Selección Genómica de Ganado Lechero
Dr. Kent Weigel
Departamento de Ciencias de los Lácteos
Universidad de Wisconsin

En los últimos 18 meses, más de 25,000 cabezas de ganado de Norte América (principalmente toros) han sido genotipificados utilizando el Illumina BovineSNP50 BeadChip.  Esta tecnología, que se hizo posible debido al reciente secuenciamiento del genoma bovino, fue desarrollado en cooperación entre Illumina Inc., el Servicio de Investigaciones Agrícolas del Departamento de  Agricultura de los Estados Unidos (USDA, siglas en inglés), la Asociación Nacional de Criadores de Animales, Merial Inc. e investigadores en varias universidades e institutos. Un avance clave que proporciona esta tecnología es la posibilidad de llevar a cabo 54,000 pruebas de marcador de ADN en forma simultánea, a un costo de unos $225 dólares por animal. Los marcadores de polimorfismo de un solo nucleótido (SNP, siglas en inglés) representan cambios de una sola base (A, T, C, o G) dentro de la secuencia de ADN de una vaca o un toro, secuencia que consiste en aproximadamente 3 mil millones de pares base, distribuidos en 30 pares de cromosomas. Es posible genotipificar estos marcadores SNP en forma eficiente y automática, contrario a la genotipificación de marcadores de microsatélite que requieren de mucha mano de obra (uno a la vez). Otro avance clave es el hallazgo de que, una vez que una cantidad grande de marcadores genéticos, espaciados más o menos en forma pareja (es decir, al menos 30,000), están disponibles para un animal en lo individual, entonces es posible estimar el valor genético de ese animal con base en asociaciones entre los genotipos del marcador y el rendimiento en leche, la calificación de células somáticas, la vida productiva, la tasa de natalidad de hembras y otros rasgos clave. Estas asociaciones se estiman utilizando datos de los ancestros del animal, particularmente los toros con progenie probada representados en el pedigrí del animal. Los animales clave en este proceso han sido los toros para leche representados en el Depósito en Cooperativa de ADN Lechero (Cooperative Dairy DNA Repository, CDDR, siglas en inglés) que fue creado hace casi 15 años, cuando ABS Global, Accelerated Genetics, Alta Genetics, Genex Cooperative, Select Sires, Semex y Taurus Service comenzaron a almacenar muestras de semen de toros jóvenes que ingresaron en sus programas de análisis de progenie, para efectos de investigaciones futuras.

Aunque parezca un misterio, la selección genómica es de hecho bastante simple. En el pasado, lo único que sabíamos del potencial genético de un animal joven era su promedio paterno (PA, siglas en inglés), que era simplemente el promedio de predicción de habilidad de transmisión (PTA, siglas en inglés) de sus progenitores y no teníamos modo de determinar si este animal joven contaba con una muestra de genes de sus padres por arriba o por debajo del promedio. Además, no teníamos otra alternativa que esperar dos años hasta que pudiéramos medir el desempeño de la progenie de este animal, en el caso de los machos. Ahora y debido a que las relaciones entre los marcadores SNP y los genes funcionales de importancia que observamos en los ancestros de un animal se mantienen por varias generaciones (antes de que la recombinación divida estos enlaces genéticos), podemos echar un vistazo a la bola de cristal para ver qué futuro le depara a un animal joven en particular.

En un reciente proyecto por parte de científicos del Centro de Investigaciones Agrícolas Beltsville del USDA-ARS, un total de 5,369 toros y vacas Holstein nacidos entre 1952 y 1999 fueron genotipificados con el Bovine SNP50 BeadChip (VanRaden et al., 2009; Cole et al, 2009).  Se utilizó la información genotípica y fenotípica de estos toros para calcular los efectos de 38,416 marcadores SNP, (después de descartar marcadores con una baja frecuencia de alelos menores y marcadores con un completo desequilibrio en el enlace con marcadores adyacentes) en las capacidades de producción, tipo, longevidad, salud de la ubre y número de partos. Posteriormente se utilizaron los efectos SNP calculados para computar el PTA genómico de cada uno de los 2,035 toros Holstein jóvenes nacidos entre 2000 y 2003 que no tenían progenie. Finalmente, se comparó el PTA 2009 de cada toro en este último grupo, con base en información de su progenie, con el PA tradicional y el PTA genómico computado con los datos del 2004. Se repitió el mismo proceso en la raza Jersey (1,361 animales mayores y 388 toros jóvenes) y en la raza Brown Swiss (512 animales mayores y 150 toros jóvenes). Los resultados de la Tabla 1 muestran el aumento en la confiabilidad resultante de la información genómica, comparada con la confiabilidad únicamente de la información promedio de los padres.

Tabla 1.  Cambios en la confiabilidad como resultado de los datos genómicos (VanRaden et al., 2009).

Como se muestra en la Tabla 1, el aumento en la confiabilidad producto de la información genómica fue muy importante para la mayor parte de los rasgos y las razas, que fue desde un -1% de ángulo de las patas en la raza Brown Swiss al +50% de porcentaje de grasa en las Holsteins.  Los aumentos fueron mayores para el caso de rasgos con genes mayores previamente descubiertos, tales como el porcentaje de grasa (DGAT1 en el cromosoma 14; Grisart et al., 2004) y el porcentaje de proteínas (ABCG2 en el cromosoma 6; Cohen-Zinder et al., 2005).  Podemos combinar el PA de un animal joven con información del BovineSNP50 BeadChip por cada uno de los rasgos, para obtener un PTA genómico con una mayor exactitud. Para el caso de terneras lactantes, la confiabilidad del PTA genómico es equivalente a la información que pudiéramos obtener midiendo varios registros de lactancia del animal y sus hijas. Para una vaca joven es posible combinar la información del BeadChip con los registros de lactancia para obtener un PTA genómico que tiene mucha más información que el PTA tradicional. Para el caso de terneros lactantes, la confiabilidad del PTA genómico es equivalente a lo que pudiéramos obtener midiendo el desempeño en unas 20 a 25 hijas de prueba de progenie. Incluso es posible aumentar la exactitud para aquellos toros que han completado las pruebas de progenie, aun y cuando la información para un toro que ya cuenta con información de desempeño de 80 a 100 hijas es mucho menor. La ganancia en la confiabilidad para el caso de las razas Jersey y Brown Swiss no ha sido tan alta como para el caso de la raza Holstein.  Sin embargo, este deficiente desempeño se debe en gran medida al hecho de que se han genotipificado menos toros con pruebas de progenie y es posible mejorar los resultados para estas razas combinando información de padres progenitores de Norte América, con información de poblaciones clave internacionales.

El PTA genómico se convirtió en la evaluación genética oficial para las razas Holstein y Jersey de Estados Unidos en enero del 2009 y para agosto del 2009 se espera contar con los resultados oficiales de la raza Brown Swiss. ¿Cuál ha sido el impacto de la genómica en la industria de la Inseminación Artificial? Los sementales empleados en la Inseminación Artificial ya se encuentran inmersos en un gran cambio debido a esta tecnología. Hoy en día, virtualmente todos los toros jóvenes que ingresan al Centro Norteamericano de Inseminación Artificial son analizados con el Bovine SNP50 BeadChip y las pruebas de ADN de potenciales madres de toros se están convirtiendo rápidamente en la norma.
El PTA genómico de un toro joven genotipificado, típicamente cuenta con una confiabilidad de entre 60 y 80%, contrario a solo el 30 o 40% para el PA tradicional. La tasa de éxitos (es decir, la tasa de graduación) en programas de prueba de progenie, que actualmente es de 1 en 10, aumentará significativamente en el futuro, dado que sabremos, antes de entrar al semental de Inseminación Artificial, que cada toro joven ha recibido una muestra favorable de genes de sus padres. Las pruebas de progenie han sido la piedra angular de la industria de la crianza de ganado lechero durante casi medio siglo y cualquier cosa que compita con las pruebas de progenie en términos de exactitud tendrá un enorme impacto. Dentro del próximo año, es probable que la identificación del parentesco a través de pruebas de ADN se torne más común, de modo que la exactitud de una PTA tradicional con base en hijas de pruebas de progenie aumentará, debido a que habrá menos hijas mal identificadas. El PTA de un toro que ya tiene hijas de pruebas de progenie de primera cosecha, cambiará ligeramente con base en la información genómica, pero el mayor impacto será para un toro joven que aún no tiene progenie. Los centros Norteamericanos de Inseminación Artificial comercializan hoy semen de cientos de toros jóvenes que tienen PTA genómicos, pero que no tienen hijas propias. Estos toros de genoma probado tienden a reemplazar a los viejos toros probados que estaban en el final de la lista de padres progenitores y están utilizando algunos toros jóvenes con evaluaciones genómicas sobresalientes para montas por contrato. A medida que pase el tiempo y que los centros de Inseminación Artificial y los productores se sientan más cómodos con esta tecnología, veremos un declive en los pruebas de progenie, porque su propósito es el mismo que el del BeadChip: ver qué toro joven tiene la misma muestra de genes de sus padres. Algunos de los costos adicionales de la genotipificación eventualmente se verán compensados por una menor inversión en las pruebas de progenie (es decir la manutención de toros, la distribución del semen, el pago de incentivos, etc.) Pero dado que esta tecnología ha estado disponible apenas desde hace 18 meses, la mayoría de los sementales no están aún listos para cancelar en definitiva las pruebas de progenie.

¿Cuál será el impacto de la genómica en los criadores de pedigrí que comercializan ganado para procrear? Los criadores que venden toros jóvenes para la Inseminación Artificial ya están viendo el impacto, dado que los sementales para Inseminación Artificial están pidiendo que se genotipifique a los toros jóvenes y potencialmente también a las madres. Muchas madres de toros y muchos toros jóvenes se rechazan con base en esta evaluación genómica inicial. Por el contrario, el precio que se paga por los toros jóvenes que aprueban esta evaluación genómica inicial frecuentemente es alto. Más aún y dado que los analistas de padres progenitores tienen ahora la posibilidad de distinguir entre series de hermanos carnales que tienen el mismo PA, es mucho mayor el costo de asegurar la primera opción de un grupo de animales. Es por estas razones que los contratos de toros jóvenes se han visto afectados. El impacto del lado de la hembra, ya sea la venta de embriones o de vaquillas vivas, será similar. Los potenciales compradores de embriones tal vez querrán conocer el PTA genómico de la madre y los compradores de terneros o vaquillas vivas tal vez querrán genotipificar al animal antes de cerrar el trato. Quizá también será deseable la información genómica en las ventas a consignación y a medida que los compradores comiencen a comprender esta información, pagarán un mayor costo por los animales jóvenes con genotipos favorables. Finalmente, los compradores de primera o segunda opción de un grupo de animales podrían pagar más en una subasta, sabiendo que pueden genotipificar a los terneros resultantes, antes de tomar una decisión.

¿Cuál será el impacto de este proyecto en los productores comerciales? Estos productores no verán un gran impacto en forma inmediata, aunque es probable que ocurran varias cosas. Los productores verán ahora al semen comercializado con base en los valores genómicos de crianza. Pueden ser toros de un año sin progenie o toros tresañejos que cuenten con información de facilidad para la producción de animales vivos, pero que no tienen hijas lactantes. Estos toros tienen pedigríes atractivos (porque son más jóvenes que la cosecha actual de toros probados), pero sus confiabilidades son menores, casi siempre en el rango del 60 al 80%, en lugar del típico rango del 80 al 90% que se ve en un toro probado de primera cosecha. Cuando se compra semen de toros genómicamente probados, los productores deben evitar el uso excesivo de uno o dos toros campeones y en lugar de eso dispersar su riesgo utilizando un grupo más grande de toros. Los hatos en cooperativa pueden ver un declive en la actividad de pruebas de progenie, con una correspondiente reducción de semen de pruebas de progenie y pagos de incentivos. Esto no se presentará de inmediato, pero es probable que con el tiempo los sementales prueben menos toros y que el semen de toros jóvenes con información genómica se venda a un precio mayor que el semen de toros jóvenes que se ofrece hoy en día.

¿Cuál será el impacto de la genómica en los investigadores académicos? Como sería de esperarse, los desarrollos arriba mencionados han conllevado a una explosión en la investigación de la genómica en el ganado lechero. La próxima década verá el desarrollo de nuevas y muy útiles herramientas, algunas de las cuales ni siquiera es posible imaginar aún, con base en tecnologías relacionadas al genoma. Un tema de gran interés es el desarrollo de un sistema de bajo costo que se pueda utilizar para dispersar la genotipificación de animales en granjas comerciales (es decir, vaquillas de reemplazo).Tal producto también podría emplearse para investigar familias de cruza abierta, para encontrar machos o hembras de élite que puedan ofrecer contribuciones genéticas únicas a la raza. Otro tema de interés es el desarrollo de programas de cruza con base en los resultados de pruebas de ADN, en lugar de datos de pedigrí o de conformación. Finalmente, el desarrollo de programas de administración, guiados por la genotipia, es una interesante posibilidad a largo plazo. La genómica ha generado mucha emoción en la industria de la cría de ganado lechero, aún y cuando tanto los productores como los sementales para Inseminación Artificial se encuentran aún relativamente abajo en la curva de aprendizaje, con respecto a la comprensión de esta tecnología y a maximizar su impacto.

Referencias

Cole, J. B., P. M. VanRaden, J. R. O’Connell, C. P. Van Tassell, T. S. Sonstegard, R. D. Schnabel, J. F. Taylor, and G. R. Wiggans.  2009.  Distribution and location of genetic effects for dairy traits.  J. Dairy Sci. (in press).

Cohen-Zinder, M., E. Seroussi, D. M. Larkin, J. J. Loor, A. Everts-van der Wind, J. H. Lee, J. K. Drackley, M. R. Band, A. G. Hernandez, M. Shani, H. A. Lewin, J. I. Weller, and M. Ron.  2005.  Identification of a missense mutation in the bovine ABCG2 gene with a major effect on the QTL on chromosome 6 affecting milk yield and composition in Holstein cattle.  Genome Res. 15:936-944.

Grisart B., F. Farnir, L. Karim, N. Cambisano, J. J. Kim, A. Kvasz, M. Mni, P. Simon, J. M. Frere, W. Coppieters, and M. Georges.  2004.  Genetic and functional confirmation of the causality of the DGAT1 K232A quantitative trait nucleotide in affecting milk yield and composition.  Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101:2398-403.

VanRaden, P. M., C. P. Van Tassell, G. R. Wiggans, T. S. Sonstegard, R. D. Schnabel, J. F. Taylor, and F. Schenkel.  2009.  Reliability of genomic predictions for North American Holstein bulls.  J. Dairy Sci. 92:16-24.