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Tom Goldammer, Marieke Verleih,
Alexander Rebl, Ronald Brunner
und Kooperationspartner
DEUTSCHER FISCHEREITAG
Lübeck, 28.-30.August 2018
Die Regenbogenforelle – Regionale Zucht und genetische Vielfalt versus Importfisch
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2
Inhalt
• Regenbogenforellenproduktion - Standorte
• Zuchtlinien BORN und IMPORT
• Genombasierte Messmethoden
• Molekulargenetische Faktoren der Anpassung
• Produktionsleistungen im Vergleich
• Zusammenfassung und Fazit
• Gedanken und Ausblicke
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3
• Wie wollen wir Fische produzieren?
• Welches Maß an Umweltbelastung halten wir für vertretbar?
• Ist es legitim, vermeintliche oder tatsächliche Probleme der
Aquakultur in ferne Länder zu exportieren?
Fachforum Aquakultur der DAFA (2014)
Kiel voli vi ninfabriki?
Nachhaltigkeit der Regenbogenforellenproduktion
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4
Unklar:
• Wie viele Betriebe nutzen eigene Laicherstämme?
• Wie viele Betriebe importieren sterile Augenpunkteier?
• Ist die Erbrütung und Aufzucht von Importfischen ökologisch?
• Welche genetischen Ressourcen besitzt Deutschland?
Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss)
• Produktionsbetriebe: 1045
• davon 29 ökologisch bewirtschaftet
• Erzeugte Menge: ca. 6800 t im Jahr 2017 ≙ 35 %
• 208 Betriebe > 5 t mit insgesamt 6150 t Produktion (90 %)
• z.B. B-W: 31 Betriebe > 5 t mit insgesamt 1800 t (96 %) – im Mittel ca. 60 t
MV5
73t
SH5
?t
Sl1?t
RP25
340t
B 571
1640t
BW84
1867t
Bb10
187t
H42
348t
Th43
476t
S50
152t
SA11
324tNRW112888t
NS86
423t
Deutschland Regenbogenforellenproduktion 2017
Destatis 2018 – Erzeugung in Aquakulturbetrieben - FS3 R4.6 – 2017
Betriebe und Produktionsleistung
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5
fischzucht-stoerk.de/forellenzucht
Regionale Produktion von Regenbogenforellen
„Außerdem sind wir einer der führenden Anbieter für Forelleneier in Deutschland.“
• 76 Betriebe mit Brut- und Aufzuchtanlagen – (unverbindlich) Laich, ca. 11 Mio Eier
• Wieviel davon von eigenen regionalen Laicherstämmen?
• Verkauf von fertilen Regenbogenforelleneiern?
• Regionale genetische Ressourcen vorhanden – Wie viele?
• Züchterische Anpassung an regionale Umwelten seit X? Generationen
• Basis für familiengestützte Selektion von Forellen grundsätzlich vorhanden
Ein positives Beispiel:
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6
Importfisch konfrontiert mit unbekannten regionalen Stressoren:• differente Habitate, • Wasserqualitäten, • Pathogene, Keime, Gifte, • Futtermittel, Handling etc.
www.troutlodge.com
Globaler Export/Import von Regenbogenforellen
• 500.000.000 Eier pro Jahr• Rein weiblich XX steril oder• triploid 3x=90 Chromosomen• nur wenige Genpools• Export in ca. 70 Länder
World’s leading producer of eyed trout eggs
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7
Geschlossene Kreislaufanlagen recirculating aquaculture system, RAS
Durchflussanlagenraceways/flow-through systems
Netzgehege- oder Käfiganlagen cage or net pen culture
Teichwirtschaftpond culture
fjordkrone.de/de/haltungsformen-aquakultur/
Fotos privat oder freie Quellen
Verschiedene Haltungsumwelten für eine Fischart
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8
Zucht in neuem Lebensraum - Ostsee-Ästuare, BrackwasserMin. 0°C - Monatsdurchschnitt 3-24°C - Max. 28°C
Wasserqualität: Trüb, hohe Keimbelastung
Selektion auf lokales Überleben
Zucht im natürlichen Lebensraum – Gebirgsflüsse/-seenMin. 5°C - Monatsdurchschnitt 8-22°C - Max. 25°C
Wasserqualität: Klar, keimarm
Selektion auf WachstumModerat
8°C - 15°C - 23°C
Kälteschock5°C - 0°C
Sommerhitze20°C - 27°C
Infektion/Stimul.A. salmonicida
Kein Stress
BrackwasserSeewasser
FlusswasserGrundwasser
Stamm IMPORT
Lokaler Stamm BORN
Temperatur
Besatzdichte
Pathogene
Haltungs-umwelt
adaptiert
nicht adaptiert
Vergleich differenter Zuchtlinien in regionaler Aquakultur
BORN-Forelle
IMPORT-Forelle
HochModeratGering
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9
Fingerlinge im Anzuchtbecken
Optimale HaltungsbedingungenKriterien:Trinkwasser, Temperatur 12-18°C
Zucht/SelektionKriterien:
• Brackwasser, eutroph, hohe Keimbelastung • stärker schwankende Temperaturen 0-28°C
Fingerlinge in Rinnen der Kaltwasseranlage Born
evolviertes Adaptationspotential
Regionale Zuchtlinie BORN wurde züchterisch/genetisch angepasst.
Evolviertes Adaptationspotential / Genomausstattung
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10Darstellungen modifiziert nach E. Anders (1983) Diss. 160pp)
Üb
erle
ben
de
Fore
llen
[n] 81,3
24,5
0
20
40
60
80
100
F1-BORN unselektierteKontrolle
Parallele Haltung von Forellen in Brackwasser für 180 Tage
Üb
erle
ben
srat
e[%
]
15000
2096
702 311
0
3000
6000
9000
12000
15000
1975 1976 1977 1978
Brackwasseraufzucht von Jungfischen < 1g
Genetische Ursachen unbekannt!
Züchterische Anpassung durch klassische Selektion auf Überleben unter regionalen Umweltbedingungen
Regionale Etablierung des Zuchtstamms BORN
P0-Generation
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Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
DNA, cDNA
• Gensequenzierung,
• Transkriptomsequenzierung
• Genomsequenzierung
Genexpression
• Transkriptomsequenzierung (RNA-Seq),
• cDNA- bzw. Oliogo-Mikroarray-Hybridisierung
• quantitative Real-Time PCR (qPCR)
• quantitative Biochips-qPCR
In vitro Zellsysteme
• Einzelmolekülaktivität in der Zelle
• Lokalisation von Molekülen
• Fischzellwachstum, -proliferation
Wesentliche Technologien & Methoden
Biomark HD Fluidigm; Roche Lightcycler96HiSeq Illumina, cDNA Mikroarrays Agilent Live Cell Mikroskopie Zeiss Observer
Strukturanalysen Funktionsanalysen
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Genaktivität stressreaktiver früher Schutzgene “First Barrier”-Gene
Rebl et al. (2012) Vet Immunol Immunopathol 145
• Erhöhte Grundexpression von Schutzgenen in der Leber gesunder regionaler Forellen
• Verbesserte Sperre gegen das Eindringen von Pathogenen
• Adaptation an die lokalen Wasserparameter (Keimspektrum, Eutrophie, Temperaturamplitude)
• Abreguliertes angeborenes Immunsystem
Kein Stress
Mikroarray-Transkriptomstudie
Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
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Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Genaktivität des stressreaktiven angeborenen Immunsystems
Beispiel: Vergleich der Expression von Komplementgenen
• Abreguliertes, weniger aktives angeborenes Immunsystem in der Milz gesunder regionaler Forellen
• Genetisch determinierte Adaptation an die lokale Umwelt - Brackwasser
Köbis et al. (2013) Mol Biol Rep 40 Köbis et al. (2014) Fish & Shellfish Imm 42
Mikroarray-Transkriptomstudie
Kein Stress
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14
Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Effekte veränderter Genetik auf Überleben nachi.p.-Infektion mit A. salmonicida [104cfu]
0
20
40
60
80
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 12 24
kum
ula
tive
Mo
rtal
ität
[%]
Tage nach Infektionsbeginn (dpi)
Überleben
BORN Import
∆ 50%
72h
n=30 Fische pro Stamm
Korytář et al. (2013) Fish Shellfish Immunol 35 Rebl et al. (2014) Mar Biotechnol 16
Mikroarray-Transkriptomstudie
Regionale Zuchtlinie BORN:
• Anpassung des Immunsystems an Lebensraum Brackwasser
• Effizientere angeborene Immunantwort
• Höhere Überlebensrate
• Schnellere adaptive Immunantwort in der regionalen Zuchtlinie
21d
0
20
40
60
80
100
0 7 21
CD
4-A
ktiv
ität
MH
C II
[%
]
Tage nach Infektionsbeginn
Aktivität erworbenes Immunsystem
BORNImport
7d21d
InfektionA. salmonicida
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15
Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Korytář et al. (2013) Fish Shellfish Imm 35 Korytář et al. (2013) Diss FLI
BORN vs. Import
Effekte veränderter Genetik auf Leukozytenzellkinetik nach Stimulation
StimulationA. salmonicida
FACS-Zellsortierung
• Lymphozyten dominieren im nicht infizierten Fisch
• Myeloidzellen kontrollieren die Auflösung der beginnenden Entzündung
• Stimulation induziert dramatische Wechsel in der Zellkomposition des Peritoneums
• ca. 24h schnellerer Zelltransfer bei der regionalen Zuchtlinie BORN
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16
Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Korytář et al. (2013) Fish Shellfish Imm 35 Korytář et al. (2013) Diss FLI
Effekte veränderter Genetik auf Leukozytenzellkinetik nach Stimulation
StimulationA. salmonicida
FACS-Zellsortierung
• Stimulation induziert dramatische Wechsel in der Zellkomposition• Nur moderater Anstieg der Leukozytenanzahl in regionaler Zuchtlinie
Qualität der Abwehr ist wichtiger als erhöhte Quantität an Abwehrzellen!
LymphozytenMyeolidzellen
0hpi 24hpi 72hpi 0hpi 24hpi 72hpi
i.P
.-Ze
llko
mp
osi
tio
n
BORN vs. Import
BORN Import BORN Import
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17
Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Mikroarray-TranskriptomstudieRebl et al. (2013) Marine Biotechnol 15 Verleih et al. (2015) Marine Biotechnol 17
Identifizierung früher Stressindikatoren für Temperaturstress
Genexpression KiemeBORN/IMPORT
Umfassende globaleTranskriptomanalysen
Heat map
Kiemen
Niere
Leber
Gehirn
Heat map Top 20 Gene
Moderat8°C - 15°C - 23°C
Temperatur = abiotischer ökologischer Masterfaktor in der Aquakultur (Brett JR,1971)
• Nachweis linienspezifischer Strategien für die Stress-antwort auf moderaten Temperaturstress
• Angeborenes Immun-system wird auch bei Temperaturstress aktiviert
• Temperaturanstieg induziert Akute-Phase-Gene nur in der regionalen Zuchtlinie BORN
8°C 23°C
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18
• Genotypisierung identifiziert ca. 150 Gene mit zu 100% zuchtlinienspezifischen SNPs
• u.a. First Barrier Gene und angeborenes Immunsystem• Frühe Stressindikatoren mit „Zuchtpotential“ – DNA-Sequenzvariation
n=8/Zuchtlinie6 Gewebe
HauptkomponentenanalyseDifferente Geneexpression
Gen-/DNA-Fragmentassemblierung
Transkriptomsequenzierung zur Identifizierung genetischer Zuchtlinienunterschiede
Illumina HiSeq – RNA-Seq
Kein Stress
Brunner & Verleih (2014-17) Labordaten
Gen-/DNA-Sequenzvariation
Doktorandin Lydia de los Rios Pérez (2018)
Linienspezifische SNPs
GATK - Genome Analysis Toolkit
30-fold coverage/strain
GIMAP7
Borchel (2015) Diss. 28-diss2015-0192-2
Molekulargenetische Faktoren erfolgreicher regionaler Anpassung
Reads Pre-ProcessingVariantensuche
Variantenanalyse SNP’s / Indels
Callset RefinementGenotypen
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IMPORT (selektiert auf Wachstum)BORN (selektiert auf Überleben)
RinnenanlageBrackwasser
Netzkäfiganlage See
TeichanlageGrundwasser
Fotos: Ralf Bochert
RinnenanlageFluss
Goldammer et al. (2016) Fischerei & Fischmarkt 3www.aquakultur-mv.de – Abschlussbericht EFF-BORN-Forelle (2015)
BrackwasserSeewasser
FlusswasserGrundwasser
Regional + Import -65% männliche Tiere
BORN vs. IMPORT – Produktionsleistung in regionalen UmweltenMittlere Produktionsleistungen von 4 Testbetrieben
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Zusammenfassung & Fazit - Regionale versus Importzuchtlinie
Regionale Zucht führt zu signifikanten Unterschieden:- Gen-, Genomsequenzvariation, Genotyp - Gen-, Genomfunktion- Stressbewältigungsstrategien
• First Barrier-Gene• angeborene & erworbene Immunabwehr• Leukozytenaktivität• spezifisch regulierte Stressgene und Signalkaskaden
- Mortalitätsrate unter Stresseinwirkung- Produktionsleistungen, Phänotyp
Fazit: Regionale Zucht ist nachhaltig, ökologisch und produktiv.
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Gedanken und Ausblicke
Deutschland fördert die Verbesserung von: Fischfutter, Aquakultursystemen, Filtersystemen, Fütterungssystemen,Erbrütungstechnologien, die Nachnutztung von Abprodukten (Aquaponik).Fischhaltung erfolgt sogar im Ökolandbau….
Fischzucht in Deutschland erfolgt zumeist überphänotypgestützte Massenselektion- Wir müssen das ändern!- Wann “verbessert” Deutschland die Fische?
Foto: Ronald Brunner
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22
Gedanken und Ausblicke – Genomanteil am Zuchterfolg
http://aquagen.no/en/2013/06/12/selective-breeding-progress/
Deutschland braucht die familiengestützte Selektion von Regenbogenforellen
Selektion auf Milchmenge, 9200l – mittlere Heritabilität h2=0,25
5000
6000
7000
8000
9000
Milchleistung [kg] bei natürlichem Fettgehalt
HB-Kühe RZMV 1994-2009
Zuchtreport_Milch-09 (2009) LALLF
RindRegenbogenforelle
Selektion auf Merkmal Körpergewicht ausgenommen am praktikabelsten mittlere Heritabilität [h²] = 0.29
Kause et al. (2007) J.Anim.Sci. 85
Zuchtprogramm FinnlandVerbesserung Filetqualität
[email protected] (1996)20 bis 40%
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23
+
Zuchtwertberechnung über Phänotypen von:- Individuum- Elterntiere- Voll- und Halbgeschwister- NachkommenSchätzung der Genetik (Genotyp) mit geeignetem Test: BLUP-Test
Dam
Sire 1 Sire 2 Sire 3
Gedanken und Ausblicke - Genomanteil am Zuchterfolg
Grundvoraussetzung: Familienstrukturen und Zuchtwertschätzung
Offspring
Erfassung von Leistungsdaten und deren Abweichung vom Populationsmittelwert ergibt den Zuchtwert für jedes Tier.
Best Linear Unbiased Prediction
Vorteile:- Garantierter schneller Zuchtfortschritt- Zuchtfortschritt auch bei niedriger Vererbbarkeit
Familie 1 Familie 2 Familie 3
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24
Familiengestützte Selektion – verschiedene Zuchtziele
Grundvoraussetzung: Familienstrukturen
1 3
Zucht neuer Familien durch KreuzungKombination gewünschter Merkmale
Erhaltung und Verbesserung einer Familie
+
Gedanken und Ausblicke - Genomanteil am Zuchterfolg
Neue Elterntiere mit besten individuellen und Familienmittelwerten im Vergleich zur Gesamtpopulation
Familie mitbestem
Wachstum
Familie mitniedrigsterMortalität
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Gedanken und Ausblicke – Pioniere von Zuchtprogrammen
Vergleich von 15 Zuchtbetrieben eigene Zuchtstämme mit eigener Laichproduktion in Europa – davon:Familiengestützte Selektion: 9Phänotypbasierte Massenselektion: 6
1992 2015
*troutlodge.com*seafoodsourc.com
*aquagen.no
*vbcn.se
*troutex.dk
*hofer-forellen.de*uni-goettingen.de
Boosting European aquaculture by advancing selective breeding to the next levels
2018
?Europa gesamt in 2011: 1,55 Mrd Eier(Dänemark 320 Mio, Frankreich 400 Mio)
*assumed breeders
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26
Gedanken und Ausblicke - Zuchtprogramme
• Zuchtprogramme (national/ regional)
• Zuchtzentren: Betriebe/ Bundesländer mit eigenen Zuchtstämmen
• Aufbau echter Familienstrukturen – Monitoring –Stammbucherstellung (Herdbuch) – Digitalisierung
• Genetische Vielfalt regionaler Zuchtstämme erfassen
Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss)
• 208 Betriebe > 5 t / 6151 t Produktion (90 %)
• z.B. B-W: 31 Betriebe > 5 t / 1786 t (96 %)
• 76 Betriebe mit Laichproduktion, ca. 11 Mio Eier
MVSH
Sl
RP
B38
6,65 Mio EierBW12
2,45 Mio Eier
Bb
H Th
S
SA
NRW8
0,70 Mio Eier
NS5
0,56 Mio Eier
Rest:13 0,65 Mio Eier
Betriebe mit Laichproduktion
Notwendige Schritte zur kompetitiven Erhöhung der Eigenproduktion:
Destatis 2018 – Erzeugung in Aquakulturbetrieben - FS3 R4.6 – 2017
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27
Gedanken und Ausblicke - Anpassungszeitraum
Fraser et al. (2011) Heredity 106Primmer (2011) Heredity 106
Populationsgenetische Metaanalyse zur Erschließungneuer Verbreitungsareale durch Salmoniden in Flußgebieten:
Zeitspanne für Anpassung an neuen Lebensraumund Manifestierung als neue Population:
6-30 Generationen (>15 - 100 Jahre)
Oncorhynchus spec.-Populationen
+ lokale Population
± neue Population (lokale Adaptation erschwert)
±+
+
±
+
Pazifik450 mi700 km
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Gedanken und Ausblick – Genetische Vielfalt erfassen
Fluidigm Integrated Fluidic Circuit (IFC) Arrays
Duplex-PCR-Typisierung zur Geschlechtsbestimmung in der
Regenbogenforelle
Werkzeuge für markergestützte Selektion von Forellen sind vorhanden
Molekulare Werkzeuge zur Stressmessung: Biochip mit
Indikatorgenen
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Finanzielle Unterstützung u.a. durch den Europäischen Fischereifond (EFF) und das Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz des Landes M-V (2012-2016).
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Danke an die beteiligten Fischereibetriebe in M-V für ihre Kooperation.
Danke an die LFA-MV mit E. Anders, Carsten Kühn, Ralf Bochert u.a. sowie das FLI mit Bernd Köllner und Tomas Korytar u.a. für die aktive Kooperation, Mitarbeit und Unterstützung der Projekte zur BORN-Forelle (2009-2016).
Abteilung Fischgenetik (2018)