Så funkar djuravel

Ett avelsmål kan vara snabbväxande friska grisar som inte är aggressiva, eller robusta kor med hög mjölkproduktion. Men målet ändras ofta över tid på grund av förändringar i lantbrukarnas och marknadens behov. Avelsmålet kan också skilja sig mellan olika organisationer och inom och mellan olika länder. Ett avelsmål är ofta inriktat på en optimal kombination av olika egenskaper. Vilken vikt de olika egenskaperna får i ett avelsprogram beror på deras arvbarhet, den genetiska korrelationen mellan egenskaper och det ekonomiska värdet av en förändring av de olika egenskaperna. De vikter olika egenskaper får kallas ekonomiska vikter.

En central del i varje avelsprogram är registreringen av olika egenskaper kopplade till olika individer. Informationen samlas i en databas och används för skattning av individernas avelsvärden. Avelsvärdet förutsäger hur värdefullt ett visst djur är som förälder, med andra ord försöker man med avelsvärdet skatta värdet hos avkomman. Avelsvärdet kan uttryckas i ekonomiska termer (exempelvis mängden producerat kött i kronor) eller i enheter (exempelvis kg kött). De bästa djuren väljs som föräldrar. Tack vare databasen, som inkluderar all släktskap, är det också möjligt att skatta avelsvärdet för individer som inte har några mätvärden registrerade. En bagge kan alltså ha ett avelsvärde för modersbeteende, och en unghingst, för ung för att kunna tävla, kan ha ett avelsvärde för dressyr. I avelsprogram för mjölkkor kombineras avelsvärden för produktion (mjölkavkastning) och så kallade funktionella egenskaper (fertilitet, överlevnad hos kalvar, klövhälsa etc.) med hjälp av egenskapernas ekonomiska vikter för att skapa ett sammanfattande index som beskriver djurets totala avelsvärde baserat på alla dess egenskaper. Hur pricksäker avelsvärderingen är beror på hur mycket information som finns tillgänglig, speciellt när det gäller egenskaper med låg arvbarhet (som kullstorlek och hälsa), vilket gör det viktigt att ha så många mätvärden som möjligt. Vissa egenskaper (exempelvis aptit eller äggvikt) kan mätas flera gånger på samma individ medan andra (exempelvis könsmognad eller köttkvalitet) endast kan mätas en gång. Semintjurar får tusentals döttrar och avelsvärdet för deras döttrars fertilitet kan därför skattas med hög precision.

Målet med korsningsavel är att öka korsningseffekten (heterosis). För en egenskap med tydlig heterosis är avkomman bättre än genomsnittet av föräldrarna. Heterosis är speciellt viktigt för egenskaper som överlevnad, reproduktion och hälsa. Grisavel har generellt sett en hierarkisk struktur. Genetisk utvärdering och urval görs i några få avelsbesättningar med renrasiga djur och de genetiska framstegen som görs där sprids med inseminering till grisar som föds upp för slakt i kommersiella besättningar. De flesta av dessa grisar är korsningar och tack vare korsningseffekten är de både friskare och växer snabbare än de renrasiga. Korsningsavel används också för andra husdjur som exempelvis värphöns och slaktkycklingar.

Om individer som är nära släkt parar sig leder det till inavel. Inavlade individer får en ökad homozygoti (får samma alleler från båda föräldrarna) och recessiva defekta alleler får större genomslag. Detta fenomen, kallat inavelsdepression, kan minska ett djurs prestationsförmåga betydligt. När släktingar parar sig minskar den totala genetiska variationen i populationen och den minskade heterozygotin resulterar i nedsatt produktion, överlevnad, hälsa och reproduktion. På kort sikt kan inavel undvikas på gårdsnivå genom att aldrig para nära släktingar, men i långsiktiga avelsprogram krävs ett noggrant val av unga tjurar vilket ställer högra krav på avelsorganisationen.

Genom artificiell insemination kan sperma samlas in och användas till flera honor. Detta resulterar i en mer effektiv användning av tjurarna eftersom en enda individ kan producera hundratals doser i en enda utlösning. Sperman kan frysas, förvaras under lång tid och lätt transporteras över världen. Möjligheten att använda några få individer som fäder till nästa generation ökar möjligheten för genetisk selektion (avelsurval) och hastigheten för genetisk förändring. En annan fördel är att risken för att sjukdomar ska överföras från hanen till honan minskar, jämfört med naturlig betäckning. För lantbrukaren innebär seminanvändningen också minskade kostnader och ökad säkerhet. Att hålla en eller flera hanar på en gård kan vara dyrt och beroende på deras storlek och aggressivitet kan hanarna också utgöra en fara för dem som arbetar på gården.

Antalet avkommor från en hona kan ökas genom embryotransfer (ET). Det är en reproduktionsteknik där embryon från honor med högt avelsvärde samlas in och förs över till andra honor som fungerar som surrogatmödrar. ET-tekniker har använts i de flesta av de domesticerade djurslagen men också i exotiska djur. Konceptet MOET (multiple ovulation and embryo transfer) används främst för att snabba på den genetiska förändringen. De bästa korna flyttas till speciella besättningar och behandlas för att de ska producera många ägg. Äggen befruktas därefter med sperma från de bästa tjurarna. De befruktade embryona förs sedan över till surrogatmödrarna. Kalvarna föds upp, paras och jämförs utifrån egenskaper som exempelvis mjölkproduktion. De bästa individerna används som föräldrar till nästa generation. Under det senaste decenniet har det utvecklats nya tekniker för infrysning och långtidsförvaring av embryon. Sådan kryoförvaring kan vara ett komplement i arbetet med att bevara arter och raser som hotas av utrotning.

Hos arter där det bara föds en avkomma åt gången, som hos exempelvis kor och hästar, kan värdefulla embryon delas för att få två eller till och med fyra nya embryon. Somatisk kloning är en process där genetiskt material förs över inom samma generation, till skillnad från normal reproduktion där generna förs över från en generation till nästa. Med denna teknik skapas en individ som är en genetisk kopia av en annan, samtida eller tidigare existerande, individ. Praktiskt går det till så att cellkärnan och dess DNA från en somatisk cell (icke-könscell) förs över till en ”tom” äggcell, alltså en äggcell där man tagit bort kärnan. Den återuppbyggda äggcellen måste sedan behandlas kemiskt eller med ström för att stimulera celldelning. När embryot når lämpligt utvecklingsstadium förs det över till mottagarens livmoder där det utvecklas fram till födsel. Denna teknik gör det möjligt att föra vidare gener från kastrerade djur, och några framstående tävlingshästar har klonats. Man bör dock vara medveten om att fenotypen, i detta fall hopphästens framgång, inte bara är ett resultat av generna utan också av hästens uppväxt och träning.

De flesta egenskaper som är viktiga inom djurproduktionen har en kvantitativ genetisk bakgrund där många gener bidrar till egenskapen. Men några egenskaper styrs av endast en gen. Till exempel beror grisars förmåga att hantera stress till stor del på en mutation i en enda gen. Om en gen med stor effekt på en viktig egenskap identifieras kan individer väljas ut baserat på en molekylär analys av deras DNA. Men även om genen som kodar för egenskapen inte är känd kan DNA-analysen vara användbar om man har kunskap om genetiska markörer - DNA-sekvenser, på kända positioner, vilka är kopplade till genen man är intresserad av. År 2005 blev höns det första djurslaget att få hela sitt genom kartlagt, det vill säga, hela dess DNA blev sekvenserat. Full kartläggning av genomet betyder dock inte att man vet alla geners funktioner, men kartan kan användas till att identifiera individer med önskade egenskaper. Varje genom innehåller en enorm mängd data, till exempel finns det ungefär 6 miljarder baspar i det mänskliga genomet, och för att kunna hantera all denna information krävs datorer med hög kapacitet. Sekvenseringen av kons genom tog 6 år och involverade över 300 forskare från 25 länder. Man kom fram till att 14 000 av kons 22 000 gener finns hos alla däggdjur, inklusive människan.

Quantitative trait loci (QTL) är regioner av DNA som har signifikant effekt på kvantitativa egenskaper, till exempel höjd. En egenskap påverkas ofta av flera QTL som kan finnas utspridda på flera kromosomer. I växter har användingen av QTL-analyser bidragit till urvalet av gener som styr exempelvis spannmålsproduktion och planthöjd.

Vissa delar av DNA-sekvensen varierar mycket mellan individer och ofta hänger sådana variationer ihop med variationer i specifika egenskaper. Om en DNA-sekvens hänger samman med en viktig egenskap (exempelvis ökad sjukdomsrisk) kan man välja att gallra bort de individer som bär på den sekvensen. Sådana identifierbara DNA-sekvenser kallas markörer, och metoden kallas markörbaserad selektion. Idén bakom metoden är att markören kan användas för att identifiera individer som bär på en fördelaktig allel (eller gallra bort dem som bär på en ofördelaktig) även om den faktiska genen eller generna som kodar för egenskapen inte har identifierats. Markörbaserad selektion används i många avelsprogram som ett komplement till avelsvärdering. På grund av överkorsningen mellan kromosomerna när könscellerna bildas kan markörer som fungerar för en ras vara oanvändbara i en annan. Om en markör ligger väldigt nära genen som styr egenskapen är det väldigt låg sannolikhet för att det sker en överkorsning emellan dem. Tillförlitligheten i markörbaserad selektion är alltså bättre ju fler markörer som finns för en egenskap och desto mindre avståndet är mellan markörerna och de gener som styr egenskapen.

I genomisk selektion drar man nytta av genetiska markörer över hela genomet. Här använder man sig av ”enbas-polymorfi” (single nucleotide polymorphism - SNP) där varje SNP består av en bas i DNA, en nukleotid (A, T, C eller G) med stor variation mellan individer. Det första steget i genomisk selektion är att länka markörer till egenskapen man är intresserad av. Genom att jämföra SNP-markörena med fenotypen för en grupp djur kan man skatta SNP-markörernas betydelse för en egenskap. Dessa djur, som har kända markörer och registrerade egenskaper, kallas för referenspopulationen. I det följande steget tittar man på urvalskandidaterna, vars SNP-markörer jämförs med referenspopulationen. Detta gör det möjligt att skatta urvalskandidaternas genomiska avelsvärde och därigenom kan man välja ut unga individer enbart på information om deras SNP-markörer. Om genomisk selektion kan användas på ett framgångsrikt sätt i ett avelsprogram blir det möjligt att välja ut de bästa avelsdjuren på ett tidigt stadium och öka hastigheten på det genetiska framsteget eftersom man sparar tid i urvalsprocessen. Genomisk selektion används än så länge mest för mjölkkor.  

Genetisk modifiering genom transformation fungerar på liknande sätt i djur och växter. Den första transformationsmetoden som utvecklades för djur baserades på mikroinjektion av DNA in i kärnan hos ett nybefruktat ägg. Äggcellerna som överlevde transplanterades in i livmodern. Denna teknik användes för att ta fram det första GM-djuret för nästan 30 år sedan och sedan dess har många GM-djur avlats fram. Mikroinjektion är emellertid en ganska ineffektiv metod som ofta leder till oönskade bieffekter orsakade av den slumpmässiga integrationen av nya gener. Listan över alternativa tekniker är lång. Ett exempel är DNA-överföring som utnyttjar spermiernas förmåga att binda och ta upp DNA innan befruktningen av ägget. En lovande metod är att använda virus som vektorer för att föra in DNA i äggceller. Vissa typer av virus, så kallade retrovirus, kan integrera sitt eget genom in i andra arters genom. Även vi människor har många sådana genetiska rester i våra genom, inkorporerade under evolutionens gång, men sällan med några negativa effekter. Genom att överföra vektorer från retrovirus in i unga embryon kan DNA som kodar för specifika protein föras över till djuret. Dessa individer används sedan som föräldrar till den nya populationen GM-djur som då bär på den nya egenskapen.