|
דוח לתכנית מחקר מספר 364-0179-05
פיתוח תכנית מחשב לניתוח גנטי של עדר הבקר הישראלי לפי מודל הפרט הבודד רב- תכונתי Development of a computer program for genetic analysis of the Israeli dairy cattle population by the multitrait animal model
מוגש לקרן הנהלת ענף בקר ע"י יהודה ולר המחלקה לבקר וגנטיקה, המכון לבעלי חיים, מינהל המחקר החקלאי, בית דגן אפרים עזרא התאחדות מגדלי בקר, פארק התעשיה קיסריה
Joel Ira Weller, Department of Cattle and Genetics, Institute of Animal Sciences, A. R. O., The סיוון תשס"ו יוני 2006
מבוא
בועדת ספר העדר אשר התקיימה בינואר, 2002, הוחלט לפתח את המודל הרב-תכונתי במטרה ליישמו. בשנה הראשונה של המחקר אמדנו את ערכי התורשתיות והמתאמים הגנטיים לתחלובות 1-5 לתכונות ק"ג חלב, שומן, חלבון, לרת"ס ופוריות בנות. פתחנו את התוכנה עבור המודל הרב-תכונתי, הרצנו את המודל על כלל הנתונים של ספר העדר, והשוונו בין תוצאות המודל החד-תכונתי ומודל הרב-תכונתי. המתאמים בין תוצאות המודל הרב-תכונתי לחד-תכונתי היו מעל 0.97 עבור כל התכונות ובהתאם לצפוי. יישום המודל הקטין את תופעת ה-DIP-RIP, בגלל חישוב אומדני הורשה לתחלובות 1-5 בנפרד. וועדת ספר העדר אישרה את המודל הרב-תכונתי כמבחן פרים רשמי בישראל, וייושם למבחנים שגרתיים החל מ-2004. המבחנים עברו את הבדיקות של INTERBULL וקבלו את אישור שלהם עבור כל התכונות. בשנה השניה המחקר התרכז בתיקון והוספה של נתוני אילן היוחסין בספר העדר, ובפרט בקשר המשפחתי של פרים ישראלים זקנים ופרי חו"ל. התברר שקיים מספר טעויות ברישום הייחוס בספר העדר, כפיליות ברישום פרים, ופרים חסרים. השתמשנו בכמה מקורות כדי לתקן את הרישומים בספר העדר הישראלי. בשנה האחרונה של המחקר פתחנו גם מבחן גנטי עבור התמדה לפי מודל הפרט הרב-תכונתי. חישבנו מתאמים גנטיים בין התמדה ויתר התכונות באינדקס הטיפוח הישראלי, והצענו לכלול תכונה זו באינדקס הטיפוח.
חומרים ושיטות
תיאור המודל הנוכחי, חד תכונתי.
המודל הסטטיסטי החד-תכונתי עבור כל תחלובה של כל פרה כולל את ההשפעות הבאות:
קבוצה גנטית + גנטית תוספתית + תחלובה + עדר-שנה-עונה = תנובה שנתית שארית + סביבה קבועה + כאשר:
תנובה שנתית – ק"ג חלב, שומן וחלבון בתחלובה מתוקן ל- 305 יום. עדר-שנה-עונה – הפרות בכל עדר מתחלקות בכל שנה לפי תאריך המלטה לשתי עונות בין אפריל עד ספטמבר, ובין אוקטובר עד מרץ. תחלובה – מחשבים השפעת תחלובה לחוד עבור קבוצים ומושבים ולפי קבוצות גיל. גנטית תוספתית – גורם זה הוא אומדן ההורשה עבור פרות עם אילן יוחסין מלא. קבוצה גנטית – פרטים ללא רישום אילן יוחסין מלא משויכים לקבוצה לפי מין ושנת לידה. סביבה קבועה – גורם הכולל את אותם הגורמים שאינם קשורים בהורשה אך יוצרים דמיון בין תחלובות חוזרות של הפרה. שארית – החלק הלא מוסבר מהשונות.
אומדן ההורשה עבור כל פרט הוא סכום השפעות גנטית תוספתית והקבוצה הגנטית. השפעת הגורם הגנטי תוספתי עבור פרטים בלי רשומות תנובה (פרים, פרות בלי רשומות) נקבעת באמצעות "מטריצת הייחוסים" (Relationship matrix). לפרטים אלה לא מחשבים השפעות "עדר-שנה-עונה" ו"סביבה קבועה". השפעות התחלובה ועדר-שנה-עונה נחשבות "השפעות קבועות" ואינם כלולות בחישוב גורמי השונות. בניתוח של תכונות יבול חלב הנחנו שלהשפעות הגנטיות תוספתיות והסביבה הקבועה יש שונות שווה, וכל השפעה אחראית ל- 25% של השונות הכללית. יתרת השונות, 50% נקבעת ע"י השארית. במודל החד-תכונתי מניחים שיש מתאם גנטי מלא בין התחלובות. כל תחלובה נחשבת דגימה נוספת של הערך הגנטי והלא גנטי של הפרה, ולכל תחלובה משקל שווה בקביעת הערך הגנטי של הפרה.
תיאור המודל הרב תכונתי.
פיתוח המודל הפרט הרב-תכונתי יושם על פי המאמר של דא וגרוסמן (74: 3183-3195 1991, Journal of Dairy Science). במודל הרב-תכונתי מחשבים עבור כל פרט השפעה גנטית תוספתית והשפעת הקבוצה הגנטית עבור כל תחלובה בנפרד. המודל הסטטיסטי הוא:
שארית + קבוצה גנטית + גנטית תוספתית + תחלובה + עדר-שנה-עונה = תנובה שנתית
אין במודל השפעת "הסביבה הקבועה" של הפרה. במקום זה המודל משתמש במתאמים הסביבתיים בין התחלובות. כמו במודל החד-תכונתי, אומדן ההורשה הוא סכום השפעות הגנטיות התוספתיות והקבוצה הגנטית, והניתוח כולל תחלובות 1-5. במודל הרב-תכונתי לכל תחלובות תורשתיות שונה, על פי אומדנים המוצגים בהמשך. לכל פרט מחשבים אומדן הורשה עבור התחלובות 1-5, למרות שלרב הפרטים אין רשומות עבור כל התחלובות. בחישוב אומדן ההורשה מתבצע שקלול התחלובות על פי המתאמים הגנטיים והסביבתיים בין התחלובות והתורשתיות של כל תחלובה. אומדן הורשה כללי מחושב ע"י אינדקס כלכלי, שמשקלל את הערכים הכלכליים של התחלובות לפי הנוסחה:
א"ה 1 + 0.73*א"ה 2 + 0.51*א"ה 3 + 0.34*א"ה 4 + 0.21*א"ה 5 = אומדן הורשה כללי 2.79
כאשר א"ה 1 , א"ה 2, א"ה 3, א"ה 4, א"ה 5 הם אומדני ההורשה של כל פרט לתחלובות 1 עד 5. המקדמים של הא"ה של כל התחלובות נחשבים יחסי לתחלובה ראשונה כסיכוי שהפרה יגיע לאותה תחלובה כפול הערך הכלכלי של התחלובה כפונקציה של הזמן שיעבור עד המימוש. הנחנו שיעור ריבית ריאלית של 5% לשנה, ושנה בין כל המלטה. 2.79 שווה לסכום המשקלים של כל התחלובות (1+0.73+0.51+0.34+0.21).
אמידת פרמטרים גנטיים למודל הרב תכונתי
כדי ליישם את המודל צריך לאמוד את הפרמטרים הנחוצים, תורשתיות, מתאמים גנטיים וסביבתיים. אמידת הפרמטרים הגנטיים והסביבתיים הייתה לפי שיטת הנראות המרבית המוגבלת (REML). כאמור, למודל החד-תכונתי יש לאמוד רק שלושה פרמטרים: השונות הגנטית, השונות של הסביבה הקבועה, והשונות של השארית. לעומת זאת, למודל הרב-תכונתי יש לאמוד 25 פרמטרים: 5 תורשתיות, 10 מתאמים גנטיים, ו-10 מתאמים סביבתיים. לחישוב גורמי שוניות השתמשנו רק בנתונים של חמש שנים לפי תאריך ההמלטה הראשונה של הפרה. חישבנו אומדנים עבור ק"ג חלב, שומן וחלבון לפי המודל החד-תכונתי. נכללו כל הפרות עם לפחות תחלובה ראשונה. במודל הרב-תכונתי נכללו רק פרות עם רשומות תקינות לכל חמש התחלובות. נאמדו הפרמטרים עבור ק"ג חלב, שומן, חלבון, לוג ריכוז תאים סומתיים (לרת"ס), ופוריות נקבית.
השוואה בין המודלים החד והרב-תכונתי בניתוח כללי של העדר הישראלי
טבלה 1. מספר הרמות של הגורמים בניתוח תכונות יבול חלב לפי מודל הפרט החד- והרב-תכונתי.
מספר רמות הגורם 25,006 עדר-שונה-עונה 431,241 פרות עם רשומות 92,805 פרות בלי רשומות (אמהות) 1468 פרים 58 קבוצות גנטיות 1,050,566 רשומות
ניתוח גנטי של התמדה לפי מודל הפרט הבודד הרב-תכונתי
קובץ הנתונים הכיל 17,931,188 שקילות חלב מתחלובות אחד עד חמש של פרות שהמליטו בין 1985 ו-2005 המשויכות ל-1,699,820 תחלובות. פרות עם אב מעורב או לא ידוע לא נכללו. עקומות תנובת חלב בתחלובות 1, 2, ו-3 מופיעות בציור 1. השיא בתחלובה ראשונה מאוחר יותר והירידה לאחר השיא, פחות תלול בהשוואה לתחלובה שנייה. אותן הנטיות גם מתקיימות בהתאמה בתחלובה שנייה לעומת שלישית.
חישב הפרמטרים של שני המודלים בטבלה 2 מופיעים אומדני גורמי שוניות למודל הפרט החד-תכונתי, וכן ערכי הפרמטרים במבחן. מטבלה 2 מתקבל שהתורשתיות לק"ג חלב, שומן וחלבון בין 27% ל- 30%. במבחן הפרים השגרתי מניחים תורשתיות של 25%. השונות השארית שווה ל-50% מתוך סה"כ השונות לכל התכונות. השונות הפרתי הלא גנטית, כלומר השפעת הסביבה הקבועה, שווה לכ-21%, לעומת הערך של 25% במבחן השגרתי. בטבלות 4, 5, 6, 7 ו-8 מופיעים המתאמים ותורשתיות לק"ג חלב, שומן, וחלבון, לרת"ס ופוריות נקבית בתחלובות 1-5. אלה הפרמטרים לשימוש המודל רב-התכונתי. מטבלה 4 מתקבל שעבור ק"ג חלב התורשתיות לתחלובה 1 היא הגבוהה מבין התחלובות. התורשתיות הולכת ויורדת עם עליית מספר התחלובה עד כדי 12.4% בתחלובה 5. המתאמים הגנטיים בין תחלובות סמוכות גבוהים; בין (1,2) 0.89, בין (2,3) 0.98, בין (3,4) 0.98 ובין (4,5) 0.98. המתאמים הגנטיים בין תחלובות לא סמוכות נמוכים יותר. ככל שהמרחק בין התחלובות מתארך, קטן המתאם. לדוגמה, המתאם בין (1,3) 0.88 ובין (1,5) 0.74. המתאמים הסביבתיים, בתחום 0.3-0.6, ויותר נמוכים מהמתאמים הגנטיים. התוצאות לק"ג שומן בטבלה 4 דומות במגמתן לק"ג חלב, ערכי התורשתיות והמתאמים הגנטיים והסביבתיים מתנהגים באופן דומה. כללית, התורשתיות גבוהה יותר עבור ק"ג שומן לעומת חלב. אומדן התורשתיות בתחלובות 1-4 גבוה מאשר המודל הנוכחי. התוצאות לק"ג חלבון בטבלה 5 דומות במגמתן לק"ג חלב ושומן, ערכי התורשתיות והמתאמים הגנטיים והסביבתיים מתנהגים באופן דומה. כללית, התורשתיות נמוכה מאשר חלב ושומן, אבל אומדני התורשתיות בתחלובות 1-3 גבוהים מאשר המודל החד-תכונתי. טבלה 2. גורמי שוניות למודל הפרט הבודד החד-תכונתי. התכונה גנטי (תורשתיות) סביבה קבועה שארית (סביבתי) חלב 0.285 0.216 0.499 שומן 0.293 0.206 0.501 חלבון 0.276 0.200 0.524 הערכים לפי המודל הקיים 0.25 0.25 0.50 טבלה 3. מתאמים ותורשתיות לק"ג חלב, תחלובות 1-5, הפרמטרים למודל הרב-התכונתי. תחלובות 5 4 3 2 1 0.74 0.82 0.88 0.89 0.39 1 0.85 0.92 0.98 0.29 0.57 2 0.94 0.98 0.27 0.59 0.53 3 0.98 0.22 0.59 0.53 0.46 4 0.12 0.51 0.44 0.37 0.32 5 תורשתיות על האלכסון, מתאמים גנטיים מעל האלכסון, ומתאמים סביבתיים מתחת לאלכסון. טבלה 4. מתאמים ותורשתיות לק"ג שומן, תחלובות 1-5, הפרמטרים למודל הרב-התכונתי. תחלובות 5 4 3 2 1 0.76 0.84 0.88 0.91 0.42 1 0.90 0.96 0.99 0.38 0.58 2 0.95 0.99 0.34 0.61 0.53 3 0.98 0.29 0.59 0.55 0.46 4 0.20 0.52 0.47 0.41 0.34 5 תורשתיות על האלכסון, מתאמים גנטיים מעל האלכסון, ומתאמים סביבתיים מתחת לאלכסון. טבלה 5. מתאמים ותורשתיות לק"ג חלבון, תחלובות 1-5, הפרמטרים למודל הרב-התכונתי. תחלובות 5 4 3 2 1 0.67 0.77 0.85 0.89 0.34 1 0.83 0.92 0.98 0.29 0.54 2 0.91 0.98 0.27 0.59 0.48 3 0.97 0.23 0.59 0.52 0.41 4 0.15 0.52 0.43 0.43 0.28 5 תורשתיות על האלכסון, מתאמים גנטיים מעל האלכסון, ומתאמים סביבתיים מתחת לאלכסון. טבלה 6. מתאמים ותורשתיות ללוג ריכוז תאים סומטיים, תחלובות 1-5, הפרמטרים למודל הרב-התכונתי. תחלובות 5 4 3 2 1 0.81 0.82 0.84 0.85 0.25 1 0.93 0.95 0.98 0.22 0.31 2 0.97 0.99 0.23 0.44 0.26 3 0.99 0.23 0.48 0.37 0.24 4 0.18 0.49 0.40 0.33 0.23 5 תורשתיות על האלכסון, מתאמים גנטיים מעל האלכסון, ומתאמים סביבתיים מתחת לאלכסון. טבלה 7. מתאמים ותורשתיות לפוריות נקבית, תחלובות 1-5, הפרמטרים למודל הרב-התכונתי. תחלובות 5 4 3 2 1 0.54 0.66 0.86 0.74 0.02 1 0.79 0.94 0.82 0.03 0.05 2 0.75 0.88 0.02 0.05 0.05 3 0.92 0.03 0.06 0.05 0.04 4 0.02 0.09 0.08 0.06 0.05 5 תורשתיות על האלכסון, מתאמים גנטיים מעל האלכסון, ומתאמים סביבתיים מתחת לאלכסון
תוצאות נטיות גנטיות לפי תחלובות במודל הרב-תכונתי בציור 2 מופיעות הנטיות הגנטיות במודל הרב-תכונתי לק"ג חלבון לפי תחלובה. כללית, הנטיות הגנטיות היו דומות בכל התחלובות. לתחלובה 2 הייתה הנטייה הגנטית הגבוהה ביותר ולתחלובה 5 הייתה הנטייה הגנטית הנמוכה ביותר. הנטייה הגנטית הכללית הייתה מאוד דומה לנטייה הגנטית בתחלובה 4. בציור 3 מופיעות הנטיות הגנטיות לתכונות יבול חלב ו-01PD לפי המודל הרב-תכונתי. הנטייה הגנטית לחלב הייתה חיובית עד 1992. מ-1992 ועד-1998 קרובה לאפס, ומאז חיובי. הייתה עליה בנטייה הגנטית ל-01PD בשנים האחרונות. הנטייה הגנטית לחלבון הייתה במקצת גבוהה יותר מאשר הנטייה הגנטית לשומן. (מ-1991 ועד 2001 משקל החלבון באינדקס הטיפוח פי חמישה מאשר שומן.) בציור 4 מופיעות הנטיות גנטיות לריכוז שומן וחלבון. הנטיות הגנטיות היו שליליות עד 1990 ומאז הן חיוביות. עד 1990 הנטייה הגנטית השלילית לריכוז שומן הייתה חזקה יותר, מאז הנטיות דומות לשתי התכונות. בציור 5 מופיעות הנטיות גנטיות לפוריות נקבית ולרת"ס. אין נטייה גנטית ברורה לפוריות נקבית. הנטייה הגנטית לרת"ס הייתה "חיובית" (לא רצוי) עד 1993, ומאז "שלילית" (רצוי). ריכוז תאים סומטיים הוכנס לאינדקס הטיפוח רק ב-1996. ציור 2. נטיות גנטיות ליבול חלבון לפי תחלובה ציור 3. נטיות גנטיות חלב, שומן, חלבון, ו-01PD ציור 4. נטיות גנטיות לריכוז שומן וחלבון ציור 5. נטיות גנטיות לריכוז תאים סומטיים ופוריות נקבית
השוואת אומדני הורשה של פרים עם יותר מ-5,000 רשומות לפי שני המודלים.
בטבלא 8 מופיעים אומדני הורשה לק"ג חלבון של פרים עם יותר מ-5,000 רשומות לפי המודל הרב-תכונתי. א"ה של הפרים לייזר, בוטח, פצפון, וטבע עולים עם העלייה במספר התחלובה. כלומר במודל החד-תכונתי, עם הגעת הגל השני של בנות הפרים הנ"ל, אומדני ההורשה שלהם צריכים לרדת. במיוחד בולטת התופעה אצל הפר סקורר. א"ה של הפרים המסומנים באדום; גיוס, שץ, שואג, גבי, גנדי, גלגל, גולית וגופי (גיוס, גלגל, גולית וגופי ממשפחת גיוס); יורדים עם העלייה במספר התחלובה. בולט בירידה במיוחד הפר גלגל, ואכן גלגל היה מדורג במקום ראשון כאשר לבנות שלו היו רשומות רק בתחלובה ראשונה. אומדני ההורשה של הפרים סף, פלור, ובוילר (כולם ממשפחת פרחח) יציבים לאורך התחלובות. טבלה 8. אומדני הורשה לק"ג חלבון של פרים מעל 5000 רשומות לפי מודל רב תכונתי
השוואת אומדני הורשה של פרים לפי שני המודלים.
השוואת אומדני הורשה של פרי הצמרת לפי שני המודלים.
טבלה 10. מבחן פרים לפי מודל הרב-תכונתי, עשרה הפרים הגבוהים ביותר לפיPD01
שם פר רב-תכונתי חד-תכונתי הפרש דליה 965 777 188 דאמסל 881 787 94 סידון 881 871 10 אקסטרים 813 761 52 לילאק 746 647 99 ליבה 738 588 150 אבשה 714 673 41 דנדן 697 486 211 גוקאי 656 474 182 צליין 640 504 136
ניתוח התמדה לפי מודל הרב-תכונתי
סיכום פותח מודל רב-תכונתי לאחר אמידת ערכי תורשתיות ומתאמים גנטיים לתחלובות 1-5 לתכונות ק"ג חלב, שומן, חלבון, לרת"ס ופוריות בנות. בדרך כלל ערכי התורשתיות לכל התכונות היו גבוהים מאשר המודל הנוכחי. המתאמים הגנטיים לכל התכונות היו גבוהים לתחלובות סמוכות, ונמוכים יותר בין תחלובות רחוקות. המתאמים בין תוצאות המודל הרב-תכונתי לחד-תכונתי היו מעל 0.97 עבור כל התכונות ובהתאם לצפוי. יישום המודל הקטין את תופעת ה-DIP-RIP, בגלל חישוב אומדני הורשה לתחלובות 1-5 בנפרד. וועדת ספר העדר אישרה את המודל הרב-תכונתי כמבחן פרים רשמי בישראל, וייושם למבחנים שגרתיים החל מ-2005. המבחנים עברו את הבדיקות של INTERBULL וקבלו את אישור שלהם עבור כל התכונות. השלמנו את אילן הייחוסים של פרי חו"ל עד לשנת 1960. פיתחנו מבחנים עבור התמדה לפי המודל הפרט הרב-תכונתי.
רשימת פרסומים ולר, י., עזרא , א. (2003) יישום המודל הרב-תכונתי עבור ניתוח גנטי של תכונות יבול חלב ותכונות משניות. משק הבקר והחלב 302; 11-18. ולר, י., עזרא , א. (2004) שינוי אינדקס הטיפוח בישראל. משק הבקר והחלב 313; 30-33. עזרא, א., ולר, י. (2005) מבחן גנטי – דצמבר 2004. משק הבקר והחלב 314; 16-17. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||
|
|||||||||||||
| |||||||||||||
