Sukusiitostaantuma mikä, miksi, milloin?

Transkriptio

1 Sukusiitostaantuma mikä, miksi, milloin? Katariina Mäki 2008 Artikkeli pohjautuu tanskalaisten kotieläintieteilijöiden Kristensenin ja Sørensenin tekemään katsaukseen sukusiitoksesta. He ovat yhdistelleet kotieläinten jalostustieteen, evoluutiobiologian sekä lajien säilytykseen keskittyneen genetiikan näkökulmia ja kirjoittaneet artikkelin tuotantoeläimiä ajatellen, mutta siinä on paljon yhtymäkohtia myös koiranjalostukseen. Satunnaisajautuminen hävittää geeniversioita Sukusiitos tarkoittaa keskenään sukua olevien eläinten lisääntymistä. Se on pienessä eläinkannassa väistämätöntä, mutta sitä tehdään myös tarkoituksellisesti. Sukusiitos johtaa eläinten heterotsygoottisten geeniparien lukumäärän vähenemiseen ja, jatkuessaan samassa linjassa pitkään, lopulta täydelliseen homotsygotiaan. Sukusiitos ei hävitä kannasta geenien erilaisia versioita, alleeleja, vaan se järjestää niitä uudelleen. Geneettinen drifti eli satunnaisajautuminen tarkoittaa sukupolvesta toiseen tapahtuvia alleelien suhteellisten osuuksien eli frekvenssien sattumanvaraisia muutoksia (Kuva 1). Muutokset johtuvat kannan äärellisestä koosta, ja kotieläimillä niitä aiheuttaa myös yksittäisten yksilöiden tai sukujen liian runsas käyttö jalostuksessa suhteessa muuhun eläinkantaan. Satunnaisajautuminen saattaa johtaa joidenkin alleelien häviämiseen kannasta. Satunnaisajautumista tapahtuu muissa kuin valinnan kohteena olevissa geenipareissa. Kuva 1. Satunnaisajautuminen. Alleelien A ja a osuudet ovat ensimmäisessä sukupolvessa 40 % ja 60 %, toisessa 50 % ja 50 % ja kolmannessa 60 % ja 40 %. Sattuma saa aikaan alleelin A osuuden pienenemisen ja vähitellen häviämisen kannasta. Alleeli a fiksoituu kannan ainoaksi kyseisen geenin alleeliksi. Mitä harvinaisempi alleeli on, sitä suuremmalla todennäköisyydellä se häviää. 1

2 Alleelifrekvenssi = alleelin suhteellinen osuus. Oletetaan esimerkiksi geeni, josta kannassa on olemassa kaksi eri alleelia, A ja a. Jos 55 % kannan kaikista kyseisen geenin alleeleista on A, loppujen eli 45 prosentin täytyy olla a. Tällöin A-alleelin frekvenssi eli osuus on 55 % ja a-alleelin osuus 45 %. Tai: lasketaan vaikkapa kymmenen koiran jonkin geenin eri versioiden osuudet. Jos neljän koiran genotyyppi tämän geenin suhteen on AA, kolmen Aa ja kolmen aa, on 11 kpl kaikista koirien 20 alleelista A:ta ja loput 9 a:ta. A-alleelin frekvenssi on siis 11/20 = 55 % ja a-alleelin 9/20 = 45 %. Fiksoituminen = jokin alleeli tulee kannan ainoaksi alleeliksi tietyssä geenissä ja muut häviävät Sukusiitosasteen suuruus riippuu aineistosta Sekä sukusiitoksen että satunnaisajautumisen seuraukset voidaan määritellä sukusiitosasteen perusteella. Sukusiitosaste on todennäköisyys sille, että satunnaisesti valittu geenipari sisältää kaksi kopiota samasta alleelista, joka on peräisin samalta esivanhemmalta. Tuon isälle ja emälle yhteisen esivanhemman tietty alleeli on siis tullut koiralle sekä isän että emän kautta. Tällainen geenipari on homotsygoottinen ja identtinen. Sukusiitosasteen laskettavissa oleva arvo on aina sidoksissa aineiston niihin koiriin, joiden vanhemmat eivät ole tiedossa. Näiden oletetaan olevan toistensa kanssa erisukuisia, ja lisäksi oletetaan, etteivät ne ole sukusiitettyjä. Tämä sukusiitosasteiden laskennassa ns. peruspopulaatioksi muodostuva eläinjoukko ei useinkaan tarkoita niitä eläimiä, joita todellisuudessa on käytetty rodun tai kannan perustamiseen, vaan niitä, joista sukutietojen tallentaminen on aloitettu. Mitä enemmän sukupolvia aineistoon on tallennettu, sitä tarkemmin eläinten välinen sukulaisuus saadaan laskettua. Sukusiitosaste on pitkistä sukupuista laskettuna yleensä aina suurempi kuin lyhyistä sukupuista laskettuna. Koska sukusiitosaste riippuu niin paljon laskennassa mukana olleiden sukupolvien määrästä, eläinkantojen sukusiitosta kuvataan yleensä paremmin niiden keskimääräisen sukusiitosasteen kasvunopeudella kuin absoluuttisella sukusiitosasteella. Suljetun kannan sukusiitosaste kasvaa sukupolvi toisensa jälkeen, ja ilmiö näkyy aineistossa, jos se on tarpeeksi täydellinen. Tehokas jalostusvalinta lisää kannan sukulaistumista Jo Darwinin ajoista asti, 1800-luvulta, sukusiitoksen on tiedetty olevan haitallista jälkeläisten elinvoimalle. Sukusiitosdepressio eli sukusiitostaantuma määritellään sukusiitoksesta johtuvaksi ominaisuuden keskiarvon alenemiseksi. Paitsi että laskee ominaisuuden tasoa, sukusiitos johtaa myös perinnöllisen vaihtelun uudelleen jakautumiseen. Yhteys sukusiitosasteen kasvunopeuden ja perinnöllisen vaihtelun välillä on monimutkainen, ja sen merkitys riippuu ominaisuutta säätelevien geenien vaikutustavasta. Lopulta sukusiitos kuitenkin johtaa kannan perinnöllisen vaihtelun vähenemiseen, kun alleelit fiksoituvat. Perinnöllinen vaihtelu = eläinten väliset perinnölliset erot Luonnonsuojelugenetiikassa ja eläinjalostuksessa ollaan yhä tietoisempia sukusiitoksen merkityksestä luonnon eläinkannoille. Elinpaikkojen häviäminen, luonnon ylenmääräinen hyväksikäyttö, eksoottisten lajien tuominen uusille alueille sekä saasteet johtavat usein 2

3 eläinkantojen pieneneviin kokoihin ja sitä kautta niiden sukusiitosasteiden kasvuun. Sukusiitostaantumaa on tavattu paitsi kotieläimillä, myös luonnon eläinkannoilla. Kotieläinten kohdalla sukusiitoksen lisääntymistä aiheuttaa moni tekijä. Jalostusvalinta on näistä ehkä tärkein. Verrattuna satunnaisvalintaan, jalostusvalinta periytyvän ominaisuuden suhteen lisää todennäköisyyttä sille, että sukua jatkavat toisilleen sukua olevat eläimet. Tuotantoeläinten jalostusvalintaa on vielä tehostettu lisääntymisteknisillä keinoilla (keinosiemennys, alkionsiirtotekniikka), joiden avulla yksittäisen eläimen lisääntymiskyky kasvaa suuresti. Näin jalostukseen valitaan harvempia eläimiä, ja näidenkin käyttö on hyvin epätasaista, kun joillain on hyvin suuria jälkeläismääriä. Tämä lisää sukusiitosta. Myös tarkkojen jalostusarvon arviointimenetelmien, kuten geenitestien tai BLUP-indeksien, käyttö jalostusvalinnassa lisää tiettyjen, perimältään korkeatasoisten sukujen suosimista jalostuksessa. Tämä antaakin aihetta lisääntyvän sukulaisuuden ja sitä kautta myös lisääntyvän sukusiitoksen tehokkaaseen kontrollointiin. Satunnaisvalinta = millä tahansa kannan eläimellä on yhtä suuri todennäköisyys pariutua minkä tahansa eläimen kanssa Tuotantoeläinten sukulaistumista hidastetaan valintaohjelmilla Alati kehittyvät tilastotieteelliset työkalut sekä lisääntymiseen ja molekyyligenetiikkaan liittyvät edistysaskeleet mahdollistavat tulevaisuuden eläinjalostuksessa yhä nopeamman perinnöllisen edistymisen. Tämä tarkoittaa myös kantojen sisäisen sukulaisuuden lisääntymistä ja sukusiitoksen kasvunopeuden nopeutumista. Tuotantoeläinten jalostukseen onkin kehitetty valintaohjelmia, joissa samaan aikaan maksimoidaan perinnöllinen edistyminen ja minimoidaan kannan sukulaisuuden kasvu. Kumpikin tapahtuu toisensa kustannuksella, joten ohjelmissa optimoidaan jalostusvalinta halutulle tasolle kummankin muuttujan suhteen. Aiemmin käytössä olleet keinot perustuivat enimmäkseen yksittäisten eläinten jälkeläismäärien rajoittamiseen, mutta nyt 2000-luvulla, tutkimuksen kehittyessä, on saatavilla myös hienostuneempia ja tarkempia ohjelmia. Eläinten jalostusvalinta optimum contribution menetelmällä (optimum contribution = optimaalinen vaikutus tai panos) rajoittaa sukusiitosasteen kasvunopeuden halutulle tasolle. Sillä saadaan aikaan mahdollisimman suuri perinnöllinen edistyminen tietyllä sukusiitosasteen kasvunopeudella. Jos sukusiitosasteen sallitaan kasvaa nopeasti, valitaan eläimiä yksipuolisesti parhaista suvuista, jolloin myös jalostus edistyy nopeasti. Jos taas sukusiitosasteelle sallitaan vain hidas kasvu, on jalostuksenkin edistyminen hitaampaa. Tällöin jalostukseen valitaan perinnöllisesti mahdollisimman hyviä eläimiä, mutta se tehdään tasaisesti eri suvuista. Parhaat suvut eivät pääse lisääntymään paljoa enempää kuin muut. Kun sukusiitosaste kasvaa tarpeeksi hitaasti, perinnöllinen vaihtelu säilyy. Suljetun kannan sukusiitosaste kasvaa joka tapauksessa, mutta kanta sietää hidasta sukusiitosta paremmin kuin nopeaa. Koirilla sukulaisuuden lisääntyminen liittyy tiettyjen sukujen tai yksilöiden liikakäyttöön, eikä yleensä, kasvattajien yhteisten jalostustavoitteiden puuttuessa, johdu järjestelmällisestä jalostuksesta tai kannan kehittämisestä tiettyyn suuntaan niin kuin tuotantoeläimillä. Monia sukusiitoksen vaikutuksia ei eettisten syiden takia pystytä kunnolla tutkimaan kotieläimistä. Myös sukupolvien väliset ajat ovat kotieläimillä pitkiä. Tutkimuksen malliorganismeina onkin 3

4 käytetty banaanikärpästä ja hiirtä. Tiedossa ei ole yhtään tapausta, jossa näiden perusteella saatu uusi tieto olisi kotieläimiin suhteutettuna ollut harhaanjohtavaa. Tutkimukset evoluutiobiologian ja luonnonsuojelugenetiikan alalta tuovat mielenkiintoista tietoa sukusiitoksesta, sen vaikutuksista, sekä sen ja ympäristön yhteispelistä. Mikä aiheuttaa sukusiitostaantuman? Sukusiitoksen aiheuttamat muutokset ominaisuudessa voidaan laskea. Käytettävä kaava olettaa, että ominaisuuteen vaikuttavissa geenipareissa on kaksi mahdollista alleelia eikä näillä ole epistaattisia vaikutuksia muiden alleelien kanssa. Kaavassa kerrotaan ensin yhden alleelin frekvenssi toisen alleelin frekvenssillä sekä dominanssivaikutuksella. Tämä tehdään erikseen jokaisen geeniparin kohdalla, minkä jälkeen saadut luvut lasketaan yhteen. Tämä luku kerrotaan vielä eläimen sukusiitosasteella, joka on kerrottu kahdella. Sukusiitostaantuma siis näkyy vain, mikäli ominaisuuteen vaikuttavissa geenipareissa on dominanssivaikutuksia. Positiiviset ja negatiiviset dominanssivaikutukset voivat myös kumota toisensa, jolloin ominaisuudessa ei ole sukusiitostaantumaa, vaikka yksittäisessä geeniparissa olisikin nähtävissä dominanssia. Geenien vaikutustapoja: Dominanssivaikutus = saman geeniparin alleelien keskinäinen vaikutus. Dominoiva eli vallitseva alleeli tuo yksinkertaisenakin itsensä esiin, estäen resessiivisen eli väistyvän alleelin ilmenemisen. Resessiivisen alleelin säätelemä ominaisuus taas näkyy vasta, kun yksilöllä on alleeli kaksinkertaisena. Epistasia = muiden kuin saman geeniparin alleelien vaikutus toisiinsa, alleelien yhteisvaikutus. Additiiviset geenivaikutukset = tiettyyn suuntaan vaikuttavien alleelien lukumäärä ratkaisee: yksilön geneettinen taso ominaisuudessa riippuu siitä, kuinka paljon sillä on ominaisuuteen positiivisesti ja negatiivisesti vaikuttavia geenejä. Additiiviset geenivaikutukset ovat avainasemassa ominaisuuksissa, joita säätelevät useat geenit. Sukusiitostaantuman suuruus riippuu myös alleelifrekvensseistä. Geeniparit, joissa kannan heterotsygotia-aste on suuri eli joissa kumpaakin alleelia on yhtä paljon (kummankin alleelifrekvenssi on 0,5 eli 50 %), ovat alttiimpia sukusiitostaantumalle kuin geeniparit, joissa yksi alleeli on yleinen ja toinen harvinainen (alleelifrekvenssit vaikkapa 0,10 ja 0,90). Koska satunnaisajautuminen aiheuttaa alleelifrekvenssien eroja populaatioiden välillä, sukusiitostaantuma on myös populaatiokohtainen. Joissakin saman lajin populaatioissa sukusiitoksella on suurempi vaikutus tiettyyn ominaisuuteen kuin toisissa. Sukusiitostaantumalla on kaksi hieman erilaista geneettistä mekanismia. Ensimmäinen on osittaisdominanssi, joka selittää sukusiitostaantuman aiheutuvan homotsygoottisissa yksilöissä esiin tulevista haitallisista alleeleista. Kun sukusiitos lisää homotsygoottisten geeniparien lukumäärää, heterotsygooteissa piilossa olleet haitalliset, resessiiviset alleelit tulevat eläimessä näkyviin. Toinen sukusiitostaantumaa selittävä tekijä on ylidominanssi, jossa heterotsygootit ovat ominaisuuden suhteen ylivertaisia kumpaankin, sekä resessiiviseen että dominoivaan homotsygoottiin nähden (Kuva 2). Sukusiitoksen aiheuttama heterotsygoottisten geeniparien lukumäärän väheneminen vähentää ylidominanssin ilmenemistä. Heterotsygootit yksilöt kykenevät paremmin vastaamaan ympäristön muuttuviinkin vaatimuksiin, ja ovat siksi yleensä homotsygoottisia yksilöitä parempia elinvoimaltaan. Biokemiallisten aineenvaihduntatuotteiden valmistus on niillä joustavampaa ja aineenvaihdunta tehokkaampaa. 4

5 Kuva 2. Heterotsygootin suhteellinen arvo eri geenivaikutuksissa. Additiivisuus = heterotsygootin (Aa) arvo on resessiivisen (aa) ja dominoivan (AA) homotsygootin puolivälissä, siis niiden keskiarvo; Dominanssi = heterotsygootin arvo on sama kuin dominoivan homotsygootin; Osittaisdominanssi eli epätäydellinen dominanssi = heterotsygootin arvo on lähempänä jompaakumpaa homotsygoottia, mutta ei kuitenkaan aivan sama; Ylidominanssi = heterotsygootti on arvoltaan ylivertainen kumpaankin homotsygoottiin nähden. Osittaisdominanssilla ja ylidominanssilla on erilaiset vaikutukset evoluutioon. Osittaisdominanssissa luonnonvalinta suosii jompaakumpaa homotsygoottia, ja se hävittää satunnaisajautumisen kanssa vähitellen kaiken vaihtelun, ellei mutaatioita tapahdu jatkuvasti. Perinnöllinen vaihtelu on siis vahvasti sidoksissa mutaatioihin, joista suurin osa on joko neutraaleja (ei vaikutusta ominaisuuteen) tai haitallisia. Luonnonvalinta poistaa osan näistä alleeleista, mutta mutaatiot tuovat uusia. Ylidominanssissa luonnonvalinta taas suosii heterotsygootteja ja pitää siten yllä perinnöllistä vaihtelua. Vaihtelun ylläpitoon ei silloin välttämättä tarvittaisi mutaatioita. Jos sukusiitostaantuman suurin syy on haitallisten alleelien esiintulo, valinnan haitallisia resessiivisiä alleeleja vastaan pitäisi olla tehokas mekanismi geneettisen taakan eli kasautuneiden haitallisten alleelien vähentämiseen eläinkannoissa. Jos taas sukusiitostaantuma johtuukin enemmän ylidominanssista eli ylivertaisten heterotsygoottien geeniparien vähenemisestä, valinta haitallisia alleeleja vastaan ei ole tehokas tapa. Näillä mekanismeilla on erilaiset vaikutukset myös eläinjalostukseen. Ominaisuuksissa, joissa on ylidominanssia, risteytysjälkeläiset ovat parempia kuin kumpikaan vanhemmista. Osittaisdominanssia sisältävissä ominaisuuksissa taas puhdasrotuinen linja, jossa kaikki suotuisat alleelit ovat mukana, on kaikkia risteytyseläimiä parempi. Kummankin mekanismin tueksi on saatu jonkin verran todistusaineistoa, vaikka osittain resessiiviset haitalliset mutaatiot (osittaisdominanssi) riittäisivätkin selittämään suurimman osan havaitusta sukusiitostaantumasta. Mekanismit eivät kuitenkaan ole toisiaan poissulkevia, koska eläinten joissakin geenipareissa on ylidominanssia ja toisissa osittaisdominanssia. 5

6 Sukusiitoksen vaikutusta vaikea tutkia Sukusiitoksen vaikutusta kotieläinkantoihin on hyvin vaikea tutkia. Olemassa olevat aineistot koostuvat yleensä suljetuista kannoista, joissa eläinten sukusiitosasteet automaattisesti kasvavat sukupolvi toisensa jälkeen. Erisuuruiset sukusiitosasteet liittyvät siten eri ajanjaksoihin, joten ominaisuuden keskiarvossa ajan kanssa tapahtunut muutos saattaakin johtua ympäristötekijöiden muuttumisesta. Koira-aineistoissa sukusiitosaste on yleensä useimpien yksilöiden kohdalla rankasti aliarvioitu, mikä aiheuttaa vääristymää tuloksiin. Epätäydellisessä aineistossa verrataan esimerkiksi sellaisten koirien ominaisuuksia, joiden sukusiitosasteet aineiston mukaan ovat 5 % ja 20 %, vaikka todellisuudessa kummankin koiran sukusiitosasteet ovat 20 %. Sukusiitoksen aiheuttamaa eroa näiden koirien ominaisuuksien välille ei silloin löydy, mutta tämä ei ole osoitus siitä, ettei sukusiitos voisi vaikuttaa ominaisuuteen. Suljetut kannat, koirilla siis rodut, ovat aina enemmän tai vähemmän sukusiitettyjä, jolloin sukusiitettyjen koirien vertaaminen ulkosiitettyihin koiriin rodun sisällä on mahdotonta. Luotettavin tulos sukusiitoksen vaikutuksesta eri ominaisuuksiin saataisiin vertaamalla puhdasrotuisia koiria näiden ensimmäisen polven risteytyksiin. Tämä on vaikeasti toteutettavissa, koska aineiston tulisi olla suuri. Sukusiitosaste on odotusarvo siitä, kuinka suuressa osassa eläimen geenipareja alleelit ovat peräisin samalta esivanhemmalta. Samassa kromosomissa hyvin lähellä toisiaan sijaitsevat geenit periytyvät yleensä aina yhdessä. Tätä kutsutaan geenien kytkeytymiseksi. Kytkeytymisen takia todellinen samalta esivanhemmalta peräisin olevien alleeliparien osuus voi poiketa sukusiitosasteen antamasta olettamuksesta. Jos sukusiitos vaikuttaa tutkittavan kannan eloonjäämismahdollisuuksiin, sukutauluista laskettava sukusiitosaste voi olla korkeampi kuin todellinen samalta esivanhemmalta peräisin olevien alleeliparien osuus. Tämä johtuu luonnonvalinnasta, joka suosii heterotsygotiaa. Sukusiitostaantumalla vaihteleva luonne Sukusiitos ei vaikuta kaikkiin ominaisuuksiin yhtä paljon. Elinvoimaan, hedelmällisyyteen ja tautien vastustuskykyyn liittyvät ominaisuudet ovat sukusiitostaantumalle muita alttiimpia. Nämä ominaisuudet sanelevat nimittäin kannan elinkyvyn tulevaisuudessa. Sukusiitos ei yleensä aiheuta taantumaa niihin ominaisuuksiin, jotka eivät vaikuta elinkykyyn. Näihin kuuluu esimerkiksi rotutyyppi. Elinvoimaominaisuudet eroavat muista siinä, että niitä säätelevillä geenipareilla on dominanssivaikutuksia, muilla juurikaan ei. Syynä tähän on luonnonvalinta, joka vaikuttaa kannan elinkykyominaisuuksiin enemmän kuin muihin. Se ylläpitää elinvoimalle edullista heterotsygotiaa. Ihmisen jalostamat ominaisuudet taas menettävät heterotsygotiaansa, kun eläimet muuttuvat yhdenmukaisemmiksi. Sukusiitoksen vaikutus eri ominaisuuksissa voi kertautua, mikä vähentää merkittävästi eläimen kokonaiselinvoimaa tai lisääntymiskykyä. Vaikka sukusiitoksella olisi vain pieni vaikutus yksittäiseen ominaisuuteen, vaikutus koko elimistön tasolla mitattuna on kuitenkin suuri. Ajatellaan vaikkapa paljon tutkittuja sikojen ominaisuuksia, pahnuekokoa ja porsaiden selviämistä syntymästä vieroitukseen. Ulkosiitetyn pahnueen koko on yleensä noin 10 porsasta, joista 90 % selviää vieroitukseen asti. Vieroitettuja porsaita saadaan siis 9. Jos sukusiitos vähentää kumpaakin ominaisuutta 10 %, eli porsaita syntyy 9 ja niistä 81 % selviää vieroitukseen asti, saadaan vieroitettuja porsaita vain 7,3 porsasta. Tämä merkitsee 19 % vähennystä vieroitettujen porsaiden lukumäärässä verrattuna aikaisempaan tilanteeseen. Sukusiitoksen vaikutus kokonaisuuteen on siis suurempi kuin yksittäin yhtä ominaisuutta tarkastellessa. 6

7 Sukusiitoksen vaikutus ominaisuuksiin riippuu myös ympäristöstä. Ympäristön vaikutusta eri ominaisuuksien sukusiitostaantumaan on tutkittu paljon luonnonsuojelugenetiikassa. On huomattu, että kantojen säilymisen uhkana pitkällä aikavälillä on geneettisen ja ympäristön aiheuttaman stressin yhteisvaikutus. Ympäristöolot vaikuttavat vahvasti sukusiitostaantuman suuruuteen, ja taantuma ilmenee kaikkein suurimpana, kun ympäristöolot ovat uudet ja kovat. Yhtenä syynä tähän on, että normaalioloissa hiljaisina pysyttelevät haitalliset alleelit tulevat uusissa tai stressaavissa oloissa esiin. Tuotantoeläinten kohdalla teollisuus on ehkä pystynyt optimoimaan ympäristön ja eläinten hoidon niin, että ympäristöolot ovat suotuisat. Toisaalta nykypäivän tuotantoeläinten odotetaan tuottavan paljon matalilla rakennus- ja hoitokustannuksilla. Tämä voi johtaa eläimen kannalta stressaaviin oloihin. Uusimmat tutkimukset ovat todenneet, että jalostusvalinta tuotannon suurentamiseksi johtaa lisääntyneeseen ympäristöherkkyyteen eli eläimistä tulee alttiimpia ympäristön vaikutukselle. Silloin sukusiitoksen ja ympäristön yhteisvaikutus voi toimia epäsuotuisasti, heikentäen elinvoimaominaisuuksia. Sukusiitoksen vaikutus vaihtelee suuresti populaatioiden, sukujen ja yksilöiden välillä. Muutamat raportit rankkoja pullonkauloja kokeneista ja silti kukoistavista eläinkannoista eivät ole yleistettävissä, koska niissä on selkeää julkaisuharhaa. Kontrolloidut, moneen kertaan toistetut tutkimukset osoittavat, että suurin osa vakavia pullonkauloja läpikäyneistä populaatioista kärsii alentuneesta elinvoimasta ja kyvystä. Siksi muutama menestystarina ei muuta sitä tosiasiaa, että sukusiitos aiheuttaa eläinkantojen häviämistä ja keskimäärin tarkasteltuna johtaa elinkykyominaisuuksissa sukusiitostaantumaan sekä pitkällä aikavälillä myös vähentyneeseen perinnölliseen vaihteluun. Voiko kanta puhdistua sukusiitoksen haittavaikutuksista? Sukusiitos voidaan jakaa uuteen ja vanhaan eli historialliseen sukusiitokseen. Vanha sukusiitos kerääntyy vähitellen kannan eläinten sukulaistuessa keskenään yhä enemmän sukupolvien kuluessa. Samalla kantaan vaikuttaa luonnonvalinta. Uusi sukusiitos taas tarkoittaa lähisukulaisten yhdistämistä. Joskus pienet populaatiot selviävät, vaikka niissä tapahtuu sukusiitosta monen polven ajan. Tällainen geneettisestä taakasta puhdistuminen on yleensä mahdollista vain hitaassa sukusiitoksessa, ja se johtuu haitallisia alleeleja vastaan toimivasta luonnonvalinnasta. Sukusiitoksen haitat näkyvät sitä suuremmalla todennäköisyydellä, mitä nopeampaa sukusiitos on, eli mitä läheisempiä sukulaisia lisääntyvät eläimet ovat keskenään. Sukusiitoksesta johtuva lisääntynyt homotsygotia altistaa haitalliset alleelit ja niitä kantavat eläimet luonnonvalinnalle, joka puhdistaa kantaa. Puhdistuminen toimii kuitenkin vain niiden sukusiitoksen haittojen kohdalla, jotka johtuvat haitallisista alleeleista. Se on todennäköisesti tehokkaimmillaan melko rajoitetuissa geneettisissä ja alueellisissa oloissa ja tapahtuu neljällä ehdolla. Ensimmäinen ehto on, että haitallisten mutaatioiden vaikutus on tarpeeksi suuri. Suurivaikutteiset haitalliset alleelit poistetaan tehokkaasti, kun taas pienivaikutteiset ovat kantaan nähden melko neutraaleja, ja niiden kohtalo riippuu satunnaisajautumisesta. Toinen ehto on, että epistaattiset geenivaikutukset ovat melko heikkoja. Jos näin ei ole, kannan sopeutumiseen vaikuttavien, keskenään yhteistyössä toimivien geenien muodostamien geeniryppäiden hajoaminen alleeleja poistettaessa voi johtaa vakavaan sukusiitostaantumaan. 7

8 Kolmas ehto on, että sukusiitos kertyy hitaasti, usean sukupolven aikana. Silloin sukusiitostaantumaa aiheuttava homotsygoottisten geeniparien lisääntyminen altistuu luonnonvalinnalle. Jos sukusiitos on äkkinäistä ja rankkaa, tehollinen populaatiokoko pienenee. Sattuman vaikutuksesta tulee valinnan vaikutusta suurempi, mikä saa aikaan alleelien satunnaista fiksoitumista. Hitaassa sukusiitoksessa sukupolvia on enemmän, joten valinnalla on suurempi mahdollisuus vaikuttaa ennen tietyn sukusiitosasteen saavuttamista. Siksi hitaampi sukusiitos on vähemmän haitallista kuin nopea, vaikka kummallakin saavutettaisiin lopulta sama sukusiitosaste. Neljänneksi, kannan tulee olla sopivasti eristäytynyt, jotta siitä puhdistettuja, haitallisia alleeleja ei saada takaisin kantaan. Monilla kotieläinkannoilla nämä neljä ehtoa usein täyttyvätkin. Siksi voidaan olettaa, että joissakin populaatioissa ja ominaisuuksissa puhdistautumista todella tapahtuu. Vaikka geneettisestä taakasta puhdistautumisen on osoitettu joissakin populaatioissa ja oloissa olevan tuloksellista, tähän evoluutiovoimaan tukeutumisessa on useita huomioonotettavia asioita. Geneettisen taakan hävittäminen onnistuu vain erittäin tiukalla valinnalla. Kannat voivat joutua sukupuuttoon tai ne voivat kärsiä alentuneesta elinvoimasta jo sukupolvia ennen kuin puhdistautuminen tapahtuu. Toiseksi, pienivaikutteisia haitallisia alleeleja ei saada poistettua kannasta, ja ne voivat fiksoitua, mikä aiheuttaa kannan elinvoimaisuuden laskun. Ja jos puhdistaminen onnistuu, tietyssä ympäristössä ja ajassa haitalliset alleelit katoavat populaatiosta. Tämä vähentää mahdollisuuksia tulevaisuuden evoluutiossa. Puhdistautuminen voi tietyissä oloissa olla tehokasta, mutta jos olot muuttuvat, siitä voikin tulla haitallista. Lisäksi sattuma vaikuttaa puhdistautumisprosessin aikana erityisen vahvasti niihin lokuksiin, jotka eivät ole valinnan alaisia. Tämä voi johtaa epätoivottujen alleelien yleistymiseen. Tehokkain tapa ehkäistä sukusiitostaantumaa on kannan sukulaisuuden ja sukusiitoksen kasvunopeuden rajoittaminen. Puhdistautumistakin tapahtuu kuitenkin koko ajan sekä villeissä että kotieläinkannoissa. Kanalisaatio vaimentaa perinnöllisiä eroja Sukusiitos saa eläimet alttiimmiksi ympäristön vaikutukselle. Ympäristön aiheuttamat erot eläinten välillä siis lisääntyvät sukusiitoksen myötä. Syyksi on arveltu vähentyneen heterotsygotian aiheuttamaa geneettisen itsesäätelykyvyn vähenemistä. Eläin säilyttää itsesäätelykykynsä avulla elimistönsä tasapainon sisäisen ja ulkoisen ympäristön vaihteluissa. Kun suurempi osa geenipareista on homotsygoottisia, elimistön itsesäätelykyky ja sitä kautta tasapaino heikkenee, jolloin ympäristö pääsee vaikuttamaan eläimen ominaisuuksiin enemmän. Tällä on vaikutusta joihinkin ominaisuuksiin, mutta ei kaikkiin. Syynä voi olla, että joillakin ominaisuuksilla on sukusiitoksesta johtuen vähemmän tehokas kanalisaatio eli ympäristövaikutusten kompensointikyky. Kanalisaatio kuvaa missä määrin eliöt pystyvät kompensoimaan ympäristön vaihtelun aiheuttamia muutospaineita. Se tarkoittaa yksilön kykyä säilyttää sama fenotyyppi erilaisissa ympäristöoloissa. Kanalisaation tuloksena eläinten fenotyyppien välillä on vain hyvin pieniä eroja. Ympäristöstä johtuvat erot eläinten välillä voivat lisääntyä, jos sukusiitos aiheuttaa kanalisaatiokyvyn heikkenemistä. Sukusiitos saattaa siis aiheuttaa lisääntynyttä vaihtelua fenotyyppeihin. Tämä koskee varsinkin elinvoimaominaisuuksia, jotka ovat muita ominaisuuksia kanalisoituneempia. Elinvoimaominaisuuksia säätelee tasapainottava luonnonvalinta, jolloin ympäristöstä aiheutuvien eläinten välisten erojen pysyminen pieninä (voimakas kanalisaatio) on hyödyllistä. Elinvoimaominaisuuksilla on siis jokin elinkykyyn liittyvä optimiarvo. Tällaisessa tilanteessa 8

9 sukusiitos voi johtaa eläimen kannalta epäsuotuisaan tulokseen, aiheuttaen ympäristön suurempaa vaikutusta eläimeen. Myös esimerkiksi suuren karjan hoito on nopeampaa ja yksinkertaisempaa, jos eläimet ovat ominaisuuksiltaan tasaisia ja samankaltaisia. Ne eivät juurikaan tarvitse yksilöllistä säätämistä, vaan kaikki saadaan hoidettua samoilla rutiineilla. Tässäkin tilanteessa sukusiitos aiheuttaa haittaa lisäämällä ympäristöstä johtuvia eläinten välisiä eroja. Kanalisaation taustaa on tutkittu banaanikärpäsillä ja lituruoholla. Se liittyy Hsp90- lämpösokkiproteiiniin. Lämpösokkiproteiinien tehtävänä on suojella solua ulkoista kuormitusta vastaan. Fysikaalisen tai kemiallisen stressin, kuten lämpö, säteily ja tietyt lääkeaineet, seurauksena useiden geenien aktiivisuus vähenee, kun taas lämpösokki- eli stressigeenien aktiivisuus lisääntyy. Tällöin lämpösokkiproteiinien tuotanto lisääntyy. Lämpösokkiproteiinit toimivat soluissa eräänlaisina avustajina. Niillä on kyky korjata stressin vaurioittamia proteiineja ja parantaa solun elinkykyä. Stressitilanteiden lisäksi lämpösokkiproteiineilla on tärkeä tehtävä solun normaalitoiminnoissa, kuten uusien proteiinien laskostuksessa ja kuljetuksessa. Normaalioloissa Hsp90 saa aikaan kanalisaatiota säätelemällä ja vaimentamalla eläinkannassa olevia perinnöllisiä eroja niin, että ne eivät näy fenotyypeissä. Jos kanta altistuu ympäristöstä johtuvalle stressille, vaimennus lakkaa tai toimii huonosti, koska Hsp90 ohjataan normaalitoiminnoistaan vaurioituneiden proteiinien luo. Normaalitoiminnot jäävät suorittamatta, ja piilossa olleet perinnölliset erot tulevat fenotyypeissä näkyviin altistuen luonnonvalinnalle. Sukusiitetyissä banaanikärpäskannoissa on Hsp90:n lisäksi aktivoituneena toinenkin lämpösokkiproteiini, Hsp70. Hsp70-proteiinin tuotto lisääntyy huomattavasti nimenomaan stressin seurauksena. Näiden molekyylisten avustajien tarve kasvaa sukusiitoksen myötä, kun haitalliset, proteiinien laskostusongelmia aiheuttavat alleelit tulevat esiin. Molekyylisten avustajien aktivointi on yleinen sekä perinnöllisen että ympäristöstä aiheutuvan stressin seuraus. Näiden havaintojen valossa voidaan todeta, että sukusiitoksen aiheuttama eläinten herkempi altistuminen ympäristöstä johtuville tekijöille liittyy hyvin todennäköisesti solujen stressireaktioon. Sukusiitos aiheuttaa solutason stressiä, joka saa eläinten lämpösokkiproteiinit ylikuormittuneeseen tilaan. Tuloksena on perinnöllisten erojen vähentynyt vaimennus ja säätely, mikä johtaa lisääntyneisiin ympäristöstä aiheutuviin eroihin eläinten välillä. Sukusiitoksella voi siis olla vaikutusta jalostusvalintaan paitsi vähentyneen perinnöllisen vaihtelun, myös lisääntyvän ympäristövaihtelun kautta. Kuinka nopeasti kannan sukusiitosaste saa kasvaa? Sukusiitoksella on kahdenlaisia haitallisia vaikutuksia eläinjalostukseen. Ominaisuuksissa, joissa on paljon additiivista geneettistä vaihtelua, kuten luonne, rakenne sekä monet perinnölliset ongelmat, perinnöllinen vaihtelu yleensä vähenee sukusiitoksen myötä. Vaihtelun vähentyessä myös jalostusmahdollisuudet vähenevät. Toiseksi, ominaisuuksiin, joihin vaikuttavat muut kuin additiiviset geenivaikutukset, tulee sukusiitostaantumaa. Tämä on tärkeää myös yleisen elinvoiman kannalta. Kotieläinjalostajat ovat jo puolentoista vuosisadan ajan tiedostaneet sukusiitoksen negatiiviset puolet. Siksi jalostusvalinnassa on pyritty huomioimaan eläinten väliset sukulaisuudet. Ei ole kuitenkaan helppoa ottaa sekä eläinten jalostusarvoa että sukulaisuuksia huomioon optimaalisella tavalla, jos käytössä on vain subjektiivisia mittoja ja nyrkkisääntöjä. Viime vuosikymmenellä tutkimus on kuitenkin tuonut käyttöön keinoja, joiden avulla voidaan saavuttaa optimaalista 9

10 perinnöllistä edistymistä, samalla huomioiden kannan sukulaisuuden kasvu ja rajoittaen se mahdollisimman pieneksi. Millainen sukusiitoksen kasvunopeus sitten on hyväksyttävää ja vähiten haitallista? Nyrkkisääntönä voidaan sanoa, että tehollisen populaatiokoon ollessa 50, voidaan välttää lyhyen aikavälin sukusiitostaantumaa, ja että perinnöllisen vaihtelun ja siten evoluutiopotentiaalin säilyttämiseksi pitkällä aikavälillä tarvitaan yksilön tehollinen koko. Teoreettiset arviot tarvittavasta tehollisesta populaatiokoosta perustuvat luonnonvalinnan sukusiitostaantumaa korjaavaan vaikutukseen ja määrittävät tarvittavaksi teholliseksi kooksi , riippuen elinvoimaominaisuuksien periytyvyydestä. Tällöin luonnonvalinta pystyy toimimaan sukusiitostaantumaa vastaan ja korjaamaan tilannetta. Jos kannassa on samaan aikaan jalostusvalintaa jonkin epäsuotuisassa yhteydessä elinvoimaominaisuuksien kanssa olevan ominaisuuden suhteen, tasapainoa sukusiitoksen ja luonnonvalinnan välille ei aina saavuteta. Elinvoima vähenee koko ajan, jos siihen epäsuotuisassa yhteydessä olevan ominaisuuden taso paranee, vaikka tehollinen koko olisi hyvinkin suuri. Siksi elinvoiman tärkeimmät komponentit, kuten astumis- ja tiinehtymiskyky, penikoimisen helppous sekä pentujen syntymäpaino ja normaali kehitys, tulisi ottaa jalostettaviksi ominaisuuksiksi. Kun elinvoimaominaisuudet otetaan mukaan jalostuskriteereihin, valinta haitallisia alleeleja vastaan on tehokkaampaa saadaan monta kärpästä yhdellä iskulla - ja kanta voi säilyä pienemmälläkin tehollisella koolla. Tutkimuksissa on myös raportoitu, että kannan, jonka tehollinen koko on 50, elinvoima yleensä huononee, koska haitalliset mutaatiot saattavat kannan pienestä koosta johtuen fiksoitua, vaikka luonnonvalinta toimisikin niitä vastaan. Tehollisen koon tulisi olla yli 50, jotta säilytetään elinvoima ja säästytään sukupuutolta. Valinta ei siis aina ole tehokas sukusiitostaantuman välttämiskeino. Vaikka yli 50 yksilön tehollinen koko voi olla hyvä nyrkkisääntö, se ei missään nimessä ole maaginen luku, jonka kohdalla voi hengähtää helpotuksesta. Jotkut kannat kärsivät sukusiitostaantumasta paljon tätä suuremmissakin lukumäärissä. Sukusiitostaantumasta kärsiville kannoille voi olla apua risteytyksistä. Ne lisäävät perinnöllistä vaihtelua ja vähentävät sukusiitostaantumaa. Tanskan punainen -nautakarja on hyvä esimerkki siitä, miten risteytyksellä on saatu kanta elpymään. Rodussa oli ja 1970-luvuilla vakavia sukusiitoksen aiheuttamia haittoja. Ongelmat loppuivat, kun rotuun risteytettiin jatkuvasti eläimiä muista samankaltaisista roduista. Sukusiitos johtaa elinvoimaominaisuuksien taantumiseen. Taantuman vakavuus riippuu kannasta ja ympäristöoloista. Mitä suurempi sukusiitosaste ja mitä nopeampi sen kasvunopeus, sitä suurempi on myös sukusiitostaantuma. Sukusiitos aiheuttaa myös ominaisuuksien periytyvän osan pienenemistä ja vaikeuttaa siten jalostusta. Kristensen ja Sørensen kehottavatkin eläinjalostuksessa sukusiitoksen tehokkaaseen kontrollointiin. Sukulaisuuden kertymistä on hidastettava, jotta eläinkannat säilyvät elinkykyisinä tulevaisuudessakin. Lähteet Frankham, Ballou & Briscoe Introduction to conservation genetics. Cambridge University Press. 615 s. 1 0

11 Kristensen & Sørensen Inbreeding lessons from animal breeding, evolutionary biology and conservation genetics. Animal Science 80: tutkimukseen vuosilta perustuva katsaus (lähdeluettelo saatavissa tämän artikkelin kirjoittajalta). 1 1