Fiskeavl og seleksjon

---

Innhold

• Genetiske endringer av en populasjon
• Genetisk variasjon
• Innavl
• Genotype-miljøsamspill

---

De fleste av oss har en viss anelse om hva seleksjon og avl innebærer og hva som er hensikten, men målet her er at vi skal få litt mer konkret forståelse av prinsippene og begrepene som benyttes. Vi skal her se på hvorfor vi driver stamfisk- og avlsarbeidet for laks slik vi gjør i dag, og hva som er avgjørende for at vi skal kunne fortsette å få genetisk fremgang i mange generasjoner fremover. Bærekraftbegrepet gjelder her også, og den største trusselen mot ethvert avlsprogram er innavl, og vi må derfor ha full kontroll på slektskap og hvor hardt vi selekterer.

Kort sagt kan en si at seleksjon (utvelgelsen av foreldre) og avl (hele avlsarbeidet) handler om å utnytte genetisk variasjon i en populasjon for å oppnå forbedring av egenskaper hos avkommet. #Gener inneholder informasjon som sammen med miljøpåvirkning bestemmer utseendet og egenskapene til levende organismer, og disse overføres fra forelder til avkom gjennom arv. Domestisering av husdyr, og nå fisk, skjer gjennom menneskestyrt seleksjon og paring av de beste individene i populasjonen for å forbedre egenskaper. Med moderne avl og statistiske modeller blir alle viktige og målbare egenskaper målt i en samla #avlsverdi. #Arvbarhet eller arvegrad er andelen av den #fenotypiske variasjonen som skyldes genetisk variasjon, det vil si hvor mye av variasjonen i egenskapen som styres av gener. I vanlig seleksjonsavl utnytter vi først og fremst den såkalte smale arvbarheten, det vil si at kun de #additive geneffektene regnes med i avlsverdien.

Genetiske endringer av en populasjon

Gener – bærere av genetisk informasjon, fra generasjon til generasjon

#Gener inneholder informasjon som bestemmer utsende og egenskapene hos alle levende organismer. Etter en viss tilfeldig omstokking under dannelsen av kjønnsceller og i befruktningen, overføres genene fra forelder til avkom. Denne omstokkingen av DNA-segmenter og det tilfeldige valgt av en av foreldrenes allelvarianter ved dannelsen av kjønnsceller er en viktig forutsetning for nydannelse av genetisk variasjon ved kjønnet formering. Avkommet arver ett #allel fra hver forelder, dvs. kun ett av de to allelene som foreldrene har i sitt #genom. Er de nedarvede allelene fra hver av foreldene like vil avkommet være homozygot og er de ulike vil avkommet være heterozygot for egenskapen. #Fenotypisk variasjon innen arter avhenger av den genetiske sammensetningen, dvs. variasjonen i alle de ulike #genotypene som finnes i de enkelte individene i populasjonen, og miljøfaktorer.

Genetiske effekter

Genene som nedarves kan ha ulike genetiske effekter. De kan uttrykkes eller virke #dominant, #additivt eller #epistatisk. Og de kan være #kjønnsbundne hvis de sitter på kjønnskromosomet. Det er hovedsakelig additive genetiske effekter som kan selekteres for i husdyr og fisk siden dette vil komme direkte til uttrykk i avkommet. Slike #additive gen-effekter overføres direkte fra generasjon til generasjon og er relativt enkelt å selektere for, og slik avl kalles ofte for reinavl eller innen-linje-avl. Dette i motsetning til krysningsavl, der en prøver å utnytte #ikke-additive gen­effekter. Krysningsavl er avhengig av at det eksisterer linjer eller stammer som enten er homozygote for ulike allel, som må til for å skape dominans.

Evolusjon vs. domestisering

Evolusjonsteorien sier at naturlig seleksjon fører til at de individene som er best tilpasset miljøet og/eller får flest avkom til enhver tid vil føre sine gener videre til neste generasjon.. Det er også vitalt at det finnes genetiske variasjonen i populasjonen for at arten kan være i stand til å tilpasse seg miljøforandringer og forbedre sin såkalte #fitness, som avhenger både av individets overlevelses- og formeringsevne. Domestisering av husdyr startet med kunstig eller styrt seleksjon og paring av de beste individene i populasjonen, mht. de egenskapene og kvalitetene vi prioriterer, f.eks. tilvekst, lynne eller sykdomsresistens. Denne domestiseringen har vært et viktig fundament for landbruket over flere tusen år. En tilsvarende prosess skjedde egentlig ikke for fisk, før for noen få tiår siden. Hovedgrunnen til at dette ikke har skjedd før var først og fremst at høy #innavl raskt skapte store problemer for de som har forsøkt. Uten individmerking og med stor formeringsevne øker innavlen raskt ved såkalt #fenotypeseleksjon. De spesielle utfordringene med innavl i fiskeavlen er noe vi skal komme mye tilbake til senere.

Genetisk variasjon og den genetiske grunnmodellen

Variasjonen i en populasjon kan uttrykkes med #varianskomponenter for henholdsvis #fenotype, #genotype og miljø.

Den genetiske grunnmodellen som er basis for beregning av #avlsverdier skrives vanligvis som:

Seleksjonen som ble gjort da vi domestiserte husdyra våre baserte seg som nevnt kun på #fenotypen til individet selv, #fenotypisk seleksjon. Men med mer moderne avl, der statistiske modeller med slektskapsinformasjon blir brukt, blir alle fenotyper brukt samlet, dvs. at all fenotypeinformasjon hos kjente slektninger blir veid sammen på riktig måte til en #avlsverdi for hver avlskandidat. Slektskapsinformasjon er spesielt viktig for egenskaper som ikke kan registreres på avlskandidaten selv, slik som kvalitetsegenskaper (fett og farge) og sykdomsresistens. 

Arvbarhet

Arvbarheten (også kalt heritabilitet, arvegrad, eller bare h²) til en egenskap er andelen av den fenotypiske variasjonen som skyldes genetisk variasjon, det vil si hvor mye av egenskapen som styres av gener.  Vi skiller mellom bred arvbarhet, der alle genetiske effekter er med, og smal arvbarhet, der kun de #additive geneffektene er med. Det er denne siste som er mest interessant når vi skal selektere, fordi det er disse effektene som vil uttrykke seg i avkommet uavhengig av hvilke andre #allel individet er bærer av. Arvbarheten ligger alltid mellom 0 og 1, hvor 0 betyr at det ikke er noen genetisk påvirkning og 1 betyr at egenskapen styres fullstendig av genetikk.

Seleksjon

#Avlsverdien til et individ brukes for å rangere avlskandidatene i en populasjon. Den sanne avlsverdien er summen av de additive genene som påvirker egenskapen. Denne sanne avlsverdien vet vi ikke 100 % sikkert og vi må derfor estimere eller beregne den for de egenskapene vi er interessert i. Med høyere nøyaktighet vil prediksjonen av avlsverdier bli mer sikre og nærmere den sanne avlsverdien. Nøyaktigheten på avlsverdien, også kalt #nøyaktigheten på utvalget, kan økes ved bruk av genomisk slektskap, såkalt #genomisk seleksjon (GS). Genomisk seleksjon er en samlebetegnelse på flere ulike statistiske metoder som alle benytter genetiske markører for å kunne beregne avlsverdier mer nøyaktig. De markørene som benyttes kalles #SNPer (Single Nucleotide Polymorphism). Disse kan avleses fra biologiske prøver, f.eks. blod eller vevsprøver. Markørene fungerer som små merkelapper langs kromosomene. Noen av markørene vil ligge i nærheten av gen som påvirker egenskapene vi er interessert i og vi kan bruke dette til å selektere mer nøyaktig for disse egenskapene. Denne metoden er relativt ny, men har allerede blitt tatt i bruk av de fleste moderne avlsprogrammer innen husdyr og i mange fiskeavlsprogram. Vi kommer tilbake til ulike metoder for å beregne avlsverdi senere i avsnittet om #hvordan vi beregner avlsverdier.  

Avlsmålet for et avlsprogram beskriver hvilke egenskaper som en ønsker å forbedre gjennom avlsarbeidet og hvor sterkt vi vil vektlegge hver egenskap. 

Genetisk variasjon i husdyr og fiskeavl

I genetikken har vi kanskje lært virkningen enkeltgen kan ha på f.eks. farge og form på blomster og erter, #kvalitative egenskaper. Disse egenskapene er styrt av er såkalt mendelsk nedarving. Men her, i husdyr- og fiske-avlen, er vi som regel ikke opptatt av enkeltgen, men av den samla effekten av mange gen, dette kaller vi #kvantitativ genetikk. Kvantitative egenskaper vil alltid være styrt av mange gen og vil også alltid være påvirket av miljøet. Slike egenskaper vil som regel ha en tilnærmet normalfordelt distribusjon eller spredning. Men hvordan kommer vi fra de få fenotypene hos kvalitative egenskaper, som er styrt av enkeltgen, til normalfordelte egenskaper?

Figur 2 viser et enkelt eksempel med en egenskap (f.eks vekt) styrt av bare to gener, der hvert gen har to allel, angitt her med stor eller liten bokstav. Vi har for enkelhetsskyld gitt allelverdien 1 og 2 til henholdsvis liten bokstav og stor bokstav. Vi antar at det ikke er noen samspillseffekter som spiller inn, f.eks dominans. Videre antar vi at allelfrekvensen er 0,5 i begge genene.

Som vi ser, vil det selv med kun to gener, bli en fordeling av genotyper som er tilnærmet normalfordelt. Vi vet at for de fleste egenskaper er det hundre eller tusenvis av gener som påvirker fenotypen, så det er derfor en rimelig antakelse å si at de fleste egenskaper av økonomisk interesse er normalfordelte.

Kvantitative og kvalitative egenskaper i avlsprogram på fisk

Vi har over beskrevet det som kalles #kvantitative egenskaper, dvs. at det er mange gen som påvirker egenskapen og at den kan måles på en kontinuerlig skala, f.eks. høyde eller vekt, mens de #kvalitative egenskapene ikke kan måles på en kontinuerlig skala. Noen av disse kvalitative egenskapene er styrt av kun ett eller noen få gener. Men det er også noen slike egenskaper som vi likevel antar har en underliggende normalfordelt genetisk kontroll, som da må over en viss terskelverdi før den går over fra en fenotype til en annen. Vi kaller dette for enten-eller-egenskaper eller binære-egenskaper. Eksempler på slike egenskaper overlevelse som vil være en binær egenskap (død=0/levende=1), mens kjønnsmodning i sjø etter 1, 2, eller 3 år for laks vil bli kalt en klasse-inndelt egenskap. Men kjønnsmodning kan også opptre som en binær egenskap, fordi egenskapen som vi vanligvis registrerer er om et individ er kjønnsmoden eller ikke etter ett år i sjøen.

Kvalitative egenskaper som styres av kun ett eller noen få gener er som regel ikke påvirket av miljøet. På fisk kjenner vi få slike kvalitative egenskaper, men mye tyder nå på at resistens mot infeksiøs pankreasnekrose (IPN), en sykdom hos laks forårsaket av et birnavirus, er påvirket av kun ett gen. Dette blir i så fall et unntak fra regelen om at slike kvalitative egenskaper er upåvirket av miljøet, siden smitte i høy grad må kunne sies å være en miljøfaktor. Vi har ellers svært få eksempler på at slike kvalitative egenskaper er viktige i avlsprogram på fisk. 

Genetisk endring av en populasjon – Seleksjonsrespons

Både menneskestyrt og naturlig seleksjon er avhengig av at det finnes genetiske variasjonen i en populasjon. Dersom det ikke finnes variasjon, vil det ikke kunne selekteres individer som er bedre enn gjennomsnittet, og forbedring eller endring er ikke mulig.

Endringen som vil skje ved naturlig seleksjon vil være for å oppnå best mulig fitness, dermed vil populasjonen endre seg slik at den har bedre muligheter til å overleve i det miljøet den befinner seg. Ved kunstig seleksjon prøver en å oppnå en styrt endring i egenskaper som vi mennesker anser som nyttige, f.eks. raskere tilvekst eller bedre motstandsevne mot problematiske sykdommer. Endringsprosessen er lik i begge tilfeller, og kan forenklet fremstilles som i figur 3.

Figur 3 viser bl.a. fire viktige prinsipper:

1. Variasjon i egenskaper skyldes ikke bare #additive-geneffekter, men også andre geneffekter (#dominans og #epistasi) og miljø, og vi kan derfor ikke regne med at avkommet nødvendigvis vil være like gode som foreldrene.
2. Jo sterkere en selekterer, jo større vil seleksjonsresponsen bli.
3. Hvis det ikke er variasjon i en egenskap, kan vi ikke få seleksjonsrespons.
4. Hvis egenskapen ikke er arvbar, kan vi ikke få seleksjonsrespons.

I figuren har vi også vist en måte å måle seleksjonsrespons, her benevnt som R, Respons. En annen benevnelse er ΔG. (uttalt delta-G) som er endringen i genetisk nivå mellom to generasjon, eller genetiske fremgangen per generasjon. Formelen nedenfor viser en annen måte å beregne ΔG på. Dette kalles breeders equation på engelsk, fordi den viser alle faktorer som påvirker genetisk fremgang:

Bevaring av genetisk variasjon er helt sentralt for å kunne ha et bærekraftig avlsprogram. Den største trusselen mot tap av genetisk variasjon er #innavl, og #innavlskontroll, som vi straks skal komme tilbake til, er derfor en av de viktigste forutsetningene for å kunne ha vedvarende genetisk fremgang. Figur 4 illustrerer hvordan additive genetiske effekter vil akkumuleres over generasjoner dersom vi klarer å bevare dem genetisk variasjonen.

Nydanning av genetisk variasjon

Hvordan oppstår genetisk variasjon og hvorfor blir den ikke «brukt opp» når vi selekterer? Vi kjenner ikke til alle mekanismene for nydanning av genetisk variasjon, men #mutasjoner er antatt å være en viktig bidragsyter. De fleste mutasjoner er skadelige og vil bli selektert mot naturlig, men noen kan gi ny forbedret funksjon eller egenskaper og vil derfor bli selektert. Ny genetisk variasjon kan også oppstå pga. nye samspillseffekter mellom gener, f.eks. epistasi, som følge av genetisk rekombinasjon. Det er også mye som tyder på at det ligger funksjoner i det ikke-kodende DNA, såkalt junk-DNA, som regulerer både når og hvordan gener blir uttrykt og som derfor også vil være en del av den totale genetiske variasjonen.

Innavl

Innavl oppstår som en følge av at foreldrene til et individ er beslektet. Foreldrene kan da være bærere av det samme allelet som de har nedarvet fra en felles stamfar eller stammor. Når dette allelet da arves fra både mor og far vil avkommet bli homozygot for dette genet. Dette kan skape skadelige effekter hvis allelet gir negative recessive effekter, også kjent som #innavlsdepresjon. Egenskapene som i størst grad blir påvirket av dette er fertilitet og helse. I avlsarbeidet er vi mer opptatt av at innavl betyr tap av genetisk variasjon, siden det ikke er genetisk forskjell mellom individer som er homozygote for de samme genet. Vi sier da at genet er blitt fiksert. Ved hjelp av genetiske markører, f.eks #SNPer, kan vi måle grad av homozygoti og bruke det som et mål for #innavlgrad.

Innavlskontroll

Noe innavl må en akseptere dersom en kun skal selektere innen en lukket populasjon. Men hvor mye innavlsøkning per generasjon er akseptabelt? Det har vist seg gjennom forsøk og simuleringer at hvis vi holder innavlsøkningen per generasjon under 0,5 % vil den genetiske variasjonen holde seg stabil. De fleste avlsprogram vil derfor holde innavlsøkningen under dette, mens noen tillater opp mot 1 % økning. Dette vil kunne avhenge noe av ulik seleksjon på de to kjønnene, om noen enkeltindivider brukes veldig mye og populasjonsstrukturen ellers.

I et avlsprogram vil det være viktig å holde kontroll på endringer i innavlsgraden mellom generasjoner. Med den høye #reproduksjonsevnen de fleste akvakulturarter har, kan det være vanskelig å holde en lav #innavlsøkning per generasjon, referert til som ΔF. For å kontrollere innavlsøkningen kan det brukes ulike metoder. I fiskeavlsprogram er det særlig to metoder som blir brukt:

Genotype-miljøsamspill

I avlsarbeidet har vi sett at familier av laks kan rangere seg ulikt for egenskapen tidlig kjønnsmodning i Nord-Norge og Sør-Norge, dette kalles genotype-miljøsamspill. Hvis genotype-miljøsamspillet er stort må en kanskje ta hensyn til dette i avlsprogrammet ved å selektere familier som gjør det godt i begge miljøer, dvs. selektere for fleksible genotyper, eller ved å ha to separate avlsprogram, ett for hvert produksjonsmiljø. Ofte kan genotype-miljøsamspill utvikle seg eller øke jo flere generasjoner en selekterer, spesielt hvis en bare har selektert i det ene miljøet. De fleste avlsprogram vil derfor teste fiskefamiliene i ulike miljøer. Hvis den genetiske korrelasjonen for viktige egenskaper er lavere enn f.eks 0,8 kan det være grunn til å vurdere separate avlsprogram for hvert av miljøene, dersom produksjonsvolumet kan forsvare et eget avlsprogram. De norske avlsprogrammene for laks har frem til nå selektert for tilvekst i åpne merder, og det kan derfor være aktuelt å sjekke hva den genetisk korrelasjon er mellom tilvekst i åpen merd og tilvekst i resirkulert vann i lukka anlegg, som nå i økende grad tas i bruk for å unngå luseproblemet.