Wybór oparty na markerach: DNA jako narzędzia w hodowli pszczół

Dlaczego sam fenotyp nie jest wystarczający

Tradycyjne hodowle owiec opierają się na obserwacji, co robi kolonia: ile miodu przechowuje, jak spokojnie zachowuje się na kominku, czy gospodyni odstrzala jączynki ze swoich siostr. Te obserwacje fenotypowe są osiówkami selekcji praktycznej, ale cierpią z nieuniknionym opóźnieniem. Atrybut nie może być oceniany przed jego wyrażeniem, a wiele cech, które hodowcy chcą poprawić - zachowanie higieniczne, czułość do jączynków Varroa (VSH), cierpliwość wobec jajnika chłodnego - tylko wiarygodnie pojawiają się po osiągnięciu przez kolonię pełnoletności i pod odpowiednim ciśnieniem chorobowym lub grzybowym. Królowa, która wygląda srednio w tym roku, może nosić doskonałe genetyczne odporne cechy, które nigdy nie zostały przetestowane, ponieważ jej kolonia nigdy nie została wyzwana.

Markery genetyczne pomijają ten problem, czytając sam DNA zamiast czekając na pojawienie się fenotypu. Markera to prosty punkt wariacji w genomie - powtarzany motif DNA lub pojedyncza zmieniona base - który można wykryć w laboratorium z małego próbek tkanki, często kilku nogów lub skrócenia skrzydła, bez szkodzenia kolonii. Gdy markera leży blisko genu wpływającego na interesującą cechę, jego obecność staje się podstawą dla tego gene, a hodowcy mogą przeprowadzać screeningu larw, nieprzezwyciężonych królików czy jenców na genetykę podstawową przed jakimkolwiek zachowaniem w polu mogło być ocenione.

Od jelastów proteinowych do kartek SNP

Technologia markerów w pszczelach przeprawia się przez kilka pokoleń. Najwcześniejsze i użyteczne markerzy to allozymy - zmienne formy enzymatów rozdzielane przez elektryfokzę, które dawały tylko sztywną wygodę w odniesieniu do różnorodności genetycznej, rozstrzygając jedynie kilka lokalizacji. Microsatelity - krótkie sekwencje DNA, takie jak (CA)n powtarzane wielokrotnie na danym genomowym miejscu - stały się w latach 90. i 2000. roku pracującymi markerami, ponieważ są bardzo wielomorficzne (wiele allele na jednej lokalizacji) i można je ocenić bezpiecznie przez PCR. Panel microsatelitów Apis mellifera opracowany przez grupy badawcze europejskie nadal jest używany dzisiaj do testowania pochodzenia rodziców oraz przypisania podrodzaju, w tym wyodrębniania pochodzenia czystokrwistego pszczół ciemnych (Apis mellifera mellifera) od importowanych stanów w projektach ochrony przyrody Wielkiej Brytanii.

Nowocześnie przebiegła się ku single nucleotide polymorphismom (SNPom), różnorodności jednego base-pairu, które występują z ekstremalną gęstością po całym genomie. SNP są mniej informatywne indywidualnie niż microsatelity, ale ponieważ tysiące z nich można genotypować jednocześnie na pojedynczej kartce czy poprzez panel sekwencjonacyjny o niskiej koszcie, dają znacznie wyższą rozdzielczość ogólnie. Ta gęstość jest to, co pozwala na przeprowadzenie badań asocjacyjnych genomowych (GWAS) - skanowanie całego genomu w poszukiwaniu markerów, które statystycznie korelują z daną cechą, taką jak zachowanie odwracające się przed pszczołami, bez konieczności przewidzenia wcześniej, która genetyka może być odpowiedzialna.

Dla czego właściwie są używane markerowe narzędzia

W praktyce, programy krzyżowania w Wielkiej Brytanii i Europy wykorzystują markerowe narzędzia do wielu rozłącznych zadań, a nie jednego ogromnego schematu selekcji. Najbardziej rozwiniętą aplikacją jest walidacja pochodzenia: ponieważ królowa małpa urodziła się z wielu dronek w powietrzu, a pracownice kolonii są zatem mieszanką pełnych i półsióstr, panel mikrosatelitowy może potwierdzić, która linia dronek przyczyniła się do danego lotełu córek królewskich, czego nie da się ustalić jedynie na podstawie obserwacji. To ma ogromne znaczenie dla programów krzyżowania w zamkniętych populacjach i potwierdza, że metody instrumentale inseminacji lub kolonie do regulowanego krzyżowania wyprodukowały to krzyżowanie, które było docelowo planowane.

Druga aplikacja dotyczy oceny podgatunków i hibridizacji. Markerowe narzędzia DNA mitochondrialnego i paneli SNP nuklearnych mogą szacować, jaką część pochodzenia kolonii przyczynia się do Apis mellifera mellifera w porównaniu do komercyjnie wprowadzonych włoskich (ligustica), krainskich (carnica) lub plemion Buckfast. Grupy ochronne, pracujące nad ochroną lokalnych czarnej pszczół na Walecji, Skotlądzie i części Cornwallu, stosują to regularnie do potwierdzania stanowiska genetycznego kolonii i monitorowania introgresji z sąsiednich kolonii. Trzecia, nadal w fazie badań aplikacja dotyczy bezpośredniej asocjacji markerów z cechami genetycznymi odporności na pszczółkę Varroa, takimi jak VSH i zachowania gospodarskiego, gdzie grupy badawcze amerykańskie i niemieckie identyfikowały kandydatów do regionów genomowych, choć jeszcze nie ma komercyjnie dostępnych testów markerowych jednopunktowych przewidujących VSH z taką dokładnością, jaką chcieliby widzieć breederzy.

Samplowanie i przepływ pracy laboratorium

Pobranie próbki odpowiednia do analizy DNA jest proste i nie wymaga opuszczenia wartościowego stanu. Przykładowo, odcięty koniec skrzydła, pojedyncza noga lub kilka pupa dronów dostarcza wystarczające tkaniny do ekstrakcji; DNA jest wystarczająco stabilny w takich próbkach, aby przetrwa transport pocztowy do laboratorium, jeśli zostanie poprawnie wyschnięta lub zapisana w etanolu. Protokoły ekstrakcyjne używają standardowych komercyjnych zestawów, a PCR amplifikacja lokusów microsatellite lub paneli SNP jest teraz rutyną dla laboratoriów uniwersyteckich i specjalistycznych komercyjnych, kilka z których w Wielkiej Brytanii i kontynentalnej Europie oferuje usługi testowania pochodzenia i antycypacji konkretnie przeznaczone dla hodowców królowych, a nie tylko badawczych badaczy.

Czas przetwarzania jest głównym ograniczeniem praktycznym: wyniki obwodzą się typowo od kilku dni do kilku tygodni, co jest zbyt długie, aby informować o wyborze królowej nienarodzonej do krzyżowania w tym sezonie, ale jest całkowicie dozwolone dla potwierdzenia krzyżów z poprzedniego roku, oceny genetycznej różnorodności populacji hodowlanej lub uwierzytelniania stanu do sprzedaży. To dlaczego testowanie markerów działa jako dopełnienie, a nie zastąpienie kontynuowanej selekcji fenotypicznej - potwierdza ono pochodzenia i ocenia różnorodność retrospectywnie, podczas gdy obserwacja polowa nadal steruje wybór kolonii do hodowli w chwili aktualnej.

Ograniczenia i Realistyczne Oczekiwania

Warto być otwarcie zgodnym na to, co technologia markerów nie może jeszcze zrobić dla przeciętnego hodowcy pszczół w Wielkiej Brytanii lub nawet większości poważnych grup hodowlanych. Najważniejsze cechy pszczół ekonomicznie znaczące - produkcja miodu, temperament, zdolność do przeżycia przez zimę - są wielogenetyczne, wpływane przez wiele genów, każdy z małym efektem, które interagują z środowiskiem i dynamicznymi relacjami społecznymi w colonies. Nie jak u niektórych hodowlanych gatunków o jednogenetycznych cechach, nie ma prostej paneli markerów, która wiarygodnie przewiduje te wyniki. Oświadczenia tego rodzaju powinny być traktowane z sceptycyzmem. Koszt stanowi dalszy bariernik: choć pojedyncze testy stały się mniej drogie, budowanie programu hodowlanego opartego na markerach wymaga partnerstw laboratoriowych, infrastruktury do prowadzenia notatek i technicznej wiedzy, które małe skrócone lub hodowlane operacje typowo nie mają dostępu.

Miejsce, gdzie technologia markerów okazała się prawdziwie wartościowa, to specyficzne, szersze zadania opisane wyżej: potwierdzanie pochodzenia, ocena genetycznej różnorodności w zamkniętej populacji, aby uniknąć inbreedinga, oraz walidacja pochodzenia podgatunkowego dla celów ochrony. Grupy takie jak narodowe stowarzyszenia hodowlane pszczół i zaufania do ochrony naturalnych gatunków są najbardziej prawdopodobnie zainteresowane bezpośrednio dzisiaj, podczas gdy bardziej szerokie paneli markerów przewidujących cechy, takie jak odporność na Varroę, pozostają kierunkiem promisingmi badawczymi, a nie gotowym narzędziem.

Często zadawane pytania