el mejoramiento genético en la acuicultura - cesaibc mejoramiento... · el mejoramiento genético...

El mejoramiento genético en la acuicultura Genetic improvement in aquaculture

Presented by Wayne Knibb [email protected]

gracias por la invitación para visitar y hablar

Australia y México tienen en común algunos de los más altos de la biodiversidad ... Parte de la biodiversidad está en el campus de la USC

Australia and Mexico have in common some of the highest biodiversity… Some of the biodiversity is on the campus at USC!

Genetic improvement – which method for industry?

I reviewed and published this subject in 2000

Here I will revisit this topic now in 2015

DOI: 10.1046/j.1365-2109.2000.00393.x

Mejoramiento genético - ¿cuál es el mejor método para la industria? He revisado y publicado este tema en 2000 Aquí voy a volver a este tema en el año 2015

USC trabaja la ciencia de la selección y domesticación:

USC works on selection and domestication of :

Overseas

http://www.fishbase.org/Photos/PicturesSummary.cfm?StartRow=3&ID=382&what=species

http://www.fishbase.org/Photos/PicturesSummary.cfm?StartRow=3&ID=382&what=species

¿Por qué la genética? Why genetics?

La genética puede cambiar la forma o el comportamiento de los animales para adaptarse a un propósito determinado Genetics can change the shape or behaviour of animals to suit a given purpose

La genética ha sido un éxito para la producción animal y vegetal terrestre - considere las comidas que has tenido hoy Genetics has been successful for terrestrial animal and plant production - consider the meals you’ve had today

Respuesta corta Short answer:

¿Por qué la genética? respuesta más larga Why genetics? – longer answer

Why genetics

productivity

profit

seeds

diseases

cumulative

Social outcomes

¿por qué la genética

Productividad

lucro

semillas

enfermedades

acumulativo

Los resultados sociales

Pero, ¿cuánto de la mejora se debió a la genética? But how much of the improvement was due to genetics?

Alrededor del 90% About 90% doi: 10.3382/ps.0731785

¿Por qué la genética? respuesta más larga Why genetics? – longer answer

aumento de la productividad y la fiabilidad trae beneficio para los consumidores y la estabilidad a la industria increased productivity and reliability brings benefit to consumer and stability to industry

Why genetics

productivity

profit

seeds

diseases

cumulative

Social outcomes


Productividad

lucro

semillas

enfermedades

acumulativo


Why genetics?

Más lucro More profit Productos acuícolas tienen pequeños márgenes Aquaculture commodities have small margins Genética, con una generación, pueden duplicar el lucro Genetics, with one generation, can double the profit

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100

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No Genetics With Genetics

Perc

ent

Profit over costs

Costs Return Return from genetics (one generation)

Why genetics

productivity

profit

seeds

diseases

cumulative

Social outcomes


Productividad

lucro

semillas

enfermedades

acumulativo


Las nuevas industrias que producen y venden "semillas“ New industries that produce and sell "seeds"

Why genetics

productivity

profit

seeds

diseases

cumulative

Social outcomes


Productividad

lucro

semillas

enfermedades

acumulativo


Why genetics?

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Epitheliocystis

Disease

Emergence of diseases in Israeli Mariculture

Amyloodinium ocellatum

Kudoa sp.

Lymphocystis

Cryptocaryon irritans

Myxidium leei

Mycobacterium

Pasteurella piscicida

VNN nodavirus

Occurrence

DOI: 10.1046/j.1365-2109.2000.00393.x

Why genetics

productivity

profit

seeds

diseases

cumulative

Social outcomes


Productividad

lucro

semillas

enfermedades

acumulativo


Why genetics?

Soluciones para las enfermedades? Solutions for diseases?

Las ganancias son acumulativos cada generación Gains are cumulative each generation

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

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Pe

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tro

lAlto beneficio para los retornos de costes High benefit to cost returns The annual cost/benefit is 1:50 for the UK porcine breeding program (Mitchell et al. 1982), and 1:15 for Atlantic salmon (Gjedrem 1997).

Why genetics

productivity

profit

seeds

diseases

cumulative

Social outcomes


Productividad

lucro

semillas

enfermedades

acumulativo


Why genetics?

Los resultados sociales Social outcomes

Why genetics

productivity

profit

seeds

diseases

cumulative

Social outcomes


Productividad

lucro

semillas

enfermedades

acumulativo


Why genetics?

Types of genetic

gain

Mutations

Hybrids between species

Hybrids within species

Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines

Selection within lines

omics

Major Genes

Diferentes formas de hacer mejoramiento genético Sólo unos pocos tienen éxito y predecible !! Different ways of making genetic improvement Only few are successful and predictable!!

Tipos de ganancia genética

Las mutaciones

Los híbridos entre especies

Los híbridos dentro de las

especies

Cambios en los cromosomas

Soltero Sexo

Ingeniería genética

La selección entre líneas

La selección dentro de las

líneas

'ómicas

Principales genes

Knibb, 2000, DOI: 10.1046/j.1365-2109.2000.00393.x

¿Qué valor de nuevas mutaciones? What value are new mutations?

carpa espejo mirror carp

colores en espáridos colours in sea bream

Las principales mutaciones genéticas Major gene mutations

tilapia roja Red tilapia

Knibb, unpublished

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Report card:

Procedimiento genética

Publicaciones Uso commercial

volumen comercial Predecir resultado?

Ejemplo Manejo de la enfermedad?

Las mutaciones >10 <10 smenor no carpa espejo ?

Genetic Procedure Publication Number used commercially

Commercial volume Predictable outcome?

Example Used to manage disease

Classical Mutations >10 <10 small no mirror carp ?

Major genes Infectious Pancreatic Necrosis

• IPN is a virus, causes mortality to fry • Two major loci detected using DNA/molecular

approaches. • Explain ∼25% of variance. • In reality, selection is applied on the basis of survival,

not genes: Storset et al. 2007

Major Quantitative Trait Loci Affect Resistance to Infectious Pancreatic Necrosis in Atlantic Salmon (Salmo salar) Houston et al. 2008 Roslin Institute doi: 10.1534/genetics.107.082974

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

• IPN es un virus, causa de mortalidad de alevines • Dos principales loci detectados utilizando / enfoques

moleculares de ADN. • Explique ~ 25% de la varianza. • En realidad, la selección se aplica sobre la base de la

supervivencia, no genes: Storset et al. 2007

Report card:





Principales genes <5 0 ninguno sí IPN acaso




Major genes <5 0 No yes IPN potential

Hybrids Los híbridos entre especies Between species:

Mule: horse donkey hybrid

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Los híbridos entre especies / Hybrids (interspecific)

sparus another goes with hybrid set.JPG

Sparus aurata

X red sea bream goes with hybrid set.JPG

Pagrus major =

Híbrido / hybrid

Rasgos mejorados / combinar rasgos de los padres / Improved traits/ combine traits of parents Hybrid striped bass: considered better suited for culture in ponds than either parent species because they are more resilient to extremes of temperature and to low dissolved oxygen

Gorshkov, Gorshkova, Hadani, Gordin and Knibb, 2002 DOI: 10.1046/j.1439-0426.2002.00334.x

Esterilidad/ sterility

Róbalo rayado híbrido/ Hybrid striped bass

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Report card:




Interspecific hybrids >100 <10 Small to medium no Striped bass possibly





Los híbridos dentro de las especies / Hybrids (interspecific)

Example to restore gene variation lost in separate lines

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Pérdida y recuperación de la diversidad genética en masa seleccionada camarones plátano Loss and recovery of diversity in mass selected banana shrimp Knibb et al. 2014. doi:10.1016/j.aquaculture.2014.02.026

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

SB1G12F

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Knibb et al. 2014. doi:10.1016/j.aquaculture.2014.02.026

Selected for the growth of each line separately for 15 generations

we started a closed breeding nucleus with 20 different DNA sequences and made ~10 separate lines

empezamos un núcleo de cría cerrada con 20 secuencias de ADN diferentes e hicimos ~ 10 líneas separadas

Seleccionado para el crecimiento de cada línea por separado durante 15 generaciones

90% of variation lost

90% de la variación perdido

Crossing restored variation Cruzando variación

restaurado

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Hybrids Within species (between lines), intraspecific hybridization:

Why?: • Recover from

inbreeding • Form an outbred

nucleus • heterosis?

Conclusion: Interspecific hybridization is widespread , and supports initiation of a breeding program.

Los híbridos dentro de las especies

¿Por qué?: • Recuperarse de la

endogamia • Hacer un núcleo para

comenzar la selección

• heterosis?

conclusión: La hibridación interespecífica es generalizada, y es compatible con el inicio de un programa de cría.

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes




Intraspecific hybrids ~100 >1000 (most informal)

High, when linked to selection

No? Restore variation; Selection nucleus

Not directly






~100 >1000 la mayoría son informales

alta, cuando se vinculan a la selección

no? restaurar variación; núcleo de selección

no directamente

Report card:

Chromosome set manipulations (mostly triploids) The major consequence of triploidy is gonadal sterility, prevention of sexual maturation, genetic containment = better growth improves flesh quality at time of sexual maturation But outside the time of sexual maturation, triploids slows growth and reduces survival

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Manipulaciones conjunto de cromosomas (en su mayoría triploides) La principal consecuencia de la triploidía es esterilidad gonadal, la prevención de la maduración sexual, contención genética = Mejor crecimiento mejora la calidad de la carne en el momento de la maduración sexual Pero fuera de la época de la maduración sexual, triploides ralentiza el crecimiento y reduce la supervivencia

Cromosoma establecer manipulaciones (triploides) Chromosome set manipulations (triploids)

Gorshkov, Gorshkova, Hadani, Gordin and Knibb, 2002 DOI: 10.1046/j.1439-0426.2002.00334.x

Sea bass triploids, Felip et al. (2001)

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Uso commercial / Commercial use: • rainbow trout in USA, Canada, France, Japan, UK,

Korea, Iran, Turkey, Poland and Chile; • brown trout in UK and France; • brook trout in Canada and France; • Atlantic salmon in Canada and Chile; • Arctic charr in France, Canada, Iceland and Austria; • chinook salmon in Canada; • amago salmon, Oncorhynchus rhodurus, masu

salmon, O. masou, coho salmon, ayu, hirame, Paralichthys olivaceus, and cyprinid loach in Japan;

• grass carp in the USA • Pacific oyster

Presently, the total European triploid trout production is estimated at 15,000 t. In Europe, nearly 20% of the production is now based on triploid oysters, while in the USA around 50% of cultured Pacific oysters are triploids.

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Cromosoma establecer manipulaciones (triploides) Chromosome set manipulations (triploids)

Report card:




Chromosome manipulation

>100 ~10 Moderate possibly Triploid oysters Sort of






>100 ~10 mediano acaso ostras triploides

acaso

Soltero Sexo (todas hembras o todos macho) Monosex (all female or all male)

trout males may have deterioration of meat quality at maturation. Problems avoided by use of all-female XX diploids. All-female stocks are produced by crossing normal females with genetic females sexually inverted with androgens. 80% of the European trout production in freshwater is based on all female diploid stocks, even though females grow nearly 10% slower than diploid males up to pan-size.

INDIRECT MONOSEX PRODUCTIONINDIRECT MONOSEX PRODUCTION

Juvenile fish(males and females)

Juvenile fish(males and females)

TestosteroneTestosterone

Phenotypic males (males and inverted males)

Phenotypic males (males and inverted males)

X femalesX females

100% females(without hormones)

100% females(without hormones)

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

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omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




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Principales genes

2cm

Gambas de agua dulce M. rosenbergii machos crecen grandes que las hembras Freshwater shrimp M. rosenbergii males grow larger than females

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

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omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes




Monosex >50 <10 Moderate yes Freshwater prawn

no





Soltero Sexo >50 <10 mediano sí gambas de agua dulce

no

Report card:

Ingeniería genética/ Genetic engineering

Salmón del Atlántico para la comida/ Atlantic salmon for food

Nuevas variedades para acuarios/ New varieties for aquaria

Para la investigación/ For research

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Report card:




Genetic engineering ~20 0 0 ? none Not commercially





Ingeniería genética ~20 0 0 ? no Ninguno comercialmente

La selección entre líneas/ Selection Between lines

Elija la mejor cepa antes de comenzar la selección/ Choose the best strain before starting selection

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USA 2 Central America South America USA 1 South East Asia

Ave

rage

Wei

ght

in g

ms

Origin

Weight of different vannamei shrimp lines

Lines of Pacific white leg shrimp (Litopenaeus vannamei) from different origins show major differences in reproductive performance and growth traits, deformity, body colour and survival rate Giang, Ninh, Muu, Nguyen, Knibb in prep.

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Report card:




Selection- Among strains

~100 >10 Moderate No Labrax in Israel Possibly






~100 >10 mediano No Lubina en Israel

acaso

La selección dentro de las líneas/ Selection Within lines La selección para growth, resistencia a enfermedades, la conformación del cuerpo, color/ Selection for growth, disease resistance, body conformation, color.

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

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Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

La selección dentro de las líneas Selection Within lines - heritabilities

Selección tendrá éxito siempre que la variación genética de estos rasgos, es decir, no cero heredabilidades

heredabilidades: cuánta variación para el peso, la reproducción, la supervivencia, la grasa, índice de condición, los niveles de virus, se debe a la genética

Selection will succeed provided there is genetic variation for these traits, ie non zero heritabilities

heritabilities: how much variation for weight, reproduction, survival, fat, condition index, virus levels, is due to genetics

ISSN 0792-156X

10.1016/j.aquaculture.2006.05.039

10.1186/s12863-014-0132-5 10.1016/j.aquaculture.2006.05.042

10.1016/j.aquaculture.2013.03.002

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

La selección dentro de las líneas Selection Within lines - heritabilities Familias camarón muestran diferencias hereditarias en los niveles del virus = primero de estos informes en la acuicultura Shrimp families show heritable differences in virus levels = first such report in aquaculture

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LOG

HP

V c

op

y n

um

ber

Family

Knibb et al. 2015. doi:10.1016/j.jip.2015.05.002

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

La selección dentro de las líneas - respuestas de selección Selection within lines – selection responses

For growth, see Nguyen’s paper

Species Trait Gain Generations

where Response per generation

Salmon growth >50% >10 Norway, etc

5

disease resistance Norway, etc

Tilapia growth Asia 5

salinity tolerance Asia

Vannamei fisease/ white spot ~80% ~10 Columbia 5

growth ~50% ~10 Asia

Carps, various

growth 5

disease

Kingfish growth/ condition index

20% 2 Australia 5-10

Many other examples ==== wayne read the reviews

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Report card: Genetic Procedure Publication Number used commercially



Selection- within lines

~100 ~20 Very substantial Benefit cost: 10:1 to 50:1

Yes; if control inbreeding managed, and correlated responses understood

Salmon Norway

Yes





La selección dentro de las líneas

~100 ~20 Gran beneficio Sí, si el control de la endogamia logró, y las respuestas correlacionadas entiende

salmón de Noruega

sí

Report card:

Previously, selection was without knowledge of the genes (the “black box”) Now we have tools to open the black box… = possibility for “marker assisted selection” “genomic selection” so it is better than that based on the phenotype. Most of the new recently publications in aquaculture genetics concern some type of ‘omics!!!!!!!!!!! DNA microarrays GWAS SNP chips Evidence this works in dairy cattle, but there are special considerations here. No demonstrated used in aquaculture

doi: 10.7150/ijbs.3517

‘omics Anteriormente, la selección fue sin el conocimiento de los genes (el "recuadro negro") Ahora tenemos herramientas para abrir el cuadro de negro ... = Posibilidad de "La selección asistida por marcadores" "Selección genómica" por lo que es posiblemente mejor que la basada en el fenotipo. La mayor parte de la investigación en acuicultura de hoy se refiere a algún tipo de 'ómicas !!!!!!!!!!! microarrays de ADN GWAS chips de SNP Evidencia esto funciona en el ganado lechero, pero hay consideraciones especiales aquí. No se ha demostrado en la acuicultura

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

Report card:





Las mutaciones >10 <10 smenor no carpa espejo ?

Principales genes <5 0 ninguno sí IPN acaso


>100 <10 pequeño y mediano no Striped bass acaso


~100 >1000 la mayoría son informales

alta, cuando se vinculan a la selección

no? restaurar variación; núcleo de selección

no directamente


>100 ~10 mediano acaso ostras triploides

acaso

Soltero Sexo >50 <10 mediano sí gambas de agua dulce

no

Ingeniería genética ~20 0 0 ? no Ninguno comercialmente


~100 >10 mediano No Lubina en Israel

acaso

La selección dentro de las líneas

~100 ~20 Gran beneficio sí salmón de Noruega

sí

'ómicas >100 1 ? sí Camarones en Indonesia?

sí




Classical Mutations >10 <10 small no mirror carp ?

Major genes <5 0 No yes IPN potential


Intraspecific hybrids ~100 >1000 (most informal)

High, when linked to selection

No? Restore variation; Selection nucleus

Not directly

Chromosome manipulation

>100 ~10 Moderate possibly Triploid oysters Sort of

Monosex >50 <10 Moderate yes Freshwater prawn

no

Genetic engineering ~20 0 0 ? none Not commercially

Selection- Among strains

~100 >10 Moderate No Labrax in Israel Possibly

Selection- within lines

~100 ~20 Very substantial Benefit cost: 10:1 to 50:1

Yes Salmon Norway

Yes

‘omics >100 1 ? Yes Shrimp Indonesia?

Yes

Genetic improvement – which method for industry?

I reviewed and published this subject in 2000

Here I will revisit this topic now in 2015

DOI: 10.1046/j.1365-2109.2000.00393.x

Mejoramiento genético - ¿cuál es el mejor método para la industria? He revisado y publicado este tema en 2000 Aquí voy a volver a este tema en el año 2015

La selección dentro de las líneas/ Selection Within lines La selección para growth, resistencia a enfermedades, la conformación del cuerpo, color/ Selection for growth, disease resistance, body conformation, color.

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Pe

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l

Types of genetic

gain

Mutations



Chromosome changes

Single Sex

Genetic Engineering

Selection between

lines


omics

Major Genes


Las mutaciones



especies


Soltero Sexo




líneas

'ómicas

Principales genes

el mejoramiento genético en la acuicultura - cesaibc mejoramiento... · el mejoramiento genético...

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