The impact of genomic selection on genetic diversity and genetic gain in three French dairy cattle breeds

International audienceAbstractBackgroundIn France, implementation of genomic evaluations in dairy cattle breeds started in 2009 and this has modified the breeding schemes drastically. In this context, the goal of our study was to understand the impact of genomic selection on the genetic diversity of bulls from three French dairy cattle breeds born between 2005 and 2015 (Montbéliarde, Normande and Holstein) and the factors that are involved.MethodsWe compared annual genetic gains, inbreeding rates based on runs of homozygosity (ROH) and pedigree data, and mean ROH length within breeds, before and after the implementation of genomic selection.ResultsGenomic selection induced an increase in mean annual genetic gains of 50, 71 and 33% for Montbéliarde, Normande and Holstein bulls, respectively, and in parallel, the generation intervals were reduced by a factor of 1.7, 1.9 and 2, respectively. We found no significant change in inbreeding rate for the two national breeds, Montbéliarde and Normande, and a significant increase in inbreeding rate for the Holstein international breed, which is now as high as 0.55% per year based on ROH and 0.49% per year based on pedigree data (equivalent to a rate of 1.36 and 1.39% per generation, respectively). The mean ROH length was longer for bulls from the Holstein breed than for those from the other two breeds.ConclusionsWith the implementation of genomic selection, the annual genetic gain increased for bulls from the three major French dairy cattle breeds. At the same time, the annual loss of genetic diversity increased for Holstein bulls, possibly because of the massive use of a few elite bulls in this breed, but not for Montbéliarde and Normande bulls. The increase in mean ROH length in Holstein may reflect the occurrence of recent inbreeding. New strategies in breeding schemes, such as female donor stations and embryo transfer, and recent implementation of genomic evaluations in small regional breeds should be studied carefully in order to ensure the sustainability of breeding schemes in the future

Genetic diversity in the genomic era : evolution of inbreeding and its consequences in three French dairy cattle breeds

La sélection génomique, mise en place depuis 2009 en France, a drastiquement modifié les schémas de sélection dans les races bovines laitières françaises de grand effectif en augmentant le nombre de candidats à la sélection et en réduisant les intervalles de génération. L’essor de l’utilisation du transfert embryonnaire a également remanié les schémas de sélection, intensifiant la sélection des mères à taureaux et réduisant encore les intervalles de génération. Ces technologies permettent une augmentation du progrès génétique.Cependant, si leur utilisation n’est pas maîtrisée, elles mettent en danger la diversité génétique de ces races. Cette perte de diversité, caractérisée par une augmentation de la consanguinité, peut s’accompagner de dépression de consanguinité, d’une baisse de l’efficacité de la sélection et une perte de potentiel adaptatif. Il est donc primordial de comprendre et de prédire l’impact de ces changements sur la diversité génétique à l’ère de la génomique, afin de mieux la maintenir.Un bilan de la mise en place de la sélection génomique a montré que cette technologie a permis une augmentation du progrès génétique annuel chez la Montbéliarde, la Normande et la Prim’Holstein mais que la perte de diversité génétique s’est accélérée seulement chez la Prim’Holstein.Une étude par simulations a montré que, dans le cadre de la sélection génomique, l’utilisation intensive du transfert embryonnaire dans un schéma de sélection de type Montbéliarde présentait un risque pour la diversité génétique, et que la réduction du nombre de taureaux dans ces schémas causait à la fois une baisse du progrès génétique et une accélération de la perte de diversité génétique.Dans la race Montbéliarde, la dépression de consanguinité a fait baisser les performances pour cinq caractères de production et de santé sur les six caractères étudiés. Les effets de la consanguinité sur ces performances sont très hétérogènes le long du génome.Gérer la consanguinité et ses conséquences dans les races bovines laitières françaises nécessite la mise en œuvre de mesures efficaces, éthiques et applicables sur le terrainGenomic selection, implemented in France since 2009, has drastically modified breeding schemes in large French dairy cattle breeds by increasing the number of candidates for selection and reducing generation intervals. The growing use of embryo transfer has also reshaped breeding schemes, intensifying the selection of dams of bulls and further reducing generation intervals. This resulted in an increased genetic gain.However, if their use is not controlled, they put the genetic diversity of these breeds at risk. This loss of diversity, characterized by an increased inbreeding, can be accompanied by inbreeding depression, a decrease in selection efficiency and a loss of adaptive potential. It is therefore essential to understand and predict the impact of these changes on genetic diversity. We studied the implementation of genomic selection and showed that this technology has led to an increase in annual genetic gain in Montbéliarde, Normande and Prim'Holstein while the loss of genetic diversity has only been accelerated in Prim'Holstein.We showed by simulations that, in the context of genomic selection, the intensive use of embryo transfer in a Montbéliarde-type breeding scheme presented a risk for genetic diversity, and that the reduction in the number of bulls in these schemes caused both a decrease in genetic gain and an acceleration of the loss of genetic diversity.In the Montbéliarde breed, inbreeding depression resulted in lower performance for five production and health traits out of six traits studied. The effects of inbreeding on these performances were very heterogeneous along the genome.Managing inbreeding and its consequences in French dairy cattle breeds requires the implementation of effective, ethical and feasible actions in the field

La diversité génétique à l’ère de la génomique : évolution de la consanguinité et ses conséquences dans trois races bovines laitières françaises

Genomic selection, implemented in France since 2009, has drastically modified breeding schemes in large French dairy cattle breeds by increasing the number of candidates for selection and reducing generation intervals. The growing use of embryo transfer has also reshaped breeding schemes, intensifying the selection of dams of bulls and further reducing generation intervals. This resulted in an increased genetic gain.However, if their use is not controlled, they put the genetic diversity of these breeds at risk. This loss of diversity, characterized by an increased inbreeding, can be accompanied by inbreeding depression, a decrease in selection efficiency and a loss of adaptive potential. It is therefore essential to understand and predict the impact of these changes on genetic diversity. We studied the implementation of genomic selection and showed that this technology has led to an increase in annual genetic gain in Montbéliarde, Normande and Prim'Holstein while the loss of genetic diversity has only been accelerated in Prim'Holstein.We showed by simulations that, in the context of genomic selection, the intensive use of embryo transfer in a Montbéliarde-type breeding scheme presented a risk for genetic diversity, and that the reduction in the number of bulls in these schemes caused both a decrease in genetic gain and an acceleration of the loss of genetic diversity.In the Montbéliarde breed, inbreeding depression resulted in lower performance for five production and health traits out of six traits studied. The effects of inbreeding on these performances were very heterogeneous along the genome.Managing inbreeding and its consequences in French dairy cattle breeds requires the implementation of effective, ethical and feasible actions in the field.La sélection génomique, mise en place depuis 2009 en France, a drastiquement modifié les schémas de sélection dans les races bovines laitières françaises de grand effectif en augmentant le nombre de candidats à la sélection et en réduisant les intervalles de génération. L’essor de l’utilisation du transfert embryonnaire a également remanié les schémas de sélection, intensifiant la sélection des mères à taureaux et réduisant encore les intervalles de génération. Ces technologies permettent une augmentation du progrès génétique.Cependant, si leur utilisation n’est pas maîtrisée, elles mettent en danger la diversité génétique de ces races. Cette perte de diversité, caractérisée par une augmentation de la consanguinité, peut s’accompagner de dépression de consanguinité, d’une baisse de l’efficacité de la sélection et une perte de potentiel adaptatif. Il est donc primordial de comprendre et de prédire l’impact de ces changements sur la diversité génétique à l’ère de la génomique, afin de mieux la maintenir.Un bilan de la mise en place de la sélection génomique a montré que cette technologie a permis une augmentation du progrès génétique annuel chez la Montbéliarde, la Normande et la Prim’Holstein mais que la perte de diversité génétique s’est accélérée seulement chez la Prim’Holstein.Une étude par simulations a montré que, dans le cadre de la sélection génomique, l’utilisation intensive du transfert embryonnaire dans un schéma de sélection de type Montbéliarde présentait un risque pour la diversité génétique, et que la réduction du nombre de taureaux dans ces schémas causait à la fois une baisse du progrès génétique et une accélération de la perte de diversité génétique.Dans la race Montbéliarde, la dépression de consanguinité a fait baisser les performances pour cinq caractères de production et de santé sur les six caractères étudiés. Les effets de la consanguinité sur ces performances sont très hétérogènes le long du génome.Gérer la consanguinité et ses conséquences dans les races bovines laitières françaises nécessite la mise en œuvre de mesures efficaces, éthiques et applicables sur le terrai

Intensified Use of Reproductive Technologies and Reduced Dimensions of Breeding Schemes Put Genetic Diversity at Risk in Dairy Cattle Breeds

In the management of dairy cattle breeds, two recent trends have arisen that pose potential threats to genetic diversity: the use of reproductive technologies (RT) and a reduction in the number of bulls in breeding schemes. The expected outcome of these changes, in terms of both genetic gain and genetic diversity, is not trivial to predict. Here, we simulated 15 breeding schemes similar to those carried out in large French dairy cattle breeds; breeding schemes differed with respect to their dimensions, the intensity of RT use, and the type of RT involved. We found that intensive use of RT resulted in improved genetic gain, but deteriorated genetic diversity. Specifically, a reduction in the interval between generations through the use of ovum pick-up and in vitro fertilization (OPU-IVF) resulted in a large increase in the inbreeding rate both per year and per generation, suggesting that OPU-IVF could have severe adverse effects on genetic diversity. To achieve a given level of genetic gain, the scenarios that best maintained genetic diversity were those with a higher number of sires/bulls and a medium intensity of RT use or those with a higher number of female donors to compensate for the increased intensity of RT