Zuchtprogramme aus dem Baukasten

– ein Beitrag von Henner Simianer, Lisa Büttgen, Amudha Ganesan & Torsten Pook der Abteilung Tierzucht und Haustiergenetik, Zentrum für Integrierte Züchtungsforschung (CiBreed), Universität Göttingen

Züchtung hat die Aufgabe, Zuchtfortschritt zu generieren, also Nutztier- oder Nutzpflanzenpopulationen langfristig so zu verändern, dass sie den an sie gestellten Ansprüchen besser gerecht werden. Dies bezieht sich bei Weitem nicht nur auf höhere Leistungen, sondern auch auf eine verbesserte Gesundheit und Resistenz und eine höhere Qualität der Produkte. Gerade in den letzten Jahren sind zudem die Adaptationsfähigkeit an sich verändernde Umweltbedingungen, eine bessere Ressourceneffizienz und geringere Emissionen wichtige Zuchtziele geworden.

Wie können solche vielfältigen und sich sogar teilweise widersprechenden Zuchtziele erreicht werden? Hier kommen Zuchtprogramme zum Einsatz. Dies sind komplexe Prozesse, die von Zuchtverbänden oder Zuchtunternehmen geplant und umgesetzt werden. Typischerweise bestehen Zuchtprogramme aus einigen zentralen Elementen wie der Merkmalserfassung, der Auswahl der besten Eltern und deren Anpaarung, ergänzt durch eine Vielzahl zusätzlicher Prozessschritte. Häufig kommen dabei anspruchsvolle statistische Verfahren und biotechnologische Methoden im Rahmen einer komplexen Logistik zum Einsatz, wobei deren konkrete Ausgestaltung immer auch abhängig von den biologischen Gegebenheiten in der jeweiligen Pflanzen- oder Tierart ist. Dadurch sind Zuchtprogramme heute ebenso vielfältig wie die Arten, die verbessert werden sollen. So unterscheiden sich z. B. Mais- und Kartoffelzuchtprogramme ganz grundlegend; das gleiche gilt aber auch für Zuchtprogramme in der Hühner- oder Pferdezucht.

Modell und Abbildung: Rasmus Hanf

Im Zentrum für Integrierte Züchtungsforschung haben wir uns Gedanken gemacht, wie in diese gewachsene Vielfalt von Zuchtprogrammen Struktur und Ordnung gebracht werden kann. Entscheidend war dabei die Erkenntnis, dass Zuchtprogramme modulare Prozesse sind und als eine gerichtete Abfolge von nur zwei Arten von Modulen, nämlich Knoten und Kanten, dargestellt werden können. Dabei sind Knoten Gruppen von Individuen, die ähnliche Eigenschaften haben, also z. B. eine Gruppe von Tieren des gleichen Alters und Geschlechts, für die ähnliche Leistungsinformationen vorliegen. Kanten sind Prozesse, die Knoten miteinander verbinden, wobei die Eigenschaften des ‚Mutterknotens‘ in die Eigenschaften des ‚Tochterknotens‘ nach bestimmten Regeln überführt werden. Eine typische Kante ist z. B. die Selektion, bei der aus dem Mutterknoten nur die besten Tiere ausgewählt und in den Tochterknoten überführt werden. Andere Kantentypen sind z. B. ‚Altern‘ oder ‚Reproduktion‘. Die entscheidende Erkenntnis war nun, dass nur eine erstaunlich kleine Anzahl von grundsätzlichen Typen von Knoten und Kanten, die natürlich alle noch mit weiteren Eigenschaften hinterlegt werden müssen, existiert. Diese können als die elementaren ‚Bausteine‘ für Zuchtprogramme betrachtet werden. Jedes noch so komplexe Zuchtprogramm kann dann in modularer Weise als Abfolge dieser Knoten und Kanten dargestellt werden, also ähnlich wie in einem Legobaukasten aus den verschiedene Bausteine zusammengesetzt werden. Um praxisrelevante Zuchtprogramme abzubilden, können durchaus dutzende oder gar hunderte von Bausteinen notwendig sein, ähnlich wie es viele Legosteine braucht, um, sagen wir mal, eine realitätsnahe Kuh zu bauen.

Wie kann diese Erkenntnis nun praktisch genutzt werden? Auf der Basis des grundlegenden Konzepts haben wir das R-Paket MoBPS (für Modular Breeding Program Simulator) entwickelt, mit dem Zuchtprogramme nach dem Baukastenprinzip zusammengesetzt und dann mittels stochastischer Simulation ausgewertet werden können. Dies ermöglicht es, den erwarteten Zuchtfortschritt in den verschiedenen Merkmalskomplexen oder die zu erwartende Entwicklung der Inzucht für ein gegebenes Zuchtprogramm zu berechnen. Um eine einfache Nutzung des R-Pakets zu ermöglichen haben wir unter www.mobps.de eine grafische Benutzeroberfläche entwickelt, mit der in intuitiver Weise Zuchtprogramme aus den einzelnen Modulen ‚gebaut‘ werden können und aus der mit einem Knopfdruck dann die Simulation über das R-Paket gestartet werden kann. Diese Programme sind bereits in vielfältiger Weise für wissenschaftliche Untersuchungen zur Zuchtplanung in Forschungsprojekten, Bachelor- und Masterarbeiten sowie Promotionsprojekten genutzt worden und werden auch in der Lehre sowie in Kooperationsprojekten mit der Industrie intensiv eingesetzt. Die Software wurde zunächst in einem tierzüchterischen Kontext entwickelt, ist aber grundsätzlich auch in der Pflanzenzucht einsetzbar. In einem gerade angelaufenen Promotionsprojekt ist eine Erweiterung um spezifische Typen von Knoten und Kanten für die Pflanzenzüchtung geplant. Weiterhin soll ein ‚Optimierungsmodul‘ entwickelt werden, mit dem auf Grundlage von MoBPS die Zuchtprogrammstruktur sowie der Ressourceneinsatz optimiert werden kann.

Interessierte können sich auf der Seite www.mobps.de gerne weiter informieren und als Gast einloggen. Dort finden Sie verschiedene Vorlagen für Zuchtprogramme in den wichtigsten Tierarten, einführende Unterlagen und Videos zur Nutzung der Software als auch Links zu den bisher aus dem Projekt entstandenen wissenschaftlichen Publikationen.

Originalpublikationen:

Pook, T., Schlather, M., Simianer, H. (2020), MoBPS – Modular Breeding Program Simulator. G3 Genes|Genomes|Genetics

Pook, T., Büttgen, L., Ganesan, A., Ha, N.-T., Simianer, H. (2021), MoBPSweb: A Web-Based Framework to Simulate and Compare Breeding Programs. G3 Genes|Genomes|Genetics

Simianer, H., Büttgen, L., Ganesan, A., Ha, N.-T., Pook, T. (2021), A unifying concept of animal breeding programmes. Journal of Animal Breeding and Genetics, 138, 137-150

Kontakt:

Prof. Dr. Henner Simianer

Abteilung Tierzucht und Haustiergenetik & Zentrum für integrierte Züchtungsforschung
Albrecht-Thaer-Weg 3
37075 Göttingen
hsimian@gwdg.de
Tel. (0551) 39-25604

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