Er zijn meer dan 9 miljoen melkkoeien in de Verenigde Staten, en de overgrote meerderheid daarvan zijn Holsteins, grote runderen met kenmerkende zwart-witte (soms rood-witte) aftekeningen. De hoeveelheid melk die zij produceren is verbazingwekkend. Hun afkomst ook. Toen onderzoekers van de Pennsylvania State University een paar jaar geleden de mannelijke lijnen onder de loep namen, ontdekten zij dat meer dan 99 procent van hen terug te voeren is op een van de twee stieren, die beide in de jaren zestig zijn geboren. Dat betekent dat er onder alle mannelijke Holsteins in het land slechts twee Y-chromosomen zijn.
“Wat we hebben gedaan, is de genetische poel echt verkleinen,” zegt Chad Dechow, een van de onderzoekers.
De vrouwtjes verging het niet veel beter. Dechow, universitair hoofddocent in de genetica van melkvee, en anderen zeggen dat de genetische overeenkomsten zo groot zijn dat de effectieve populatieomvang minder dan 50 is. Als Holsteins wilde dieren waren, zouden ze in de categorie van kritisch bedreigde diersoorten vallen. “Het is eigenlijk één grote inteeltfamilie,” zegt Leslie B. Hansen, Holsteinexpert en professor aan de Universiteit van Minnesota.
Elke elementaire wetenschapsleerling weet dat genetische homogeniteit op de lange termijn niet goed is. Het verhoogt het risico op erfelijke afwijkingen en vermindert het vermogen van een populatie om te evolueren in het licht van een veranderende omgeving. Melkveehouders die vandaag de dag hun rekeningen moeten betalen, houden zich niet per se bezig met de evolutionaire vooruitzichten van hun dieren, maar Dechow en zijn collega’s maakten zich genoeg zorgen dat ze beter wilden bekijken welke eigenschappen verloren waren gegaan.
Om antwoorden te vinden, zijn de onderzoekers begonnen met het fokken van een kleine partij nieuwe koeien, deels gekweekt uit het bewaarde sperma van lang overleden stieren, om een groot aantal kenmerken te meten – lengte, gewicht, melkproductie, algehele gezondheid, vruchtbaarheid en uiergezondheid, naast andere kenmerken – en die te vergelijken met de moderne Holsteins die wij hebben gecreëerd. De hoop is dat ze op een dag in staat zullen zijn om wat broodnodige genetische diversiteit terug te brengen in deze hoeksteen van de veehouderij, en mogelijk eigenschappen weer tot leven te wekken die verloren zijn gegaan door meedogenloze inteelt.
“Als we de genetische diversiteit van het ras op de lange termijn beperken,” zegt Dechow, “beperken we hoeveel genetische verandering in de loop van de tijd kan worden doorgevoerd.”
Met andere woorden, we zouden een punt kunnen bereiken waarop we vastzitten waar we nu zijn. Er komt geen verbetering meer in de melkproductie. De vruchtbaarheid zal niet verbeteren. En als er een nieuwe ziekte opduikt, kunnen grote delen van de koeienpopulatie er vatbaar voor zijn, omdat zoveel koeien dezelfde genen hebben.
Holsteins zijn tegenwoordig verantwoordelijk voor de overgrote meerderheid van de melk die we drinken en voor een groot deel van onze kaas en ons ijs. Minstens de afgelopen eeuw werden deze dieren gewaardeerd om hun volumineuze productie. In de afgelopen 70 jaar heeft de mens een aantal methoden geïntroduceerd om de productie nog verder op te voeren. In 1950 bijvoorbeeld produceerde een enkele melkkoe ongeveer 5.300 pond melk per jaar. Vandaag produceert de gemiddelde Holstein er meer dan 23.000. In 2017 produceerde een prijswinnende koe met de naam Selz-Pralle Aftershock 3918 78.170 pond melk – meer dan 200 pond per dag.
“Deze koeien zijn echte atleten,” zegt Hansen.
Dit komt ten goede aan de consument omdat de voedselprijzen laag blijven. Het is goed voor de boeren omdat ze kosten besparen wanneer minder koeien dezelfde hoeveelheid melk produceren. Ook het milieu vaart er wel bij, want het spijsverteringsstelsel van een koe produceert aanzienlijke hoeveelheden methaan en afval. (Hoewel hoogproductieve Holsteins meer energie verbruiken en per koe meer afval produceren, schatten onderzoekers dat de efficiëntiewinst resulteert in een aanzienlijke vermindering van de milieueffecten in het algemeen.)
Een deel van dit succesverhaal heeft te maken met het veranderen van de manier waarop Holsteins worden gefokt en beheerd. Maar de grootste verandering heeft plaatsgevonden in de manier waarop koeien worden gefokt. Lang geleden brachten boeren stieren van andere boerderijen mee om hun koeien drachtig te maken – een manier om te zorgen voor genetische diversiteit, of “de pot leegroeren”, zoals Hansen zegt. In de jaren 1940 begonnen ze kunstmatige inseminatie te gebruiken. Op die manier kon een enkele dosis stiersperma worden gebruikt om een heleboel vaarzen zwanger te maken. Al snel maakte de technologie het mogelijk het sperma in te vriezen, wat betekende dat een stier nog tientallen jaren kalveren kon verwekken, zelfs lang nadat hij dood was. Ondertussen hield de zuivelwereld zeer gedetailleerde gegevens bij, zodat de stierenfokkers die het sperma verkochten, konden zien welke stier de beste nakomelingen had voortgebracht – en met de beste nakomelingen bedoelden ze de dochters die de meeste melk produceerden.
Op dit punt zou een zeer gewilde stier duizenden dochters verwekken. Carlin-M Ivanhoe Bell, een stier geboren in 1974, had meer dan 80.000 nakomelingen. De meeste stieren hebben er minder, hoewel hun nageslacht nog steeds in de duizenden loopt. Tegen de jaren ’80 was het duidelijk dat de inteelt sterk toenam.
In de begindagen van de kunstmatige inseminatie moesten de stieren hun verdiensten in het echt bewijzen. Dat wil zeggen, zij verwekten 100 dochters, en toen die dochters kalfden en melk begonnen te produceren, werd hun productie gemeten. Hoe beter de productie, hoe beter de stier verkocht kon worden. Dit “testen van nakomelingen” was een waardevol proces, maar het duurde jaren om te bepalen of een stier goed was.
In 2009 kwam er nieuwe technologie: big data en genomische selectie. Vandaag de dag wordt de verkoopbaarheid van een stier bepaald door een computer. Een complex algoritme analyseert de genetische opmaak van de stier, waarbij rekening wordt gehouden met de gezondheid van zijn nakomelingen, hun melkproductie, het vet en eiwit in de melk en andere kenmerken, om zo tot cijfers te komen die hem rangschikken ten opzichte van andere stieren. Het belangrijkste cijfer wordt “lifetime net merit” genoemd. Het geeft het gemiddelde bedrag aan dat een boer kan verwachten te verdienen gedurende het leven van zijn nakomelingen door deze stier te verkiezen boven een andere.
Hoewel dit boeren in staat stelde dieren efficiënter te evalueren op vele belangrijke kenmerken, leidde het proces ook tot nog hogere inteeltpercentages. De “inteeltcoëfficiënt” voor Holsteins ligt momenteel rond de 8 procent, wat betekent dat een gemiddeld kalf identieke kopieën van 8 procent van zijn genen van zijn vader en moeder krijgt. Dat getal is in vergelijking met een uitgangswaarde van 1960 – en het blijft elk jaar met 0,3 of 0,4 toenemen.
“Inteelt stapelt zich sneller op dan ooit tevoren,” zegt Dechow.
Maar is 8 procent te veel? Zuivelexperts blijven hierover discussiëren. Sommigen beweren dat Holsteins hun werk doen, veel melk produceren en dat ze relatief gezond zijn. Hansen merkt echter op dat als je een stier met zijn dochter kruist, de inteeltcoëfficiënt 25 procent is; in dat licht lijkt 8 procent veel. Hij en anderen zeggen dat inteelt nu misschien geen probleem lijkt, maar dat de gevolgen aanzienlijk kunnen zijn.
Vruchtbaarheidscijfers worden beïnvloed door inteelt, en de vruchtbaarheid van Holstein is al aanzienlijk gedaald. In de jaren zestig bedroeg het vruchtbaarheidscijfer 35 tot 40 procent, maar in 2000 was dat gedaald tot 24 procent. Bovendien is de kans groter dat koeien twee exemplaren van ongewenste recessieve genen krijgen, waardoor ernstige gezondheidsproblemen op de loer kunnen liggen.
“Er moet iets veranderen”, zegt Hansen.
Voor Dechow is het tempo van de toename en wat dat betekent voor de toekomst van het ras, een punt van zorg. “Stel je voor dat je een koe hebt die 100 echt goede genen heeft en 10 echt verschrikkelijke genen. Je elimineert die koe uit je fokprogramma omdat ze 10 vreselijke genen heeft”, zegt hij, “en je bent ook haar 100 goede genen kwijt. Je verliest genetisch potentieel op lange termijn.”
Dechow groeide op een melkveebedrijf op, dus lang voordat hij de ins-and-outs van het genoom van de koe kende, kon hij al zien wat er gebeurde.
Holsteins zien er heel anders uit dan 50 jaar geleden. Ze zijn bijvoorbeeld gefokt met langere en bredere uiers, in plaats van diepe uiers. Een diepe uier kan de grond raken, waardoor het veel vatbaarder is voor infectie of andere problemen, dus dat is een verandering ten goede. Maar andere veranderingen kunnen problematisch zijn. Bijvoorbeeld, moderne Holsteins worden gefokt om lang en dun te zijn, tot op het punt van botheid. Die slankheid is een bijproduct van de melkproductie, omdat “ze de energie die ze verbruiken naar de melk sturen”, aldus Dechow.
Maar het is ook een soort esthetische keuze. De ideale Holsteinkoe – althans in de ogen van mensen die over dit soort dingen oordelen – is “vrouwelijk en verfijnd”. Dat betekent dun en hoekig. Het probleem is dat een lange, dunne koe niet per se de gezondste koe is en dat kortere en rondere runderen meer kans hebben om zwanger te worden.
Een paar jaar geleden begonnen Dechow en anderen zich af te vragen hoe groot de inteelt en het verlies aan diversiteit nu eigenlijk waren. In het begin van de jaren 50 waren er ongeveer 1800 stieren vertegenwoordigd in de populatie. Ze wisten dat het er vandaag minder waren, maar ze hadden geen idee hoe weinig. Dechow en zijn collega’s Wansheng Liu en Xiang-Peng Yue analyseerden de vaderlijke stamboominformatie van bijna 63.000 Holstein stieren die sinds de jaren ’50 in Noord-Amerika zijn geboren.
“We waren een beetje verrast toen we de afstammingslijnen traceerden en het terugging tot twee stieren,” zegt hij. Ze heten Round Oak Rag Apple Elevation en Pawnee Farm Arlinda Chief. Elk van hen is verwant aan ongeveer de helft van de stieren die vandaag leven. In feite hebben Elevation en Chief elke andere stier op de markt weggeconcurreerd. Zelfs Select Sires, een bedrijf dat zich bezighoudt met de verkoop van stierensperma, was verrast door de bevindingen. Charles Sattler, een vice-president van het bedrijf, ziet het nieuws als een soort realiteitscheck, maar niet als een reden tot paniek. “Waarschijnlijk is de grootste zorg: zijn er echt waardevolle genen die we onderweg zijn kwijtgeraakt en die we vandaag de dag zouden kunnen gebruiken?” vraagt hij zich af.
Nog niet zo lang geleden was er nog een Y-chromosoom vertegenwoordigd, dat van Penstate Ivanhoe Star, geboren in de jaren zestig van de vorige eeuw. Zijn achteruitgang toont een probleem aan met al die inteelt. In de jaren negentig begonnen melkveehouders over de hele wereld te merken dat kalveren werden geboren met zulke ernstige wervelproblemen dat ze niet buiten de baarmoeder overleefden. Rond dezelfde tijd werden er kalveren doodgeboren met een aandoening die boviene leukocyt adhesie deficiëntie heet. Het bleek dat Star en zijn productieve zoon, Carlin-M Ivanhoe Bell, problematische recessieve genen hadden die pas na een paar generaties inteelt aan het licht kwamen.
Na deze ontdekking stopten boeren met het fokken van koeien met Star’s nakomelingen en was dat probleem opgelost. Maar zouden er nog andere problemen op de loer liggen in de chromosomen van onze overgebleven Holsteins? Wat was er verloren gegaan met al die inteelt? Deze vragen baarden Dechow zoveel zorgen dat hij op zoek ging naar enkele van die oude genen.
Daartoe moest hij graven in de archieven van het National Animal Germplasm Program in Fort Collins, Colorado. Het is een soort zaadbank, maar dan voor het verzamelen van eierstokweefsel, bloed en sperma van gedomesticeerde dieren, en er zijn zo’n 7.000 spermamonsters ter grootte van een cocktailsstaafje van Holstein-stieren.
Dechow’s team vond er twee die geen familie waren van Chief of Elevation, dus namen ze die monsters, verkregen eicellen van top-vrouwtjes, en creëerden embryo’s om te implanteren in draagvaarzen van Penn State. Het idee was om de Y-genetica van een halve eeuw oud te combineren met DNA van koeien die tot de beste voorbeelden van de moderne melkproductie behoren. In de loop van 2017 brachten de dieren 15 kalveren ter wereld, waaronder zeven mannelijke. De oudste van deze dieren zijn ongeveer twee en twee hebben nu zelf kalveren.
Iedere parameter in de ontwikkeling van deze runderen wordt gemeten, en hun DNA wordt geanalyseerd en vergeleken met de algemene populatie. Het blijkt dat er niet veel bekend is over het Y-chromosoom, dus dit is een kans om deze nieuw geïntroduceerde variatie te gebruiken om het beter te begrijpen. Van de stieren zijn ook spermamonsters genomen en naar de kiemplasmabank in Colorado gestuurd. Dechow kan op de grond al een verschil zien in de manier waarop deze runderen eruit zien. Ze zijn iets korter dan de meeste Holsteins, en ook zwaarder. Ze zijn ook iets minder volgzaam dan gemiddeld.
Select Sires heeft spermamonsters van de stieren verzameld en deze door haar sorteerprogramma laten lopen met matige resultaten; ze kwamen in de middenmoot uit. Ze hebben een aantal van deze monsters te koop aangeboden aan melkveehouders, maar de verkoop is tot nu toe minimaal geweest. Melkveehouders hebben het tegenwoordig financieel al moeilijk, en het is niet gemakkelijk om hen ervan te overtuigen dat het een voordeel is om DNA van gemiddelde stieren te krijgen.
Dechow heeft nog steeds goede hoop dat er meer uit dit onderzoek te halen valt als de runderen eenmaal volwassen zijn.
“Mijn droom,” zegt Dechow, “is dat we kunnen laten zien dat deze oude genetica nog steeds iets te bieden heeft.”
Maureen O’Hagan is een in Portland, Oregon gevestigde schrijfster die in de staf zat van The Washington Post en The Seattle Times, waar ze talloze nationale journalistieke prijzen won. Ze is ook de auteur van “The Woman in the Strongbox”, een waargebeurd mysterieus verhaal.