Nýjar upplýsingar um erfðafræðilegan grunn gangtegunda íslenska hestsins
Nýjar niðurstöður úr doktorsrannsókn við LbhÍ og SLU benda til þess að tvö áður óskilgreind gen hafi áhrif á skeiðhæfni og skeiðgæði íslenskra hrossa, og gætu veitt vísbendingar um hvort fýsilegt sé að þjálfa AA-hross til skeiðs eða ekki. Þá sýndi rannsóknin einnig niðurstöður um áhrifasvæði í erfðamenginu sem greindi á milli hrossa sem voru með háar einkunnir fyrir bak og lend, tölt og skeið, og með góða fótahæð, jafnvægisgóða baklínu og jafna lend, og hrossa sem höfðu síðra mat fyrir þessa eiginleika.
Heiðrún Sigurðardóttir varði doktorsritgerð sína við Landbúnaðarháskóla Íslands (LbhÍ) og Sænska landbúnaðarháskólann (SLU) þann 30. janúar síðastliðinn. Ritgerðin ber heitið Exploring the Genetic Regulation of Ability and Quality of Gaits in Icelandic Horses og var unnin í samstarfi milli háskólanna tveggja. Markmið rannsóknarinnar var að varpa ljósi á erfðafræðilegan grunn gangtegunda íslenska hestsins.
Uppruni og mótun erfðamengis íslenska hestsins
Talið er að íslenska hestakynið hafi þróast út frá tiltölulega litlum stofni hrossa og aðlagast íslenskum aðstæðum í samræmi við lögmálið um náttúruval. Þó er ólíklegt að náttúran ein hafi stýrt þróun kynsins, þar sem hesturinn hefur frá upphafi landnáms verið ómissandi í samgöngum og sem vinnudýr. Því er líklegt að menn hafi snemma valið fyrir góðum reiðhestseiginleikum, svo sem mjúkum og ásetugóðum gangtegundum.
Úrval fyrir ganghæfni
Á síðari tímum, með breyttu hlutverki hestsins, hefur úrval fyrir fjölhæfum reiðhesti verið strangt. Kynbótakerfi íslenska hestsins er alþjóðlegt og miðar að því að rækta heilbrigðan, frjóan og endingargóðan reiðhest með líkamsbyggingu sem styður við náttúrulega hæfileika hans til að framkvæma fimm gangtegundir.
Ræktunarmarkmiðið felur í sér 16 úrvalseiginleika sem metnir eru huglægt á kynbótasýningum samkvæmt dómskala alþjóðlegu Íslandshestasamtakanna, FEIF. Byggt á þessum dómum og upplýsingum um skyld hross er kynbótamat hvers einstaklings reiknað með BLUP-aðferðinni (e. best linear unbiased prediction). Þessi aðferðafræði hefur reynst árangursrík, þar sem úrval byggt á kynbótamati og dómum hefur leitt til umtalsverðra erfðaframfara á síðustu áratugum, sérstaklega í verðmætum eiginleikum eins og tölti og skeiði.
Núverandi þekking á erfðum gangtegundanna
Arfgengi gangtegunda íslenska hestsins hefur verið metið lágt til meðalhátt, eða á bilinu 0,15– 0,60. Þetta bendir til þess að gangtegundirnar séu afrakstur flókins samspils erfða og umhverfis. Erfðaþátturinn byggir á áhrifum margra samverkandi gena, sem gerir það krefjandi að ákvarða nákvæmlega hvaða gen stjórna ganghæfni og hvernig þau hafa áhrif.
Eitt gen er þó vel þekkt fyrir áhrif sín á ganghæfni íslenska hestsins: DMRT3. Erlend þrígangshross bera almennt CC-arfgerð í þessu geni og geta einungis framkvæmt þrjár grunngangtegundir – fet, brokk og stökk. Þegar einni C-samsætu er skipt út fyrir A-samsætu (CA-arfgerð) í íslensku hrossi bætist við hæfileikinn til að tölta (fjórgangshross). Hross með AA-arfgerðina hafa síðan meðfæddan hæfileika til að skeiða (fimmgangshross). DMRT3 greinir því að miklu leyti á milli fjórgangsog fimmgangshrossa, en ekki að öllu leyti því um 30% þeirra hrossa sem sannarlega bera AA-arfgerðina skeiða lítið sem ekkert.
Markmið rannsóknar Heiðrúnar var að dýpka skilning á erfðagrunni gangtegunda íslenska hestsins og finna erfðaþætti sem gætu útskýrt hvers vegna sum AA-hross virðast eiga erfiðara með að skeiða en önnur. Einnig var markmiðið að greina „fótspor úrvals“ í erfðamengi stofnsins og meta skyldleikarækt og erfðabreytileika út frá DNAupplýsingum.
Efni og aðferðir
Rannsóknin byggði á arfgerðagreiningu um 670 þúsund SNP-erfðamarka (e. single nucleotide polymorphism) í erfðamengi 380 íslenskra hrossa, auk heilraðgreiningar á erfðamengi 39 hrossa. SNP-gögnin voru notuð til að framkvæma víðtæka erfðamengisleit (e. genome-wide association study – GWAS) með það að markmiði að finna svæði í erfðamenginu sem hafa marktæk áhrif á einstaka eiginleika, svokölluð áhrifasvæði flókinna eiginleika (e. quantitative trait loci – QTL).
Heilraðgreiningargögnin voru nýtt til að kafa dýpra í þessi áhrifasvæði og leita að mögulegum erfðaþáttum sem gætu skýrt áhrifin. SNP-gögnin voru svo einnig notuð til að greina „fótspor úrvals“ og skyldleikarækt með því að skoða langar samfelldar raðir arfhreinna sæta (e. runs of homozygosity – ROH), ásamt því að meta erfðabreytileika með útreikningi á virkri stofnstærð og arfblendni.
Áhrifasvæði tengt einkunn fyrir bak og lend
Fyrri rannsóknir hafa sýnt að eiginleikinn bak og lend hefur marktæk áhrif á hæfileikaeinkunnir íslenskra hrossa, þar sem baklínan skiptir mestu máli. Í úrvalshrossum nútímans hefur jafnvægisgóð baklína verið áberandi, þar sem hvorki er um að ræða framhalla, svagt eða stíft bak. Að auki einkennast þessi hross oft af háu frambaki og góðri framhæð.
Í rannsókninni fannst svæði á litningi 22 sem hafði áhrif á einkunnir fyrir bak og lend. Frekari tölfræðigreining sýndi enn fremur að þetta svæði tengdist einkunnum fyrir tölt og skeið, fótahæð og umsögnum um baklínu og gerð lendar í kynbótadómi. Sama arfgerð einkenndi því hross með háar einkunnir fyrir bak og lend, tölt og skeið, auk þess sem þau voru fótahá með jafnvægisgóða baklínu og jafna lend.
Genin á þessu svæði hafa ekki verið rannsökuð í hrossum, en rannsóknir á mönnum hafa tengt þau við beinabyggingu, þar á meðal hryggskekkju og líkamshæð. Frekari greining á virkni þessara gena í hrossum gæti því varpað ljósi á hvort þau hafi sambærileg áhrif í hrossum.
Áhrifasvæði tengd einkunn fyrir skeið
Borin voru kennsl á tvö svæði í erfðamenginu sem höfðu bein áhrif á einkunnir fyrir skeið, annað á litningi 9 og hitt á litningi 4. Svæðið á litningi 9 hafði einnig áhrif á brokk og greitt stökk, en í öfugu hlutfalli við áhrifin á skeið. Með öðrum orðum hafði ein arfgerð jákvæð áhrif á skeiðeinkunnir en neikvæð áhrif á brokk og greitt stökk, á meðan hin arfgerðin hafði öfug áhrif á eiginleikana. Svipað sást á litningi 4, þar sem ein arfgerð hafði jákvæð áhrif á skeið en neikvæð áhrif á tölt, brokk, hægt og greitt stökk, á meðan hin arfgerðin hafði öfug áhrif.
Í ljósi þessara „öfugu“ áhrifa mismunandi arfgerða á þessum svæðum kom upp spurningin hvort tíðni arfgerðanna væri mismunandi milli hrossahópa með ólíka skeiðhæfni, til dæmis fjórgangs- og fimmgangshrossa. Greining sýndi að fjórgangshross með AA-arfgerð í DMRT3 geninu höfðu marktækt hærri tíðni þeirra arfgerða á báðum svæðum sem höfðu neikvæð áhrif á skeið en jákvæð áhrif á aðrar gangtegundir. Aftur á móti höfðu fimmgangshross marktækt hærri tíðni þeirra arfgerða sem höfðu jákvæð áhrif á skeið en neikvæð á hinar gangtegundirnar. Þessar niðurstöður benda til þess að þessi tvö áhrifasvæði gætu veitt vísbendingar um hvort fýsilegt sé að þjálfa AAhross til skeiðs eða ekki.
Þá sáust vísbendingar um að hross með CA-arfgerð í DMRT3 geninu hefðu hæstu tíðni þeirra arfgerða á litningi 9 sem höfðu jákvæð áhrif á skeið. Þó að þessi niðurstaða hafi ekki verið marktæk vegna fárra CA-hrossa í gagnasafninu, gæti hún bent til þess að arfgerðin gagnist þeim við þjálfun hliðstæðrar hreyfingar þó þau geti ekki skeiðað. Þessu til stuðnings kom í ljós að í gagnasafninu voru nokkur hross með CA-arfgerð í DMRT3-geninu sem höfðu sýnt skeið í kynbótadómi. Þá var eitt hross með CC-arfgerð sem hafði sýnt tölt í kynbótadómi. Þessi hross áttu það öll sameiginlegt að bera þá arfgerð á litningi 9 sem hafði jákvæð áhrif á skeið.
Þessar niðurstöður kalla á frekari rannsóknir, en þær benda til þess að samspil sé milli DMRT3-gensins og áhrifasvæðanna á litningi 9 og 4, þar sem arfgerðir á þessum svæðum gætu haft uppbótaráhrif ef hross býr ekki yfir tveimur eintökum af A-samsætunni í DMRT3-geninu.
Orsakavaldar á áhrifasvæðum
Áhrifasvæðið á litningi 9 var staðsett innan STAU2-gensins, en svæðið á litningi 4 innan RELN-gensins. Bæði genin eru tjáð í taugavef og hafa verið töluvert rannsökuð í mönnum, músum og rottum, en ekki í hrossum. Við nánari skoðun á STAU2- geninu kom í ljós að mögulegur orsakavaldur áhrifa þess á skeið, brokk og greitt stökk er svokölluð hliðrunarstökkbreyting (e. frameshift mutation). Hún veldur röskun í próteinframleiðslu og ótímabærri stöðvun hennar, sem leiðir til taps á STAU2-próteini. Rannsóknir á músum hafa sýnt að tap á STAU2- próteini leiðir til skertrar hæfni þeirra til að samhæfa hreyfingar en styrkir jafnframt hæfileikann til að læra ný hreyfimynstur. Þetta samræmist nokkuð áhrifum stökkbreytingarinnar í íslenskum hrossum, þar sem þau hross sem bera hana fá almennt lægri einkunnir fyrir skeið – mögulega vegna skertrar samhæfingargetu. Frekari rannsóknir eru þó nauðsynlegar til að staðfesta þetta.
Við frekari skoðun á RELNgeninu fundust stýriþættir sem gætu skýrt áhrif þess á skeið, tölt, brokk og stökk. RELN hefur áður verið tengt við umframerfðastýringu (e. epigenetic regulation) á DNAmetýlun (e. DNA methylation) í miðtaugakerfi rotta, sem hefur áhrif á lærdómsgetu og minni, sérstaklega í tengslanámi (e. associative learning). Þetta gæti bent til þess að RELN hafi áhrif á bráðþroska og þjálfunarhæfni íslenskra hrossa, en marktækur munur reyndist á aldri hrossa við kynbótadóm eftir RELNarfgerð þeirra.
RELN hefur einnig verið tengt við hreyfistjórnun í músum, sem gæti þýtt að það hafi bein áhrif á gæði gangtegunda. Frekari rannsóknir eru því nauðsynlegar til að staðfesta hlutverk RELN í íslenskum hrossum.
Fótspor úrvals og erfðabreytileiki stofns
ROH-greining á erfðamengi íslenska hestsins staðfesti mikilvægi litnings 23 fyrir ganghæfni, en þar er DMRT3-genið staðsett. Greiningin leiddi einnig í ljós áður óþekkt gen sem gætu tengst afköstum og getu, auk gena sem mögulega hafa haft áhrif á aðlögun hestsins að íslenskri náttúru og umhverfi.
Útreikningar á skyldleikarækt, byggðir á erfðagögnum, sýndu háan meðalskyldleikaræktarstuðul (FROH = 0.20) innan gagnasafnsins. Langstærstan hluta þessa stuðuls má rekja til fornrar skyldleikaræktar, líklega vegna fárra stofneinstaklinga, genaflökts og úthreinsunar skaðlegra samsæta vegna náttúruvals (e. DNA purging).
Virk stofnstærð íslenska hestsins var metin stöðug á bilinu 123–127 hross síðustu 3–4 kynslóðabil. Mat á arfblendni studdi þessa niðurstöðu, sem bendir til þess að ræktun íslenska hestsins hafi verið sjálfbær á síðustu áratugum, þar sem óhófleg skyldleikarækt og tap á erfðabreytileika voru í lágmarki.
Hagnýting niðurstaðna
Rannsóknin jók skilning á erfðafræðilegum grunni gangtegunda og leiddi í ljós að erfðaþættir, umfram DMRT3-genið, hafa veruleg áhrif á ganghæfni og gæði íslenska hestsins. Niðurstöðurnar styðja við frekari rannsóknir á þessu sviði og geta jafnframt styrkt öryggi kynbótamatsins með innleiðingu erfðaupplýsinganna. Þannig geta þær nýst ræktendum við að taka upplýstari og markvissari ákvarðanir í ræktunarstarfinu.
Fjármögnun
Verkefnið var styrkt af Doktorssjóði Landbúnaðarháskóla Íslands, Stofnverndarsjóði íslenska hestakynsins, Sænsku Íslandshestasamtökunum (SIF), Blikastaðasjóði, Erfðanefnd landbúnaðarins, Swedish Research Council (VR) og Swedish Foundation for Strategic Research.
