Quantitative and molecular genetic studies on temperature-dependent sex determination of Nile tilapia (Oreochromis niloticus)
Quantitativ- und molekulargenetische Studien zur temperaturabhängigen Geschlechtsdetermination von Niltilapien (Oreochromis niloticus)
von Liane-Magdalena Lühmann
Datum der mündl. Prüfung:2012-02-02
Erschienen:2012-06-13
Betreuer:Prof. Dr. Gabriele Hörstgen-Schwark
Gutachter:Prof. Dr. Gabriele Hörstgen-Schwark
Gutachter:Prof. Dr. Christoph Knorr
Gutachter:Prof. Dr. Sven König
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Format:PDF
Zusammenfassung
Englisch
Tilapia is one of the most important species group for aquaculture production. Particularly Nile tilapia (Oreochromis niloticus) amounts to over 80 % of the world tilapia production. All-male populations are favourable due to the better growth of the males and for avoiding uncontrolled reproduction. For the production of all-male populations, the application of the androgen 17-α-methyltestosterone via the feed is a common practice. The application of masculinising temperatures during early larval stages of O. niloticus could substitute the common practice of application of androgens. The phenotypic sex of O. niloticus is a complex trait determined by major and minor genetic factors as well as temperature influence. The complex mechanisms of sex determination in Nile tilapia have not yet been completely understood and the patterns of inheritance as well as the molecular genetic background of sex determination in general and temperature-dependent phenotypic sex in particular are a lively discussed field. The first part of the current study provides first estimates of additive, dominance and reciprocal effects as well as the estimation of narrow sense heritabilities for the temperature-dependent sex ratios of O. niloticus using complete testcross diallels of a high and weakly temperature-susceptible line. Estimates of narrow sense heritabilities for the temperature-dependent sex ratios in progeny groups resulted in 0.74 for the high and 0.51 for the weakly sensitive line. A negative dominance effect was found for the weakly sensitive line and a negative reciprocal effect was identified for the low susceptible line as maternal breeder. Maternal effects on the temperature-susceptibility of progeny groups are discussed. The second part of the study demonstrates a first evidences for family-specific marker trait associations and QTL for the temperature-dependent phenotypic sex in Nile tilapia on linkage groups (LG) 1, 3, and 23. The study screened 21 microsatellites on these LGs for associations with the temperature-dependent sex of Nile tilapia using a temperature-treated genetically all-female (XX) population. Single marker analysis resulted in family-specific associations for UNH995 and UNH104 on LG 1, GM213 on LG 3, and UNH898 and GM283 on LG 23. However, no population-wide QTL or marker trait associations could be detected. Further QTL on different linkage groups were suggested and prospects for following studies are discussed. In previous studies by different authors, several genetic markers on these LGs were proven to be associated with the phenotypic sex of different tilapia species (Oreochromis spp.) and interspecies crosses. Furthermore, putative master key regul! ators for sex determination in tilapia were mapped to the three LGs. Therefore, the study reveals new information for the coexistence of genetic and temperature effects on the development of the phenotypic sex in Nile tilapia and provides useful information for further research on sex determining processes and for prospective breeding programs for temperature-induced masculinisation in order to substitute hormone treatments in production systems.
Keywords: Nile tilapia; temperature; sex determination; sex reversal; breeding; genetics; heritability; quantitative trait loci; <i>Oreochromis niloticus</i>
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Tilapien spielen eine erhebliche Rolle in
der weltweiten Aquakultur-Produktion. Dabei machen Nilbuntbarsche
(Oreochromis niloticus) den größten Teil der weltweiten
Tilapien-Produktion aus (> 80 %). Bei der Produktion dieser
Spezies hat sich der Einsatz von rein-männlichen Populationen stark
bewährt. Durch den Einsatz von eingeschlechtlichen Beständen kann
eine unkontrollierte Vermehrung während der Produktion vermieden
werden. Zudem weisen die männlichen Fische ein stärkeres Wachstum
auf. Eine häufig angewendete Methode zur Erstellung solcher
rein-männlichen Bestände ist die Verabreichung von Androgenen
(17-α-Methyltestosteron) über das Fut-ter an die Larven. Diese
Technik könnte durch den Einsatz umweltfreundlicher, vermännlichend
wirkender Temperaturprotokolle abgelöst werden. Das phänotypische
Geschlecht von O. niloticus ist ein komplexes Merkmal
welches durch genetische Haupt- und Nebenfaktoren bestimmt wird.
Zudem hat die Wassertemperatur während der juvenilen Phase einen
Effekt auf die Ausbil-dung des phänotypischen Geschlechts. Die
vielschichtigen Mechanismen der Geschlechtsdetermination sowie die
Vererbungsmechanismen und die moleku-largenetischen Hintergründe
stellen einen starken Anreiz für wissenschaftliche Untersuchungen
dar, konnten jedoch bis jetzt noch nicht vollständig aufgeklärt
werden. Der erste Teil der vorliegenden Studie beschäftigt sich mit
der Schätzung von genetischen Parametern bei der Vererbung der
temperaturabhängigen Geschlechterverhältnisse. Anhand vollständiger
Diallele einer hoch und einer niedrig temperatursensiblen Linie
wurden additive Effekte, Dominanzeffekte und reziproke Effekte auf
die Vererbung der Temperatursensibilität geschätzt. Weiterhin
wurden Heritabilitäten für die temperaturabhängigen
Geschlechterverhältnisse für diese divergent selektierten Linien
über drei Selektionsgenerationen geschätzt. Hierbei ergaben sich
Heritabilitäten von 0.74 für die hoch sensible Linie und von 0.51
für die niedrig sensible Linie. Durch die diallelen Anpaarungen
konnte ein negativer Dominanzeffekt der niedrig sensiblen Linie
ermittelt werden. Zudem zeigte sich ein negativer reziproker Effekt
auf die temperaturabhängigen Männchenanteile in den
Nachkommengruppen bei dem Einsatz von niedrig temperatursensiblen
Müttern. Im Zuge dessen werden maternale Effekte auf die
Temperatursensibilität der Nachkommen diskutiert. Der zweite Teil
der vorliegenden Untersuchung erbringt einen ersten Beweis für
familien-spezifische Merkmals-Marker-Assoziationen sowie QTL für
das temperaturabhängige phänotypische Geschlecht von
Nilbuntbarschen auf den Kopplungsgruppen (KG) 1, 3 und 23.
Insgesamt wurden 21 Mikrosatellitenmarker auf diesen
Kopplungsgruppen anhand einer temperaturbehandelten, genetisch rein
weiblichen (XX) Population untersucht. Anhand von
Einzelmarker-Analysen konnten familien-spezifische Assoziationen
zum temperaturabhängigen Geschlecht für UNH995 und UNH104 auf KG 1,
für GM213 auf KG 3 sowie für UNH898 und GM283 auf KG 23
nachgewiesen werden und merkmalsspezifische Allelsegregationen
erkannt werden. Es konnte kein Nachweis für familien-übergreifende
QTL oder Marker-Assoziationen gefunden werden. Es werden
Vermutungen über weitere QTL auf anderen als den untersuchten
Kopplungsgruppen angestellt. Unterschiedliche Studien konnten im
Vorhinein schon Marker-Assoziationen mit dem phnotypischen
Geschlecht verschiedener Tilapienarten (Oreochromis spp.)
und interspezifischen Kreuzungen auf diesen Kopplungsgruppen
nachweisen. Zudem konnten verschiedene Kandidatengene für die
Geschlechtsdetermination diesen drei Kopplungsgruppen zugeordnet
werden. Durch den Nachweis von QTL für das temperaturabhängige
Geschlecht auf eben diesen Kopplungsgruppen liefert die
Untersuchung neue Erkenntnisse über die Koexistenz und den
Zusammenhang von genetischen und temperaturabhängigen Effekten auf
die Geschlechtsdetermination. Daraus können bedeutende
Informationen für weitere Untersuchungen zu
Geschlechtsdeterminationsprozessen abgeleitet werden. Diese
Kenntnisse werden besonders für potentielle Zuchtprogramme zur
erfolgreichen Maskulinisierung über Temperaturbehandlungen von
Bedeutung sein.
Schlagwörter: Nilbuntbarsch; Tilapien; Temperatur; Geschlechtsdetermination; Zucht; Genetik; Heritabilität; Quantitative Trait Loci; <i>Oreochromis niloticus</i>