Defining Breed Purity / Définer la pureté de la race

Part 2 in our Perspectives in Crossbreeding series

Partie 2 dans notre série Perspectives d’élevage croisé

Written by / par : Caeli Richardson, Lactanet

The ancestry of all registered Jersey cattle can be traced back to the origin of the breed’s Herd Book - the Island of Jersey. While the importation of livestock to the island was strictly prohibited, Jersey cattle from the island have been exported around the world for the last two centuries. In 2008, after 219 years of isolation, the Island of Jersey opened its doors to international Jersey genetics with the goal of closing the performance gap between the island’s cattle and their international relatives. Although the change in regulations came with hesitation and required parliamentary action, results from a recent study confirm that any risk is far outweighed by the benefit to slightly opening the Island of Jersey Herd Book.

L’ascendance de tous les bovins Jersey enregistrés remonte à l’origine du livre généalogique de la race – l’île de Jersey. Alors que l’importation de bétail dans l’île était strictement défendue, des bovins Jersey de l’île ont été exportés dans le monde entier au cours des deux dernières décennies. En 2008, après 219 années d’isolement, l’île de Jersey a ouvert ses portes à la génétique Jersey internationale dans le but de combler l’écart entre le rendement des bovins de l’île et celui de leurs parents internationaux. Même si le changement à la réglementation n’a pas été effectué sans hésitation et a exigé des mesures parlementaires, les résultats d’une récente étude confirment que les risques ont été largement compensés par les avantages liés à la légère ouverture du livre généalogique Jersey.

How is breed purity determined?

In the case of the Island of Jersey, the benefits far outweighed any possible negative effects of introducing foreign genetics. The Island of Jersey population had a significantly higher level of inbreeding than the international populations, which was expected as the United States alone has over 90 times the number of Jersey cattle as on the Island. This emphasizes the importance of opening breed registries to include animals that foster the characteristics of the foundation breed. However, researchers need to be certain that the foundation of the breed, and the key characteristics that define cattle of that breed, are being preserved.

Researchers use a tool called Principal Component Analysis (PCA) to measure the level of genetic similarities or differences between groups of animals. This type of analysis was done quite recently on the international and local Jersey cattle on the Island of Jersey. Figure 1 shows the results of the PCA when we compare all Jersey animals from various countries. You can see distinct groups or clusters - signifying there are genetic differences between the groups of animals. This result was expected since the Island animals were isolated for over 200 years.

The differences observed in Figure 1, are relatively small, however, when all Jersey animals, both Island and international, are compared to other cattle breeds. In Figure 2, we see that Jersey animals cluster together and large genetic differences clearly exist between the Jersey populations and cattle of other breeds. So, while the international Jerseys are not genetically identical to their Island ancestors, they contain much more similar genetic structures than that of other breeds.

These are the same results we would expect with crossbreeding programs where the goal is to use animals from a closely related breed to increase genetic diversity and then continue breeding back to the foundation breed. The final PCA would return a single, tight-knit cluster showing that the resulting animals primarily contain the genetic structure of the foundation breed.

Comment la pureté de la race est-elle définie?

Dans le cas de l’île de Jersey, les avantages ont dépassé de loin les effets négatifs potentiels liés à l’introduction de produits génétiques étrangers. La population de l’île de Jersey affichait un niveau de consanguinité nettement supérieur à celui des populations internationales, ce qui était prévu puisque les États-Unis à eux seuls comptaient 90 fois plus de bovins Jersey que l’île. Cela souligne l’importance d’ouvrir les registres des races pour y inclure des animaux qui favorisent les caractéristiques de la race originale. Les chercheurs doivent toutefois s’assurer que la base de la race et les caractéristiques clés qui définissent les animaux de cette race sont préservées.

Les chercheurs utilisent un outil appelé l’analyse en composantes principales (ACP) pour mesurer le niveau de similitudes ou de différences génétiques entre des groupes d’animaux. Une telle analyse a tout récemment été effectuée auprès de bovins Jersey internationaux et locaux dans l’île de Jersey. La Figure 1 indique les résultats de l’ACP lorsque nous comparons tous les animaux Jersey provenant de différents pays. Vous pouvez voir des grappes ou des groupes distincts – signifiant qu’il existe des différences génétiques entre les groupes d’animaux. Ce résultat était prévu puisque les animaux de l’île ont été isolés pendant plus de 200 ans. Les dif férences observées dans la Figure 1 sont toutefois relativement faibles lorsque tous les animaux Jersey, à la fois de l’île et de l’international, sont comparés à des bovins d’autres races. Dans la Figure 2, on voit que les animaux Jersey se regroupent et qu’il existe d’importantes différences génétiques entre les populations Jersey et les bovins d’autres races. Ainsi, bien que les Jersey internationaux ne soient pas génétiquement identiques à leurs ancêtres de l’île, ils ont des structures génétiques beaucoup plus semblables que les animaux d’autres races.

Nous nous attendrions aux mêmes résultats avec des programmes de croisement dont le but est d’utiliser des animaux d’une race très apparentée pour augmenter la diversité génétique et ensuite continuer à utiliser la race originale. L’ACP finale indiquerait une seule grappe compacte, signifiant que les animaux résultants affichent principalement la structure génétique de la race originale.

Figure 1: Principal Component Analysis gauges the genetic similarities or differences between groups of animals. Animals with similar genetics cluster together. Here, the genetics of Jersey cattle from different countries were compared to Jersey cattle originating from the Island of Jersey. It can be seen that some degree of genetic differences exists between the various Jersey populations by country. Source: Hudson et al., 2020 / L’analyse en composantes principales évalue les similitudes ou les différences génétiques entre des groupes d’animaux. Les animaux avec une génétique similaire se regroupent. Ici, la génétique des bovins Jersey de différents pays a été comparée à celle des bovins Jersey issus de l’île de Jersey. On peut voir qu’il existe un certain niveau de différences génétiques entre les différentes populations Jersey, par pays. Source : Hudson et coll., 2020

Figure 2: The Principal Component Analysis shows the genetics of Jersey cattle from various countries compared to the Guernsey and Holstein populations. Here, the genetic differences between breeds are much larger than between the various Jersey sub-populations. Source: Hudson et al., 2020 / L’analyse en composantes principales illustre la génétique des bovins Jersey de différents pays par rapport à celle des populations Guernsey et Holstein. Ici, les différences génétiques entre les races sont beaucoup plus importantes que celles entre les différentes sous-populations Jersey. Source : Hudson et coll., 2020

What is Crossbreeding?

Crossbreeding is a mating strategy that involves the mating of animals from two breeds that have complementary characteristics. It is more commonly used in terminal breeding programs, such as in the meat industry, where the majority of offspring do not enter the breeding herd. In crossbreeding programs, the goal is to take advantage of the different groups of genes that each breed has. An additional benefit of such programs is the increase in genetic diversity and the lowering of inbreeding. When two animals of different breeds are mated, we maximize hybrid vigour or heterosis. These terms are used to describe the improved performance of crossbred animals due to the introduction of “new” genes from each purebred parent. After generations of mating back to the foundation breed, this hybrid vigour is lost. Eventually, the offspring produced generations later are almost genetically identical to the original foundation breed. The key question, however, is “When can they be considered a purebred?”

What Defines Breed Purity?

The Animal Pedigree Act of 1985 states that: “No association may, by its by-laws, determine that an animal is a purebred of a distinct breed if the animal has less than seven-eighths of its inheritance from the foundation stock of the animal’s breed or from animals previously registered as purebreds by the association.”

This means that an animal must have at least 87.5% of its DNA from the foundation breed, or from other animals previously deemed as purebreds to be identified as purebred in the breed association’s herdbook registry.

Qu’est-ce que le croisement?

Le croisement est une stratégie d’accouplement qui consiste à accoupler des animaux de deux races qui ont des caractéristiques complémentaires. Le croisement est plus couramment utilisé dans des programmes de croisement terminal, comme dans l’industrie de la viande, où la majorité des descendants n’entrent pas dans le troupeau d’élevage. Dans les programmes de croisement, le but est de tirer avantage des différents groupes de gènes que chaque race possède. Un autre avantage de ces programmes est la hausse de la diversité génétique et la baisse de la consanguinité. Lorsque deux animaux de races différentes sont accouplés, nous maximisons la vigueur hybride ou l’hétérose. Ces termes sont utilisés pour décrire le rendement amélioré des animaux croisés en raison de l’introduction de « nouveaux » gènes de chaque parent de race pure. Après des générations d’élevage au sein de la race originale, cette vigueur hybride se perd. Éventuellement, la progéniture produite après plusieurs générations est presque génétiquement identique à la race originale. Toutefois, la question clé est « quand un animal peut-il être considéré comme étant de race pure? ».

Qu’est-ce qui définit la pureté de la race?

La loi sur la généalogie des animaux de 1985 stipule que : « Les règlements administratifs d’une association ne peuvent prévoir qu’un animal d’une race particulière est de race pure s’il ne possède pas les sept huitièmes au moins du patrimoine héréditaire des premiers éléments de la race ou des animaux que l’association a déjà enregistrés comme animaux de race pure. »

Cela signifie qu’un animal doit tenir au moins 87,5 % de son ADN de la race originale ou d’autres animaux précédemment considérés comme étant de race pure pour être identifiés comme des animaux de race pure dans le registre du livre généalogique de l’association de race.

Estimating Breed Composition

While this 1985 definition of the minimum standard for purebred status is helpful, it is now possible to use DNA genotypes to be more precise in defining breed purity. In the United States, as part of its routine genetic evaluation services the Council for Dairy Cattle Breeding (CDCB) also publishes a value for each animal referred to as the Breed Base Representation (BBR). The BBR was introduced to provide the means for calculating genomic evaluations for genotyped crossbred animals. The basis of the BBR calculation is a specific set of genetic markers (i.e.: SNP) that were found to be unique to known multi-generational purebred animals within each breed. Using these markers, CDCB can estimate how much of an animal’s DNA is from each of the main breeds of cattle, which therefore defines their breed composition. By chance, an animal with known purebred ancestry may have a calculated BBR as low as 94%. Considering this potential range in calculated BBR values, the CDCB considers animals with a BBR of 94% or higher as purebred and therefore do not treat them as crossbred animals for the calculation and publication of genomic evaluations. As shown in the sidebar diagram, after the first mating of two animals from different breeds, which results in a breed purity level of 50%, three more generations of mating back a purebred sire of the foundation breed results in offspring that have a breed purity level of 93.75%. Using the “purebred” policy in United States as a guiding principle, offspring resulting from five or more generations of mating back to purebred sires would be considered as purebreds.

Estimer la composition de la race

Même si cette définition de 1985 de la norme minimale du statut de race pure est utile, il est maintenant possible d’utiliser des génotypes d’ADN pour que la définition de la pureté de la race soit plus précise. Aux États-Unis, dans le cadre des services courants d’évaluation génétique, le Council for Dairy Cattle Breeding (CDCB) publie aussi une valeur pour chaque animal appelée Breed Base Representation – BBR (représentation de la base de la race).Le calcul BBR a été introduit pour permettre de calculer les évaluations génomiques des animaux croisés génotypés. La base du calcul BBR est une suite spécifique de marqueurs génétiques (SNP) qui se sont avérés uniques pour connaître les animaux multigénérationnels de race pure à l’intérieur de chaque race. En utilisant ces marqueurs, CDCB peut estimer la quantité d’ADN d’un animal qui provient de chacune des principales races de bovins, ce qui définit par conséquent la composition de leur race. Par chance, un animal avec une ascendance de race pure connue peut avoir un calcul BBR aussi faible que 94 %. Tenant compte de cette variation potentielle dans les valeurs BBR calculées, le CDCB considère les animaux avec un BBR de 94 % ou plus comme étant de race pure et, par conséquent, ne les traite pas comme des animaux croisés dans le calcul et la publication des évaluations génomiques. Comme indiqué dans le diagramme ci-contre, après le premier accouplement de deux animaux de races différentes, ce qui entraîne un niveau de pureté de la race de 50 %, trois autres générations d’accouplements avec un taureau de race pure issu de la race originale produisent une progéniture qui possède un niveau de pureté de la race de 93,75 %. Lorsque la politique de « race pure » des États-Unis est utilisée comme ligne directrice, les descendants issus de cinq générations ou plus d’élevage avec des taureaux de race pure seraient considérés comme étant de race pure.

“Breed Purity” Value Planned for Canada

While the use of crossbreeding in dairy cattle breeds is not as common in Canada compared to the United States, the dairy cattle industry has been requesting Lactanet to implement minimum standards associated with breed purity. Two examples include (a) the eligibility of bulls, cows and heifers to appear on lists of top ranked animals in each breed based on LPI, Pro% or any individual trait, and (b) calculation of BCA values for lactation records and to qualify for inclusion in production herd averages and/or awards. For these reasons, Lactanet is developing a new “Breed Purity” calculation algorithm that can be applied in a fair and consistent manner across all dairy cattle breeds in Canada. This same Breed Purity percentage value will be available to the various national breed associations for the application of herdbook registry rules and policies.

Valeur de « pureté de la race » prévue au Canada

Alors que l’utilisation de croisements dans les races de bovins laitiers n’est pas aussi courante au Canada par rapport aux ÉtatsUnis, l’industrie des bovins laitiers a demandé à Lactanet de mettre en œuvre des normes minimales associées à la pureté de la race. En voici deux exemples : (a) l’admissibilité des taureaux, des vaches et des génisses à apparaître dans les listes des animaux les mieux classés dans chaque race en fonction de l’IPV, Pro$ ou tout caractère individuel, et (b) le calcul des valeurs MCR pour les relevés de lactation et pour être inclus dans les moyennes de production des troupeaux et/ou des reconnaissances. Pour ces raisons, Lactanet est à développer un nouvel algorithme de calcul de la « pureté de la race » qui peut être appliqué de façon juste et uniforme dans toutes les races de bovins laitiers au Canada. Cette même valeur de pourcentage de pureté de la race sera disponible pour les différentes associations de race nationales en vue de l’application des règles et des politiques d’enregistrement au livre généalogique.

About the Author / À propos de l’auteur

Caeli Richardson KTT Genetics Expert, Lactanet

Caeli Richardson is the Genetics Expert of the Innovation and Development team, bridging communication across the genetic services team, industry partners, and producers. She holds B.Sc. (Animal Biology) and M.Sc. (Breeding and Genetics) degrees from the University of Guelph and is approaching completion of her Ph.D. (Computational Biology) at La Trobe University and Agriculture Victoria in Australia. Her research focuses on opportunities to improve the long-term economic and environmental sustainability of the dairy industry using genetic improvement strategies.

Caeli Richardson Experte en transfert du savoir spécialisé en génétique

Caeli est l’experte en génétique qui assure la communication entre l’équipe des services génétiques, les partenaires industriels et les producteurs. Elle est titulaire d’un baccalauréat (biologie animale) et d’une maîtrise (élevage et génétique) de l’Université de Guelph et elle est en voie d’obtenir son doctorat (biologie computationnelle) de l’Université La Trobe en Australie. Ses recherches portent sur les possibilités d’améliorer la durabilité économique et environnementale à long terme de l’industrie laitière à l’aide de stratégies d’amélioration génétique.