Intérêt possible des biotechnologies de l'embryon pour la sélection des bovins laitiers

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Intérêt possible des biotechnologies de l’embryon pour la

sélection des bovins laitiers

J.-J. Colleau

To cite this version:

J.-J. COLLEAU

INRA Station de

Génétique quantitative

et

_appliquée

78352

_{Jouy-en-Josas}

Cedex

La

_gestion

des

_populations

Intérêt

_possible

des

biotechnologies

de

l’embryon

pour

la

sélection des bovins

laitiers

iésumé.

Les

_effets

_possibles

d’une utilisation de la

_{transplantation embryonnaire}

dans les schémas de sélection des bovins laitiers sont décrits. La

_perspective

est étendue au cas de l’utilisation

d’embryons

sexes ou sexés et clonés bien _que les

_{techniques correspondantes}

soient encore en cours de

dévelop ement.

Ces

_effets

sont décrits en termes de

_génétique

des

_{pop ulations}

où

_plusieurs

_paramètres

très

dt!eren!s

contribuent à

_{l’efficacité}

globale

des programmes de sélection. Leur résultat net est _que la

transplantation

_embryonnaire

permet

d’augmenter

les

_progrès

_génétiques

annuels dans une

_proportion

non

négligeable

(de

l ordre de 20

%),

essentiellement _parce

qu’elle

_permet

d’accélérer la

reproduction

dans une

espèce

handicapée

à cet

_égard.

Les

_{perspectives offertes}

_{par le sexage} et

_clonage

_apparaissent

nettenzent

_plus

_positives

_{que pour} le sexage

seul,

puisque

les

_progrès

génétiques

augmenteratent

encore

et _{parce que} l’accès à des

_{embryons femelles}

très bien connus

d’apres

la

_performance

de leurs clones

deviendrait

possible

à l ëleveur.

L’évolution des connaissances et des

_techniques

en

biologie

de la

_reproduction

amène le

_généticien

et le sélectionneur à

_{s’interroger}

sur

_{l’opportunité}

de leur

utilisation dans les _programmes de sélection. Pour

apporter des

_réponses

_adéquates,

il convient

d’appli-quer à ces

(plus

ou moins) nouveaux outils les

raison-nements de la

_{génétique quantitative}

(et aussi ceux

de

_{l’optimisation génético-économique qui}

ne sera pas traitée pour les cas

qui

nous

intéressent,

_{par manque}

de

_place).

Pour

_simplifier

et faire

_apparaître

les

raisonne-ments, on se limitera à trois

_techniques

(transfert

d’embryon,

sexage de

l’embryon, clonage

de

l’embryon),

à un seul

_type

de sélection et à une seule

espèce

(la sélection laitière chez les bovins)

1

/ Etat actuel

des

_techniques

1.1 / Transfert

_embryonnaire

(TE)

L’ordre de

_grandeur

du nombre

_d’embryons

trans-férables à la suite d’une collecte (renouvelable tous les 2 mois) sur une "donneuse"

_superovulée

est de 4-5. Le taux de survie moyen de ces

embryons

est de l’ordre de 50-60 %. En

_{conséquence,}

le résultat d’une

seule collecte en terme de nombre de descendants

pour la femelle

équivaut

à celui de 3 ans de

reproduc-tion

naturelle,

ce

_qui

est a

_priori

intéressant.

Cependant,

les

_réponses

à la

_{superovulation}

sont

fort variables et environ 20 % des collectes ne

don-nent lieu à aucun

_embryon

_utilisable,

ce

_qui

est

dom-mageable

à toute action très ciblée de sélection. Encore

_plus

fâcheux est le coût financier élevé de la

technique,

le

_prix

de revient

_technique

étant de

l’ordre de 1000 FF _par

_{embryon transférable,}

ce

_qui

veut dire _que le TE est un _moyen de

_reproduction

environ 10 fois

_plus

cher _que l’insémination artificiel-le

_classique.

De ce

fait,

les

applications

réalistes à la sélection sont surtout

_{envisageables}

dans un cadre

collectif (la modélisation

_{génético-économique}

le

prouve).

C’est celui

_qui

est

_supposé

dans le texte

_qui

suit.

1.2

_{/ Sexage}

de

_l’embryon

On _peut considérer

_{qu’actuellement}

la fiabilité de la détermination du sexe d’un

_embryon

_après

prélève-ment de

_quelques

cellules

_(biopsie)

est excellente. Le

principe

de la méthode repose sur

l’amplification

par

PCR d’une

_séquence

d’ADN

_spécifique

du

chromoso-me Y bovin.

_Cependant,

il existe encore des incon-nues sur la

_proportion

maximale

d’embryons

sur

les-quels

on

_peut

se _permettre de

_pratiquer

une

_biopsie

sans _{compromettre gravement} leur survie

(d’après

les

spécialistes,

elle est estimée actuellement à environ

60

%,

ce

qui

est assez

peu)

et sur le taux de réussite

d’embryons biopsés congelés, qui

semble

_faible,

alors que la

congélation

facilite considérablement toutes les

_opérations

de sélection à

_grande

échelle. Par

ailleurs,

les coûts

_techniques

sont encore

_{augmentés :}

de l’ordre de 50 %.

1.3

_{/ Clonage}

de

_l’embryon

La recherche est extrêmement active dans ce

domaine et a

permis

d’aboutir à certains succès

par-tiels

_(jusqu’à

11 veaux nés issus d’un même

embryon).

Le

_principe

consiste à transférer des

tren-taine de cellules dans des

_ovocytes

_{préalablement}

maturés

_puis

énucléés. Le _{taux moyen} de

développe-ment de tels

_embryons

reconstitués est encore

extrê-mement bas (3-5 %). Des connaissances de

_biologie

fondamentale font encore défaut à l’amélioration de la

_technique.

2

/ Possibilités

nouvelles

pour

la

sélection

2.1 / Transfert

_embryonnaire

Il

_permet

d’améliorer 1 ou 2 (suivant le schéma de sélection

_envisagé)

des 3

_paramètres

fondamentaux contrôlant l’efficacité

_technique

de la

_{sélection, jugée}

au travers du

_progrès

_génétique

_annuel,

c’est-à-dire l’intervalle de

_{génération,}

la

_pression

de sélection et la

_précision

de la sélection.

a / Intervalle de

_génération

Le TE

_permet

une accélération notable des

opéra-tions de choix des mères des taureaux

_{d’insémination,}

car leur

_âge

_{peut passer}

de 6 ans (situation

classique

sans transfert) à 2 ans. Dans ce _cas, les collectes sont effectuées avant le

_premier

_vêlage

et les descendants sont triés

_d’après

les

_performances

ultérieures des donneuses.

b / Pression de sélection

Cette

_pression

_peut

se renforcer car la

_prolificité

des mères

_augmentant,

l’effectif nécessaire au

renou-vellement de la

_population

_peut

diminuer.

c / Précision de la sélection

Le TE renforce les liens de

_parenté

_{moyens entre} candidats à la sélection et

_permet

_{d’augmenter}

la

pré-cision des index de sélection.

Ainsi,

il devient

_possible

de mieux évaluer les

mères

_d’après

leur descendance

_(qui

est très réduite en

reproduction naturelle),

ce

qui

est

bénéfique

_pour

l’évaluation individuelle de chacun des

descendant(e)s

de cette mère _(voir l’article sur les méthodes

_{d’indexation).}

2.2 /

_Sexage

Le

_grand

intérêt du _sexage

_d’embryons

est

essen-tiellement d’économiser les receveuses

_{d’embryons,}

en effectif _pas

_toujours

très

_important

car elles

doi-vent

_répondre

à un certain nombre de conditions

(âge,

état

_{physiologique}

et _sanitaire). A

_contrario,

à nombre de receveuses constant, l’utilisation du sexa-ge peut permettre

d’augmenter

les

_progrès

géné-tiques.

Le _{sexage permet} de mieux

_planifier

les

trans-ferts en fonction du renouvellement si les donneuses

sont

_déjà

connues sur leurs

_{performances :}

on trans-fère alors le nombre exact

_d’embryons

mâles et femelles nécessaires au

_{remplacement.}

2.3 /

_Clonage

Dans le cas des bovins

laitiers,

on _peut considérer _que

le

_clonage

des

_embryons

mâles est d’un intérêt mineur.

Le

_clonage

des

_embryons

femelles

_{permettrait :}

- d’une

part

d’augmenter

la

_prolificité

des

géno-types

femelles

_{correspondants, chaque}

clone

corres-pondant

à

_plusieurs

femelles en

_{reproduction.}

Cette

prolificité

est encore

_augmentée

si les

_embryons

de la

génération

suivante sont eux-mêmes clonés.

- d’autre

part

d’augmenter

la

_précision

de

l’évalua-tion de ces

_génotypes

_femelles,

en faisant

_exprimer

simultanément

_{plusieurs performances}

correspon-dantes.

De ce

fait,

le statut des femelles se

_{rapprocherait}

de celui des mâles d’insémination artificielle à

poten-tiel

_reproductif

élevé et à valeur

_génétique

relative-ment bien connue

_grâce

à leur index sur descendance

(testage).

On concoit _que cette tendance

_puisse

être

bénéfique

au

_progrès

_génétique

car les

_femelles,

ne

l’oublions _pas, contribuent dans la même

_proportion

que les mâles à la constitution du

pool génétique

d’une

_population.

2.4 /

_Reclonage

Cette variante de

_clonage

consiste à cloner de

nou-veau des

embryons

(stockés

congelés

_par

exemple)

dont des

_copies

ont

_déjà

été transférées sur des rece-veuses. De cette

_manière,

on

_peut

_envisager

de dissé-miner chez les éleveurs laitiers les tout meilleurs clones femelles évalués sur index (testés).

3

/

_Typologie

des schémas de

sélection

avec

TE

simple

Il existe un très

_grand

nombre de formules

_déjà

envisagées

ou

_{envisageables}

_{pour mettre} en oeuvre concrètement le TE dans la sélection des bovins

lai-tiers.

Schématiquement,

on

_peut

dire que les

principaux

facteurs de variation sont

_l’âge

des donneuses (2 ans,

4 ans) et

_l’âge

des taureaux utilisés (2 ans, 4 ans, 6

ans) soit 6

_{grandes possibilités.}

A ces

_âges

extrême-ment différents sont associés des

_types

variés

d’infor-mations

_disponibles

_qui

_{correspondent}

à une très

grande

variabilité de la

_précision

des index de

Des variations

_{supplémentaires}

_peuvent

concerner le

_degré

d’ouverture de la

_population

des

reproduc-teurs (fermé si une donneuse est

_toujours

fille d’une donneuse

_{précédente,}

ouvert dans le cas contraire) ou

la localisation des

_opérations

de sélection

_(troupeaux

spécialisés,

troupeaux

ordinaires où sont

_dispersés

les

_{reproducteurs).}

).

4

/

Prédiction

de l’efficacité des

schémas de sélection

avec

TE

Pour faire un choix rationnel entre toutes ces

pos-sibilités (aucune d’entre elles ne cumulant tous les

avantages),

il est souhaitable de

_pouvoir

_disposer

de

prédictions

fiables sur la valeur du

_progrès

_génétique

annuel _que ces schémas

_permettent

de

_créer,

même

après

une

longue période. Or,

il est manifeste _que la

prédiction

correcte de l’efficacité des schémas de

sélection,

et en

particulier

des schémas extrêmement intensifs

_qu’on

vient de

_citer,

est une tâche difficile et que des erreurs

_grossières

(des surestimations

systé-matiques)

sont effectuées si l’on ne tient _pas

_compte

d’un certain nombre de

_phénomènes

relatifs à la

génétique

des

_populations.

4.1 / Réduction de la

variabilité

_génétique

par

sélection

(effet Bulmer)

Même dans le cas où il existe un très

_grand

nombre de

_{gènes régissant}

le caractère soumis à

sélection,

le

_progrès

_génétique

ne _peut continuer indéfiniment au même

_rythme,

la variabilité

géné-tique

(chiffrée par la variance

génétique

additive) s’amenuisant de

_plus

en

_plus.

La

_première

cause de

diminution n’est

_jamais

_évoquée

bien

_qu’elle

soit la

plus importante.

En

_effet,

très

_rapidement

(3 à 5

générations)

la variance

_génétique

diminue de 20 à 30 % à cause d’un

_{déséquilibre statistique}

de liaison entre les effets de

_gènes

situés à des loci différents

(effet dit Bulmer). Ce

_{déséquilibre}

se met en

_place

en raison de la sélection

_pratiquée.

Pour

_comprendre

ce

fait,

il suffit

_d’imaginer

un caractère

_régi

_par 2

_gènes

ayant

chacun 2 allèles (1 allèle favorable

(+),1

allèle défavorable (-)). Suite à la

_sélection,

les (- -) sont éli-minés et dans les individus restant [(+

+), (+ -),

(- +)]

on voit bien _que les effets de

_gènes

à différents loci ne

sont pas

indépendants

mais en corrélation

_génétique

négative :

de mauvais

_gènes

à certains loci sont

entraînés _par des bons

_gènes

à d’autres

_loci,

ce

_qui

freine l’obtention d’un

_{progrès génétique}

maximum

(recherche des (+ +)).

Par _rapport aux schémas de sélection

classiques,

les schémas de sélection utilisant le TE n’induisent pas en

_général

d’effets Bulmer

_aggravés

par

rapport

à

la situation

_classique,

_parce

_qu’ils

ne

_permettent

_pas

d’aboutir simultanément à des

_pressions

de sélection et des

_précisions

de la sélection

_élevées,

facteurs favo-rables à la réduction de la variabilité

_génétique.

4.2 /

Réduction de la variabilité

_génétique

par

consanguinité

Pas très

_{spectaculaire}

à court et à _moyen terme,

cette cause de réduction est

_{potentiellement}

impor-tante sur le

_long

_terme, car elle conduit à un excès

d’homozygotes

et même à la fixation d’allèles défavo-rables (ce

_qui

est d’autant

_plus

_probable

que ceux-ci

auront été

_{&dquo;portés&dquo;}

_par l’effet Bulmer).

En ce

_qui

concerne la

_{consanguinité,}

la situation

des schémas avec TE est moins favorable que celle

des schémas

_classiques.

En

effet,

les coefficients de

consanguinité

ont toutes les chances d’être

_plus

éle-vés dans les schémas avec

_TE,

en raison du

_plus

grand

nombre de

_{générations}

_par unité de

_temps

et d’un taux d’accroissement

_{plus important}

de

consan-guinité

par

génération

(diminution du nombre de

reproductrices

utiles,

éventuellement utilisation très

importante

de la sélection sur ascendance).

4.3

/ Réduction de la

_pression

effective

de sélection

Sélectionner par

exemple

les 10 meilleurs

parmi

100 candidats

_apparentés,

_par

_exemple

demi-frères

(ou soeurs), n’a pas le même effet immédiat (on

parle

de différentielle de sélection) que la même

opération

parmi

100 candidats non

_{apparentés :}

la

_pression

effective de sélection est alors inférieure à la

_pression

de sélection nominale.

Cela veut dire _que l’accroissement des liens de

parenté

consécutif à l’utilisation du TE conduit à une

diminution des

_pressions

effectives de sélection.

4.4

/

Problèmes

_{d’algorithmique}

De manière à

_juger

correctement entre différentes

modalités

_possibles

de schémas de

sélection,

il est souhaitable de

_disposer

d’outils de

_prédiction

inté-grant

les

_phénomènes

mentionnés.

_Cependant,

en raison de difficultés

_{théoriques importantes,}

on

dispo-se de

_prédiction

ne tenant _compte que d’une

partie

des

_phénomènes

(en

général

4-1 et

_{approximations}

grossières

de

_4-2,

4-3). En

_{conséquence,}

on note un

développement

très

_important

de la simulation

aléa-toire,

qui

consiste d’une

_part

à

_générer

_{performances,}

index de sélection et choix des

_{reproducteurs,}

d’autre

part

à

_répéter

ce _processus

(réplications)

et à faire la

moyenne des résultats

obtenus, qui

fournit la

réponse

à la

_{question posée.}

Cette méthode est évidemment

très lourde (ou même pas

praticable

dans certains cas) et ne _{permet pas} d’étudier simultanément l’effet de

_beaucoup

de combinaisons de

_paramètres

à

opti-miser.

La connaissance a

_priori

des

_{caractéristiques}

à

long

terme des schémas avec TE est donc relative-ment

_incomplète.

Un certain

_{empirisme règne}

encore au niveau

mondial,

notamment en ce

qui

concerne les mesures à

_prendre

en vue de limiter les taux de

consanguinité.

5

/

Ordre de

_grandeur

de l’efficacité

génétique globale

du

_TE

Tous les _types de _programmes utilisant le TE per-mettent

_{d’augmenter}

(de 5 à 30

_%),

les

_rythmes

de

progrès

génétiques

par

rapport

à une situation de référence sans TE. Au tableau

_2,

_figurent

les

_progrès

génétiques

obtenus en combinant toutes les modalités décrites au tableau

_1,

en raisonnant dans des

condi-tions

_identiques

en ce

_qui

concerne le nombre total

d’embryons

transférés et le nombre

_d’embryons

par donneuse.

Comme on l’a vu

précédemment,

l’utilisation du TE a des effets élémentaires tantôt

favorables,

tantôt

génétique :

intervalle de

_{génération, pression}

de

sélection, précision

de la sélection et

_importance

de la variabilité

_génétique

effectivement

_disponible.

Il

_apparaît

finalement (mais il est

_impossible

de donner ici les détails de

_{l’argumentation)}

_que la très

notable réduction de l’intervalle de

_génération

est le

facteur essentiel

_qui

domine tous les autres et

_qui

explique

la

_{supériorité}

nette des schémas de sélection

avec TE.

6

/

_{Impact possible}

du

_sexage

et

du

_clonage

Il faut

_rappeler

que ces

techniques

ne _{sont pas} encore vraiment

_{opérationnelles}

_pour

_pouvoir

être

utilisées concrètement en sélection. Les résultats du tableau 3 montre ce que l’on

pourrait

obtenir si les

techniques

étaient

_disponibles.

On voit

_qu’en

raisonnant

_toujours

_pour un même

nombre total

_{d’embryons transférés,}

le sexage

d’embryons

collectés sur des vaches connues sur per-formances

_permet

d’obtenir

_globalement

un

program-me de sélection aussi efficace que les programmes

avec intervalles de

_{génération plus}

réduits. Ce _genre

de schéma

_pourrait

intéresser

_davantage

les

sélec-tionneurs que les schémas où les donneuses sont

superovulées

avant le 1er

_vêlage,

car la variabilité de

la

_réponse

à la sélection _{y est} a

_{priori plus}

faible. En utilisant la même contrainte d’un nombre total

identique d’embryons

transférés,

le

_clonage

des

embryons

femelles

_permet

d’accroître encore les

rythmes

de

_progrès

_génétiques

(510 %). Ceci avec un

clonage

modéré (3 à 5 animaux vivants par clone)

qui

n’accroît _que très _peu le coefficient de

_{consanguinité}

(c’est le nombre de mâles

_qui

est le

_principal

facteur à

cet

_égard),

comme le montre la simulation aléatoire.

Par

_ailleurs,

la simulation

_{génético-économique}

au niveau d’un

_élevage

(et non d’un _programme de

sélec-tion) montre que l’utilisation

_d’embryons

reclonés issus de clones très favorablement testés

_(par

exemple

les 10 %

_supérieurs)

est une

_perspective

réellement intéressante.

7

/

Utilisation

actuelle du

TE

dans

les

schémas de

_sélection

Le TE a tendance à se

_{généraliser}

dans le monde

pour la

procréation

des taureaux d’insémination

arti-ficielle,

car c’est d’abord un outil idéal de

_transport

d’un

_génome

_complet.

Les schémas intensifs utilisant

le TE sont actuellement en cours

d’expérimentation

sur une

_partie

des programmes de sélection. Deux

grandes

voies

_d’approche

sont

_{adoptées :}

- conservation du

testage

classique

sur

descendan-ce _{(6 ans)} mais

_{rajeunissement}

des mères à taureaux

(2 à 3

_{ans) ;}

-

testage

des taureaux à 4 ans sur collatérales et

rajeunissement

des mères à taureaux _{(3 ans).}

La voie

_{expérimentée}

actuellement en France est la

_première.

A cause des

_laps

de

_temps

_impliqués,

on

manque encore de recul pour affirmer d’une

_part

_que

les unités de sélection ont été finalement en mesure

de conduire ce

_type

de

_schéma,

d’autre

_part

_que les

prédictions théoriques

ont été vérifiées.

Conclusion

et

_perspectives

Les

_{potentialités}

découlant des

_{biotechnologies}

de

l’embryon n’apparaissent

donc pas anodines.

Cependant,

une

grande

incertitude

_règne

concernant

d’une

_part

le

_{développement}

effectif de certaines

des

_organismes

de sélection face aux investissements nécessaires. Dans

_{l’immédiat, de nombreux pays}

développés

ont fait le

_pari

et

_{l’exploitation}

intensive

du TE est devenu un élément de la concurrence

inter-nationale en matière de matériel

_{génétique, qui}

est

très

_aiguë.

La maîtrise de programmes de sélection utilisant

les

_{biotechnologies}

de

_l’embryon

ouvre d’autres

pers-pectives.

En _augmentant considérablement la

prolifi-cité des

_génotypes

_femelles,

le TE est une méthode

tout à fait

_adaptée

à la diffusion de

gènes

bien identi-fiés (via d’autres

_{biotechnologies)}

à effet

favorable,

soit

_{déjà présents}

dans la

_{population (gènes QTL}

détectés _par

_marqueurs),

soit

_manipulés

_par

transgé-nèse.

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