěr Přílohy Seznam použité literatury

3 1. Úvod a cíl Bílé odznaky na hlavě a končetinách jsou typické prominentní charakteristiky domestikovaných zvířat. Přítomnost odznaků u domácích koní (Equus caballus) je jedním z viditelných znaků, které je odlišují od jejich divokých předků (Equus Prewalski). Odznaky jsou tedy běžné u většiny domestikovaných koní a jsou i cenným nástrojem pro jejich identifikaci, kdy pro registraci některých plemen (quarter horse) je omezená velikost vyskytujících se odznaků na hlavě i na končetinách a u některých již došlo k úplné druhotné selekci pro tyto odznaky (fríský kůň, clevelandský hnědák). Bílé odznaky jsou tedy celkově ovlivněny jak genetickými tak negenetickými faktory, kdy se na tvorbě těchto znaků podílí modifikující se geny s malým účinkem tzv. polygeny. V této práci bych se tedy chtěla zaměřit na problematiku tohoto kvantitativního znaku a pomocí vědeckých prací a nahromaděných informací si tuto problematiku objasnit a dopracovat se k hodnotným závěrům. 3

4 2. Polygenní znak a jeho dědičnost Většina vlastností je ovlivněna více jak jedním genem. Dobrým příkladem jak může být užitečné rozebrání fenotypu na jednotlivé komponenty je barva srsti, kde umíme dobře rozpoznat přítomnost jednotlivých alel zúčastněných genů. Některé znaky však neumíme tak snadno na jednotlivé části ze samotného fenotypu rozdělit. Konformace některých vlastností je tedy příkladem několika genových interakcí, jejichž komponenty jsou neznámé jak do počtu zúčastněných genů i počtu alel těchto genů. Celkový fenotyp může být vytvářen aditivními účinky genů na několika lokusech a také může být typicky ovlivněn složkami životního prostředí. Polygenní znak bude mít tedy vyšší frekvenci mezi příbuznými jedinci na rozdíl od nepříbuzných. Tyto znaky s aditivním účinkem mohou vytvářet nepřetržitý rozsah variací, typicky odstupňovaných od středních hodnot po extrémní podle vlivu prostředí. Pro vyhodnocování těchto vlastností využíváme počítačových základů pro matematické analýzy obsahující genetické modely pro kvantitativní znaky a pro identifikaci elitních chovných zvířat na základě vlastních záznamů o produkci, o potomcích a blízkých příbuzných. Genetické analýzy polygenních znaků se zatím ukázaly být užitečné v chovu koní, tak jako v živočišné výrobě hospodářských zvířat. Hledání DNA genetických markrů u koní je nyní aktuální téma v oblasti výzkumu projektu Severa laboratoří po celém světě a může eventuelně pomoci s genetickou analýzou důležitých vlastností u koní jako je výkonnost (Bowling, 1996). Polygenní dědičnost je tedy ovlivněna negenetickými faktory typicky zahrnující interakce několika mnoha genů, z nichž každý má malý vliv. Jako jeden z hlavních ukazatelů dědičnosti kvantitativních znaků nám slouží heritabilita/dědivost, která nám poskytuje informaci o výši rozdílnosti znaku díky genetickým vlivům. Dědivost nám tedy ukazuje jak moc jsou důležité komponenty životního prostředí v poměru s genetickými účinky na proměnu znaku. Hodnoty dědivosti nabývají hodnot v rozsahu od 0 do 1 a získáváme je pro různá plemena i populace. Čím je hodnota vyšší, tím je větší přesnost genetických předpovědí na odhadu fenotypu daného zvířete (Bowling, 1996). 3. Odznaky u koní Typické odznaky u koní jsou charakteristické projevem bílé srsti na nepigmentované růžové kůži s variabilní asymetrickou strukturou (tzv. partiální albinismus), na rozdíl od pravidelných bílých vzorů u divokých druhů zvířat. Ve studii lišek chovaných pro kožešiny sovětský genetik Belyaev (1979) objevil spontánně se vyskytující bílé odznaky v selektovaných (pro tzv. domácí chování) chovných liniích. Tyto experimenty ukázaly, že odznaky mohou být fyziologicky spojeny s vlastnostmi, které odlišují zdomestikované jedince od volně žijících populací. Odznaky mají tedy dnes hlavní funkci v identifikaci jedinců, kdy se popisují vždy topograficky (t.j. podle umístění). Předpověď rozsahu a rozmístění odznaků u nenarozených hříbat však zůstává obtížná, kvůli vlivu vnějšího prostředí a dalších neznámých faktorů. V dřívějších stoletích však byla odznakům věnována velká pozornost z hlediska tvorby různých pověr ve vztahu s charakterem koní při jejich koupi a výběru (Bílek a kol., 1957). Takovéto vztahy určitých vlastností s odznaky však nebyly vědecky podloženy (Stachurska et al., 2007). 4

5 3.1. Vznik bílých odznaků Pigmenty jsou vyráběny specializovanými buňkami tzv. melanocyty odvozenými z melanoblastů. Tyto buňky vznikají během embryonálního vývoje z neurální lišty a migrují do okolí (Seidel and Elsden, 1987) (Thiruvenkadan, 2008). Nedostatek pigmentace může být tedy způsoben selháním migrace melanocytu, jeho inhibicí či celkovým selháním jeho produkce. Pro odznaky na hlavě a na končetinách u koní je pravděpodobné, že v těchto oblastech došlo k selhání migrace melanocytů a ke vzniku definované bílé srsti s růžovou kůží. Některé bílé odznaky se však projevují i bez podkladu růžové kůže, ale tyto plochy se vyskytují pouze jako malé nebo úzké oblasti na hlavě a končetinách a jako okrajové oblasti u větších skvrn. Tmavá kůže pod těmito odznaky je pravděpodobně důsledkem omezené migrace melanocytů z přilehlých pigmentovaných oblastí, kdy se tyto buňky později přemisťují a nemusí již proniknout strukturou chlupu tak, aby tato celá oblast zůstala pigmentovaná. Ze studií na myších je pravděpodobné, že odznaky u koní by mohly být způsobeny genetickou variabilitou na homologním genu pro strakatost (zapojeny jsou však určitě i jiné geny). U myší jsou znaky na nohách, hlavě, ocasu a na těle způsobeny homozygotně recesivní sestavou alel pro strakatost. Odznaky se však mohou vyskytnout i u heterozygotů v závislosti na přítomnosti alel na jiných lokusech pro odznaky. Genetická analýza strakatých koní je však velmi složitá, protože vzniklý strakatý kůň může zdědit tyto odznaky buď jako dominantní nebo jako recesivní znak, v závislosti na genetickém pozadí. Rozmístění a velikost odznaků je také pravděpodobně v interakci s těmito vzory tobiano, overo a leopard komplex a na základě těchto interakcí by se mohlo zahrnovat i rozšíření bílých odznaků, jakož i potlačování jim odpovídajících barev (Bowling, 1996) Genetické pozadí a vliv prostředí Žádní dva koně s jakýmikoli bílými odznaky nemají stejné vzory. Tato známá rozmanitost odznaků nám tedy odráží i velkou rozmanitost alel a negenetických vlivů působící na migraci melanocytů. Pro jakoukoli analýzu znaku s genetickou variancí je důležité rozumět vlivu prostředí na výslednou podobu znaku, měli by jsme tedy znát, že některé bílé odznaky mohou vzniknout destrukcí melanocytů v lokalizovaných oblastech jako následek úrazu bez genetického přičinění (tzv. získané odznaky). Klíčem k zahrnutí negenetických vlivů je asymetrie odznaků na končetinách. Všechny čtyři nohy u jednotlivých koní mají přesně stejnou genetickou výbavu, ale i přesto může být jedna končetina bez odznaků, jiná se spěnkou či s vysoko bílou končetinou, je to tedy nekonečné množství různých kombinací. Pro klasický genetický výzkum, který se snaží pochopit vliv prostředí je výhodné využívat k pozorování jednovaječná dvojčata. Však vzhledem k tomu, že výskyt jednovaječných dvojčat je tak vzácný je jednodušší samotné embryo získat od vhodné dárkyně a v laboratoři pomocí štěpení embrya na přibližně stejné poloviny je následně implantovat do různých klisen/nositelek. Po následném narození dvojčat lze pozorovat stejné pohlaví i barvu, ale totožnost bílých odznaků nemůže být potvrzena. Allen a Pahen (1984) z takového pozorování popsali hříbě následně: Jedno hříbě mělo ponožky na všech čtyřech nohách a druhé hříbě mělo ponožky pouze na levé přední a zadní noze. Negenetické komponenty, které ovlivnily variabilní projev znaky nebyly zjištěny, ale přesto výzkum dramaticky ilustruje, že jakékoli úvahy o genetice odznaků musí zahrnovat pochopení, že ne všechny pozorované rozdíly mezi jedinci se zakládají v genech (Bowling, 1996). 5

6 3.3. Vliv barvy srsti a pohlaví na odznaky Woolf (1990) ve svých studiích zahrnul do svých pozorováni odznaků končetin i vliv pohlaví a základní barvy. Zjistil, že počet oblastí na hlavě s bílou srstí souvisí s počtem odznaků na končetinách, což nám ukazuje, že jsou založeny stejným genetickým mechanismem a jsou tedy ve vzájemné korelaci. Jeho údaje potvrdily také vliv barvy na projev odznaku (ryzáci mají více odznaků jak hnědáci či vraníci) a na vliv pohlaví (samci mají širší bílé odznaku, než samice) (Dreux, 1966). Větší rozsah bílých odznaků je tedy celkově ovlivněn komplexem faktorů, včetně pohlaví, polygenního systému znaku, E lokusu a negenetických faktorů (Bowling, 1996). Woolf (1991) díky všem svým studiím ukázal, jak by se mohl sestavit chovný program, kde by jsme vybrali určité jedince s ohledem na požadovanou velikost odznaků a po určitě selekci by jsme se mohli dopracovat k očekávaným výsledkům produkce hříbat s žádaným výskytem rozsáhlých odznaků či jedinců bez odznaků (Bowling, 1996). 4. Odhady heritability h² V následujících kapitolách uvádím studie Charlese M. Woolfa, který se snažil jako jediný o odhad dědivosti a bližšího pochopení zákonitostí dědičnosti bílých odznaků jak na hlavě i končetinách. V českém časopise Náš chov z roku 1999 také publikuje náš hipolog Ing. Václav Jakubec odhady heritability, ale nikde neuvádí, kde ke stanoveným údajům přišel Heritabilita odznaků hlavy Woolf (1989) analyzoval dědivost odznaků na hlavě u arabských koní. Jako základní soubor vybral 22 otců s alespoň 100 hříbaty a získal celkem 7343 odlišných hříbat obou pohlaví a porovnával varianty odznaků. Nejdříve rozdělil hlavu koně na 5 oblastí(star, strip, snip, upper lip, lower lip), kdy nezvažoval výši malých vlivů aditivních účinků a nenašel žádné důkazy, že by každá část hlavy byla řízena jedním genem. Zjistil tedy, že odznaky na hlavě jsou kontrolované polygenním působením genů. Dědivost odznaků odhadl na 0,69 (h² = 0,54 (Jakubec, 1999)) vlivu genetické diference. Woolf také sestavil statistický profil předpokládaných odznaků u hříbat z konkrétního páření kde byly získány tyto variace př.: 66% hříbat z rodičů bez odznaků také neměli bílá místa u 25 % se vyskytovala hvězda a 9% mělo větší odznaky, než hvězda. U rodičů s bílými odznaky na hlavě ve všech 5 oblastech bylo 54% hříbat podobně označeno jako rodiče a 46% mělo méně bílých oblastí na hlavě, než rodiče. Nelze však předpokládat, že tento odhad heritability u arabských koní platí pro všechna plemena, proto takovéto poodobné studie jsou potřebné i u dalších plemen jako je quarter horse a morgan, kteří musí splňovat v souladu s předpisy plemenné knihy omezující registraci koní s odznaky převyšujícími definované hranice (Bowling, 1996) Heritabilita odznaků končetin Woolf (1990) stanovil, že i bílé odznaky na končetinách jsou evidentně záležitostí polygenní dědičnosti a náhodné výsledky jsou také ovlivněny kvantitativním vyjádřením těchto znaků, kdy regresní analýzy hříbat naznačují, že asi dvě třetiny fenotypové variability můžeme přičíst genetickým rozdílům. Odhad heritability pro bílé odznaky na končetinách stanovil na 0,68 (přední končetiny h²= 0,33 a zadní končetiny h²= 0,40)a dále zvážil průměr odznaků končetin a hlavy a získal heritabilitu 0,77 (Bowling, 1996). 6

7 4.2.1 Studie odznaků končetin Woolf (1990) pozoroval v průměru u arabských plnokrevníků hnědé barvy více odznaků na zadních končetinách, než na předních ( tzv. předozadní asymetrie) a častější výskyt odznaků na levých končetinách, než na pravých (tzv.směrová asymetrie). Woolf chtěl zjistit zda existuje genetická variance pro tyto typy asymetrie. Studoval hříbata hnědého zbarvení, jenž byly rozdílní pro vybrané směry asymetrie. Při studii kvantitativních změn hnědých hříbat byly v určeném směru pozorovány statisticky významné odchylky. Odstraněny byly také zvýhodněné směry levopravých jedinců. Však pouze dva ze šesti pozorovaných odchylek byly statisticky významné při použití testu významnosti. Tyto diferenciální odpovědi se odráží ve velikosti odhadů heritability. Na základě celkových výsledků můžeme dojít k závěru, že oba typy asymetrie mají stejný genetický základ, ale i tak je genetická variance mnohem větší u předozadní asymetrie, než u směrové asymetrie. Bílé znaky tohoto typu asymetrií vyplívají z nedostatku melanocytu ve vlasové struktuře a v kůži (Silvers, 1979, Seidel & Elsden, 1987). U savců se melanocyt zakládá již v neurální liště z prvotního melanoblastu (Mintz, 1974). Ostrá hranice páteře v neurální liště odděluje do určitých oblastí prvotní melanoblast, jenž se dále migrací a klonální proliferací vyskytuje samostatně na každé straně embrya (Mintz, 1967). Rawles (1947) ukázal, že u myší je melanoblast přítomný téměř ve všech oblastí integumenta odkud dále migrují směrem k cílovým oblastem na distálních částech těla. Kompletní migrace a klonální proliferace melanoblastu v mesodermu zajišťuje plný počet melanocytů, což vede ke zcela pigmentovaným oblastem končetin. Přestože nám chybí vědecká potvrzení, je logické předpokládat, že bílé odznaky vyplívají z nedostatku melanoblastu v distálních končetinách během zárodečného vývoje. Náhodné vlivy, které ovlivňují migraci melanoblastu způsobují diference kvantitativních vyjádření společným všem odznakům (Woolf, 1995). Odlišné odznaky u koní se vyskytují jen díky náhodným vlivům prostředí. Z hlediska morfologie můžeme tyto diference rozčlenit z hlediska asymetrie, která může být definována jako náhodná odchylka od bilaterální asymetrie (směrová/levopravá asymetrie, předozadní asymetrie) (Levin et al. 1995, Palmer 1995, Valen, 1962). U koní domácích (Equus caballus) jsou v průměru rozsáhlejší bílé odznaky na zadních končetinách a obecně u levých končetin více jak u pravých (Dreux, 1966, Woolf, 1990). Odhad heritability u anteroposteriorní/předozadní a směrové asymetrie byl získán s použitím fenotypových rozdílů odznaků na končetinách rodičů a jejich hříbat. Společné značení bílých odznaků u arabských koní bylo definováno takto: 1-coronet/korunka bílá, 2- pastern/spěnka bílá, 3-fetlock/ do půl holeně bílá, 4-sock/ holeň bílá, 5-stocking/vysoko bílá u pozorovaných arabských koní jsou uznávány tyto zbarvení: bay/ hnědák, black/vraník, chestnut/ryzák, grey/bělouš a roan/nevybělující bělouš (Woolf&Swafford, 1988). Pro účel odhadu heritability byli pozorováni však jen jedinci se hnědým zbarvením. Ryzáci byli pro výzkum vyloučeni z důvodu interakce s polygenními znaky za vzniku rozsáhlých bílých vzorů na končetinách a kvůli absenci směrové asymetrie. Vraník a nevybělující bělouš byli vyřazeny z důvodu nedostatku odpovídajících hodnot a jedinců. Vybělující bělouš se pro tento typ studií nehodí z důvodu neschopnosti rozeznání přítomnosti bílých odznaků v pozdním věku (Woolf, 1990, 1995). Ve studii bylo tedy zaznamenáno hnědých hříbat. Pomocí registru arabských koní byly získány fotografie všech jedinců, kdy byly tyto údaje přečteny programem, který konvertoval popisy na výše uvedené členění (Woolf, 1995). Dále byly získané hodnoty o jednotlivých končetinách analyzovány pomocí softwaru SAS. Tyto výsledky mají tu výhodu v rychle získaných informací z registru arabských koní, které by bylo jinak obtížné získat. Nicméně je zde nevýhoda výskytu nepravidelných odznaků, kde korekce asymetrických oblastí pomocí logaritmické transformace není příliš uspokojivá. 7

8 Neparametrická jednosměrná analýza rozptylu u které se předpokládá spojitost v rozdělení není také příliš uspokojivá z důvod přítomnosti mnoha vazeb, které mají vliv na přibližné hodnoty. V dalších studiích hnědých hříbat se zaměřil na oba rodiče s cela rozdílnými odznaky, kde byl u hříbat pozorován průměrný rozdíl. Významnost odchylek byla stanovena pomocí T- testu. Pro zjištění heritability byl tak původní soubor hnědáků rozdělen do několika skupin podle výskytu odznaků: jedinců s odznakem na levé straně (h2= 0,1743), 3461 jedinců s odznakem na pravé straně (H2=0,1542) a u předních končetin h2=0,0157. Nízká dědivost odznaků asymetricky rozdělenými byla také pozorována ve studiích znaků u jiných druhů (Leamy, 1984, Palmer, 1996). Pozorované směrové asymetrie pro bílé odznaky na končetinách arabských koní odráží pleitropní či dominantní účinek. Bylo také prokázáno, že během polohy mláděte v děloze jsou některé signální molekuly vztaženy pouze na jedné straně středové osy embrya (Levin et al., 1995). Biben a Harvey (1997) prokázaly, že Nkx25 homeobox gen u myší ovládá toto asymetrické rozložení. U obratlovců je tato asymetrie ve vztahu s nemoci srdce známá a je také příčinou mortality u lidsckých novorozenců (Lohr, Danox & Yosta, 1997) (Woolf, 1998). Tabulka arabských koní hnědé barvy 0 bez odznaků; 1 coronet/korunka; 2 pastern/spěnka; 3 fetlock/ půl holeň; 4 sock/ holeň; 5 stocking/vysoko bílá. Pro každý test významnosti nulové hypotézy je µd=0 průměr směrodatná rozdíl t-test P odchylka PZ 1, PP < LZ LP < zadní konče přední konč < levá strana pravá strana < LP PP LZ PZ Tabulka 2. Rozdíly heritability u různých končetin. Odhady byly získané z regresní analýzy hříbat podle otce, matky a podle průměru obou rodičů za použití rozdílů u hříbat, matek, otců a obou zároveň. Studie byla omezena na hříbata, kteří měli bílé odznaky, alespoň v jednom případě na různých končetinách. odlišné konč. n regrese h2 směr. odchy. P hříbě od otce 0,1457 0,0348 <0,001 levá strana 4048 hříbě matky 0,2066 0,0312 <0,001 hříbě obou 0,1743 0,0228 <0,001 hříbě otce 0,1680 0,0350 <0,001 pravá strana 3461 hříbě matky 0,1456 0,0333 <0,001 hříbě obou 0,1542 0,0239 <0,001 hříbě otce 0,0222 0,0476 0,6404 přední konč hříbě matky 0,0108 0,0431 0,8019 hříbě obou 0,0317 0,0317 0,6201 8

9 5. Závěr V tomto krátkém shrnutí dědičnosti odznaků koní můžeme vidět, že tato problematika není ještě zcela objasněna a to z mnoha důvodů. Studie zaměřené do oblastí kvantitativních znaků musí pracovat s velkým množstvím jedinců a dat. V našem případě je pozorování odznaků u koní obtížné v získání dostatečně velké pozorované populace jedinců v různém stupni variability znaku. Téma jsem také zpracovávala z relativně starých zdrojů, proto by bylo také vhodné navrhnout další nové studie, které by se zabývaly touto problematikou minimálně v takovém rozsahu jako C.M. Woolf. Vhodným plemenem by byl tedy quarter horse. Toto plemeno je nejrozšířenější na světa a QH asociace velmi pečlivě zpracovává informace o koních z celého světa v podobě rodokmenu a minimálně ze čtyř fotografií daného jedince. Závěry takové studie s novými informacemi a technologiemi by byly v porovnání s pracemi Woolfa velmi zajímavé. 9

10 6. Přílohy Obr. 1 Typické oblasti s výskytem odznaků na hlavě u koní Obr. 2 Odznaky na hlavě Obr. 3 Odznaky končetin 10

11 7. Seznam použité literatury Belyaev, D.K., 1979 in Bowling, A.T White markings. Horse genetics. CABI, USA, p Bílek, F Popis koní, v, Koubek, K. (ed.), Speciální zootechnika. SZN, Praha, s Bowling, A.T Horse genetics. CABI, USA, p. 200 Dreux, M., 1966 in Bowling, A.T Influence of coat color and sex. CABI, USA, p. 81 Jakubec, V Nové poznatky v dědičnosti barev koní. Náš chov, 9, 47. Pashen, R.L., Allen, W.R in Bowling, A. T Non-genetic influences. Horse genetics. CABI, USA, p Seidel G.E., Elsden R.P., 1987 in Thiruvenkadan, A.K., Kandasamy, N., Panneerselvam, S. 2008: Coat colour inheritance in horses. Livestock Science 117: Stachurska, A., Pieta, M., Lojek, J., Szulowska, J. 2007: Perfomance in racehorses of various colours. Livestock Science 106: Dostupné také z < Thiruvenkadan, A.K., Kandasamy, N., Panneerselvam, S. 2008: Coat colour inheritance in horses. Livestock Science 117: Dostupné také z < Woolf, C.M., 1989 in Bowling, A.T Polygenic inheritance. Horse genetics. CABI, USA, p. 80. Woolf, C.M., 1990 in Thiruvenkadan, A.K., Kandasamy, N., Panneerselvam, S. 2008: Coat colour inheritance in horses. Livestock Science 117: Woolf, C.M., 1990 and 1991 in Bowling, A.T Influence of coat color and sex. CABI, USA, p. 81 Woolf, C.M., Directional and anteroposterior asymmetry of common white markings in the legs of the Arabian horse: response to selection. Kluwer Academic Publishers 101: