Ugrás a tartalomhoz

Erdészeti - természetvédelmi genetika

Mátyás Csaba

Mezőgazda Kiadó

A kvantitatív tulajdonság genetikai hátterének vizsgálata

A kvantitatív tulajdonság genetikai hátterének vizsgálata

Egy természetközeli állapotú populációban kiválasztott egyedről lehetetlen közvetlenül megállapítani, hogy kedvező tulajdonságait milyen mértékben határozzák meg öröklött tulajdonságai, illetve hogy azokat milyen mértékben fogja utódaira örökíteni. A helyzet némileg hasonló az állattenyésztéshez, amikor pl. egy jól tejelő szarvasmarháról kell megállapítani, hogy jó tulajdonságait milyen mértékben képes átörökíteni, ill. azok genetikailag mennyire meghatározottak.[9]

Az állattenyésztőnek a genotípus becslésére az alábbi lehetőségek állnak rendelkezésre:

  • a leszármazás ismeretében értékelni lehet a szülők, nagyszülők stb. teljesítményét,

  • a vizsgált egyed testvéreit, illetve

  • ivadékainak teljesítményét is össze lehet hasonlítani, továbbá

  • az egyed saját teljesítményét (pl. tejhozamát) lehet megvizsgálni.

Egy erdőállományban szelektált jó tulajdonságú egyed esetében ezek közül csak a „saját teljesítmény” adatával rendelkezünk, mivel sem az egyed leszármazását, sem esetleg helyben előforduló testvéreit, utódait nem ismerjük. Az észlelt tulajdonság ráadásul ismeretlen mértékű környezethatás mellett jött létre. (Az állatnemesítő itt is előnyben van, mert a tartás feltételei ismertek.) A kiválasztás biztonsága némileg javítható, ha az egész állomány megjelenését is elemezzük, és más populációkkal egybevetjük. Bár a kiválasztott egyedünkkel rokonságban álló egyedek közvetlenül nem ismerhetők fel, a természetszerű populáció leszármazását egységesnek véve feltételezhető, hogy egy átlagosnál jobb fenotípusú populációban szelektált egyed nagyobb valószínűséggel örökíti át a kívánt tulajdonságot.

A genotípus további pontosabb megismerésének lehetősége attól függ, hogy a fafaj vegetatív úton szaporítható-e. Az előállított klónok kísérletbe állításával a kiválasztott genotípust kívánság szerinti „másolatszámban” vethetjük egybe más genotípusokkal. A klónozás lehetősége az erdei fák esetében rendkívül hatékony eszköz a kiválasztott egyedek öröklött tulajdonságainak vizsgálatára. Ezzel magyarázható, hogy a könnyen dugványozható fafajok esetében az elmúlt fél évszázadban a nemesítés jelentős előrehaladást ért el (nyárak, fűzek, eukaliptusz esetében). Meg kell jegyezni, hogy a nem dugványozható fajok esetében alkalmazott oltás alig alkalmas a genotípus kvantitatív elemzésére, mert az oltványok nem saját gyökerükön fejlődnek. Ezen kívül az idős fákról készített oltványok az időskori (termőkori) tulajdonságokat megtartják, nem hasonlíthatók össze a magról nevelt, juvenilis csemetékkel.

Összefoglalva, az állattenyésztésben alkalmazható módszerekkel szemben az erdészetben az alábbi lehetőségek állnak rendelkezésre a kvantitatív tulajdonságok becslésére:

Pontosság

Költség- és időigény

Egyed (fenotípus) értékelése

bizonytalan

csekély

Faállomány értékelése

mérsékelt

csekély

Utódvizsgálat

magas

Klónvizsgálat

pontos

mérsékelt

A biometriai, ill. matematikai értékelő módszerek kidolgozása lehetővé tette a kvantitatív öröklés alapos vizsgálatát. A kvantitatív módszerekkel a továbbiakban azonban csak oly mértékig foglalkozunk, amennyi a mennyiségi öröklés, ill. a természetes szelekció megértéséhez szükséges; tekintettel arra, hogy a könyv a nemesítés kérdéseivel részletesebben nem foglalkozik.

Utódvizsgálat

A kizárólag ivarosan szaporítható fafajok esetében a genotípusról csak az utódokon keresztül kaphatunk információt. Ehhez ellenőrzött vagy szabad beporzású csemetékkel létesített utódvizsgálatok szükségesek.

Utódvizsgálat alatt az egyed genetikai adottságainak generatív utódain keresztül történő elbírálását értjük. Az utódvizsgálatot a mezőgazdaságban, különösen az állattenyésztésben régóta alkalmazzák. Az utódok bírálata a legmegbízhatóbb eljárás a genetikai és a környezeti hatások elkülönítésére, és különösen olyan esetekben szükséges, amikor olyan tulajdonságokat kell értékelni, amelyek genetikai kontrolláltsága viszonylag csekély, és ezért a fenotípus közvetlen bírálata bizonytalan.

Az erdészeti utódvizsgálat rendszerint magtermesztő ültetvények (plantázsok) létrehozásával függ össze. Oltványplantázsok esetében a vizsgálat legfontosabb célja a magtermesztő ültetvény számára szelektált klónok értékelése és rangsorolása. Ez nem jelenti azt, hogy az utódvizsgálat feltétlenül a nemesítés részét kell képezze. Az egyed genetikai értékének ismerete kétségtelenül előnyös, de csak akkor, ha az eredmény reális időráfordítással elérhető, különösen ha figyelembe vesszük, hogy az utódvizsgálathoz tartozik a gazdasági értékelés is. Egyes esetekben az utódvizsgálat nélküli tömegszelekció gyorsabb eredményt szolgáltathat.

Az utódvizsgálat során megfelelően értékelhető kísérleti elrendezésben hasonlítjuk össze a kiválasztott törzsfák utódnemzedékeit. Amennyiben mód van ellenőrzött keresztezések végrehajtására, az utódnemzedékek teljes testvérek (full sib). Általában azonban csak szabad beporzású mag felhasználására van lehetőség, az ebből nevelt csemeték apái különbözők, ezért féltestvéreknek (half sib) tekintendők. (Meg kell jegyezni, hogy a beporzási feltételek függvényében a féltestvérek egy része azonos apától is származhat, sőt lehetnek öntermékenyültek is, de ezt rendszerint nem veszik figyelembe.)

A kvantitatív genotípus jellemzése

Az egyed genetikai adottságainak vizsgálatához szét kell választanunk a környezet és a genotípus hatását. Ennek megfelelően a fenotípusos érték a kérdéses egyeden ténylegesen mérhető (kvalitatív tulajdonság esetén: megfigyelhető) tulajdonság; míg a genotípusos érték tulajdonképpen az azonos genotípusú egyedek fenotípusos értékének átlaga (Sváb, 1971), értelmezése ebben a formában azonban csak a vegetatívan szaporított egyedekre, klónvizsgálatokban alkalmazható.

Az utódvizsgálatban a populáció adatainak középértéke áll rendelkezésre a szülő genetikai jellemzésére, az átlagot képező egyes genotípusok értékére részleteiben nem vagyunk kíváncsiak. Az átlagot a lehetséges genotípusok gyakorisága (pontosabban a géngyakoriság), ill. ezek fenotípusos megnyilvánulása határozza meg. Az egyes szülők értéke utódpopulációiknak a viszonyítási szinttől (standardtól) mért relatív eltéréssel jellemezhető: ez a nemesítési érték (B – breeding value). A nemesítési érték az állattenyésztésben használt tenyészérték (additív genetikai érték) fogalmának felel meg, vagyis nem más, mint az allélok átlagos hatásának összege (Sváb, 1971; Dohy, 1999).

A nemesítési érték relatív érték, amelyet a kísérleti átlaghoz vagy esetleg egy standard fajtához viszonyítunk. Azt fejezi ki, hogy a vizsgált szülő párosodási partnerként mennyivel tud hozzájárulni az utódnemzedék tulajdonságainak javulásához. Egy magtermesztő ültetvényben elhelyezett egylaki oltványklón nemesítési értékén utódainak a főátlagtól való eltérésének kétszeresét értjük, hiszen a klón nemcsak anyaként, hanem apaként is részt vesz a plantázs-utódpopuláció létrehozásában.

A nemesítési érték megállapítása átlagos teljesítményen alapszik, tehát csak az additív (összeadódó) génhatásokat veszi figyelembe. Tekintettel arra, hogy a nem additív hatások kihasználására tömegesen és folyamatosan ellenőrzött keresztezéseket kellene végezni, az additív génhatások hasznosítása a legtöbb esetben az egyetlen reális célkitűzés az erdészeti gyakorlat számára.

A nemesítési érték és az utódvizsgálatban mért teljesítmény kapcsolata tehát a következő (l. a 15. ábrát is):

B = μ + 2Δ + Σ(δ)

ahol

μ = kísérleti főátlag (a viszonyítási alap, standard),

Δ = az utódvizsgálatban mért additív eltérés az átlagtól,

δ = az egyes szülőkombinációk, ill. genotípusok nem additív eltérése.

15. ábra - Egy génpár okozta variancia egy 100 egyedes populációban (Li, 1955 nyomán). A három, nem egyenlő arányban képviselt genotípus genotípusos értékét telt kör jelzi, additív genetikai értékét (üres kör) a regressziós egyenesen olvashatjuk le. (A regresszió megállapításánál természetesen a gyakoriságot is figyelembe vettük.) A két érték különbsége G — Δ = δ, a dominancia-eltérés. A dominancia-eltérések összege 0. Ebben az esetben az átlagos genotípusos érték (G) és az additív genetikai érték (A, a nemesítési érték fele) azonos. (További magyarázat a szövegben.)

Egy génpár okozta variancia egy 100 egyedes populációban (Li, 1955 nyomán). A három, nem egyenlő arányban képviselt genotípus genotípusos értékét telt kör jelzi, additív genetikai értékét (üres kör) a regressziós egyenesen olvashatjuk le. (A regresszió megállapításánál természetesen a gyakoriságot is figyelembe vettük.) A két érték különbsége G — Δ = δ, a dominancia-eltérés. A dominancia-eltérések összege 0. Ebben az esetben az átlagos genotípusos érték (G) és az additív genetikai érték (A, a nemesítési érték fele) azonos. (További magyarázat a szövegben.)


A nemesítési érték meghatározásakor δ, vagyis a nem additív tényezők hatásának átlagát 0-nak tekintjük.[10]

Az utódnemzedékben mért variancia és komponensei

Egy eltérő genotípusokból álló populációban található genotípusok eltérésnégyzete (V, variancia, szórásnégyzet) az átlagtól a genetikai varianciát (VG, illetve becslés esetén σ2G) szolgáltatja:

Δ2 + δ2 = VG

A 15. ábrán egy hipotetikus példára mutatjuk be a fenti összefüggést. Tételezzük fel, hogy egy 100 egyedes populációban mért magasságot egy gén két allélje határozza meg. A környezet hatása teljes egészében kiszűrhető. Ez esetben a három genotípus közötti különbség (h1 és h2) teljes egészében genetikai hatásra vezethető vissza. A populációban a három genotípus eltérő számban van jelen, a populáció átlagát arányuk határozza meg.

Genotípus

Genotípusos érték (G)

Additív genetikai érték W

Dominancia (nem additív) eltérés (NA)

Gyakoriság (egyedszám)

BB

8,0

8,8

-0,8

36

Bb

7,0

5,8

+1,2

48

bb

1,0

2,8

-1,8

16

Átlag*

6,4

6,4

δ = 0

Variancia

σ2G=5,76

σ2A = 4,32

σ2NA = 1,44

* gyakorisággal súlyozott átlag

Az additív értékek eltérése a főátlagtól adja az additív, a dominancia-eltérések varianciája pedig a nem additív varianciakomponenst, azaz:

VG = VA + VNA, illetve a becsült értékekre,

σ2G = σ2A + σ2NA; a példában szereplő értékeket behelyettesítve,

σ2G = 4,32 + 1,44 = 5,76.

Látható, hogy a főátlag és a regressziós egyenes helyzete a genotípusos értékektől és azok gyakoriságától függ.

A környezethatás elkülönítése

Az utódvizsgálatban mért adatok varianciája két fő forrásból ered: egyrészt a genetikai különbségekből, valamint a környezeti eredetű hatásokból.

A populáció fenotípusos varianciája (VP) tehát két varianciatényezőből áll:

Vp = VG + VE

ahol

VG = a genetikai hatásokra visszavezethető variancia,

VE = a környezeti hatásokra visszavezethető variancia.

A genotípusos variancia elemzéséhez le kell választanunk a környezeti hatás varianciáját. Ehhez ismétléses, statisztikai igényeket kielégítő terepi kísérletekre van szükség. A kísérletek létesítésének alapelvei Mátyás Cs. (1986) könyvében találhatók.

A kvantitatív tulajdonságok vizsgálatánál a genotípusos és környezeti variancia elkülönítésére elméletileg az alábbi lehetőségek állnak fenn:

  • Ideálisan kiegyenlített környezetben a VE = 0, tehát a fenotípusos variancia közvetlenül a genotípusos varianciával azonos, azaz

Vp = VG

  • Fás növények szempontjából ez a lehetőség gyakorlatilag használhatatlan, mivel a kiegyenlített környezet nem biztosítható.

  • Standard módszer esetén a környezeti variancia (VE) nagyságát egy genetikailag egységes anyagon becsüljük meg, azaz pl. klónozott anyagon. Elméletileg lehetséges, de az erdészeti utódvizsgálatokban eddig nem alkalmazott módszer.

  • Varianciaanalízis alkalmazása mindazokban az esetekben szükséges, amikor a két varianciaforrás együttesen jelentkezik a kísérletben (gyakorlatilag a szabadföldi kísérleteknél ez a helyzet).

A variancia komponensekre bontása

A varianciaanalízishez alkalmazott modell szerint egy, n családot r ismétlésben tartalmazó szabad beporzású utódvizsgálat egy adott parcellájának átlaga (Pij) az alábbi, additívnak tekintett tényezőkből tevődik össze:

Pij = μ + αi + βj + εij

ahol

i = 1..... n, és j = 1..... r, továbbá

αi = az i-edik család hatása (genetikai hatás),

βj = a j-edik ismétlés hatása (azaz a kísérleti elrendezés segítségével kiszűrhető környezethatás),

εij = az ij parcella hatása (hiba vagy maradvány),

μ = a kísérlet főátlaga.

Emellett feltételezzük, hogy Σαi = Σβj = 0, valamint a hiba ij) normál eloszlású, átlaga 0.

A varianciaanalízis során számított tényezők komponensre bontásának hátterét másutt (Mátyás Cs., 1974b; 1975) megadtuk. Itt csak a komponensre bontás alkalmazott képletére utalunk:

Tényező

Szabadságfok

M. S[a]

Becsült komponensek

(E. M. S)

Ismétlések (r)

r – 1

A

σ2e + nσ2r

σ r 2 = AC n MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeq4Wdm3aa0baaSqaaiaadkhaaeaacaaIYaaaaOGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGbbGaeyOeI0Iaam4qaaqaaiaad6gaaaaaaa@3E1E@

Családok (n)

n – 1

B

σ2e + rs2f

Maradvány

(n – 1) (r – 1)

C

σ2e

σ f 2 = BC r MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaeq4Wdm3aa0baaSqaaiaadAgaaeaacaaIYaaaaOGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGcbGaeyOeI0Iaam4qaaqaaiaadkhaaaaaaa@3E17@

σ2e σ2e = C

[a] M. S. = mean square, azaz a négyzetek átlaga (német irodalomban M. Q.).

A varianciakomponenesek közül σr az ismétlések eltérései, σf a családok különbségei által okozott szórás, míg σ2e a maradvány (hiba) becsült szórása. A kapott σ2f komponens nem más, mint az additív genetikai hatásokból adódó variancia.

Az így kapott „statisztikai” varianciakomponensekből a genetikai varianciakomponensek közvetve becsülhetők. A becslés alapja, hogy a genetikai eredetű varianciakomponensek rokonsági foktól függő kovarianciaként értelmezhetők, amiből a genetikai komponensek (VA és VNA) levezethetők. A genetikai variancia természetesen csak a szülők genetikai különbségeiből adódik és arra vonatkozik; az utódnemzedéken belüli, egyedek közötti varianciát nem lehet vizsgálni.

Szabad beporzású utódvizsgálatokban csak az anya additív genetikai hozzájárulása becsülhető. Ahogy ezt a korábbiakban megállapítottuk, ez a nemesítési érték, vagyis az additív genetikai értéknek csak a fele, mivel az egyedet apaként is figyelembe kell venni. Tehát a féltestvérek (HS = half sib) genotípusos teljesítményátlaga az

anyafa additív genetikai értékének csak fele lesz

( 1 2 A ) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaWaaeWaaeaadaWcaaqaaiaaigdaaeaacaaIYaaaaiaadgeaaiaawIcacaGLPaaaaaa@39C3@

. A rokonok közötti kovariancia ennek az értéknek a varianciájából fakad, tehát covHS

cov HS =V( 1 2 A )= 1 4 V A = σ f 2 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaGaci4yaiaac+gacaGG2bWaaSbaaSqaaiaadIeacaWGtbaabeaakiabg2da9iaadAfadaqadaqaamaalaaabaGaaGymaaqaaiaaikdaaaGaamyqaaGaayjkaiaawMcaaiabg2da9maalaaabaGaaGymaaqaaiaaisdaaaGaamOvamaaBaaaleaacaWGbbaabeaakiabg2da9iabeo8aZnaaDaaaleaacaWGMbaabaGaaGOmaaaaaaa@4958@

varianciakomponenssel, vagyis az utódvizsgálatban szereplő szülők genetikai különbségéből származó additív genetikai variancia féltestvér-utódnemzedékek átlagaiból becsülve:

VA = 4σ2f

A levezetett összefüggésekre a későbbiekben adunk számítási példát.

Klónvizsgálat

Mint már korábban említettük, a heterovegetatívan szaporított klónok, vagyis az idegen alanyra oltott oltványok a genotípus növekedési-fatermési tulajdonságai vizsgálatára alkalmatlanok.

A magtermőképesség és időskori morfológiai bélyegek jellemzésére viszont felhasználhatók. Az oltvány-klónvizsgálatok fontosságára először Skandináviában figyeltek fel, amikor a dán Syrach Larsen kezdeményezésére fenyő magtermesztő ültetvényeket hoztak létre oltványokkal. Megjegyzendő, hogy ez a gondolat nemzetközi fórumon először éppen Magyarországon hangzott el, a IUFRO 1936-os budapesti kongresszusán (Mátyás Cs., 1986). Az ötvenes évektől hazánkban Bánó István, majd Retkes József folytatott nagyon alapos klónvizsgálatokat, elsősorban erdeifenyőn, amelynek célja a magtermesztő ültetvények megfelelő maghozamának biztosítása volt.

A klónvizsgálatok erre a célra kiválóan megfeleltek, és igazolták, hogy az egyes szelektált klónok között az ivarjellegben jelentős eltérések vannak (l. részletesebben a 4. fejezetben).

A Bánó által kidolgozott magtermesztési érték lehetővé tette a magtermesztés céljaira legalkalmasabb, bőségesen termő egyedek kiválasztását, miáltal az ültetvényben aránylag kiegyenlített párosodási viszonyok alakulhatnak ki (Bánó – Mátyás – Tuskó, 1978; l. a 17. táblázatot).

A genotípusok növekedési-fatermési jellemzőinek meghatározására azonban ezek a klónvizsgálati kísérletek nem bizonyultak alkalmasnak, az oltvány–oltóalany kölcsönhatások miatt.

A saját gyökerükön álló dugványklónok esetében a klónvizsgálat helyett megkülönböztetésül a klónkísérlet fogalmat használjuk. A megfelelő elrendezésű klónkísérletek a genotípusról nagyon pontos eredményeket szolgáltatnak, ami a nyár- és fűznemesítés alapja.

Hasonlóan jól vizsgálhatók a dugványozott lucfenyő klónok is (l. a 65. ábrát, 7. fejezet).



[9] Nem véletlen, hogy az erdészeti nemesítésben állattenyésztésből átvett fogalmak honosodtak meg, pl. „anyafa”, amely kiválasztott, termő egyedet, vagy nőivarú keresztezési partnert jelent. Az egyszerűség kedvéért az „apa” és „anya” fogalmakat is alkalmazzuk fák esetében a „nő-” és „hímivarú partner” helyett.

[10] A görög betűk használata arra utal, hogy a kérdéses értékek csak becsültek.