Als eerste in de wereld heeft DanBred genomische selectie geïmplementeerd in haar fokprogramma voor varkens. Dit was 10 jaar geleden. Vandaag de dag wordt genomische informatie gebruikt voor selectie in de meeste wereldwijde fokprogramma’s voor varkens. Genomische selectie heeft gezorgd voor een revolutie in de varkensfokkerij omdat het mogelijk is om een hogere genetische vooruitgang te bereiken met dezelfde hoeveelheid inteelt. Deze specifieke methode en technologieën zijn zich blijven ontwikkelen door de jaren heen. Hierdoor ontstaan nieuwe mogelijkheden in de fokkerij om de genetische vooruitgang te verhogen.
Door Tage Ostersen, Afdelings Manager en Lizette Vestergaard Pedersen, Consultant, Danish Pig Research Centre.
Verhoogde genetische vooruitgang
Genomische informatie heeft gezorgd voor een revolutie in de varkensfokkerij omdat het bijdraagt aan een nauwkeurige voorspelling van de fokwaarde. Deze fokwaarde draagt direct bij aan een hogere genetische vooruitgang. Als zodanig heeft het als instrument gediend voor de hoge genetische vooruithang die continu wordt behaald. We schatten in dat de genetische vooruitgang voor 30% is verhoogd door genomische selectie, wanneer alle varkens zijn gegenotypeerd. Deze genetische vooruitgang zijn cumulatief en resulteren jaarlijks in verhoogde opbrengsten voor varkensbedrijven.
Het concept van genomische selectie werd voor het eerst geïntroduceerd door professor Theo Meuwissen in 2001. Dit werd relatief snel door de veehouderij sector opgepakt. Het basisprincipe van varkensfokkerij blijft hetzelfde. Gegevens van de stamboom en prestatie blijven essentieel maar genomische informatie wordt hieraan toegevoegd als een meer nauwkeurige bron van informatie dat kan worden gebruikt bij het berekenen van de fokwaarde.
Een nauwkeurigere voorspelling van de fokwaarde
De fokwaarde van een varken is het verwachte effect op de gemiddelde prestatie (of fenotype) van de nakomelingen. De fokwaarde van een varken dat nog geen nakomelingen heeft wordt berekend met behulp van geavanceerde statistische modellen. Deze modellen combineren informatie over prestatie en verwantschap. Dit laat zien welk deel wordt van de prestatie toe te wijzen is aan genexpressie van het varken en welk gedeelte willekeurig is.
Voordat genomische selectie was geïmplementeerd waren de statistische modellen gebaseerd op traditionele stambomen. Stambomen nemen aan dat twee volle broers en zussen altijd 50% verwant zijn. We weten echter dat de aanname van 50% verwantschap voor volle broers en zussen niet correct is. Het is een gemiddelde. Het is een feit dat iedere ouder 50% van zijn genen doorgeeft maar in een extreem scenario is het mogelijk dat beide volle broers en zussen exact dezelfde helft ontvangen van hun ouders. Dit houdt in dat ze 100% verwant zouden zijn. In een tegenovergesteld voorbeeld is het mogelijk dat beide volle broers en zussen exact de tegenovergestelde helft ontvangen van hun ouders. In dat geval zouden ze 0% verwant zijn (ofwel niet verwant).
Figuur 1. Het figuur illustreert een versimpeld voorbeeld van het feit dat volle broers en zussen in meer of mindere maten genetisch verwant kunnen zijn. De beer en de zeug hebben beide hun eigen DNA reeks waarvan ieder exact de helft doorgeeft aan de nakomelingen. Welk deel precies wordt doorgegeven is willekeurig. In dit voorbeeld heeft big 1 een blauw DNA-deel van de beer en een oranje DNA-deel van de zeug geërfd. Terwijl big 2 een groen DNA-deel heeft geërfd van de beer en een rood DNA-deel van de zeug. Klaarblijkelijk hebben big 1 en 2 beide de helft van de genen geërfd van de beer en de zeug maar de DNA-delen zijn compleet verschillend. Dus big 1 en big 2 zijn 0% verwant. De laatste nakomeling, big 3, heeft de helft van ieder gekleurde deel geërfd van de beer en de zeug. Big 3 is daarom voor 50% verwant aan big 1 en 2.
Met genomische informatie kunnen we de verwantschap meten gebaseerd op de gelijkenis op genetisch niveau. We gebruiken duizenden markeringen in het genoom om een nauwkeurigere berekening te maken van genetisch verwantschap. Dit uit zich in de statistische modellen waarbij het genetische gedeelte van het fenotype wordt onderscheiden van het niet-genetische gedeelte – om exactere fokwaarde te berekenen.
| The Breeders Equation Nauwkeurige voorspellingen van fokwaarden draagt direct bij aan een hogere genetische vooruitgang. The Breeders Equation legt uit hoe verschillende aspecten in het fokschema bijdragen aan de genetische vooruitgang (∆G): ∆G= (r ∙i ∙s)/L r is de nauwkeurigheid van de fokwaarden, i is de intensiteit van de selectie, s is de genetische standaard deviatie en L is het generatie interval. Genomische selectie verhoogd de nauwkeurigheid en draagt daarom bij aan een hogere genetische vooruitgang. |
Verbeteren van uitdagende eigenschappen
Genomische selectie verhoogd de genetische vooruitgang voor alle eigenschappen die meegenomen zijn in het fokdoel maar voornamelijk de uitdagende eigenschappen zoals voederconversie en toomgrootte hebben er baat bij. De voederconversie is erg kostbaar om te meten en alleen sommige biggen worden getest op prestatie (gegenotypeerd). Toomgrootte is een eigenschap die laag erfelijk is, die wordt gemeten nadat de varkens zijn geselecteerd voor de fokkerij.
Met genomische selectie wordt er meer informatie gebruikt dan wordt gebruikt voor een geschatte fokwaarde op een eerder moment. Waardoor de genetische vooruitgang groter wordt. Met name voor de uitdagende eigenschappen die anders erg kostbaar en/of tijdrovend zijn om te meten als je dezelfde genetische vooruitgang wil halen als met genomische selectie.
De evolutie van genomische selectie
In het begin waren de kosten van genotyperen hoog waardoor er maar weinig gegenotypeerde varkens waren. Feitelijk waren de kosten in 2010 10 tot 15 keer hoger dan op dit moment. Deze kosten werden niet gecompenseerd door genetische vooruitgang van de economisch meest belangrijke eigenschappen. Als gevolg hiervan werden nieuwe strategieën ontwikkeld voor het genotyperen die kosten bespaarde. Deze nieuwe strategieën zochten naar maximale genetische vooruitgang waarbij er een balans was tussen gegenotypeerde varkens die potentie hadden voor als fokvarken en varkens die de voorspelling van andere varkens konden verbeteren “controle varkens”. Wij hebben gedeeltelijk de varkens met de beste prestaties gegenotypeerd en gedeeltelijk de varkens met een overvloed aan informatie over de prestatie.
Vandaag is de prijs van genotyperen gezakt tot een punt waarbij wereldwijde fokkerij programma’s het merendeel van hun fokvarkens hebben gegenotypeerd. Hierdoor is de behoefte voor nieuwe strategieën voor genotyperen afgenomen. Het proces van genotyperen is verder ontwikkeld en verbeterd tot het punt waarbij de meerwaarde van hogere genetische vooruitgang de extra arbeid en kosten rechtvaardigt. DanBred begon met het genotyperen van 10% van de geselecteerde varkens in 2010 en sinds 2017 is 100% van de geselecteerde kandidaten gegenotypeerd. Dit is meer dan 100.000 varkens per jaar.
Geavanceerde rekenkracht
Het DanBred fokprogramma was de eerste die genomische selectie in varkens gebruikte. Daarom was DanBred vaak de eerste die nieuwe uitdagingen moest aangaan, inclusief die betrekking hadden op de exponentiële groei van het aantal gegenotypeerde varkens. Tijdens de eerste 10 jaar van genomische selectie verdubbelde het aantal gegenotypeerde varkens om de twee jaar. Dit resulteerde in aanzienlijke rekenkundige uitgagingen. Als het aantal gegenotypeerde varkens verdubbelde bij de standaard genomische methoden werd de rekenkundige hoeveelheid verhoogd met een factor tussen de 4 en 8. De rekenkundige hoeveelheid is daardoor honderden keren verhoogd nadat DanBred is begonnen met het gebruiken van genomische selectie.
Figuur 2. De grafiek weergeeft het cumulatieve aantal van gegenotypeerde varkens over de jaren. Vanaf 2017 heeft DanBred 100% van alle geselecteerde kandidaten gegenotypeerd.
Om deze uitdagingen te overwinnen heeft DanBred meerdere keren de rekenkracht moeten verdubbelen en nieuwe methodes geïmplementeerd om de rekenkracht hoeveelheid te verminderen. Recentelijk heeft DanBred oplossende faciliteiten van de Linear Models Toolbox (LMT) geïmplementeerd. Dit is een “generalized linear mixed model” software frame ontworpen en onderhouden door de Centre for Quantitative Genetics and Genomics (QGG) van de Aarhus University. Dit is een succes voor de populaire DMU package. DanBred is ook het eerste bedrijf dat DMU heeft vervangen voor LMT. Hierdoor is de processnelheid van DanBred vergroot met 90%.
Metabolomics is de volgende grote stap voor varkens fokkerij
Genomische selectie heeft hoofdzakelijk gezorgd voor een uitgebreidere toolbox voor de fokker waardoor de lange termijn genetische vooruitgang versneld. Genomische selectie is nog steeds aan het door ontwikkelen en ook andere interessante hulpmiddelen ontstaan. Bijvoorbeeld metabolische selectie, dit is een fokkerij technologie dat gebruik maakt van nucleaire magnetische resonantiegegevens (NMR).
NMR metabolitics meet alle metabolieten in een monster dat genomen is van een individu. Deze complete set van metabolieten- verwijst naar hele metabolomische data – wordt geassocieerd met het niveau van fysiologische activiteit in biologische processen die worden aangewakkerd op DNA niveau en tot uiting komen in DNA expressie (prestatie). De mate waarin fysiologische activiteit plaats vind, wordt gereguleerd door de genen die een individu heeft geërfd van zijn ouders en de invloeden vanuit de omgeving. De combinatie van hele metabolomische data en geërfde genen kunnen worden gebruikt om het genetisch potentieel te verhogen voor wenselijke eigenschappen zoals voer efficiëntie in varkens.
Het onderzoeken van deze technologie is een volgende stap voor de varkensfokkerij. DanBred, het Danish Pig Research Centre, Nordic Seed en Aarhus University werken samen aan een nieuw R&D project over metabolomische data. In dit project wordt hele metabolomische data in combinatie met fenotype, stamboom en genomische data gebruikt om de voer efficiëntie, eigenschappen voor vleeskwaliteit en dergelijke te onderzoeken. Daarnaast voeren de experts een metabolomische analyse uit, ontwikkelen statistische modellen en plannen de implementatie van de resultaten in het DanBred fokprogramma. Het project wordt gedeeltelijk gefinancierd met ~€1.1 miljoen van het Green Development and Demonstration Programme van het Ministry of Environment and Food in Denemarken.
Dit is een voorbeeld van een samenwerking van vele experts die druk bezig zijn met het zetten van de volgende stap in de varkens genetica. Deze partijen vormen de motor voor ontwikkelingen in de sector naar een efficiëntere en duurzamere wereldwijde varkensproductie.
