Úrvalstilraunir með búfé og tilraunadýr I. hluti

Höfundur: Jón Viðar Jónmundsson Ráðunautur hjá RML

Þegar jól nálgast færist viss ró yfir sem gefur tækifæri til að rifja upp liðna tíð og velta fyrir sér hvað við höfum af henni lært.

Það sem mig langar að þessu sinni að ræða um er einn þáttur í uppbyggingu þeirrar fræðigreinar sem ég helst tel mig hafa eitthvert vit á sem er búfjárkynbótafræði. Þar er hinn fræðilegi grunnur skapaður af fremur fáum einstaklingum sem hafa haft innsæi og þekkingu talsvert umfram okkur meðaljónana. Þeim sem þróuðu þessi fræði í byrjun er það mörgum sameiginlegt að reyna að prófa kenningar sínar með tilraunadýrum. Þekktustu tilraunadýrin eru mýs og bananaflugur.

Þegar kemur framundir miðja síðustu öld fara víða um heim í gang tilraunir með búfé, flestar slíkar tilraunir hafa skilið takmarkað eftir sig en nokkrar standa eftir sem sterkur grunnur að þekkingu okkar í dag. Hefðin fyrir notkun tilraunadýra viðhélst misjafnlega en þó hvergi eins og við háskólastofnunina í Edinborg sem sinnir þessum fræðum. Eftirlætisdýr þeirra til tilrauna hafa verið bananaflugur og mýs. Ég varð þeirrar hamingju aðnjótandi að sækja námskeið tveggja meginpostulanna þaðan á námskeiðum í háskólanámi mínu og kynnast þannig hugsun þeirra talsvert. Þessir flugnatalningamenn voru A. Robertson og W.G. Hill, sá fyrrnefndi er fallinn frá fyrir alllöngu en Hill situr enn á friðarstóli og vafalítið í dag talinn fremstur meðal jafningja á sínu fræðasviði.

Heimsráðstefna um búfjárerfðafræði og búfjárkynbætur

Á heimsráðstefnunni um búfjárerfðafræði og búfjárkynbætur í Leipzig sumarið 2010 var síðasti ráðstefnudagur sjötíu ára afmælisdagur Hill og flutti hann þar utan dagskrár afmæliserindi um sögu úrvalstilrauna hjá búfé og hvað þær hefðu lagt til fræðanna. Þessa eldtölu hefur hann síðan skrifað í grein sem hann birti í einu af þekktustu tímaritum heims á sviðinu. Þessi grein er notuð sem hryggjarstykkið í mörgu af því sem segir hér á eftir og sumt bein endursögn þaðan.

Námskeið í Helsingfors

Fyrir mig var námskeiðið í Helsingfors með Hill vorið 1972 mikil upplifun. Þau fræði sem ég hafði þá numið við háskólann á Ási var búfjárkynbótafræði byggð á mjög þéttum tölfræðilegum grunni og var hann mikið sóttur til Lush og var þessi grunnur ráðandi hjá okkur Norðurlandabúunum. Hill kynnti þarna þessi sömu fræði frá grunni Edinborgarmanna sem rekur sig út frá erfðafræðilegum grunnmódelum og víkkaði enn skilning á þeirri hlið. Þessi samþætting var ómetanleg til víðari skilnings á faginu.

Eitt hliðaratriði í tengslum við þetta námskeið vil ég nefna vegna þess að öðrum kosti verður það gleymskunni að bráð. Lokaþáttur námskeiðsins var hlutur sem áreiðanlega enginn hafði þá heyrt rætt mikið um og var ekki þá neitt farið að birta um í vísindaritum. Það var verndun erfðabreytileikans. Þegar ég kom til baka heim fór ég að kynna og ræða þessar hugmyndir við Stefán Aðalsteinsson, sem voru honum alveg óþekktar þá, en upptendraðist hann strax eins og oft var með nýja og framsýna hluti. Örfáum misserum síðar var norræni genabankinn fyrir búfé stofnaður að undirlagi Stefáns og gamalla samstarfsmanna hans frá Norðurlöndunum; Majala í Finnlandi, Rendel í Svíþjóð, Kolstad í Noregi og Neiman-Sörensen í Danmörku. Í dag er mér ljóst að neistinn sem kveikti þetta var námskeið Hill þar sem Majala var stjórnandi og sá neisti sem mér tókst að vekja hjá Stefáni, þá var tryggt að eldurinn brann. Þessar hugmyndir voru þá byrjaðar að skjóta rótum hjá kynbótafræðingum sem störfuðu í þróunarlöndunum þar sem þessir hlutir raunverulega brunnu á fólki. Síðan hefur þetta orðið mjög mikil grein á heimsvísu og á sitt aðalvígi í dag hjá FAO.

Margir lukkuriddarar hafa stigið fram

Þarna hefur hins vegar vaxið fram miklu fjölbreyttari hópur áhugafólks en á öðrum sviðum búfjárkynbótafræði. Sífellt eru þar fleiri og fleiri af þekktum vísindamönnum sem gera sér betur og betur ljóst fræðilegt mikilvægi þessa fyrir framtíðarþróun en um leið gífurlega stór hópur áhugafólks sem margt hvert gerir sér ekki minnstu grein fyrir fræðilegum undirstöðum. Þar hafa margir lukkuriddarar stigið fram og sumum tekist að færa þetta starf á hreinar villigötur þó að fleira hafi verið vel gert. Ég veit ekki hvort frekar eigi að líkja þessu fræðasviði við Jesú eða Múhamed og frumsöfnuði þeirra eða Grýlu og jólasveinanana.

Rétt er að fara örfáum orðum um hinn aðalfræðimann Edinborgarskólans og kenniföður Hills, Alan Robertson. Aðkomu hans að búfjárkynbótum má rekja til þess að í stríðslok er ákveðið að koma á stofn Í Bretlandi í Edinborg stofnun til að endurreisa búfjárræktarstarf í landinu á grunni nýrrar þekkingar. Að stofnunni er ráðinn hópur ungra afbragðsvísindamanna. Þarna er hrundið af stað hugsjón til uppbyggingar sem er í dag í öllu falli er í ljósára fjarlægð frá hugsunarhætti forystumanna í íslenskum stjórnmálum. Robertson sem þá var þekktur sem afburðagreindur nemandi hafði þá nýlokið námi í efnafræði en flutti sig nú alveg inna á nýtt fræðasvið hraðvaxandi vísindagreinar.

Robertson varð á næstu áratugum einn mesti kenningasmiður búfjárkynbótafræði og þróaði margar kenninga sinna af einstöku innsæi á grunni óteljandi úrvalstilrauna með bananaflugur. Með því lyfti hann fræðilegum grunni hærra en flestir aðrir. Bein aðkoma hans að hagnýtum búfjárkynbótum varð aldrei mikil en ber samt að nefna að strax um 1950 leggur hann grunninn að dreifðum afkvæmarannsóknum nauta við ræktun mjólkurkúa sem þar varð líklega ein byltingarkenndasta breytingin í öllu ræktunarstarfi á síðustu öld. Robertson var fádæma skýr í framsetningu sem kennari og einhver mest gefandi einstaklingur að ræða við um fræðileg vandamál sem ég hef hitt.

Eftir þessa útidúra er rétt að leita til greinar Hills. Upphaf úrvalstilrauna má raunar rekja aðeins aftar en til enduruppgötunar á lögmálum Mendels um 1900. Metið er raunar úrvalstilraunir í maís í Illinois sem hófst 1896 og mun enn haldið gangandi. Fljótt eftir 1900 hófust fyrstu úrvalstilraunir með búfé og var þar á ferðinni Bandaríkjamaðurinn Pearl sem vann með hænsni.

Til hvers eru úrvalstilraunir? Þannig spyr Hill og vitnar til rástefnugreinar sinnar frá 1980 þar sem komu saman tæplega 100 meðal þekktustu kynbótafræðinga heimsins á þeim tíma á ráðstefnu í Edinborg sem oft er reiknaður sem einskonar millifundur í heimsrástefnum um búfjárerfðafræði og búfjárkynbætur en fyrsta ráðstefnan var haldin á Spáni 1974 og sú önnur einnig þar 1982 og síðan víða um heim með fjögra ára millibili.

Skammtímatilraunir

Hill telur eðlilegt þegar tilgangur slíkra tilrauna er ræddur að byrja á að skipta þeim í skammtímatilraunir í innan við tíu ættliði oft aðeins 3–5 og síðan langtímatilraunir, tugir kynslóða.

Hann byrjar á að greina markmið skammtímatilrauna;

Reyna gildi spásagna um úrvalssvörun á grunni stuðla metnum í grunnhópnum sem úrvalshópurinn(arnir) koma frá.

Meta erfðabreytileika í grunnhópnum og arfgengi eiginleikans og sanna með úrvali að erfðabreytileikinn sé fyrir hendi.

Greina erfðasambönd fyrir eiginleika sem erfitt er að meta og mæla út frá samhliðabreytingum við auðmældan eiginleika sem valið er fyrir.

Kanna samspil milli erfða- og umhverfisþætti þegar mögulegt er að skipta erfðahópum á milli umhverfisaðstæðna á báða vegu.

Kanna frávik frá línulegri svörun úrvals eftir val í andstæðar áttir eða við breytilegan úrvalsstyrk.

Bera saman úrvalssvörun mismunandi úrvalsaðferða. Þegar að langtímatilraunum kemur þá bætir hann við eftirtöldum ástæðum;

Kanna hve lengi úrvalssvörun fyrstu kynslóða viðhelst.

Gera tilraun til að mæla úrvalsmörk.

Greina áhrif stofnstærðar og mismunandi úrvalsþrýstings á úrvalssvörun til lengri tíma.

Mæla samhliða breytingar í öðrum eiginleikum og þá sérstaklega þá sem snúa að endurnýjun stofnsins (fitness).

Meta fjölda gena, áhrif einstakra gena og tíðni þeirra út frá þeirri úrvalssvörun sem tekst að mæla.

Framleiða mjög ólíkar línur til nota fyrir síðari rannsóknir einkum á lífefnafræðilegum og lífeðlisfræðilegum þáttum. Við endurskoðun sína fyrir Leipzig fyrirlesturinn bætir Hill nokkrum atriðum við. Vegna skammtímatilrauna bætir hann við eftirtöldu atriði;

Gera skammtímatilraunir til að leiða í ljós fyrir bændum hve úrval eða mismunandi úrvalsaðferðir geta breytt stofninum á skömmum tíma. Slíkar tilraunir hafa verið gerðar fyrir fjölda búfjártegunda og aragrúa eiginleika. Hér á eftir verður mest fjallað um nokkrar slíkar heimsfrægar tilraunir sem gerðar hafa verið víða um heim fyrir mjólkurkýr og sauðfé. Fyrir langtímatilraunir bætir Hill en við nokkrum atriðum um tilgang þeirra;

Greina erfðabreytileika sem sprottin er af stökkbreytingum í úrvalshópunum.

Meta áhrif óerfðabundinna þátta og möguleika á að breyta þeim með úrvali.

Skyggnast á bak við erfðauppbyggingu eiginleikanna með aðferðum þeim sem erfðatæknin hefur lagt okkur í hendur á síðustu árum.

Í framhaldinu er rétt að víkja að örfáum atriðum úr erindi Hill í Leipzig og verður þar stikað á tólfmílnaskónum. Fyrst spyr hann hvað slíkar tilraunir hafi kennt. Fjölmargt. Meginniðurstaðan er að við fáum úrvalssvörun ef erfðabreytileiki er fyrir hendi fyrir viðkomandi eiginleika. Svörun fæst yfir fjölda kynslóða. Þetta segir okkur að flestir mikilvægir eiginleikar í búfé stjórnast af fjölda erfðavísa þannig að ólíklegt er að jafnvel eftirsóttustu erfðavísarnir verði einráðir í erfðahópnum fyrr en að löngum tíma liðnum.

Í hugleiðingum um gildi skammtímatilrauna nefnir hann tilraun sem Falconer, einn páfinn enn í Edinborg og höfundur þekktustu bókar í heiminum á síðari árum um búfjárkynbætur, ásmat samstarfsmanni gerði með mýs. Þar voru þeir að kanna þá kenningu sem var þá nær algildi í búfjárrækt að best sé að vinna að kynbótum búfjár þegar gripirnir lifa við bestu aðstæður og „ná að sýna hvað í þeim býr“. Þessi kenning er yfirleitt kennd við Hammond og lærisveinn hans Halldór Pálsson hélt henni mjög ákveðið fram í sauðfjárrækt hér á landi. Falconer og samstarfsmaður hans voru með mýs við tvær mjög breytilegar umhverfisaðstæður en víxluðu músum úr úrvalshópunum á milli umhverfisaðstæðna. Þannig fundu þeir að hópurinn sem var bestur við aðrar umhverfisaðstæðurnar var lakari við hinar og öfugt. Einnig sýndu þeir framá að þessi kenning var ekki algild. Þetta er það sem kallað er samspil á milli erfða- og umhverfisaðstæðna.

Að þessu erum við t.d. að ýja þegar við í kynningu á einstökum sæðingahrútum gefum í skyn að kostir þeirra nýtist best þar sem dilkar eru mjög vænir eða rýrir. Þetta þekkja menn líka að vissu marki af því hve erfiðlega gengur yfirleitt að flytja landgæði með hrútum úr landgæðasveitum og fyrr á árum hve lítil mjólk fékkst yfirleitt með afkvæmum nautanna sem verið var að sækja á afurðahæstu kúabúin og nautsmæður voru valdar á grunni eigin afurða.

Fyrir nokkrum áratugum gerði ég útreikninga bæði í sauðfjár- og nautgriparækt sem sýndu að umhverfibreytileiki væri ekki meiri á milli búa hér á landi en svo að samspilið á milli umhverfis og erfða truflaði nánast ekki kynbótamat gripa í ræktunarstarfinu hér á landi fyrir mikilvægustu eiginleika. Þessu samspili hefur samt verið gefinn of lítill gaumur í búfjárkynbótarannsóknum hérlendis á síðustu árum og þola þau mál áreiðanlega frekari skoðun í dag. Í því sambandi þurfum við að gera okkur grein fyrir að fyrir marga eiginleika geta umhverfisáhrif verið svo fjölmargt annað en fóðrunarástand.

Hætta á skekkju vegna takmarkaðs umfangs

Ágalli margra úrvalstilrauna er hve umfang þeirra er takmarkað. Þetta felur í sér hættu á verulegri skekkju í mælingum bæði vegna lítils umfangs og úrtaksskekkju í byrjun. Tilraunakostnaður er að sjálfsögðu meginskýring þessa. Það heyrir nánast til undantekninga að endurtekningar séu notaðar í úrvalstilraunum með búfé. Talsvert af slíkum tilraunum með tilraunadýr hafa hins vegar verið gerðar með fleiri úrvalshópum af hverri tegund ( hátt-lágt-samanburður). Þær haf leitt skýrt í ljós hve þessi skekkja er mikil með litla hópa. Þetta segir Hill að margir virðist ekki skilja og enn fleiri ekki viðurkenna. Þrátt fyrir marga augljósa ágalla hafa skammtímatilraunir skilað mikilli þekkingu.