INVESTIGACIÓN SELECCIÓN MEDIANTE MODELOS GENÓMICOS Y POLIGÉNICOS PARA EL. MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LOS BOVINOS DE LECHE EN EL TRÓPICO ALTO DE NARIÑO

INVESTIGACIÓN SELECCIÓN MEDIANTE MODELOS GENÓMICOS Y POLIGÉNICOS PARA EL MEJORAMIENTO
GENÉTICO DE LOS BOVINOS DE LECHE EN EL TRÓPICO ALTO DE NARIÑO
BPIN No: 2013000100091

Para llegar a realizar mejoramiento genético en bovinos, debemos comenzar por definir que es el fenotipo. En biología y específicamente en genética, se denomina fenotipo a la expresión del genotipo (Información genética que posee un organismo en particular en forma de ADN) en función de un determinado ambiente.

A partir de lo anterior, surge la siguiente ecuación: Y = G + A + R

donde, Y es el fenotipo y esta determinado por, G que es el genotipo, A que es el ambiente y R que es el residuo o lo que no podemos explicar por las anteriores variables.

En este sentido, el mejoramiento genético se realiza a partir de caracteres cuantitativos, que son todos aquellos atributos biológicos que tienen variabilidad y que componen el fenotipo (Por ejemplo: Producción de leche, Estatura, etc.), mientras el genotipo lo constituye principalmente la genealogía y actualmente se tiene otra fuente de información como son los chips de genotipado o secuencias de ADN. La gran mayoría de caracteres de importancia evolutiva y de interés comercial en animales son de tipo cuantitativo, por lo que la genética cuantitativa proporciona las herramientas necesarias para la mejora genética y la conservación de recursos biológicos, y contribuye a la comprensión de la adaptación y la evolución de los seres vivos (Rúa, 2017).

Los métodos tradicionales de evaluación genética se basan en un modelo animal no sesgado (Henderson, 1984), una versión modificada de esta son los procedimientos de selección genómica (Meuwissen, T. H. E. ; Hayes, B. J. y Goddard, 2001). Los métodos de selección genómica, utilizan marcadores (Nucleótidos Polimórficos Únicos, en ingles “Single Nucleotide Polymorphism (SNP)”) a lo largo de la cadena de ADN de cada uno de los animales para precisar de manera molecular la semejanza genética entre parientes, esto refleja una mayor precisión en las valoraciones genéticas.

Equipo De Trabajo

ALVARO JAVIER BURGOS

OSCAR BENAVIDES

FABIO CARDENAS

IVÁN FERNANDO CAVIEDES

ANA BELÉN RODRÍGUEZ

HENRY JURADO GAMEZ

JHON FREDY SARMIENTO

JAISON PASCUAZA ARBOLEDA

OSCAR ARTURO BOLAÑOS ORTIZ

CATALINA GARZON

CARMEN TREJO

GINNA LASSO

WILLIAM GUZMÁN MAFLA

LIZETH MEJIA

Acerca De

Para llegar a realizar mejoramiento genético en bovinos, debemos comenzar por definir que es el fenotipo. En biología y específicamente en genética, se denomina fenotipo a la expresión del genotipo (Información genética que posee un organismo en particular en forma de ADN) en función de un determinado ambiente. Los rasgos fenotípicos cuentan con rasgos tanto físicos como conductuales.

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LISTADO DE REPRODUCTORES

La valoración genética de un macho reproductor se realiza a partir de la cuantificación de los caracteres en sus hijas, se necesitan alrededor de 750 hijas para tener una buena precisión en la estimación de sus valores genéticos. Sin embargo, podemos utilizar el IMN para ordenar los machos reproductores del mundo, en función de la capacidad para transmitir a la descendencia una mejor combinación de caracteres, con el fin de mejorar la rentabilidad futura en los hatos lecheros de acuerdo a las necesidades de Nariño.

Se ha construido un programa que aplica el IMN y ordena un listado de machos reproductores con sus respectivas valoraciones genéticas. Los caracteres homologados a los objetivos y criterios de selección de Nariño se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1. Homologación de caracteres de machos reproductores para la aplicación del IMN.

Para el análisis se utilizaron los machos reproductores Holstein en el mundo con una fecha de nacimiento mayor o igual al año 2,000 de los archivos Official Bull File y de All Bull File disponibles en la Web de Canadian Dairy Network (https://www.cdn.ca), encontrando un total de 29,942; de estos 10,731 son reproductores genómicos y 19,211 son machos con descendencia. Posteriormente, se realizó la extracción de las valoraciones genéticas para estos animales, de cada uno de los caracteres nombrados anteriormente, a partir de la información disponible en la Web de Accelerated Genetics (www.accelgen.com) mediante la creación de un Robot informático.

Una vez obtenida la información, se creó un programa informático que aplica el IMN a los machos reproductores. Tenga en cuenta, que una de las recomendación de las casas comerciales es que un macho no debe compararse con otro índice de selección, esto se debe a que los animales van a sufrir unas penalizaciones ya que no han sido seleccionados para otros objetivos y criterios diferentes al suyo.

Sin embargo, mientras no se seleccionen reproductores bajo unos objetivos y criterios de selección adecuados a las necesidades de la región, es necesario lazar una búsqueda exhaustiva para encontrar los machos que más se acerquen a estos requerimientos. En este sentido, se aplicó el siguiente índice de selección:

IMN = 1000 + 10(VL) + 12(PG) + 13(PP) + 20((0.4 × MC) + (0.6 × RCS))
+ 25((0.5 × FV) + (0.25 × FN) + (0.13 × DA) + (0.12 × IEP)) + 2.5(LG) + 0.5(FO) + 0.5(FN)
+ 0.5(FP) + 0.5(VTN) + 0.5(VMP)
+ 6.3((0.02 × LP) + (0.07 × CPP) + (0.07 × CPA) + (0.18 × IUA) + (0.14 × LC) + (0.12 × ALUP)
+ (0.1 × ANUP) + (0.16 × PU) + (0.14 × TU))
+ 1.5((0.34 × AGA) + (0.21 × ANA) + (0.32 × FL) + (0.13 × PA))
+ 3.0((0.14 × ST) + (0.04 × ATA) + (0.25 × ANP) + (0.18 × PF) + (0.30 × AG) + (0.09 × CC))
+ 4.2((0.18 × AGP) + (0.22 × PFT) + (0.12 × CH) + (0.17 × PVL) + (0.31 × PVA))

donde, dentro del objetivo productivo de selección están los caracteres, VL es Volumen de Leche, PG es Producción de Grasa en leche, PP es Producción de Proteína en leche; dentro del objetivo funcional de selección se tiene los caracteres, MC es Mastitis Clínica, y RCS es Recuento de Células Somáticas, FV es Fertilidad de la Vaca, FN es Fertilidad de la Novilla, DA es Días Abiertos, IEP es Intervalo Entre Partos, LG es Longevidad, FO es Facilidad de Ordeño, FN es Facilidad de Nacimiento, FP es Facilidad de Parto, VTN es Vitalidad del ternero al Nacer, VMP es Vitalidad al Momento del Parto; dentro del objetivo morfológico de selección se tiene, LP es Largo de Pezón, CPP es Colocación de Pezones Posteriores, CPA es Colocación de Pezones Anteriores, IUA es Inserción de Ubre Anterior, LC es Ligamento Central, ALUP es Altura de Ubre Posterior, ANUP es Ancho de Ubre Posterior, PU es Profundidad de Ubre, TU es Textura de la Ubre, AGA es Angulo de Anca, ANA es Ancho de Anca, FL es Fortaleza de Lomo, PA es Posición de las Articulaciones, ST es Estatura, ATA es Altura de Tren Anterior, ANP es Ancho de Pecho, PF es Profundidad, AG es Angularidad, CC es Condición Corporal, AGP es Angulo de Pezuña, PFT es Profundidad de Talón, CH es Calidad de Huesos, PVL es Patas Vista Lateral, PVA es Patas Vista de Atrás.

Una vez aplicado el IMN a los Machos reproductores, en la Tabla 2 y 3 se presenta el percentil 99 para los reproductores con descendencia y genómicos, obteniendo un total de 301 animales, con los valores más altos respecto a las exigencias del IMN. Esta separación, se debe a que los reproductores genómicos no son comparables con los reproductores con descendencia, ya que estos no tienen la misma precisión en sus valoraciones genéticas (precisiones del 70% aproximadamente). Además, las valoraciones genómicas sobreestiman las valoraciones genéticas; en este sentido, se vienen haciendo estudios para corregir esto (Meuwissen, T. H. E. ; Hayes, B. J.; Goddard, 2001), sin embargo, no está del todo claro y sigue siendo tema de investigación para los genetistas.

Adicionalmente, se presenta el comportamiento de cada uno de los reproductores con respecto a los objetivos de selección (Producción, Funcionalidad y Morfología), esto facilita escoger los reproductores a utilizar individualmente para cada hembra, ya sea para corregir defectos o fortalecer los puntos fuertes de las hembras. Por ejemplo, si una hembra casi nunca se enferma, tiene partos con regularidad, pero lamentablemente su producción es baja, lo ideal es buscar un macho que supla necesidades en producción y morfología.

Tabla 2. Percentil 99 para machos reproductores con descendencia (193 animales en total).

Casa Comercial ANIMAL PRODUCCION FUNCIONAL MORFOLÓGICO IMN PRODUCCION 35% IMN FUNCIONAL 50% IMN MORFOLOGICO 15% IMN ORDEN Por IMN Net Merit $ Fluid Merit $ Cheese Merit $ Grazing Merit $ TPI Feed Efficiency No Hijas No Hatos

Code Nombre Leche GraP ProP FP FP Hijas PL SCS TP Vaq TP Vac Estatura Fortaleza Prof. Cuerpo Forma Lechera Angulo Grupa Ancho Grupa Patas Vista Lateral Patas Vista Posterior Angulo Pezuña Insercion Ubre Anterior Altura Ubre Posterior Ancho Ubre Posterior Ligamento Central Prof. Ubre Posicion Tetas Anteriores Posicion Tetas Posteriores Largo de Tetas

Tabla 3. Percentil 99 para machos reproductores genómicos (108 animales en total).

Casa Comercial ANIMAL PRODUCCION FUNCIONAL MORFOLÓGICO IMN PRODUCCION 35% IMN FUNCIONAL 50% IMN MORFOLOGICO 15% IMN ORDEN Por IMN Net Merit $ Fluid Merit $ Cheese Merit $ Grazing Merit $ TPI Feed Efficiency No Hijas No Hatos

Code Nombre Leche GraP ProP FP FP Hijas PL SCS TP Vaq TP Vac Estatura Fortaleza Prof. Cuerpo Forma Lechera Angulo Grupa Ancho Grupa Patas Vista Lateral Patas Vista Posterior Angulo Pezuña Insercion Ubre Anterior Altura Ubre Posterior Ancho Ubre Posterior Ligamento Central Prof. Ubre Posicion Tetas Anteriores Posicion Tetas Posteriores Largo de Tetas

En la Tabla 4 se muestra el listado general de los machos reproductores, donde se usó como base la información de los archivos Official Bull File y de All Bull File (Includes Domestic, MACE, PA's, y se tomaron únicamente datos de toros nacidos del 2000 en adelante) disponibles en cdn.ca, seguidamente se extrajeron las valoraciones genéticas correspondientes a cada uno de los caracteres homologados disponibles en accelgen.com.

Tabla 4. Lista de machos reproductores.

ANIMAL PRODUCCION FUNCIONAL MORFOLÓGICO IMN PRODUCCION 35% IMN FUNCIONAL 50% IMN MORFOLOGICO 15% IMN ORDEN Por IMN Net Merit $ Fluid Merit $ Cheese Merit $ Grazing Merit $ TPI Feed Efficiency No Hijas No Hatos

Code Nombre Leche GraP ProP FP FP Hijas PL SCS TP Vaq TP Vac Estatura Fortaleza Prof. Cuerpo Forma Lechera Angulo Grupa Ancho Grupa Patas Vista Lateral Patas Vista Posterior Angulo Pezuña Insercion Ubre Anterior Altura Ubre Posterior Ancho Ubre Posterior Ligamento Central Prof. Ubre Posicion Tetas Anteriores Posicion Tetas Posteriores Largo de Tetas

SELECCIÓN GENOMICA

SELECCIÓN GENOMICA DE BOVINOS DEL TROPICO ALTO DE NARIÑO

ETAPA 1.

TOMA DE MUESTRAS DE SANGRE

Es un procedimiento en el cual se realiza la extracción del fluido sanguíneo que circula por las venas y arterias de todos los vertebrados. En bovinos la toma de muestras se realiza en la vena coccígea ubicada en la región ventral o espacio intervertebral coccígeo, a nivel de la base de la cola. Este sitio es muy común y accesible para la obtención de muestras de sangre venosa y tiene un menor riesgo de accidentes e infecciones.

Esta técnica se utilizó para poder extraer sangre del animal y así poder hacer pruebas de laboratorio posteriores.

En el procedimiento, los profesionales encargados (i) levantan la cola del animal hasta casi colocarla en posición vertical y la sujetan en el tercio medio,(ii) retiran los residuos de materia fecal y limpian la zona con papel o algodón, (iii) proceden a palpar la vena en la línea media y (iv) una vez ubicada la vena, realizan la punción insertando la aguja vacutainer o jeringa de forma rápida y segura, utilizando camisa y colectando la sangre en un tubo Vacutainer que contiene un reactivo conocido como EDTA que evita que la sangre se coagule y por tanto permite conservar las células sanguíneas.

Cada uno de los tubos es debidamente marcado en campo con el nombre del animal y el código asignado a cada una de las fincas.

Figura 1. Método de inmovilización de la cola para la obtención de muestras de sangre de la vena coccígea. Fuente: esta investigación

Las muestras de sangre en tubos vacutainer, fueron trasladadas en neveras de icopor a 4°C a las instalaciones del Laboratorio de Mejoramiento Genético animal en la Universidad de Nariño. En el Laboratorio las muestras de sangre son codificadas con un número consecutivo de toma e ingresadas a la base de datos.

Figura 2. Codificación de muestra de sangre y almacenamiento en el Laboratorio de Mejoramiento Genético Animal. Fuente: Esta investigación

ETAPA 2.

EXTRACCION DE ADN.

El ADN o ácido desoxirribonucleico es la molécula que contiene las instrucciones que un organismo necesita para desarrollarse, vivir y reproducirse. Esta información se encuentra dentro del núcleo de cada célula, empaquetada y organizada en cromosomas y se transmite de padres a hijos.

Figura 3. Localización y empaquetamiento de la información genética. Fuente: Eukaryote DNA

La extracción de ADN es un procedimiento rutinario que se usa para aislar el ADN desde el núcleo de las células. Los pasos que se siguen para obtener el ADN son:

1. Romper las células para liberar el ADN (Lisis celular)

Las células de una muestra se separan unas de otras, a menudo por medios físicos, como maceración o agitación y la muestra se coloca en una solución que contiene sal.

Luego se agrega un detergente; el detergente descompone los lípidos en la membrana celular y nuclear. Cuando las membranas que recubren las células se rompen el ADN se libera.

2. Separación del ADN de las proteínas y otros componentes celulares

Para obtener una muestra de ADN limpia, es necesario remover tantos componentes celulares como sea posible. Este procedimiento puede realizarse por una variedad de métodos. A menudo se utiliza una enzima llamada proteasa que se adiciona para degradar las proteínas asociadas con el ADN y otras proteínas celulares, adicionalmente otros componentes celulares se pueden remover filtrando la muestra.

3. Precipitación del ADN con un alcohol

Un alcohol frio (ya sea etanol o isopropanol) se adiciona cuidadosamente a la muestra de ADN para separarlo, teniendo en cuenta que el ADN es soluble en agua pero insoluble en la presencia de sal y alcohol.

En el laboratorio, la extracción de ADN se realiza con el uso de un kit comercial, que utiliza una columna que contiene una resina de silica que selectivamente atrapa el ADN para su separación.

4. Purificación del ADN

Luego, la muestra de ADN se purifica o se limpia. Con una serie de pasos de lavado que limpian todas aquellas impurezas que hayan quedado en la columna que tiene atrapado el ADN.

5. Elución del ADN

El paso final del proceso de extracción consiste en liberar el ADN purificado de la silica con el uso de un tampón ligeramente alcalino o agua ultrapura que conserva el ADN. Posteriormente, se procede a almacenar el ADN a -20°C hasta su uso posterior.

Con estas muestras de ADN, se pretende constituir el primer Banco de material genético de bovinos para el Trópico Alto de Nariño, con información disponible para estudios futuros.

Figura 4. Protocolo de extracción de ADN con el uso de un kit comercial. Fuente: Biotechnology Workshop – Blood DNA Extraction and PCR

ETAPA 3.

GENOTIPIFICACIÓN DE BOVINOS

Las muestras de ADN que se obtienen en el paso anterior, serán sometidas a un procedimiento que se denomina genotipificación.

El ADN de los bovinos se extrae y posteriormente se genotipifica por varias razones, una de ellas es para realizar un análisis de parentesco y seleccionar animales para mejorar caracteres productivos, reproductivos y morfológicos, en una metodología denominada selección genómica.

La genotipificación es la tecnología que detecta pequeñas variaciones en el ADN que conllevan a importantes cambios en el fenotipo (características visibles) tales como los polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs).

Los SNPs corresponden a cambios de un solo nucleótido o base en el ADN. Por ejemplo, la mayoría de los individuos llevan la base C en una posición específica del ADN, pero en una minoría de individuos esta C es reemplazada por una A. Esto significa que hay un SNP en esta posición específica con dos posibles variaciones de nucleótidos: C o A.

Para la genotipificación, el ADN se prepara y luego se distribuye en un chip que posteriormente pasa por un escáner que permite la lectura de los marcadores genéticos usando reactivos fluorescentes. Los chips contienen secuencias de ADN de interés que se fijan a un portaobetos de vidrio o de silicona.

Figura 5. Proceso de genotipificación con chips de ADN. Una vez obtenida la muestra de ADN bovino, este ADN se copia muchas veces en un proceso llamada amplificación. A continuación, todas esas copias del ADN se “cortan” o se fragmentan en pedazos pequeños. Ese ADN fragmentado se aplica luego al chip de ADN. Este chip contiene cientos de miles de pequeñas perlas de sílice, cada una de las cuales está cubierta con cientos de miles de sondas de ADN que son especificas a una única ubicación en el genoma del bovino. Una vez que el ADN tiene tiempo de adherirse a estas sondas, se tiñen con marcadores fluorescentes para determinar el nucleótido del ADN correspondiente Fuente: How DNA Genotyping Works … and Why It Sometimes Doesn’t

Al finalizar el proceso, se va a generar un listado con los machos y hembras de mayor mérito genético, ordenados de acuerdo con los valores genómicos considerando aquellas características objeto de mejora.

Fuente de información:

• How DNA extraction kits work in the lab

• DNA extraction

• What is Genotyping?

• GENOTYPING: PRINCIPLES AND METHODS

ALVARO JAVIER BURGOS

Coordinador del Proyecto

Teléfono: 301 426 2927

FABIO CARDENAS

Gerente del Proyecto

Teléfono: 313 678 3583

IVÁN FERNANDO CAVIEDES

Veterinario

Teléfono: 312 757 2895

OSCAR BENAVIDES

Veterinario

Teléfono: 310 391 2236

HENRY JURADO GAMEZ

Investigador Análisis de leche

Teléfono: Teléfono: 312 833 3159

JHON FREDY SARMIENTO

Ingeniero de Sistemas

Teléfono: 318 622 2321

JAISON PASCUAZA ARBOLEDA

Tecnólogo En Computación

Teléfono: 321 823 8486

ANA BELÉN RODRÍGUEZ

Técnica Administrativa

Teléfono: 318 523 8107

OSCAR ARTURO BOLAÑOS ORTIZ

Zootecnista Analista de Leche

Teléfono: 310 361 3125

CARMEN TREJO

Zootecnista de Campo en Guachucal

Teléfono: 311 259 33101

JOSÉ TABLA

Zootecnista de Campo en Guachucal

Teléfono: 314 652 6648

WILLIAM GUZMÁN MAFLA

Zootecnista de Campo en Pasto

Teléfono: 316 623 8634

Referencias

• Accelerated Genetics, 2017. Accelerated Genetics. Available at: www.accelgen.com

• Canadian Dairy Networ, 2017. Canadian Dairy Network. Available at: www.cdn.ca

• Cunliffe, D., 2008. Como entender los catálogos de toros lecheros. Available at: www.perulactea.com

• Department of Dairy Science, 2014. Holstein Linar Traits. Available at: fyi.uwex.edu

• Henderson, C.R., 1984. Applications of linear models in animal breeding 3th ed. L. R. Schaeffer, ed., Guelp, Ontario: University of Guelp. Available at: cgil.uoguelph.ca

• Meuwissen, T. H. E. ; Hayes, B. J.; Goddard, M.E., 2001. Prediction of Total Genetic Value Using Genome-Wide Dense Marker Maps. Genetics, 157(4), pp.1819 – 1829. Available at: www.ncbi.nlm.nih.gov

• Ramírez, N.; Correa, G.; y Echeverry, J.J., 2011. Efecto del Intervalo entre Ordeños sobre el Recuento de Células Somáticas en Vacas Holstein en Condiciones Tropicales. Revista Facultad Nacional de Agronomía, 64. Available at: revistas.unal.edu.co

• Rúa, A.C., 2017. GENÉTICA CUANTITATIVA, Madrid: SÍNTESIS S.A. Available at: www.sintesis.com

• Sears, P.M. & McCarthy, K.K., 2003. Management and treatment of staphylococcal mastitis. The Veterinary clinics of North America. Food animal practice, 19(1), p.171–85, vii. Available at: www.ncbi.nlm.nih.gov

• Wolter, W.; Castañeda-Vázquez, H.; Kloppert, B., 2004. La mastitis Bovina, prevención, diagnostico, tratamiento Universida., Guadalajara, Jalisco, México.