Moderne Züchtungsmethoden Tier –

liegen sie im Megatrend?

simul+Forum Landwirtschaft 2030 im Spannungsfeld von Globalisierung, Gesellschaft und Regionalität am 5. November in Thum

Dr. Uwe Bergfeld

Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie Abteilung 07 – Landwirtschaft, Waldheimer Str. 219, 01683 Nossen

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Megatrend?

Was ist Tierzüchtung?

Züchten heißt in Generationen denken

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Vom Menschen gelenkte Evolution

Evolutionsfaktoren Selektion Mutation

Rekombination

Genetische Drift

Enorme genetische Variation und

Veränderungspotential

Reproduktive Fitness, Genetische Bürde

Domestikation

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Frei nach Aschenputte:

Die Guten ins Töpfchen, die Schlechten ins Kröpfchen

Praktische Tierzüchtung

über Jahrtausende

Snježana Vidović, Aschenputtel, 2006, Öl auf Leinwand, 25 x 30 cm

http://frederike-daun.blogspot.com/2010/07/entrumpeln-wie-aschenputtel.html am 03.11.2018

Entwicklungsetappen der Tierzucht

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Bis Mitte 19. Jh Bis Mitte 20. Jh Bis 90er 20. Jh Bis heute

• Tierzucht weitestgehend intuitiv

• Vielzahl regionaler Rassen und Schläge

• Nutzung: Dung, Militär, Zugkraft, Ernährung

• Beginn der systema-tischen Tierzucht

• Erste Herdebücher, Zuchtprogramme und Zuchtorganisationen

• Systematische Leistungsprüfung

• Zuchtziele zur Ernährungssicherung

• Etablierung von Besamungszuchtpro-grammen

• Systematische Nutzung Kreuzungszucht

• Populationsgenetik prägt Zuchtmethodik

• Zunehmende Nutzung von Reproduktions-techniken

Wiederentdeckung der Mendel‘schen Gesetze um 1900

• Zunehmende Nutzung der Molekulargenetik

• Genomische Selektion bringt Umbau der Zuchtprogramme

• Nutzung Bioinformatik, Big Data

1900 2000

Breite Anwendung der Künstlichen

Besamung

Wichtiger Erkennt-niszuwachs in der

Populationsgenetik

Aufklärung Doppel-helixstruktur Watson

und Crick 1953

Genomische Selektion

1983 Entwicklung der Polymerase-

Kettenreaktion (PCR)

Sequenzierung der Genome der

Nutztiere

1986 Wilmut klont identische Lämmer

Gene Editing

Leistungsfähige IT-Technik verfügbar

Breite Einführung der BLUP-

Zuchtwertschätzung

Markergestützte Selektion

Beurteilung

Leistungsprüfung

Zuchtwertschätzung

Selektion

Selektionsverfahren

Selektionsintensität

Verpaarung

Reinzucht / Kreuzung

Anpaarungsplanung

Zuchtziel Merkmale Wichtung

Hauptelemente

der konventionellen Tierzucht

Züchtung heißt in Generationen denken!

Systematische Züchtung setzt zwingend ein Zuchtprogramm voraus

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Genetische

Variabilität

Genauigkeit der

Zuchtwertschätzung

Selektionsintensität

Generationsintervall

GI

rd

tgg

ZWZWs

,/

Einflussfaktoren auf den

Selektionserfolg

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ds, r, σ

GI

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Erfolgreiche Zuchtarbeit

Nachhaltige Zuchtziele

Exakte + zuchtzielgerechte Leistungsprüfung

Moderne IT-Systeme

Sichere Zuchtwertschätzung

Zielgerichtete Nutzung biotechnischer und

molekulargenetischer Verfahren

Optimiertes Zuchtprogramm

Effiziente Zuchtorganisation

Leistungsfähiges Marketing

Was hat die Entwicklung der

Zuchtmethoden geprägt?

❙ Populationsgenetik

❙ Reproduktionsbiologische Verfahren

❙ Molekulargenetische Verfahren

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Höhlenmalereien von Lascaux

(zwischen 17.000 und 15.000 v. Chr.) Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/H%C3%B6hle_von_Lascaux

Populationsgenetik in der Tierzucht

❙ Genetische Analyse von Populationen

❙ Verfahren der Zuchtwertschätzung (lineare gemischte Modelle)

❙ Genetische Grundlagen von Reinzucht und Kreuzung

❙ Modellierung und Optimierung vom Zuchtprogrammen

❙ Methodische Grundlagen der Nutzung molekulargenetischer Informationen –

Nutzung Bioinformatik

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Beurteilung

Leistungsprüfung

Zuchtwertschätzung

Selektion

Selektionsverfahren

Selektionsintensität

Verpaarung

Reinzucht / Kreuzung

Anpaarungsplanung

Zuchtziel Merkmale Wichtung

Ziele moderner Zuchtverfahren

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Erweiterung des Reproduktionspotentials

Zuverlässigere Erkennung des genotypischen Wertes

Frühere Erkennung des genotypischen Wertes

Reproduktionsbiologische und molekulargenetische Verfahren in der Tierzucht

❙ 2000 Fruchtfliege Drosophila melongaster

❙ 2001 Mensch

kostete mehrere Milliarden Euro ❙ 2002 Maus

❙ 2005 Hund

❙ 2009 Rind

kostete noch 50 Millionen Euro ❙ 2009 Schwein

❙ 2009 Pferd

❙ 2012 Schaf

Sequenzierung kostet heute

noch wenige Hundert Euro

Sequenzierungserfolge

Illumina MiSeq Sequenzierer (http://en.wikipedia.org/wiki/Next-

generation_sequencing#Next-

generation_methods)

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• Erhöhung männliche Vermehrungsrate um Faktor 10 bis >100

• Räumliche Trennung der Vatertierhaltung

• Deckhygiene, Deckseuchen

Künstliche Besamung

Reprodukionsbiologische Verfahren

• Flüssigkonservierung, Gefrierkonservierung

• haltbar über Tage bis Jahre

• Spermatransport, Spermalagerung

Spermakonservierung

• Niedrige Erfolgsraten, kostenintensiv

• Nur zur Nutzung in der züchterischen Spitze

Embryotransfer

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• In der Praxis etabliert

• Trenngenauigkeit > 90%, geringere TR

• Kombination mit IVP interessant

Spermasexing

Reprodukionsbiologische Verfahren

• Verfahren der Erstellung genetisch identischer Individuen

• Im Stadium der Forschung und Entwicklung (viele offene Fragen)

• Produziert keinen züchterischen Fortschritt

• Keine öffentliche Akzeptanz

Klonierung

• Niedrige Erfolgsraten (1,6 ttE/OPU)

• Nur zur Nutzung in der züchterischen Spitze

• Wiederholte Nutzung möglich

OPU/IVP

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• Tierschutz + wirtschaftliche Schäden

• oft nicht erkannt i.d.R. monogen rezessiv vererbt Defekte treten nur bei wenigen Tieren auf, aber viele sind Merkmalsträger

• Gendiagnostik ermöglicht Erkennung der Merkmalsträger

Erbfehlerdiagnose

Molekulargenetische Verfahren

| 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de 16

Bovine Leukocyte Adhesion Deficiency (BLAD)

Citrullinämie

Deficiency of Uridine Mono- phosphate Synthase (DUMPS)

Pomp´s Disease

Maple syrup urine disease (MSUD)

Spherocytose

Kongenitale Hypothyreose

CVM

Glykogenspeicher- krankheit V

Marfan-Syndrom White Heifer Disease

(Roan)

Dermatosparaxie

-Mannosidose -Mannosidose Wichtige

Erbdefekte beim Rind

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• Tierschutz + wirtschaftliche Schäden

• oft nicht erkannt i.d.R. monogen rezessiv vererbt Defekte treten nur bei wenigen Tieren auf, aber viele sind Merkmalsträger

• Gendiagnostik ermöglicht Erkennung der Merkmalsträger

Erbfehlerdiagnose

Molekulargenetische Verfahren

• Gendiagnostik für qualitative Merkmale (MHS-Gentest, Myostatin-Gentest, Scrapie-Gentest, ESR-Gentest, Hornlosigkeit, ...)

• Identifizierung von DNA-Abschnitten mit Einfluss auf Leistungs- und Qualitätsmerkmale

• Genetische Marker, QTL, Kopplungsanalysen, Marker gestützte Selektion (MAS)

• Genomische Selektion

Genomanalyse auf Leistungs- und Qualitätsmerkmale

• Blutgruppentest DNA-Typisierung

• höhere Aussagesicherheiten

• 10 – 15 Mikrosatellitenmarker

• SNP

Abstammungsnachweis , Identitätskontrolle, Herkunftssicherung

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Molekulargenetische Verfahren

• extrem aufwendig, noch längst nicht praxisreif, sehr hohe Kosten

• Die Erfolge bei der Züchtung von transgenen Nutztieren sind auf Grund der Größe und der komplexen Organisation ihrer Genome bislang recht bescheiden.

• Rechtliche und ethische Grenzen

Gentransfer

• "Gene Pharming„ = Erzeugung pharmazeutischer Produkte mit Hilfe von transgenen Tieren – i.d.R. über die Milchdrüse (z.B. menschliche Blutgerinnungsfaktoren und Interleukine)

• Einbau von Transgenen zur Begrenzung von Abstoßungsreaktionen bei der Organspende von Nutztieren für den Menschen (Xenotransplantation).

Medizinische Anwendungen

• Einsatz von DNA-Nukleasen als molekulare Scheren Zinkfinger Nukleasen (ZFNs), Transcription Activator-like Effector Nucleases (TALENs) und Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR/Cas) erste Publikationen 2012 - größte Biotech-Entdeckung des Jahrhunderts?

• Mutationen exakt dort in der DNA hervorrufen, wo sie benötigt werden.

• Durch DNA-Reparaturmechanismen kann ein zielgenauer Umbau des Gens erreicht werden

Gene Editing

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Umwelt

Leistung

Umwelt

Genetik

SNP‘s

Prinzip der Genomischen Selektion

GTCATAGCATTATTATTATTATTCAGGACCCGGATTTGGACGTTCCAAAGCTATAACCGGG

CAGTATCGTAATAATAATAATAAGTCCTGGGCCTAAACCTGCAAGGTTTCGATATTGGCCC

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Basis der Genomischen Selektion

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Ausgangsmaterial = DNA: > 2 µg z.B. 1 ml Blut enthalten ~ 200 µg 1 Spermaportion enthält ~ 50 µg 10 Haarwurzeln enthalten ~ 1 µg

SNP-Chip: 2k 600k Low High Denity

S..ingle

N..ucleotide

P..olymorphismus

SNP

❙ Identifizierung der wichtigen SNP

❙ SNP-Chip-Technologie

❙ Methodik der genomischen ZWS

(Meuwissen et al. 2001).

SN

P

-lo

g1

0 (

Ad

ditiv

e M

od

el P

-va

lue

) SNP=Single Nucleotide Polymorphism

Typisierung der Individuen nach SNP-Genotypen

Bestimmung des genetischen Wertes der SNP-Genotypen

Ableitung von Schätzfunktionen

Prinzip der Genomischen Selektion Tiere

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Schätzfunktion

Genomische

Zuchtwerte

Laufende

Validierung

Prinzip der Genomischen Selektion

Referenzpopulation (Lernstichprobe)

Genotypen SNP Typisierung

Phänotypen Sicher geschätzte

BLUP Zuchtwerte

Zuchtpopulation (Selektionskandidaten)

Genotypen SNP Typisierung

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Theo Meuwissen Ben Hayes Mike Goddard

Wer hat‘s erfunden???

Genomische Selektion:

Ein großer Schritt in der Tierzucht…

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Nach Rensing (2008)

Genauigkeit der Zuchtwertschätzung beim Milchrind

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Bullenmütter

ELP

Prüfbullen

Wartebullen

NKP

Gesamtpopulation

Herdbuch

MLP

KB

Bullenväter

Kuhväter

Aufbau von Rinderzuchtprogrammen

(In Anlehnung an Swalve)

Vorteile der Genomischen Selektion

für die Tierzucht

❙ Früher Selektionszeitpunkt mit hoher Sicherheit

❙ Sichere Zuchtwerte auch für weibliche Tiere

❙ Projekte Kuh-Vision, Herdentypisierung, Genomisches Herdenmanagement

❙ Merkmalsprüfung nur noch für Tiere in der Lernstichprobe erforderlich

❙ Verbesserte Möglichkeit der Zucht auf „schwierige“ Merkmale

❙ Funktionale Merkmale

❙ Gesundheitsmerkmale

❙ Verhaltensmerkmale

❙ Energiebalancen, Stoffwechselstabilität

❙ Neue Phänotypen (Daten von Sensoren am Tier, …)

❙ …

❙ Schafft Möglichkeiten für betriebs- und umweltspezifische Zuchtziele

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Die Vermessung der Tiere

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Strategie der Tierzuchtwissenschaften

Precision Animal Breeding - Präzisionstierzüchtung

nach Flint & Woolliams (2008) beinhaltet drei grundsätzliche Ziele:

1. Genauere & umfassendere Vorhersage der Ergebnisse von züchterischen

Entscheidungen.

2. Vermeidung unerwünschter Seiteneffekten, die das Wohl des Tieres oder der

Population beeinträchtigen.

3. Langfristige Erhaltung der genetischen Diversität, die innerhalb & zwischen

Population zu finden ist.

| 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de 29 nach Bennewitz (2016)

| 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de 30

Zuchtziele

Zuchtziele

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Genetisches Leistungspotential

Ökonomie

(Fleisch, Milch, Wollfasern, Fell, Fett, Arbeit, Eier, Honig, Seide, …)

Das Ziel der Nutztierzüchtung liegt in der Heranbildung gesunder und leistungsfähiger Tiere,

die in einem gegebenen Lebensraum das verfügbare Futter mit hohem Wirkungsgrad in dienstbare Leistungen und Produkte für den Menschen umzuwandeln vermögen.

Zu erwartende

Marktbedingungen

Züchtung heißt in Generationen denken!

Balancierte und nachhaltige

Zuchtziele Gesellschaftliche

Akzeptanz

Ökologie Gesellschaft

Entwicklung der durchschnittlichen Milchleistung

in Sachsen von 1906 bis 2016

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1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

10.000

Milc

hle

istu

ng in k

g

Quellen:

1906 bis 1950: LKV Sachsen 1950 bis 1988: Stat. Jahrbuch DDR 1989

1989 bis 1990: Stat. Jahrbuch Sachsen

1991 bis 2016: LKV Sachsen

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Wichtung im Zuchtziel der

Deutschen Holsteinzucht

Emissionen je Produkteinheit

| 7. November 2018 | Uwe.Bergfeld@smul.sachsen.de 34

Ausscheidungen je kg essbares Protein tierischer Herkunft bei verschiedenen Proteinquellen

Flachowsky u.a. 2008

Erhebliche Differenzen zwischen Wiederkäu-ern und Monogastri-den

CO2- Bindung über Photosynthese im Fut-terbau ist zu berück-sichtigen

Starke leistungsbe-dingte Degression

Zuchtziele gestern, heute und morgen

Ernährungssicherung

Leistung

Fruchtbarkeit

Fitness, Funktionalität

Qualität

Effizienz

Tierschutz

Gesundheit

Umwelt

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Gestern Heute Morgen

Zuchtziele zwischen Ökonomie, Ökologie und

gesellschaftlicher Akzeptanz

❙ Leistungszucht Wirtschaftlichkeit und Nährstoffeffizienz

❙ Züchtung ist eine der nachhaltigsten Strategien, um eine effiziente Nutzung

tiergenetischer Ressourcen zu erreichen aufwendig, teuer, langwierig – aber

dauerhaft

❙ Hohes genetisches Leistungspotential hohe Ansprüche an die Haltungsumwelt

❙ Die physiologisch bedingten Leistungsgrenzen wurden immer weiter nach oben

korrigiert

❙ Erkrankungsrisiko steigt v.a. Fruchtbarkeitsprobleme, Stoffwechselstörungen und

peripartalen Erkrankungen

❙ Ganzheitliche Auswirkungen für hoch komplexe Merkmale sind tiefgreifender zu

untersuchen

❙ Lösung nur über interdisziplinäre Ansätze

❙ gemeinsam mit der Tierernährung und der Tierphysiologie

❙ unter Verwendung von multiOmics Technologien einschließlich des Mikrobioms

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Die „multiOmics “… Aus dem Werkzeugkasten der Molekulargenetik

Genom Genomics

Transkriptom Transkriptomics

Proteom Proteomics

Metabolom Metabolomics

Phänom Phänomics

Mikrobiom Microbiomics

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Alternativen zur tierischen Erzeugung

❙ Pflanzliche Fleischersatzprodukte

❙ Tierische Proteinquellen (Insekten, Algen, …)

❙ In-Vitro-Fleisch (kultiviertes Fleisch, Fleisch aus dem Labor)

❙ 2013 250.000 € je Burger

❙ 2017 10 € je Burger

Vorteile? Nachteile? Akzeptanz?

Intensives Forschungsfeld – v.a. im Ausland

Zukünftig: Das vom Tier ist das Besondere…?

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Credo

❙ Leistungszucht hat hocheffiziente Populationen mit hohen Ansprüchen an die Umwelt

geschaffen

❙ Produktion im physiologischen Grenzbereich birgt gesundheitliche Risiken

interdisziplinärer Forschungsbedarf zur Leistungsphysiologie

❙ Neue Züchtungsmethoden bieten leistungsfähige Werkzeuge

❙ um Populationen gezielt züchterisch zu bearbeiten

❙ um funktionale und schwierige Merkmale besser zu bearbeiten

❙ um das Herdenmanagement zu optimieren (genombasiertes Herdenmanagement)

❙ um die genetischen und physiologischen Mechanismen komplexer Merkmale zu verstehen

❙ um gezielt betriebs- und umweltspezifische Zuchtziele zu verfolgen

❙ um diversifizierte und regionalisierte Märkten gezielt zu bedienen zusätzliche

Eigenschaften vermehrt in Wert gesetzt werden (Qualitäten, Regionalitäten, Botschaften, …)

❙ Zuchtziele wie auch Zuchtmethoden, mit denen diese Ziele verfolgt werden sollen,

erfordern eine tragfähige gesellschaftliche Akzeptanz

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Megatrend?

| 7. November 2018 | Dr. Uwe Bergfeld 41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit