STRATEGIE PER LA SELEZIONE GENETICA PER LA RESISTENZA ALLA SCRAPIE E I CARATTERI PRODUTTIVI Antonello Carta AGRIS Sardegna Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Obiettivi TRADIZIONALI • Le pecore da latte hanno una duplice attitudine (65-75% latte 35-25% carne) • Il miglioramento della produzione del latte costituisce ancora l’obbiettivo principale • Il tenore in grasso e proteine, contenuto in cellule somatiche e morfologia mammaria sono in fase di introduzione Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Nuove esigenze Consumatori: prodotti biologici e salubri Produttori: riduzione dei costi di produzione • resistenza alle malattie Mastiti sub-cliniche (CCS) Nematodi e altri parassiti Encefalopatie Spongiformi Trasmissibili attitudine alla mungitura meccanica e longevità funzionale apparato mammario Morfologia mammaria e cinetica mungitura • Valore nutrizionale del latte Contenuto in acidi grassi (CLA) del latte Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 SCHEMA DI SELEZIONE DELLA RAZZA SARDA Libro genealogico 8% della popolazione totale Controlli funzionali Fecondazione artificiale (FA) Monta naturale controllata (MN) Valutazione genetica Centro Arieti 251.000 capi 1.091 allevamenti Arieti elite Madri ariete 500 giovani arieti Diffusione progresso genetico attraverso arieti in monta naturale 2.700.000 capi; 11.000 allevamenti Popolazione commerciale Un parto all’anno in contro-stagione Parti adulte tra Ottobre e Dicembre Parti primipare tra Febbraio e Marzo Agnelli macellati a 30 giorni età Latte trasformato in formaggi DOP (Pecorino Romano, Pecorino Sardo e Fiore Sardo) Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 SCHEMA DI SELEZIONE DELLA RAZZA SARDA OBIETTIVI Incremento della produzione lattea per capo e lattazione Aumento della resistenza alla scrapie IN FASE DI INTRODUZIONE Miglioramento della morfologia mammaria Miglioramento della qualità del latte (grasso e proteina) IN FASE DI STUDIO Funzionalità produttiva (CCS, mastiti) Aumento della resistenza a malattie (nematodi, paratubercolosi) Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 CARATTERE SELEZIONATO Incremento della produzione lattea per capo e lattazione Carattere poligenico, cioè supposto come determinato da molti geni ciascuno dei quali contribuisce all’espressione del fenotipo in maniera infinitesimale, ed è influenzato da fattori ambientali. Selezionato secondo l’approccio della genetica quantitativa Aumento della resistenza alla scrapie Carattere monogenico, cioè determinato da un solo gene, non influenzato da fattori ambientali e con dominanza quasi assoluta. Selezionato con il ricorso alla genetica molecolare Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Non confondere l’intervento genetico in un focolaio con popolazione per la selezione l’incremento nella della resistenza: sono due approcci con logiche completamente differenti Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 SELEZIONARE SIGNIFICA: classificare gli individui disponibili e scegliere i migliori per produrre la generazione successiva Obiettivo di un programma di miglioramento genetico è massimizzare la superiorità genetica della generazione n+1 rispetto alla generazione n. Normalmente il progresso genetico viene espresso per unità di tempo (DG annuo). La sua stima è importante per confrontare differenti programmi di selezione e ottimizzare le scelte. Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Codifica alleli e genotipi al locus PrP Genotipi Alleli ARR R Resistente AHQ S Sensibile ARH S Sensibile ARQ S Sensibile VRQ S ARR/ARR RR Omozigote resistente ARR/ARQ RS Eterozigote resistente ARR/AHQ RS Eterozigote resistente ARR/ARH RS Eterozigote resistente ARR/VRQ RS Eterozigote resistente ARQ/ARQ SS Sensibile Sensibile AHQ/ARQ SS Sensibile AHQ/AHQ SS Sensibile ARQ/ARH SS Sensibile AHQ/ARH SS Sensibile ARQ/VRQ SS Sensibile Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Le combinazioni a due a due di questi alleli negli individui possono essere molte, ma dal momento che solo un allele è resistente e tutti gli altri sono sensibili, possiamo ridurre le possibili combinazioni a 3: 1) Resistente / Resistente (R/R) 2) Resistente / Sensisbile (R/S) 3) Sensibile / Sensibile (S/S) Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Caratteristiche di ciascun genotipo: Resistente/Resistente (R/R) (ARR/ARR) E’ resistente alla malattia e trasmette la caratteristica della resistenza a tutti i suoi discendenti Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Ariete resistente R Pecora resistente R R R Pecora resistente ma portatrice sensibilità R R R 100% R Progenie tutta resistente 1/4 portatrice di sensibilità R 75% S S S Progenie tutta resistente R Pecora sensibile R R S 25% Progenie tutta resistente portatrice di sensibilità R S R 100% S Caratteristiche di ciascun genotipo: Resistente/Sensibile R/S (ARR/xxx) E’ resistente alla malattia ma trasmette la caratteristica della sensibilità a metà dei suoi discendenti Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Ariete resistente portatore di sensibilità R Pecora resistente R R S Pecora resistente ma portatrice sensibilità R Progenie tutta resistente 1/4 portatrice di sensibilità R 75% R R S 25% Pecora sensibile S S Progenie 1/4 resistente 3/4 sensibile Progenie 3/4 resistente 1/4 sensibile R 25% R S R S S S S S S 50% R 25% 25% 75% Caratteristiche di ciascun genotipo: Sensibile/Sensibile (S/S) (AHQ, ARQ, ARH, VRQ) E’ sensibile alla malattia e trasmette la caratteristica della sensibilità a tutti i suoi discendenti Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Ariete sensibile S Pecora resistente R R Pecora resistente ma portatrice sensibilità R Progenie tutta resistente portatrice di sensibilità R S R S S Pecora sensibile S S S Progenie tutta sensibile Progenie 1/4 resistente 3/4 sensibile R S S S S S S 100% 100% 25% 75% S Nello stabilire programmi di selezione per la resistenza genetica alla Scrapie occorre tenere conto dei seguenti aspetti: consistenza della popolazione frequenze alleliche iniziali presenza di un’attività di selezione genetica per altri caratteri Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 RISPOSTA ALLA SELEZIONE • intensità di selezione • accuratezza della stima • variabilità genetica • intervallo di generazione Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Richiami teorici : evoluzione frequenze alleliche ∆q = q1-q ∆q = sq2(1-q)/1-sq2 ∆q dipende da s ma anche dalle frequenze alleliche iniziali Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Le scelte selettive si devono fondare oltre che sulle frequenze alleliche di partenza al locus PrP anche sulla pressione di selezione sugli altri caratteri produttivi (latte, morfologia mammaria) Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 RR RS SS Tot Freq. Iniz. p2 2pq q2 1 Coeff. Sel 0 0 S Fitness 1-s1 1-s2 1-s3 Contr. Gam. p2 (1-s1 ) 2pq (1-s2) p2(1-s1) + 2pq(1-s2) + (1-s3) q2(1-s3) q2 Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 2(1-s1) + p 2pq q2 p2 Contr.Gam. 2pq(1-s2)+ (1-s1) (1-s2) (1-s3) 2 q (1-s3) In pratica s1,s2 e s3 dipendono da : • le frequenze di partenza • le enfasi relative del carattere resistenza alla scrapie e dei caratteri produttivi • eventuali effetti del genotipo PrP sui caratteri produttivi Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 la selezione è più veloce con frequenze intermedie e comunque tende a rallentare nel tempo Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Utilizzo di arieti ARR/ARR in allevamenti con frequenze alleliche iniziali differenti 0.50 0.25 Frequenza allele ARR 0.10 Gen frequenza allele ARR 1 0.8 0.6 0.4 0.2 50 25 10 0 0 1 2 3 4 5 F50% 6 7 F25% 8 9 10 generazione F10% Scarto tra 0 e 7 = 49.6% 74.4% 89.3% Scarto tra 7 e 14 = 0.4% 0.6% 0.7% F50% F25% F10% 0 0.50 0.25 0.10 1 0.75 0.625 0.55 2 0.875 0.8125 0.775 3 0.9375 0.90625 0.8875 4 0.96875 0.953125 0.943750 5 0.984375 0.976563 0.971875 6 0.992188 0.988281 0.985938 7 0.996094 0.994141 0.992969 8 0.998047 0.997070 0.996484 9 0.999023 0.998535 0.998242 10 0.999512 0.999268 0.999121 ……. …… …… ….. 14 0.999969 0.999954 0.999945 ……. …… …… ….. 20 0.9999995 0.9999993 0.9999991 Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Come per i caratteri produttivi la via maschile è la più economica nonché la più efficace Con la genotipizzazione dei soli arieti conosciamo il 50% degli alleli della generazione successiva. Per conoscere il restante 50% dobbiamo realizzare un numero di analisi incrementato del rapporto riproduttivo tra i sessi (1/ 40 - 1/100) Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Efficacia della via maschile nel progresso genetico per la produzione di latte PA PP MA 51 % MP 14 % 28 % 7% P A 79 % 21 % PL 3,2 litri/anno Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 L’utilizzo di animali giovani consente di accorciare l’intervallo di generazione e dunque di ottenere maggiori incrementi genetici. Ma ci sono controindicazioni... Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Valutazione genetica ariete miglioratore per la produzione di latte Eventi Nascita 1° 2° 3° Val. Nascita Parto monta monta monta gen. Età ariete (mesi) 0 19 24 31 39 43 48 Età figlie (mesi) - - 0 7 15 19 24 Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Programmazione degli accoppiamenti: se conosco o stimo il genotipo delle femmine dopo aver selezionato (scelto i riproduttori) posso programmare gli accoppiamenti. Le diverse strategie non modificano le frequenze alleliche ma possono modificare in maniera drastica quelle genotipiche. Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 1° CASO: ACCOPPIAMENTO CASUALE ARR-ARR ARQ-ARQ Genitori Frequenza allelica ARR = 50% Frequenze genotipiche RR = 25% RS = 50% SS = 25% ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ 4 8 4 ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ 4 8 Progenie Frequenza allelica ARR = 50% Frequenze genotipiche RR = 25% RS = 50% SS = 25% 4 2° CASO: ACCOPPIAMENTO PROGRAMMATO PER AUMENTO OMOZIGOTI RESISTENTI ARR-ARR ARQ-ARQ Genitori Frequenza allelica ARR = 50% Frequenze genotipiche RR = 25% RS = 50% SS = 25% ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ 4 8 4 ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ 6 4 Progenie Frequenza allelica ARR = 50% Frequenze genotipiche RR = 37,5% RS = 25% SS = 37,5% 6 3° CASO: ACCOPPIAMENTO PROGRAMMATO PER AUMENTO DELLA RESISTENZA ARR-ARR ARQ-ARQ Genitori ARR = 50% RR = 25% RS = 50% SS = 25% ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARR ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARQ-ARQ 4 8 4 ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARR ARR-ARR ARQ-ARQ ARQ-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ ARR-ARQ 12 2 2 Progenie Frequenza allelica ARR = 50% Frequenze genotipiche RR = 12,5% RS = 75% SS = 12,5% Problematiche nella gestione della popolazione in selezione Competizione con gli altri obiettivi di selezione Evitare inbreeding Insufficiente dimensione del LG per fornire arieti a tutta la popolazione Specializzazione di greggi commerciali nella produzione di arieti resistenti con conseguente competizione con LG Razze meno organizzate nella selezione dei caratteri produttivi più efficienti nel raggiungere un livello di resistenza maggiore delle razze con schemi più organizzati Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Gestione della popolazione in selezione: problematiche Specializzazione di greggi commerciali nella produzione di arieti resistenti con conseguente competizione con LG Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Gestione della popolazione in selezione: problematiche Specializzazione di greggi commerciali nella produzione di arieti resistenti con conseguente competizione con LG LEGGE REGIONALE 14 maggio 2009, n.1 Disposizioni per la formazione del bilancio annuale e pluriennale della Regione (legge finanziaria 2009). Art. 4 - … Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Gestione della popolazione in selezione: problematiche Competizione con gli altri obbiettivi di selezione La Selezione per la Resistenza alla Scrapie può influenzare gli altri caratteri d’interesse in seguito a: Un effetto diretto del locus PrP o di un gene strettamente legato (intera popolazione) Un effetto di un gene non strettamente legato al locus PrP (entro famiglia) La perdita di pressione di selezione dovuta all’introduzione di un nuovo obiettivo di selezione Riduzione variabilità genetica Effetto diretto alleli PrP µSS µRS µRR Se le medie del carattere quantitativo sono significativamente differenti tra i tre genotipi dobbiamo tenerne conto nella selezione Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Gestione della popolazione in selezione: problematiche Competizione con gli altri obbiettivi di selezione La Selezione per la Resistenza alla Scrapie può influenzare gli altri caratteri d’interesse in seguito a: Un effetto diretto del locus PrP o di un gene strettamente legato (intera popolazione) Gene PrP d Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Gestione della popolazione in selezione: problematiche Competizione con gli altri obbiettivi di selezione La Selezione per la Resistenza alla Scrapie può influenzare gli altri caratteri d’interesse in seguito a: Un effetto diretto del locus PrP o di un gene strettamente legato (intera popolazione) Un effetto di un gene non strettamente legato al locus PrP (entro famiglia) Gene PrP d Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Associazione tra PrP e valore quantitativo Esempio: gene PrP 1 carattere quantitativo viene selezionato µ’RR= µRR µ’RS= µRS+∆RS µ’SS= µSS+∆SS Il valore per il carattere quantitativo può essere più alto nei genotipi peggiori per il PrP Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Principali risultati Un effetto dovuto alla differente pressione di selezione sui genotipi PrP è stato identificato per la produzione di latte Carattere Contrasto Differenza ES p Produzione di latte RR vs SS -1.41 0.48 0.009 RR vs RS -1.19 0.43 0.015 Questa differenza è principalmente dovuta alla strategia di selezione di utilizzare nel libro genealogico anche arieti resistenti di basso merito genetico e solo arieti suscettibili di elevato merito genetico Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Perdita di pressione di selezione sul carattere quantitativo S1= µ’xx-µxx µxx µ’RR= µRR µ’xx µ’RS= µRS+∆RS µ’SS= µSS+∆SS S2= fRR*(µ’RR-µxx)+ fRS*(µ’RS-µxx)+ fSS*(µ’SS-µxx) S1>S2 Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 La selezione genetica per la resistenza alla Scrapie - Strategie all’interno del LG funzionamento degli arieti: è stato consentito a giovani maschi non ancora provati per la produzione di latte (senza figlie con produzioni) ma con valore genetico elevato e genotipo omozigote resistente di essere impiegati come padri d’ariete. E’ stata elevata la soglia del valore genetico per l’utilizzo nel LG degli arieti sensibili recupero di importanti linee di sangue particolarmente valide per la produzione di latte ma di genotipo sensibile attraverso accoppiamenti programmati degli arieti con pecore omozigoti resistenti al fine di produrre una progenie resistente. Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Numero di capi analizzati (N.) e frequenza dell’allele ARR (%) per annata di nascita nella popolazione iscritta al LG della razza Sarda 70 64.2 65 60.9 % ARR 60 57.6 55.5 55 51.3 54.7 53.1 50 45.6 47.7 47.2 45 40 45.9 43.2 2004* 2005 2006 2007 Pecore n. Pecore n. Arieti 59.5 2008 2009 2010 Arieti 14.144 4.526 3.607 2.086 3.505 3.109 0 6.379 3.503 2.882 3.342 3.560 3.563 3.624 *si riferisce a tutti gli animali nati entro il 2004 Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Effetto della selezione per la resistenza alla Scrapie sul progresso genetico dei caratteri di interesse economico Produzione di Latte Quantità di Latte Quantità di Grasso Nessun effetto diretto o di associazione con un gene per i caratteri produttivi Quantità di Proteina Percentuale di Grasso Percentuale di Proteina Morfologia Mammaria Posizione del Capezzolo Altezza della Mammella Grado di Separazione della Mammella Attacco della Mammella Produzione Spermatica Adattamenti dello schema hanno consentito di limitare le perdite di progresso genetico sui caratteri produttivi legate alla perdita di pressione di selezione per introduzione di un altro carattere Volume dell’eiaculato Motilità Massale Concentrazione Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Progresso Genetico (indice) e Produttivo (LEPM) per anno di nascita di pecore iscritte al LG con antenati noti 35.0 30.6 30.0 29.8 25.0 20.0 INDICE LEPM 15.0 10.0 5.0 0.0 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 -5.0 1990 Litri (posto uguale a zero i valori delle pecore nate nel 1990) Anno Nascita Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Gestione della popolazione in selezione: problematiche Evitare l’aumento consanguineità e la riduzione della variabilità genetica Evitare uso eccessivo delle stesse linee genetiche resistenti Stoccaggio materiale seminale delle linee escluse dalla riproduzione Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Gestione della popolazione in selezione: problematiche Insufficiente dimensione del LG Stima della disponibilità di riproduttori resistenti di buon livello genetico per i caratteri produttivi Genotipi e Frequenze Materne (%) Accoppiamenti Tipo Genotipi e Frequenze Paterne (%) RR RS 43,0 57,0 RR 27,9 12,0 15,9 RS 49,8 21,4 28,4 SS 22,3 9,6 12,7 Genotipo e Frequenza nella Progenie Frequenza RR RS SS RR x RR 12,0 12,0 - - RR x RS 21,4 + 15,9 18,6 18,6 - RR x SS 9,6 - 9,6 - RS x RS 28,4 7,1 14,2 7,1 RS x SS 12,7 - 6,4 6,4 37,7 48,8 13,5 somma Stima della disponibilità di riproduttori resistenti di buon livello genetico per i caratteri produttivi Nell’ipotesi che il numero di maschi nati nel LG corrispondano al numero di agnelle da rimonta (circa 50.000 ogni anno) e sapendo che il 65% di queste ha un valore genetico superiore alla media della popolazione la ripartizione per genotipo degli agnelli sarebbe: RR = 0,377 x 50.000 x 0,65 = 12.285 RS = 0,488 x 50.000 x 0,65 = 15.893 SS = 0,135 x 50.000 x 0,65 = 4.388 Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Gestione della popolazione in selezione: problematiche Insufficiente dimensione del LG Il numero di agnelli omozigoti resistenti selezionati anche per la produzione di latte che possono essere potenzialmente prodotti negli allevamenti iscritti al LG è sufficiente a soddisfare le richieste degli allevamenti commerciali L’elevata disponibilità riduce la distorsione dei prezzi di mercato anche in considerazione delle recenti norme regionali (LR n.1 art.4 14.05.2009) e nazionali (MIPAAF DM 29.07.2009) che prevedono incentivi per l’acquisto di tale tipologia di arieti. Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Insegnamenti dalla selezione per la resistenza alla scrapie come per i caratteri produttivi la via maschile è la più efficace prelievi ed analisi devono essere corretti è meglio utilizzare animali giovani la selezione è più veloce all’inizio programmazione degli accoppiamenti monitoraggio dell’effetto sui caratteri produttivi Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Insegnamenti dalla selezione per la resistenza alla scrapie Organizzazione di un sistema di raccolta e stoccaggio di materiale biologico (sangue/bulbi piliferi) e di identificazione degli animali Gli allevatori familiarizzano con i termini e risultati della genetica molecolare ed imparano a gestire gli accoppiamenti programmati Gli allevatori fanno esperienza sulla selezione contemporanea di caratteri quantitativi e influenzati da un solo gene Collaborazione fra istituzioni sanitarie e associazioni degli allevatori Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011 Conclusione: Come proseguire? Con il crescere della frequenza dell’allele ARR è logico ed economicamente sostenibile analizzare tutta la rimonta? Certificazione dei genotipi calcolati sulla base dei genotipi dei genitori e con test parentela confermato? Quale percentuale di alleli sensibili è tollerabile nella popolazione senza maggiori rischi di comparsa della malattia? Introduzione metodi analitici che consentono individuare allevamenti a rischio con analisi latte di massa (RISKSCRA) Progetto pilota selezione ovini EST, Siena 3 Marzo 2011