L’utilisation de semence sexée est devenue une pratique très développée et incontournable chez les bovins, en particulier au sein des élevages laitiers comme celui de la race Prim'Holstein. Cette technologie représente une avancée majeure dans la gestion des troupeaux et l'amélioration génétique, offrant aux éleveurs un contrôle accru sur le sex-ratio des veaux nés. Bien que le processus d'insémination artificielle (IA) existe depuis la fin des années 1940 en France, l'introduction de la semence sexée a révolutionné les stratégies de renouvellement et de production.
Le principe de l'insémination artificielle et le défi du sex-ratio
L’insémination artificielle consiste à collecter la semence d’un reproducteur mâle, la conditionner - le plus souvent la congeler - puis la transporter et la mettre en place dans les voies génitales de la femelle. Cette méthode présente de nombreux avantages, notamment le découplage entre la production de sperme et l'insémination, ce qui évite le transport des reproducteurs, limite les risques sanitaires et favorise les échanges génétiques à plus grande distance. L’avantage majeur de l’IA bovine est la dilution de la semence qui permet de produire jusqu’à plusieurs centaines de doses par éjaculat de taureau. Le nombre de descendants par reproducteur peut ainsi être démultiplié, un taureau pouvant produire plusieurs dizaines de milliers de doses en quelques mois. L’impact considérable de l’insémination dans la diffusion du progrès génétique est rappelé par Boichard (2020), permettant à un éleveur pratiquant l’IA de bénéficier d’un progrès génétique de l’ordre de 0,2 à 0,4 écart-type génétique par an, par la simple utilisation de taureaux d’insémination bien choisis.
Traditionnellement, la méiose induit une ségrégation aléatoire des chromosomes X et Y, aboutissant à 50 % de spermatozoïdes porteurs du X (femelle) et 50 % de porteurs du Y (mâle). En pratique, on observe à la naissance un léger déséquilibre avec un peu plus de veaux mâles que de femelles (51 % contre 49 %). Ce déséquilibre peut être dû à une survie différentielle de l’embryon ou au poids légèrement plus faible des spermatozoïdes mâles. La production de semence et sa congélation, puis l’insémination artificielle, ne modifient pas ce sex-ratio naturel. Or, en élevage laitier comme allaitant, où très majoritairement le cheptel femelle est en autorenouvellement, faire naître plus de femelles est d’intérêt majeur afin d’accroître notamment les possibilités de sélection intra-troupeau.
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Le procédé de sexage de la semence : une innovation technologique majeure
Depuis longtemps, des recherches ont été entreprises pour dévier ce sex-ratio dans la direction désirée. Plusieurs procédés ont été proposés et étudiés, basés sur la différence de quantité d’ADN, de volume ou de masse entre spermatozoïdes X et Y, ou sur des différences d’antigènes de surface. Cependant, un seul procédé, basé sur du tri cellulaire, est suffisamment abouti pour une application commerciale à grande échelle.
Ce procédé a été développé par des chercheurs de l’USDA dans les années 1990 (Johnson et al., 1987 ; Johnson & Seidel, 1999) sur différentes espèces de mammifères, puis breveté par la société XY Inc (Johnson, 1992). Le principe est de séparer, par un traitement particulier, les spermatozoïdes portant un chromosome X (donnant une femelle) de ceux portant un chromosome Y (donnant un mâle). La différenciation repose sur une quantité d'ADN supérieure de 4 % pour le chromosome X.
Mécanisme détaillé du tri des spermatozoïdes
Le procédé repose sur le tri de spermatozoïdes après traitement de la semence avec une substance, le Hoechst 33342, qui se fixe sur l’ADN. Ce produit est fluorescent quand il est éclairé par les UV. Les spermatozoïdes traités, éclairés par un laser UV, sont d’autant plus fluorescents qu’ils contiennent plus d’ADN. Le chromosome X étant plus grand que le chromosome Y, les spermatozoïdes femelles ont plus d’ADN (4 %) que les spermatozoïdes mâles et sont légèrement plus fluorescents. Cette différence est utilisée pour séparer les deux types de spermatozoïdes.
Plus précisément, la semence est diluée et sa concentration standardisée, puis elle est traitée au Hoechst 33342 pendant une heure. À l’entrée du trieur de cellules, la solution est finement brumisée de sorte que chaque spermatozoïde est enfermé dans une gouttelette et orienté pour que le signal lumineux soit interprétable. En fonction du niveau de fluorescence détecté après éclairage par un laser, les spermatozoïdes sont chargés électriquement positivement ou négativement, et déviés dans l’une ou l’autre direction. Les spermatozoïdes morts, qui n’ont pas intégré de fluorophore Hoechst 33342, sont également éliminés.
Les distributions de fluorescence mesurée lors du tri n’étant pas disjointes, on ne peut pas retenir les 50 % de spermatozoïdes du sexe choisi. Pour garantir un niveau de pureté suffisant, seule la partie de la distribution constituée en majorité de spermatozoïdes du sexe choisi est retenue. L’objectif fréquemment fixé est une précision de tri de 90 à 95 %. Ces valeurs résultent d’un compromis entre pureté souhaitée et quantités produites, car plus la pureté recherchée est élevée, plus importante est la perte de semence et plus long est le procédé, et donc plus la technique est coûteuse. Le rendement est d’autant meilleur que les deux distributions de fluorescence sont moins chevauchantes et il est important que le signal de fluorescence soit le moins bruité possible.
En théorie, le procédé permet de produire des doses mâles ou des doses femelles. Mais compte tenu de la dissymétrie de la sélection pratiquée, la fraction non sélectionnée n’est pas utilisable, car elle ne présente pas un niveau de pureté acceptable pour l’autre sexe.
Améliorations et commercialisation de la semence sexée
Inventée dans les années 1990, cette technique a largement profité des avancées des technologies de tri cellulaire, avec une augmentation du débit et une diminution du coût, et elle a pu être commercialisée depuis 2004. Une tête de trieur actuel permet d’obtenir environ 6 000 spermatozoïdes triés par seconde, un débit qui permet la production de quelques centaines de doses par machine et par jour.
Les doses produites avec le protocole usuel contiennent moins de spermatozoïdes que les doses conventionnelles (environ 2 millions contre 8 millions), ce qui résulte également d’un optimum économique du processus. Selon Sexing Technologies, le procédé le plus récent, appelé sexedULTRA®, préserve mieux l’intégrité des spermatozoïdes et doit réduire la perte de fertilité. Les semences sexées usuelles garantissent 90 à 92 % de descendants du sexe demandé. L’essentiel des besoins concerne la production de doses femelles pour insémination dans les élevages commerciaux.
Aujourd’hui, trois ateliers de sexage de la semence bovine fonctionnent en France. Propriétés de l’entreprise Sexing Technologies, ils sont installés dans trois centres d’insémination : Roulans (25) à l'est, St Aubin du Cormier (35) à l'ouest, et plus récemment Douai (59) dans le nord de la France. Le premier laboratoire français a été installé en 2009 dans le Doubs.
Il arrive que la semence de certains taureaux ne puisse pas être sexée. Ce phénomène est généralement dû à la présence d’un réarrangement chromosomique dans le génome du taureau. La méiose conduit alors à une forte proportion de spermatozoïdes au génome déséquilibré, avec deux copies ou zéro copie du segment chromosomique concerné (Jourdain et al., 2023). Cette variation de quantité d’ADN perturbe la distribution de la fluorescence qui n’est plus représentative de la distribution des chromosomes X et Y. Une impossibilité de sexage est donc un signal d’appel d’un possible réarrangement chromosomique.
L'essor de la semence sexée : Bilan et tendances d'utilisation
Un bilan complet d’utilisation de la semence sexée a été réalisé par Idele (Dominique, 2023). L’utilisation de la semence sexée a décollé à partir de 2010, après l’installation du premier laboratoire de sexage en France à Roulans. Ce bilan met en évidence des différences très marquées dans son adoption.
Adoption selon les races et les conditions d'élevage
La pratique du sexage est très limitée en races allaitantes (quelques pourcents) alors qu’elle est beaucoup plus développée en races laitières, comme les Prim'Holstein. Elle est beaucoup plus importante sur les génisses que sur les vaches, du fait de leur fertilité plus élevée et d’une certaine sécurisation des conditions de naissance. Elle est plus développée sur la première insémination que sur les retours, 76 % des IA sexées étant des IA premières.
L'utilisation varie également fortement entre les races laitières :
- Race Jersiaise : Présente le taux d’utilisation le plus élevé (60 % sur les génisses, 40 % sur les vaches), afin de limiter la naissance de veaux mâles dont la valorisation est quasi nulle.
- Races Brune et Montbéliarde : Viennent ensuite, avec des niveaux élevés sur les génisses (45 % et 32 %) mais aussi sur les vaches (20 %).
- Races Holstein et Normande : Le niveau d’utilisation est assez élevé en génisses (35 % et 23 %) mais faible en vaches (5 %).
- Races régionales : Ont des taux d’utilisation relativement bas.
Dans l'industrie laitière canadienne, une hausse constante de l’usage de semence sexée a été observée au cours des cinq dernières années dans les races Holstein, Jersey et Ayrshire. Entre 2016 et 2021, c’est dans la race Jersey où l’utilisation de semence sexée a augmenté le plus, soit de 8 % à 28 %.
Le surcoût affiché par les entreprises d’insémination varie entre 18 et 25 € par dose. Malgré ce surcoût, qui était d'environ 30 € la paillette sexée en 2011, le marché est en plein essor. Ce surcoût est justifié par la prestation de service du laboratoire, la baisse de rendement des éjaculats (un taureau ne produira que 1 500 paillettes sexées par mois contre 8 000 doses conventionnelles) et la logistique nécessaire (déplacement des taureaux dans les laboratoires, gestion en flux tendu de ces paillettes, etc.).
L'empreinte mondiale de la semence sexée
Les premiers laboratoires de sexage ont été installés aux USA, au Royaume-Uni et en Suisse au début des années 2000. Depuis, leur nombre a augmenté et Sexing Technologies propose la même organisation dans chaque pays. L'entreprise dispose actuellement de 52 laboratoires de sexage répartis dans 20 pays, installés dans des centres de production de semence pour lesquels ils travaillent en prestation. Chaque laboratoire dispose généralement de plusieurs trieurs, voire, pour les plus importants, de plusieurs dizaines de trieurs de cellules. La production mondiale de doses était estimée en 2018 à plus de 10 millions par an (González-Marín et al., 2018).
Impact de la semence sexée sur la fertilité et la santé des veaux
L’intérêt majeur de la technique pour l’éleveur est évident, renouvelant considérablement la pratique de l’insémination et les stratégies de production de descendants. Elle permet de garantir le sexe du produit avec un haut niveau de fiabilité et donc de produire les génisses de renouvellement à partir de la partie du troupeau choisie par l’éleveur. Cependant, le procédé de sexage, étant une manipulation lourde et assez longue, a des conséquences sur la fertilité et soulève des questions sur l'intégrité des produits nés.
Effets sur la fertilité des troupeaux
La semence est traitée au Hoechst 33342, substance qui a une certaine cytotoxicité. Même si seuls les spermatozoïdes vivants sont conservés après la phase de tri, il est probable que ce produit altère la survie ultérieure des spermatozoïdes triés. Par ailleurs, le traitement d’un éjaculat dure plusieurs heures, un délai que ne subit pas une semence conventionnelle. Le traitement implique des étapes de dilution, un stress de température pendant le marquage, un tri sous haute pression, une exposition aux rayons laser UV, puis une reconcentration. Enfin, pour des raisons économiques et pratiques, le nombre final de spermatozoïdes contenu dans une dose sexée est nettement inférieur à celui d’une dose conventionnelle (environ 2 millions contre 8 millions), même en prenant en compte l’élimination des morts dans le processus de sexage. En 2009, Frijters et al. (2009) attribuaient près des deux tiers de la baisse de fertilité à la concentration plus faible et un tiers au procédé lui-même.
L’analyse de la base nationale permet de mesurer l’impact du sexage sur la fertilité. Le taux de réussite moyen des inséminations artificielles conventionnelles varie d’environ 40 à 65 % selon la race et la parité. Un modèle d'évaluation génétique, intégrant le statut de la semence (conventionnelle ou sexée) parmi de nombreux autres facteurs (troupeau, année, saison, parité, inséminateur, taureau, âge, intervalle vêlage-insémination, valeur génétique de la femelle en fertilité…), permet de distinguer l'effet propre du sexage.
Dans les trois principales races laitières, la perte de fertilité est systématique et assez importante (-6 à -10 points de réussite à l’IA selon les races, les années, et la parité). Les résultats se sont un peu améliorés dans le temps, surtout chez les vaches Holstein et Normandes, et la perte n’était plus que de six à huit points ces dernières années. De même, la différence de perte entre génisses et vaches, initialement forte, a pratiquement disparu aujourd’hui. Cette moindre fertilité de la semence sexée est un effet bien connu, comme le montre la méta-analyse de Reese et al. (2021).
En conséquence, compte tenu de son surcoût et d’un souhait de maintenir une bonne fertilité du troupeau, la semence sexée est utilisée préférentiellement dans les conditions de fertilité maximale. Elle est donc plutôt pratiquée à la première ou lors des deux premières inséminations, les IA ultérieures correspondant à des vaches nettement moins fertiles. En Holstein, elle est utilisée plutôt chez les génisses que chez les vaches en lactation, alors que cette stratégie est moins nette en Montbéliarde. En 2015, 91 % des naissances après des IA sexées ont été réussies en femelles. Hervé Guillemin, éleveur laitier en Bretagne, constate que « quand une génisse va vêler, on est plus serein si elle a été inséminée avec une dose sexée femelle ».
Intégrité génomique des produits nés
L’impact sur les produits nés est moins connu et en général supposé nul ou négligeable. Il convient cependant de le vérifier, compte tenu de la large diffusion de la semence sexée. Des études ont été réalisées pour répondre à deux questions : le procédé de sexage respecte-t-il l’intégrité du génome du produit né ? En effet, le Hoechst 33342 se fixe sur l’ADN et pourrait donc induire des mutations de novo. Le pouvoir mutagène du Hoechst 33342 fait débat. Pour Johnson & Schulman (1994), ce produit n’est pas un intercalant de l’ADN et sa fixation est réversible, de ce fait, il ne serait pas dangereux. Gardiner-Garden (1999), lui, indique qu’il peut déstabiliser les histones de l’ADN et affecter sa compaction dans les spermatozoïdes. Selon Parrilla et al. (2004), il n’a pas d’effet génotoxique sur la semence de verrat.
Tirant profit des avancées des technologies de séquençage, des travaux de séquençage du génome ont été conduits en France en 2013-2014 dans le cadre du projet SexSeq financé par APIS-GENE pour rechercher les mutations de novo. Une mutation de novo est un variant observé avec certitude chez le produit et absent du génome de ses deux parents. Il existe un taux de mutation naturelle, estimé à environ 10-8 mutation par base d’ADN et par méiose chez les mammifères, soit environ 60-80 néomutations par individu.
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Avantages stratégiques de la semence sexée pour les élevages Prim'Holstein
Malgré une fertilité altérée, l'achat de semence sexée est en plein développement, notamment sur les génisses, car il offre des avantages stratégiques considérables pour les éleveurs de Prim'Holstein.
Optimisation du renouvellement du troupeau
Avec la semence sexée, l'éleveur est pleinement acteur de sa stratégie de renouvellement, s’affranchissant du ratio mâles/femelles de 50/50. Il s'assure à 90 % d'avoir une femelle sur les souches qu'il souhaite conserver. Cela permet de produire les génisses de renouvellement à partir de la partie du troupeau choisie par l'éleveur, et de rééquilibrer un ratio mâles/femelles défavorable sur une vache particulièrement intéressante. Cela garantit le nombre requis de génisses de remplacement nées dans le troupeau, réduisant ainsi le nombre d’animaux achetés et le risque d’apparition de maladies infectieuses.
L'utilisation de semence sexée est un véritable outil de gestion du troupeau, permettant d’assurer le renouvellement à partir de femelles choisies. Les éleveurs peuvent identifier leurs vaches et leurs génisses génétiquement supérieures à être inséminées avec de la semence sexée, surtout lorsqu'elle est utilisée conjointement avec le testage génomique. Cela aide à accélérer les gains génétiques en assurant la meilleure génétique chez les génisses de remplacement. Grâce à la semence sexée et aux avancées dans les pratiques d’élevage des génisses, de nombreux troupeaux peuvent produire plus de génisses de remplacement que nécessaire.
Accélération du progrès génétique
On comprend facilement l'effet levier important sur l'amélioration génétique par la voie femelle, du fait d'une pression de sélection accrue et du gain de temps entre les générations puisqu'il n'y a plus le risque d'avoir un veau mâle. L'utilisation de semences sexées peut s'inscrire dans un schéma de progrès génétique plus global, qui associe l'utilisation de taureaux génomiques (diminution de l'intervalle entre générations) et le génotypage des femelles (augmentation du coefficient de détermination de 30 à 60). Le génotypage est également un véritable outil de prévention contre les anomalies génétiques et permet d’obtenir une meilleure précision que pour l’analyse d’une femelle avec une seule et simple lactation.
La génétique apporte des améliorations concrètes sur les élevages, sur le lait, les cellules ou le vêlage. Et les index sont nombreux : production laitière, morphologie, conditions de naissance, longévité, ou encore traite et tempérament. L’Index Synthèse Unique (ISU) permet de faire une synthèse globale, il est l’objectif de sélection défini par la race pour améliorer le revenu de tous les éleveurs. Par exemple, une longévité de + 50 jours de vie productive en moyenne peut rapporter 840 euros par an pour un troupeau de 60 vaches Prim’Holstein. Aussi, une baisse de 10% des cellules (passage de 200 000 à 180 000) assure un gain de 930 euros sur le même élevage.
Diversification de la production et réduction des risques
Au-delà du progrès génétique, le sexage de la semence est aussi un formidable outil pour anticiper une augmentation du troupeau et s'affranchir ainsi des achats extérieurs avec les risques sanitaires qu'ils comportent.
Dans un autre contexte, le producteur de lait pourrait aussi augmenter sa production de viande. Les paillettes sexées femelles sont alors ciblées sur les meilleures pour assurer le renouvellement du troupeau pendant que les autres vaches sont inséminées par des taureaux de race à viande et, pourquoi pas, sexées mâles pour donner des animaux plus aptes à l'embouche. Le croisement industriel en élevage laitier pourrait ainsi passer de 10 à 30 %, voire 40 %. Cette stratégie, si elle se répandait, pourrait déstabiliser l'élevage allaitant du fait d'un afflux d'animaux de bonne qualité bouchère.
L'autre intérêt, et non des moindres, de l'usage de la semence sexée est la diminution du nombre de vêlages difficiles sur les génisses. Avec 90 % de femelles, les veaux sont naturellement moins gros.
La tendance à l'utilisation de taureaux de boucherie en élevage laitier
Une autre tendance perceptible dans l’industrie laitière est l’utilisation accrue de semence de taureaux de boucherie pour inséminer des animaux laitiers, appelée « boucherie sur laitier ». Les inséminations Holstein sur Holstein ont diminué de façon constante, passant d’environ 95 % entre 2005 et 2011 à juste en dessous de 90 % en 2017. Depuis lors, un déclin plus rapide a été observé entre 2017 et 2021, avec une baisse de 90 % à 76 %. Alors que l’usage de taureaux d’autres races laitières demeure uniformément faible à moins de 1 %, la diminution de l’utilisation de semence de taureaux Holstein correspond à une augmentation équivalente de l’utilisation de semence de taureaux de boucherie.
Entre 2005 et 2011, l’usage de semence de taureaux de boucherie est demeuré faible à environ 4 %, pour augmenter à 9 % en 2017. Depuis 2017, la hausse des inséminations « boucherie sur laitier » chez les Holstein a augmenté à près de 23 % en 2021. Une tendance similaire est observée dans les races Jersey et Ayrshire. Les inséminations Jersey sur Jersey se sont maintenues au-dessus de 90 % jusqu’en 2013 et elles ont diminué lentement à 77 % jusqu’en 2021. Cela correspond à une augmentation de l’utilisation de semence de taureaux de boucherie qui est passée de moins de 5 % à 20 % entre 2013 et 2021. Chez les Ayrshire, l’usage de semence de taureaux Ayrshire est demeuré aux environs de 90 % alors que la semence de taureaux de boucherie était utilisée à moins de 6 % jusqu’en 2021.
Ces décisions de gestion de troupeau, concernant l’utilisation accrue de semence sexée et de taureaux de boucherie, ont fait l’objet d’un changement important ces derniers temps dans l'industrie laitière canadienne. Toutes les principales entreprises d’IA en Amérique du Nord vendent de la semence sexée puisque plusieurs de leurs jeunes taureaux éprouvés et génomiques permettent de la rendre largement disponible. Lorsque les producteurs laitiers l’utilisent conjointement avec le testage génomique, ils peuvent identifier leurs vaches et leurs génisses génétiquement supérieures à être inséminées avec de la semence sexée. De plus, grâce à la semence sexée et aux avancées dans les pratiques d’élevage des génisses, de nombreux troupeaux peuvent produire plus de génisses de remplacement que nécessaire. Lorsqu’il n’y a aucun besoin ni intérêt à produire une génisse de remplacement issue d’une mère donnée, une stratégie d’élevage alternative peut être utilisée. Avec des prix de vente élevés dans plusieurs marchés pour de jeunes veaux issus d’inséminations boucherie sur laitier, l’utilisation de semence de taureaux de boucherie permet de maximiser les profits.