Superovulation and embryo transfer in dairy cattle : effect of management factors with emphasis on sex-sorted semen

Abstract

Multiple ovulation and embryo transfer (MOET) has been established in cattle breeding since the 1970s. It is an efficient means to increase the number of offspring from genetically superior females. Despite nearly 50 years of development, the average number of transferable embryos recovered in a single embryo collection has remained nearly constant at approximately six embryos per donor. Several animal-related, environmental and management factors contribute to the outcome of superovulation and embryo recovery. The most prominent factor affecting the success of superovulation is an animal-related attribute: the ovarian follicular population responsive to exogenous gonadotropin stimulation. Environmental factors, such as heat stress or other external factors causing stress, can compromise the embryo yield after superovulation. However, such factors represent a management challenge. The superovulatory outcome is additionally affected by several factors that can conflict with management decisions, including nutritional management of the donor, gonadotropin treatment protocol and semen and technical performance of donor inseminations.

The purpose of the work presented in this thesis was to investigate management factors that affect the efficacy of MOET. First, the effect of nutritional protein in the form of rapeseed meal on superovulation of dairy heifers was studied. One-year old heifers were fed diets formulated to meet energy requirements for 800 g daily gain and crude protein either at 14% or 18%, which was higher than the feeding recommendations and the common practice on farms. There was no effect of the higher protein level on the ovulation rate, total number of embryos recovered or the number of transferable embryos. Feeding an energy-adequate diet containing moderate or high protein with respect to feeding recommendations resulted in comparable embryo yields.

The efficacy of two commercial FSH products was compared in a retrospective study on superovulations of heifers and cows on Finnish dairy farms and an embryo collection station. A highly purified porcine FSH with a low LH:FSH ratio, Folltropin, was used for 2592 superovulations, and Pluset, containing equal amounts of LH and FSH, was used for 1398 superovulations. Pluset-treated donors had a higher ovulation rate, yielding 1.1 recovered structures (embryos and ova) more than those receiving Folltropin. However, the difference was characterized by more unfertilized ova (UFO). For transferable embryos, the number, quality and developmental stage were similar for both preparations. Therefore, it can be concluded that the efficacy of the preparations is comparable.

The effect of sex-sorted semen on efficacy of MOET was investigated from a dataset of commercial embryo collections and transfers. A total of 443 embryo collections produced with sex-sorted semen and 1528 produced with conventional semen were analyzed. Sex-sorted semen decreased the number of transferable embryos and increased proportions of UFO and degenerated embryos, compared with non-sorted semen. The decrease was more evident in cows than in heifers. The proportion of poor quality embryos was higher and there was a slight delay in the embryo developmental kinetics for sexed embryos. The risk of recovering no transferable embryos was increased when sex-sorted semen was used. Pregnancy rates after transfer of embryos produced with sex-sorted semen were 12% lower than for embryos originating from conventional semen. It can be concluded from these studies on sexed semen that the use of sex-sorted semen is profitable because more female calves can be produced from a donor heifer, wasting less recipient resources. For superovulated cows, equal numbers of female calves can be produced per embryo collection, but the need for only half the number of recipients compared with using conventional semen favors the use of sexed semen when female progeny are desired.

Lypsylehmät Suomessa poikivat elämänsä aikana keskimäärin alle kaksi lehmävasikkaa. Hyvästä lehmästä ei siten jää monta jälkeläistä karjaan, ellei lisääntymistä jollain tavalla tehosteta. Naudan-jalostusta on nopeutettu jo lähes viidenkymmenen vuoden ajan tuottamalla alkioita parhaista eläimistä. Alkiohuuhteluiden ja alkionsiirtojen avulla hyvistä lehmistä saadaan tavanomaista useampia jälkeläisiä, ja samalla kantajina käytettyjen heikoimpien eläinten geenit karsiutuvat. Alkiohuuhteluissa luovuttajaeläimelle aiheutetaan superovulaatio follikkelia stimuloivan hormonin (FSH) avulla, jolloin yhden munasolun sijaan kypsyy ja hedelmöityy useita munasoluja. Viikon kuluttua hedelmöityksestä alkiot huuhdellaan pois kohdusta ja siirretään oikeassa kiimakierron vaiheessa olevien vastaanottajien kohtuihin tai pakastetaan myöhempiä alkionsiirtoja varten. Keskimäärin alkiohuuhtelu tuottaa kuusi siirtokelpoista alkiota. Määrään vaikuttavat useat eläimestä riippuvat, ympäristöperäiset ja eläinten hoitoon liittyvät tekijät. Väitöskirjatyössä tarkasteltiin erilaisten eläimen hoitoon liittyvien tekijöiden – ruokinnan, superovulaatioon käytettävän hormonivalmisteen sekä sukupuolilajitellun siemenen ¬– vaikutusta alkioiden tuotantoon ja alkionsiirron onnistumiseen.

Mitä nuoremmasta eläimestä alkioita pystytään tuottamaan, sitä lyhyemmäksi sukupolvien väli jää ja sitä nopeampaa on jalostuksen edistyminen. Näin ollen merkittävin eläinryhmä alkiotuotannon kannalta ovat nuoret hiehot. Väitöskirjatyössä selvitettiin hiehojen rehustuksen raakavalkuaispitoisuuden vaikutusta alkioiden määrään ja laatuun. Lähellä siemennysikää olevia hiehoja ruokittiin kahden kuukauden ajan ennen alkiohuuhtelua rehulla, jossa oli raakavalkuaista joko tavanomaisesti (14 %) tai paljon (18 %). Valkuaispitoisuudella ei ollut vaikutusta siirtokelpoisten alkioiden määrään, mutta runsaalla valkuaisella ruokituilla eläimillä alkiot olivat keskimäärin parempilaatuisia. Tuloksia voidaan soveltaa käytännön ruokintasuosituksissa alkionluovuttaja¬hiehoille.

Käytännön alkionsiirtotyössä keskusteluttaa alinomaa superovulaatiohormonin valinta; toisin sanoen, eroavatko eri FSH-valmisteet vaikutuksiltaan. Kaupallisia valmisteita ei ole kattavasti vertailtu. Retrospektiivisessä tutkimuksessa analysoitiin kahden Suomessa markkinoilla olevan FSH-valmisteen vaikutusta alkiohuuhtelun tulokseen. Aineisto koostui noin 2600:sta Folltropinilla ja 1400:sta Plusetilla tehdystä superovulaatiosta. Plusetilla hoidetut luovuttajat tuottivat yhden hedelmöitymättömän munasolun enemmän kuin Folltropinilla hoidetut. Ero oli siten merkityksetön, sillä siirtokelpoisten alkioiden määrä, laatu ja kehitysasteet olivat yhtäläiset näillä valmisteilla.

Siementämällä alkionluovuttaja sukupuolilajitellulla X-siemenellä voidaan lisätä huuhtelusta saatavien naarasalkioiden osuutta sekä vähentää vastaanottajien tarvetta, kun näitä ei tarvita kantamaan vähemmän toivottuja urosalkioita lypsykarjoissa. Tutkimuksessa selvitettiin sukupuolilajitellun siemenen käytön vaikutuksia alkioiden määrään, laatuun, kehitysasteisiin ja tiineyttävyyteen. Sukupuolilajitellun siemenen myötä siirtokelpoisia alkioita saatiin vähemmän ja ne olivat huonolaatuisempia samalla, kun hedelmöitymättömiä munasoluja ja degeneroituneita alkioita saatiin suhteellisesti enemmän lajittelemattomaan siemeneen verrattuna. Lajitellun siemenen käyttö lisäsi riskiä, että alkiohuuhtelusta ei saada lainkaan siirtokelpoisia alkioita. Haitalliset vaikutukset olivat suurempia lehmillä kuin hiehoilla. Alkion vastaanottajien tiinehtyvyys oli 12 prosenttia huonompi siirrettäessä alkioita, jotka oli tuotettu lajiteltua siementä käyttäen kuin lajittelemattomalla siemenellä. Ottaen huomioon kaikki tutkitut muuttujat heikkouksistaan huolimatta sukupuolilajitellun siemenen käyttö todettiin kannattavaksi, kun tavoitellaan mahdollisimman paljon lehmävasikoita käyttäen mahdollisimman vähän vastaanottajia. Erityisesti jalostuksellisesti tärkeimmästä eläinryhmästä, eli hiehoista, saadaan lajitellulla siemenellä tuotettua tehokkaasti seuraava lehmäsukupolvi.