Untersuchungen zur genetischen Diversität bei ausgewählten europäischen Zuchtfalkenpopulationen

Es besteht ein signifikanter und stetig wachsender Markt für Zuchtfalken, einschließlich sämtlicher Hybride. Die gestiegene Nachfrage kann nicht ausschließlich über den legalen Markt gedeckt werden. Aufgrund des Freiflugs der gezüchteten Tiere und einer Verlustrate von 10 % geht insbesondere von Hybriden eine erhebliche Bedrohung des Eintrags von unerwünschten Genen in die lokalen Wildpopulationen aus. Daher besteht ein hohes Inte-resse an Methoden zur Identifikation nicht nur von Hybriden, sondern auch zur genetischen Charakterisierung der reinen Falkenarten.
Um dieser Fragestellung im Rahmen der vorliegenden Studie nachzugehen, wurden 869 Falken von drei unterschiedlichen Falkenspezies und vier verschiedenen Züchtern mittels 14 Mikrosatelliten (fp5, fp13, fp31, fp46-1, fp54, fp79-1, fp79-4, fp82-2, fp86-2, fp89, fp92-1, fp107, fp347 und fr34) genotypisiert. Die Kern-DNA wurde mittels PCR amplifi-ziert und gelelektrophoretisch aufgetrennt. Die Ergebnisse wurden populationsgenetisch und statistisch ausgewertet.
Die vorliegende Studie liefert erstmals einen Überblick über die genetische Struktur von vier europäischen Falkenzüchtern. Dass sich unter den vermeidlich reinartigen Tieren 114 Hybridtiere fanden, zählt zu den wichtigsten Ergebnissen der Studie.
Aufgrund einer unerwartet hohen genetischen Ähnlichkeit zwischen den untersuchten Fal-ken konnte mit dem verfügbaren Mikrosatellitenset bei 11 Individuenpaaren keine absolute Differenzierung bzw. Identifizierung aller Individuen erreicht werden. Somit besteht weite-rer Forschungsbedarf zur Etablierung von Genmarkern mit höherer Informativität.
Ein Grund für die hohe Übereinstimmung der Tiere ist die vermutlich hohe Rate an Vollge-schwistern unter den eingesandten Proben, welche nicht abschließend geklärt werden konn-te, da die Proben nicht von Stammbäumen begleitet wurden. Für die tatsächlich hohe gene-tische Übereinstimmung der Tiere spricht jedoch, dass 50 % der Individuen eine Überein-stimmung der Allele zwischen 50 und 79 % aufwiesen, das hohe Aufkommen von Hauptal-lelen, die vielen monomorphen Loci und die hohen Homozygotiegrade.
Allerdings werden durch die Hauptallele sowohl die populationsgenetischen Parameter als auch alle Berechnungen die auf dem Hardy-Weinberg-Gleichgewicht beruhen, beeinflusst. Weiterhin bleibt zu bedenken, dass lediglich die Populationen Z2G, Z3G, Z4G, Z2S und Z2W eine genügend hohe Populationsgröße aufweisen, um eine Auswertung der populati-onsgenetischen Parameter durchzuführen.
In vier Fällen ergaben sich physikalische Kopplungen zwischen Markern (Locus: fp86-2 und fp54; fp82-2 und fp347; fp82-2 und 31 und fp347 und fp31) und 236 der 809 Verglei-che zeigten ein signifikantes Kopplungsungleichgewicht. Bei den Kopplungen handelte es sich um Scheinkopplungen, da die Marker entweder physikalisch mehrere Millionen Ba-senpaare entfernt voneinander sind, sodass von einer Rekombination auszugehen ist oder vergleichbare Studien keine Kopplungen nachweisen konnten. Weiterhin lassen sich die Kopplungsungleichgewicht-Frequenzen durch die hohen Homozygotiegrade und durch ein unbeabsichtigtes Mischen von Individuen aus Subpopulationen (Wahlund-Effekt) erklären. Auf einen Wahlund-Effekt weisen die FST-Werte als auch die vielen Heterozygotendefizite (Populationen Z2G, Z3G, Z4G) hin.
Obwohl alle Mikrosatelliten in den Vergleichsstudien verwendet wurden und in dieser Stu-die ebenfalls etabliert waren, konnte das Auftreten von Nullallelen nicht gänzlichst ausge-schlossen werden. Es gab 15 Fälle von „echten“ Nullallelen bei Mikrosatellit fp54 und sechs „Allelic dropouts“ (signifikant erhöhte Nullallelfrequenz) bei Locus MSFp01, vier bei Locus fp54 und drei bei Locus fp92-1. In 14 der 15 Fälle, die eine erhöhte Nullallelfre-quenz zeigten, konnte ein signifikantes Heterozygotendefizit nachgewiesen werden. Darum wird als Ursache für die Abweichungen vom Hardy-Weinberg-Gleichgewicht nicht von Nullallelen, sondern von Heterozygotendefiziten ausgegangen.
Bei einer Betrachtung der Ger-, Saker- und Wanderfalkenpopulationen zeigte sich keine genetische Differenzierung zwischen Ger- und Sakerfalken. Erst durch eine zweite hierar-chische Clusteranalyse (durch das Computerprogramm Structure) konnten diese Spezies differenziert werden. Nur auf Basis der genetischen Distanz nach Nei und durch eine Dis-kriminanzanalyse der Prinzipal Komponenten (DAPC) unterteilten sich die Populationen analog der Speziesaufteilung. Durch eine Analyse der molekularen Varianz (AMOVA) lie-ßen sich die einzelnen Populationen darstellen.

Weiterhin wurden die Ergebnisse der vorliegenden Studie mit acht Vergleichsstudien über europäische Wander-, Saker- und Gerfalken verglichen. Zusammenfassend ergab sich so-wohl für die Wildpopulationen als auch für die Zuchtpopulationen ein ähnlicher Wertebe-reich der populationsgenetischen Kennzahlen. Daraus ergaben sich nur geringgradige Un-terschiede für die genetische Variabilität zwischen Wild- und Zuchtpopulationen. Dies ist darin begründet, dass die meisten Studien Populationen nach dem Bevölkerungsrückgang in den 1970 Jahren beprobten und diese Populationen bereits ein geringeres Maß an geneti-scher Variation zeigten. Darauf deuten auch die extrem vielen monomorphe Loci, die ge-ringen Werte für den Allelreichtum, die monomorphen Loci und die geringen effektiven Allelanzahlen der vorliegenden Studie hin.
Die Vergleichsstudien zeigten weniger Hauptallele als die vorliegenden Studie, was eben-falls die geringere genetische Diversität unterstreicht. Auffallend ist hierbei, dass es sich bei den betroffenen Allelen um dieselben Loci wie in der vorliegenden Studie handelt. Dies wird ebenfalls durch die geringeren Werte für die erwartete (He) und beobachtete Hetero-zygotie (Ho) bekräftigt.

Die Ergebnisse der vorliegenden Studie deuten auf Inzucht aufgrund den geringen Allelan-zahlen, dem Trend zu Hauptallelen, den vielen monomorphen Loci, dem reduzierten Kopp-lungsungleichgewicht, den signifikanten Heterozygotendefiziten, den positiven FIS-Werten, den Ergebnissen der AMOVA, den paarweise genetisch identischen Individuen (IPs), den geringen effektiven Populationsgrößen und den niedrigen Werten für die effektive Allelzahl sowie den niedrigen Werten der He und Ho hin.
Selbst ein Austausch von Individuen zwischen den Züchtern dürfte diese Situation nur zum Teil verbessern, da die genetischen Distanzen zwischen den verschiedenen Zuchtpopulatio-nen auch nur gering ausgeprägt sind. Für eine verbesserte Zuchtstrategie, zur Minimierung der Inzucht, zur Steigerung der genetischen Diversität und zur Klärung ob es sich bei den Zuchtfalken um Hybridtiere handelt wird den Züchtern empfohlen, den genetischen Status ihrer Falkenpopulationen zu untersuchen und darauf aufbauend gezielte Anpaarungen von Zuchttieren mit möglichst ausgeprägter genetischer Distanz vorzunehmen. There is a significant and steadily growing market for breeding falcons, including all hybrids. The increased demand cannot be met exclusively through the legal market. Due to the free flying period of the bred animals and a loss rate of 10%, hybrids in particular pose a significant threat of introducing undesirable genes into local wild populations. Therefore, there is a high interest in methods for identification not only of hybrids but also for genetic characterization of pure falcon species.
To address this question in the present study, 869 falcons from three different falcon species and four different breeders were genotyped using 14 microsatellites (fp5, fp13, fp31, fp46-1, fp54, fp79-1, fp79-4, fp82-2, fp86-2, fp89, fp92-1, fp107, fp347, and fr34). Nuclear DNA was amplified by PCR and separated by gel electrophoresis. The results were analyzed population genetically and statistically.
The present study provides for the first time an overview of the genetic structure of four European falcon breeders. The fact that 114 hybrid animals were found among the avoidably pure animals is one of the most important results of the study.
Due to an unexpectedly high genetic similarity between the studied falcons, no absolute differentiation or identification of all individuals could be achieved with the available microsatellite set in 11 pairs of individuals. Thus, further research is needed to establish gene markers with higher informativeness.
One reason for the high agreement of the animals is the presumably high rate of full siblings among the sent samples, which could not be clarified conclusively, because the samples were not accompanied by pedigrees. However, the fact that 50 % of the individuals showed an allele match between 50 and 79 %, the high occurrence of major alleles, the many monomorphic loci and the high homozygosity levels speak for the actually high genetic concordance of the animals.
However, the major alleles affect the population genetic parameters as well as all calculations based on the Hardy-Weinberg equilibrium. Furthermore, it remains to be considered that only the populations Z2G, Z3G, Z4G, Z2S and Z2W have a sufficiently high population size to perform an evaluation of the population genetic parameters.
In four cases, physical linkages resulted between markers (locus: fp86-2 and fp54; fp82-2 and fp347; fp82-2 and 31; and fp347 and fp31) and 236 of the 809 comparisons showed significant linkage disequilibrium. The linkages were spurious linkages because the markers were either physically separated by several million base pairs, so recombination could be assumed, or comparable studies failed to detect linkages. Furthermore, the linkage disequilibrium frequencies can be explained by the high levels of homozygosity and by unintentional mixing of individuals from subpopulations (Wahlund effect). The FST values as well as the many heterozygote deficits (populations Z2G, Z3G, Z4G) indicate a Wahlund effect.
Although all microsatellites were used in the comparative studies and were also established in this study, the occurrence of null alleles could not be completely excluded. There were 15 cases of "true" null alleles at microsatellite fp54 and six allelic dropouts (significantly increased null allele frequency) at locus MSFp01, four at locus fp54, and three at locus fp92-1. In 14 of the 15 cases showing increased null allele frequency, a significant heterozygote deficit could be detected. Therefore, heterozygote deficits rather than null alleles are assumed to be the cause of the deviations from Hardy-Weinberg equilibrium.
An examination of the ger, saker and peregrine falcon populations showed no genetic differentiation between ger and saker falcons. Only a second hierarchical cluster analysis (by the computer program Structure) was able to differentiate these species. Only on the basis of Nei genetic distance and by a discriminant analysis of principal components (DAPC) the populations subdivided analogously to the species partition. By an analysis of molecular variance (AMOVA) the individual populations could be represented.

Furthermore, the results of the present study were compared with eight comparative studies on European peregrine, gyr and saker falcon. In summary, the range of values for population genetic indices was similar for both wild and breeding populations. This resulted in only minor differences for genetic variability between wild and breeding populations. This is because most studies sampled populations after the population decline in the 1970s and these populations already showed lower levels of genetic variation. This is also indicated by the extremely high number of monomorphic loci, low allelic richness values, monomorphic loci, and low effective allele counts in the present study.
The comparative studies showed fewer major alleles than the present study, also emphasizing the lower genetic diversity. It is notable here that the affected alleles are the same loci as in the present study. This is also corroborated by the lower values for expected (He) and observed heterozygosity (Ho).

The results of the present study indicate inbreeding due to the low allele numbers, trend towards major alleles, many monomorphic loci, reduced linkage disequilibrium, significant heterozygote deficiencies, positive FIS values, AMOVA results, paired genetically identical individuals (IPs), low effective population sizes and values for effective allele number, and low values of He and Ho.
Even exchange of individuals between breeders is likely to improve this situation only partially, because the genetic distances between the different breeding populations are also small. For an improved breeding strategy, to minimize inbreeding, to increase genetic diversity and to clarify whether breeding falcons are hybrids, it is recommended that breeders investigate the genetic status of their falcon populations and, based on this, make targeted pairing of breeding animals with the most pronounced genetic distance possible.