Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054
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Review

Use of artificial genetic algorithm for genetic improvement of cattle in Angola

 

iDFrancisco João Pinto*✉:francisco.pinto@uan.aofjoaopinto@yahoo.es


Agostinho Neto University, UNINET- Center for Studies, Scientific Research and Advanced Training in Computer Systems and Communication, University Campus of the Camama, S/N, Luanda-Angola.

 

*Author for correspondence: Francisco João Pinto. E-mail: francisco.pinto@uan.ao, fjoaopinto@yahoo.es

Abstract

The general objective of this work is to use the artificial genetic algorithm as a tool for the genetic improvement of cattle in Angola.The use of this tool for genetic improvement of cattle aims to increase meat and milk production through the selection and crossing of animals with desirable characteristics.The Angolan government has invested in livestock development programs, including cattle restocking and genetic improvement.Genetic improvement of livestock in Angola, as in other regions, seeks to improve the genetic characteristics of animals to increase the production of meat, milk, or other desired characteristics, such as precocity and meat quality. This is done through the selection of animals with good characteristics, the use of techniques such as artificial insemination, and the management of herds to ensure genetic evolution over time. Thus, genetic improvement has contributed not only to generating a more productive and precocious animal, but also to gain resistance to adverse environments, diseases and parasites.The results demonstrate that artificial insemination has been the most successful and effective reproduction biotechnology in animal production in Angola, being responsible for genetic increase rates in dairy farming of around 1.0 to 1.5%.It has revolutionized the commercial dairy cattle population in recent years, allowing the dissemination of superior genotypes on a large scale.

Keywords: 
Livestock, Artificial insemination, Artificial intelligence

Received: 14/6/2025; Accepted: 28/10/2025

Conflict of interests: The author of this work declare no conflict of interests.

The mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials is for identification purposes, there being no promotional commitment in relation to them, neither by the author nor by the publisher

This article is under license Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)

CONTENT

Introduction

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Bovine genetics is the branch of animal genetics that studies and applies the principles of heredity in livestock. The physical and productive characteristics of cattle are passed down from generation to generation (Weiblen y Nogueira, 2015WEIBLEN, R.; NOGUEIRA, A.: Melhoramento genético animal 2., Porto Alegre: Editora da UFRGS, 2015.).

The goal of cattle genetic improvement in Angola is generally to achieve higher levels of production, productivity, and/or product quality. Genetic improvement is an essential tool for producers who wish to increase livestock efficiency and profitability (Minagrif, 2021MINAGRIF: Melhoramento genético do gado bovino, [en línea], Inst. Ministério de agricultura e florestas. Orgão oficial da Republica de Angola., Luanda, Angola, 2021, Disponible en:https://faolex.fao.org/docs/pdf/ang215085.pdf. ).

The genetic improvement of cattle, throughout history, has gone through several phases, from initial domestication to the application of modern selection and crossing techniques. Evolution aims to optimize characteristics such as meat and milk production, adaptability and disease resistance, boosting livestock productivity and efficiency (Rosa et al., 2013ROSA, A. do N.; MARTINS, E.N.; MENEZES, G.R. de O.; SILVA, L.O.C. da: Melhoramento genético aplicado em gado de corte: Programa Geneplus-Embrapa, Ed. Embrapa, 2013, ISBN: 85-7035-256-5.; Larson y Fuller, 2014LARSON, G.; FULLER, D.Q.: “The evolution of animal domestication”, Annual review of ecology, evolution, and systematics, 45(1): 115-136, 2014, ISSN: 1543-592X.).

There are four phases of genetic improvement:

  1. Domestication and empirical selection: The history of genetic improvement begins with the domestication of cattle, where initial; selection was based on visible and useful characteristics for subsistence;

  2. Racial standardization: From the 19th century onwards, with the introduction of European and zebu cattle in Brazil, there was an effort to standardize breeds and desirable; characteristics, such as shape and beauty;

  3. Selection and crossing: Artificial selection began to be used to choose animals with superior characteristics for reproduction, seeking to establish desirable traits and improve production;

  4. Scientific advances: The development of genetics and biotechnology has allowed a greater understanding of heredity and the application of techniques such as artificial insemination, in vitro fertilization and embryo transfer, accelerating genetic progress (Baruselli, 2020BARUSELLI, P.S.: “Evolução da inseminação artificial em fêmeas bovinas de corte e de leite no Brasil”, Boletim eletônico do Departamento de Reprodução Animal/FMVZ/USP, 4, 2020.).

The selection of genetically superior animals allows for the improvement of characteristics of economic interest, such as weight gain, fertility, disease resistance and carcass quality, directly impacting the productivity and competitiveness of the production system. However, for a genetic improvement program to be successful, it is essential to understand its principles, define clear objectives and adopt appropriate techniques. In this work, we will cover the essential concepts, main steps and tools available to accelerate the genetic progress of the herd (Zart et al., 2013ZART, A.L.; NICACIO, A.C.; DO GITO, A.A.; GONDO, A.; SOUZA., A.: Melhoramento genético aplicado em gado de corte: Programa Geneplus-Embrapa, Ed. Embrapa, editores técnicos: António do Nascimento Rosa [et al]. ed., Brasília, DF : Embrapa, 256 p., 2013, ISBN: 978-85-7035-256-9.).

Animal production can be increased in two fundamental ways:The first is by improving the environment in which the cattle are conditioned, through nutritional, sanitary, and/or reproductive advances, and this is a temporary and costly process due to labor and inputs.The second is through genetic improvement, carried out using an artificial genetic algorithm, through genetic selection, mating systems and crossing techniques, in which improvements require more time than the first, however, their gains are practically permanent (Zart et al., 2013ZART, A.L.; NICACIO, A.C.; DO GITO, A.A.; GONDO, A.; SOUZA., A.: Melhoramento genético aplicado em gado de corte: Programa Geneplus-Embrapa, Ed. Embrapa, editores técnicos: António do Nascimento Rosa [et al]. ed., Brasília, DF : Embrapa, 256 p., 2013, ISBN: 978-85-7035-256-9.).

The herd'sgeneticheritageisdirectlyrelated to the efficiency of the productionsystem. In thiscontext, good animal management, health, and nutritionpracticespromotemaximumexpression of the cattle'sgeneticpotential.

The genetic algorithm (GA) is a method for solving both constrained and unconstrained optimization problems that is based on natural selection and biologicalevolution. The GA repeatedly modifies a population of individual solutions. At each step, the genetic algorithm selects individuals from the current population to be parents and uses them to produce the children for the next generation. Over successive generations, the population "evolves" toward an optimal solution. We can apply the GA to solve a variety of optimization problems that are not well suited for standard optimization algorithms, including problems in which the objective function is discontinuous, nondifferentiable, stochastic, or highly nonlinear (Tomoiagă et al., 2013TOMOIAGĂ, B.; CHINDRIŞ, M.; SUMPER, A.; SUDRIA-ANDREU, A.; VILLAFAFILA-ROBLES, R.: “Pareto optimal reconfiguration of power distribution systems using a genetic algorithm based on NSGA-II”, Energies, 6(3): 1439-1455, 2013, ISSN: 1996-1073.).

Objectives and benefits of genetic improvement of cattle in Angola

  1. Increased productivity: Improve the production of meat, milk or other desired characteristics;

  2. Improve quality: Improve meat quality, such as tenderness or milk quality;

  3. Disease resistance: Select animals that are more resistant to diseases, reducing losses due to illness;

  4. Food security: Contribute to food security and the reduction or dependence on meat and milk imports;

  5. Precocity: Reduce growth time and time to reach reproductive age, increasing production efficiency.

Methodology

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This work is a bibliographic review that aims to survey available information and data on the use of artificial genetic algorithms for the genetic improvement of cattle in Angola. This is a narrative review, in which the results obtained based on readings and observations of available technical-scientific information were presented, providing a review of the most current data on the topic addressed. The research was carried out based on the literature review of scientific articles and academic publications from national and international universities and research institutions. The data were searched and compiled using Google and Google Scholar. The keywords and indexes used during the search were artificial genetic algorithm, cattle genetic improvement, and Angola. After reading the materials found, files in Portuguese and English relevant to the topic to be discussed were pre-selected and later used as a database in writing the review. The criteria for selecting the files were the date of publication within the stipulated period, preferably the most recent, free access for the community and coherence with the topic studied. Articles were excluded that, after critical and analytical reading of the title and abstract of the work, they presented duplicate information, were not freely accessible to the public, were outside the central theme analyzed, or had a relatively very old publication date.

Genetic Algorithm

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GAs are a branch of evolutionary algorithms and, as such, can be defined as a search technique based on a metaphor for the biological process of natural evolution

In GAs, populations of individuals are created and subjected to genetic operators: selection, recombination (crossover), and mutation. These operators use a characterization of the quality of each individual as a solution to the problem at hand, called evaluation, and will generate a process of natural evolution of these individuals, which should eventually generate an individual that characterizes a good solution (perhaps even the best possible) to our problem. (Gergeset al., 2018GERGES, F.; ZOUEIN, G.; AZAR, D.: “Genetic algorithms with local optima handling to solve sudoku puzzles”, En: Proceedings of the 2018 international conference on computing and artificial intelligence, pp. 19-22, 2018.).

Put another way, we can say that GAs are search algorithms based on the mechanisms of natural selection and genetics. They combine survival of the best with a structured exchange of genetic information between two individuals to form a heuristic search framework (Burkhart y Ruiz, 2023BURKHART, M.C.; RUIZ, G.: “Neuroevolutionary representations for learning heterogeneous treatment effects”, Journal of Computational Science, 71: 102054, 2023, ISSN: 1877-7503.).

Reproduction and mutation are applied to selected individuals within our population. Selection should be done in such a way that the fittest individuals are selected more frequently than the less fit ones, so that their good traits predominate within the new population of solutions. Under no circumstances should the less fit individuals be discarded from the breeding population. This would cause rapid genetic convergence of all solutions to the same set of traits and would prevent a broader search of the solution space (Tavares et al., 2004TAVARES, J.; MACHADO, P.; CARDOSO, A.; PEREIRA, F.B.; COSTA, E.: “On the evolution of evolutionary algorithms”, En: European Conference on Genetic Programming, Ed. Springer, pp. 389-398, 2004.).

Genetic convergence translates into a population with low genetic diversity that, because it possesses similar genes, cannot evolve except through the occurrence of random positive mutations. This can be translated into another interesting concept: loss of diversity, which can be defined as the number of individuals that are never chosen by the parental selection method. The greater the loss of diversity, the faster the convergence of our GA (Luque-Rodriguez et al., 2022LUQUE-RODRIGUEZ, M.; MOLINA-BAENA, J.; JIMENEZ-VILCHEZ, A.; ARAUZO-AZOFRA, A.: “Initialization of feature selection search for classification”, Journal of Artificial Intelligence Research, 75: 953-983, 2022, ISSN: 1076-9757.).

Operation of a GA

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The operation of a GA can be summarized algorithmically through the following steps Jansen y Weyland (2007)JANSEN, T.; WEYLAND, D.: “Analysis of evolutionary algorithms for the longest common subsequence problem”, En: Proceedings of the 9th annual conference on Genetic and evolutionary computation, pp. 939-946, 2007.:

  1. Initialize the chromosomepopulation.

  2. Evaluateeachchromosome in the population.

  3. Selectparents to generate new chromosomes.

  4. Applyrecombination and mutationoperators to theseparents to generate the individuals of the new population.

  5. Delete the oldmembers of the population

  6. Evaluateall new chromosomes and inserttheminto the population.

  7. If time is up, or the bestchromosomemeets the performance requirements, returnit. Otherwise, return to step c).

Figure 1 represents the operation of aGA.

Figure 1.  Operation of GA.

In a GA the process usually starts from a population of randomly generated individuals and is an iterative process. In each generation, the fitness of each individual in the population is evaluated. Fitter individuals are stochastically selected from the current population. The new generation is used in the next iteration of the algorithm. Commonly, the algorithm ends when a maximum number of generations has been produced or a satisfactory fitness level has been reached for the population (Pétrowski y Ben-Hamida, 2017PÉTROWSKI, A.; BEN-HAMIDA, S.: Evolutionary algorithms, Ed. John Wiley & Sons, vol. 9, 2017, ISBN: 1-84821-804-4.).

Stages and techniques for genetic improvement

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  1. Selection: Identification and selection of animals with superior genetic characteristics, such as increased growth, weight gain, meat quality, or disease resistance.

  2. Reproduction: The use of techniques such as artificial insemination, embryo transfer, or other strategies to ensure the multiplication of selected animals and the transmission of their genes to the next generation.

  3. Herd management: The organization and management of herds, including the rearing and fattening of animals, the use of suitable pastures, and disease prevention to ensure the proper development of the animals and the perpetuation of genetic evolution.

Cattle selection methods for genetic improvement

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  1. Ancestral Selection: This method uses the performance of ancestors to identify traits with low or medium heritability. During this process, information is collected from the ancestors of a given bovine, when individual information about the animal is not available.

  2. Selection by relatives: In this method, cattle are selected based on information from the production records of their relatives (phenotypic values).

  3. Progeny Selection: This selection evaluates the genetic value of the male based on the behavior of his progeny. Mainly because the father offers half of his genetic material to his children. This progeny test is the ideal method for selecting males, especially when a desired attribute is manifested only in the female.

  4. Individual selection: Individual selection is based on the phenotypic value of the cattle (production records). This method is the most used for genetic improvement of cattle. Although it is essential to define characteristics that can be measured in the individual, individual selection is basically limited to phenotypic values. In fact, the selection of an individual occurs by anticipating its genotype based on its phenotype.

Use of the artificial insemination technique for cattle

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The rapid spread of this technology is due to a combination of genetic, economic, and technical factors. Its use has allowed for improved progeny testing and, consequently, the evaluation of the genetic merit of bulls in many herds. Furthermore, it allowed the best genotypes to be made available to the entire animal population. According to Baruselli et al. (2019)BARUSELLI, P.S.; CATUSSI, B.L.C.; ABREU, L.Â. de; ELLIFF, F.M.; SILVA, L. da G. da; BATISTA, E.S.; CREPALDI, G.A.: “Evolução e perspectivas da inseminação artificial em bovinos”, Revista Brasileira de Reprodução Animal, 43(2): 308-314, 2019. genetic research benefits from this same technology, as it allows the use of bulls in various herds.

On the other hand, this technology has been the most successful and effective reproductive biotechnology in animal production, being responsible for genetic increase rates in dairy farming of around 1.0 to 1.5% per year. It has revolutionized the commercial dairy cattle population over the past 50 years, allowing the widespread dissemination of superior genotypes. In some countries, practically 100% of dairy cows are mated using this same technology.

Overview of artificial insemination in Angola

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Artificial insemination of cattle in Angola is a practice to improve production and genetics by introducing semen from selected bulls into the cow's uterus without direct contact (De Carvalho et al., 2021DE CARVALHO, B.C.; CHITITTI, G.M.; IMBELLONI, J.C.G.: Inseminação artificial em gado bovino,[en línea], 2021, Disponible en:https://sistemafamato.org.br/senarmt/wp-content/uploads/sites/2/2023/08/Cartilha-84-MT-Inseminacao-Artificial-em-Bovinos.pdf. ).This method allows mating with more adapted and better-performing breeds, but requires personnel training, specific materials (such as liquid nitrogen cylinders for frozen semen) and the correct observation of fertility and sexual desire for insemination at the ideal time, as indicated by other livestock organizations. It is the mechanical introduction of a bull's semen directly into the cow's reproductive tract, avoiding natural mating (Ferreira et al., 2021FERREIRA, A.M.; FERREIRA DE SÁ, W.; VIANA, J.H.M.; CAMAGO, L.S.A.: Inseminação artificialem gado bovino, [en línea], Inst. Portal Embrapa recursos genéticos e biotecnologia e gado de leite, 2021, Disponible en:https://www.embrapa.br/agencia-de-informacao/. ).

Objectives of artificial insemination in Angola (Minagrif, 2021MINAGRIF: Melhoramento genético do gado bovino, [en línea], Inst. Ministério de agricultura e florestas. Orgão oficial da Republica de Angola., Luanda, Angola, 2021, Disponible en:https://faolex.fao.org/docs/pdf/ang215085.pdf. )

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  1. Genetic improvement: Allows the use of semen from high-quality genetic bulls and breeds better adapted to Angola's environmental conditions, promoting more productive and resilient cattle.

  2. Greater reproductive efficiency

Process Steps

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  1. Identifying fertility and sexual desire: The cow is closely observed to identify signs of fertility and sexual desire (being receptive to mating and not mounting other cows);

  2. Semen preparation: The semen is frozen in straws inside a liquid nitrogen tank;

  3. Semen introduction: The semen is introduced into the cow's uterus using an applicator.

Required materials

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Nitrogen cylinder, semen straws, disposable gloves, tweezers.

General considerations

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  1. Training: The technique requires trained personnel familiar with animal anatomy and equipment handling;

  2. Hygiene: It is essential to maintain proper cleanliness of materials, and unsanitary conditions can compromise fertility.

Results

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Artificial insemination of cattle in Angola offers results in genetic improvement and productivity, allowing the use of semen from superior bulls, the crossing of breeds adapted to the local climate with breeds from other countries, and the use of semen from high-value animals. To be successful, artificial insemination in Angola, as anywhere, requires proper management, including nutrition, health, animal comfort and the use of appropriate equipment, as well as trained personnel.

Main advantages:

  1. Genetic improvement: Allows the introduction of desirable characteristics into the herd, such as greater production potential, by using semen from genetically superior bulls.

  2. Bull utilization: Semen from a single bull can be used to inseminate hundreds of cows, optimizing the use of the bull and reducing the costs of maintaining a bull on the farm.

  3. Breed crossing: Allows the combination of semen from European bulls with cows raised in Angola, resulting in animals with greater hardiness and productivity, adapted to tropical conditions.

  4. Use of special semen: Allows the use of semen from bulls that have died or are unable to be naturally bred, ensuring the continuity of genetic improvement, as is the case with fixed-time artificial insemination that allows ovulation even in cows without regular cycles.

Studies show that to obtain the best results, the following conditions are necessary:

  1. Management and qualified personnel: Artificial insemination requires well-trained operators and the use of specific equipment to ensure the health of the herd and the efficiency of the process.

  2. Sanitation: Inadequate cleaning of instruments or unsanitary conditions can decrease fertility and increase the spread of disease, especially if the semen is not from properly tested bulls.

  3. Individual registration: It is essential to have an individual registration system for each animal, for adequate control and monitoring of each individual.

The use of artificial genetic algorithms as a tool for the genetic improvement of livestock in Angola aims to increase meat and milk production through the selection and crossing of animals with desirable characteristics (Minagrif, 2021MINAGRIF: Melhoramento genético do gado bovino, [en línea], Inst. Ministério de agricultura e florestas. Orgão oficial da Republica de Angola., Luanda, Angola, 2021, Disponible en:https://faolex.fao.org/docs/pdf/ang215085.pdf. ). Reproductive biotechnology has been successful in animal production, being responsible for genetic increase rates in dairy farming of around 1.0 to 1.5% per year, as it has revolutionized the commercial dairy cattle population in the last 50 years, allowing the dissemination of superior genotypes on a large scale. In some countries, virtually 100% of dairy cows are mated using this technology.

Figure 2 represents artificial insemination in cattle.

Figure 2.  Artificial insemination in cattle. https://www.cpt.com.br/cursos-bovinos-gadodeleite/inseminacao-artificial-em-bovinos-convencional-e-em-tempo-fixo

Discussion

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Artificial insemination of cattle in Angola can improve productivity by disseminating superior genetic traits, reduce breeding stock maintenance costs, and minimize disease transmission. However, its implementation requires investment in personnel training, strict hygiene protocols and technical monitoring, ensuring that the females to be inseminated are in perfect health and estrous cycle conditions.

Artificial insemination has the following benefits:

  1. Genetic improvement: Allows the use of semen from proven bulls with superior characteristics, disseminating high-quality genetics throughout the herd and increasing cattle productivity and quality.

  2. Cost reduction: Reduces the need to keep a large number of bulls on the property, reducing feed and infrastructure costs.

  3. Health safety: Minimizes the risk of disease transmission through semen, protecting the health of the herd.

  4. Flexibility in management: Allows for the organization of mating and the synchronization of births, facilitating the health and nutritional management of the herd.

The following requirements are proposed for better artificial insemination:

  1. Technical training: It is necessary to invest in team training to master advanced artificial insemination techniques and invest in training programs.

  2. Animal health: It is essential to inseminate only females in perfect health, especially those without irregularities in their estrous cycle.

  3. Strict hygiene practices: Require strict sanitary control at all stages, including semen handling, material thawing, environmental cleaning, and instrument sterilization.

  4. Infrastructure: Requires the availability of adequate equipment and supplies, such as quality semen, laboratories for processing and storage, and qualified veterinarians.

  5. Process management: It is necessary to implement an efficient management system, which includes accurate heat detection or the use of fixed-time synchronization protocols to maximize success rates.

Conclusions

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We can conclude that the use of genetic algorithms for the genetic improvement of cattle is a powerful tool for transforming livestock farming, making it more efficient, profitable and sustainable. The researchresults demonstrate that, artificial insemination has been the most successful and effective reproduction biotechnology in animal production in Angola, being responsible for genetic increase rates in dairy farming of around 1.0 to 1.5%. It has revolutionized the commercial dairy cattle population in recent years, allowing the dissemination of superior genotypes on a large scale. By investing in genetic improvement, livestock farmers can optimize production, reduce costs and add value to their products, contributing to the development of the sector. Furthermore, the producer not only ensures better economic results, but also contributes to the sustainability and future of livestock farming. Genetic improvement is one of the most powerful strategies for increasing livestock productivity and profitability.

References

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 34, January-December 2025, ISSN: 2071-0054
 
Revisão

Uso do algoritmo genético artificial para o melhoramento genético de gado bovino em Angola

 

iDFrancisco João Pinto*✉:francisco.pinto@uan.aofjoaopinto@yahoo.es


Agostinho Neto University, UNINET- Center for Studies, Scientific Research and Advanced Training in Computer Systems and Communication, University Campus of the Camama, S/N, Luanda-Angola.

 

*Autor para correspondência: Francisco João Pinto. E-mail: francisco.pinto@uan.ao, fjoaopinto@yahoo.es

Resumo

O objectivo geral deste trabalho é utilizar o algoritmo genético artificial como ferramenta para o melhoramento genético de bovinos em Angola. A utilização desta ferramenta para o melhoramento genético de bovinos visa aumentar a produção de carne e leite através da selecção e cruzamento de animais com características desejáveis. O governo angolano tem investido em programas de desenvolvimento pecuário, incluindo repovoamento de gado e melhoramento genético. O melhoramento genético do gado em Angola, como em outras regiões, visa melhorar as características genéticas dos animais para aumentar a produção de carne, leite ou outras características desejadas, como precocidade e qualidade da carne. Isso é feito por meio da selecção de animais com boas características, do uso de técnicas como a inseminação artificial e do manejo dos rebanhos para garantir a evolução genética ao longo do tempo. Assim, o melhoramento genético tem contribuído não só para gerar um animal mais produtivo e precoce, mas também para ganhos ligados à resistência a ambientes adversos, doenças e parasitas. Os resultados demonstram que a inseminação artificial tem sido a biotecnologia de reprodução mais bem-sucedida e eficaz na produção animal em Angola, sendo responsável por taxas de aumento genético na pecuária leiteira em torno de 1,0 a 1,5%. Ela revolucionou a população de gado leiteiro comercial nos últimos anos, permitindo a disseminação de genótipos superiores em larga escala.

Palavras-chave: 
Desenvolvimento pecuário, Inseminação artificial, Inteligência artificial

Introducão

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A genética bovina é o ramo da genética animal que estuda e aplica os princípios da hereditariedade na pecuária. As características físicas e produtivas do gado são transmitidas de geração em geração (Weiblen y Nogueira, 2015WEIBLEN, R.; NOGUEIRA, A.: Melhoramento genético animal 2., Porto Alegre: Editora da UFRGS, 2015.).

O objetivo do melhoramento genético bovino em Angola é, em geral, alcançar níveis mais elevados de produção, produtividade e/ou qualidade do produto. O melhoramento genético é uma ferramenta essencial para produtores que desejam aumentar a eficiência e a rentabilidade da pecuária (Minagrif, 2021MINAGRIF: Melhoramento genético do gado bovino, [en línea], Inst. Ministério de agricultura e florestas. Orgão oficial da Republica de Angola., Luanda, Angola, 2021, Disponible en:https://faolex.fao.org/docs/pdf/ang215085.pdf. ).

O melhoramento genético do gado bovino, ao longo da história, passou por diversas fases, desde a domesticação inicial até a aplicação de técnicas modernas de seleção e cruzamento.A evolução visa otimizar características como produção de carne e leite, adaptabilidade e resistência a doenças, aumentando a produtividade e a eficiência do gado (Rosa et al., 2013ROSA, A. do N.; MARTINS, E.N.; MENEZES, G.R. de O.; SILVA, L.O.C. da: Melhoramento genético aplicado em gado de corte: Programa Geneplus-Embrapa, Ed. Embrapa, 2013, ISBN: 85-7035-256-5.; Larson y Fuller, 2014LARSON, G.; FULLER, D.Q.: “The evolution of animal domestication”, Annual review of ecology, evolution, and systematics, 45(1): 115-136, 2014, ISSN: 1543-592X.).

Existem quatro fases de melhoramento genético:

  1. Domesticação e seleção empírica: A história do melhoramento genético começa com a domesticação do gado, onde a seleção inicial era baseada em características visíveis e úteis para a subsistência;

  2. Padronização racial: A partir do século XIX, com a introdução do gado europeu e zebu no Brasil, houve um esforço para padronizar raças e características desejáveis, como forma e beleza;

  3. Seleção e cruzamento: A seleção artificial começou a ser utilizada para escolher animais com características superiores para reprodução, buscando estabelecer características desejáveis e melhorar a produção;

  4. Desenvolvimento da genética e da biotecnología: permitiu uma maior compreensão da hereditariedade e a aplicação de técnicas como inseminação artificial, fertilização in vitro e transferência de embriões, acelerando o progresso genético (Baruselli, 2020BARUSELLI, P.S.: “Evolução da inseminação artificial em fêmeas bovinas de corte e de leite no Brasil”, Boletim eletônico do Departamento de Reprodução Animal/FMVZ/USP, 4, 2020.).

A selecção de animais geneticamente superiores permite o aprimoramento de características de interesse económico, como ganho de peso, fertilidade, resistência a doenças e qualidade de carcaça, impactando directamente na produtividade e competitividade do sistema de produção.No entanto, para que um programa de melhoramento genético tenha sucesso, é essencial compreender seus princípios, definir objectivos claros e adoptar técnicas adequadas (Zart et al., 2013ZART, A.L.; NICACIO, A.C.; DO GITO, A.A.; GONDO, A.; SOUZA., A.: Melhoramento genético aplicado em gado de corte: Programa Geneplus-Embrapa, Ed. Embrapa, editores técnicos: António do Nascimento Rosa [et al]. ed., Brasília, DF : Embrapa, 256 p., 2013, ISBN: 978-85-7035-256-9.).Neste trabalho, abordaremos os conceitos essenciais, principais etapas e ferramentas disponíveis para acelerar o progresso genético do rebanho.

A produção animal pode ser aumentada de duas maneiras fundamentais: A primeira é melhorando o ambiente em que o gado é condicionado, por meio de avanços nutricionais, sanitários e/ou reprodutivos, sendo este um processo temporário e custoso devido à mão de obra e aos insumos(Poulson, 2024POULSON, L.J.J.: Formação e desenvolvimento do sistema agroalimentar do milho na província do Huambo/Angola, Ed. Universidade Regional de Blumenau (Brazil), 2024, ISBN: 979-8-3103-4446-4.).A segunda é por meio do melhoramento genético, realizado por meio de algoritmo genético artificial, por meio de selecção genética, sistemas de acasalamento e técnicas de cruzamento, em que os melhoramentos proporcionam mais tempo que o primeiro, porém, seus ganhos são praticamente permanentes (Zart et al., 2013ZART, A.L.; NICACIO, A.C.; DO GITO, A.A.; GONDO, A.; SOUZA., A.: Melhoramento genético aplicado em gado de corte: Programa Geneplus-Embrapa, Ed. Embrapa, editores técnicos: António do Nascimento Rosa [et al]. ed., Brasília, DF : Embrapa, 256 p., 2013, ISBN: 978-85-7035-256-9.).

O património genético do rebanho está directamente relacionado à eficiência do sistema de produção. Neste contexto, as boas práticas de manejo, saúde e nutrição animal promovem a máxima expressão do potencial genético do gado.

O algoritmo genético (AG) é um método para resolver problemas de optimização restritos e irrestritos baseado na seleção natural e na evolução biológica.O AG modifica repetidamente uma população de soluções individuais. A cada etapa, o algoritmo genético selecciona indivíduos da população actual para serem pais e os utiliza para produzir os filhos da próxima geração.Ao longo de gerações sucessivas, a população “evolui” em direcção a uma solução óptima.Podemos aplicar o AG para resolver uma variedade de problemas de optimização que não são adequados para algoritmos de optimização padrão, incluindo problemas nos quais a função objectivo é descontínua, não diferenciável, estocástica ou altamente não linear (Tomoiagă et al., 2013TOMOIAGĂ, B.; CHINDRIŞ, M.; SUMPER, A.; SUDRIA-ANDREU, A.; VILLAFAFILA-ROBLES, R.: “Pareto optimal reconfiguration of power distribution systems using a genetic algorithm based on NSGA-II”, Energies, 6(3): 1439-1455, 2013, ISSN: 1996-1073.).

Objectivos e benefícios do melhoramento genético do gado bovino em Angola:

  1. Aumento da produtividade: Melhorar a produção de carne, leite ou outras características desejadas;

  2. Melhora da qualidade: Melhorar a qualidade da carne, como maciez ou qualidade do leite;

  3. Resistência a doenças: Selecionar animais mais resistentes a doenças, reduzindo perdas por enfermidades;

  4. Segurança alimentar: Contribuir para a segurança alimentar e a redução da dependência de importações de carne e leite;

  5. Precocidade: Reduzir o tempo de crescimento e o tempo para atingir a idade reprodutiva, aumentando a eficiência produtiva.

Algoritimo genético

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AGs são um ramo de algoritmos evolucionários e como tal podem ser definidos como uma técnica de busca baseada numa metáfora do processo biológico de evolução natural.

Nos AGs populações de indivíduos são criados e submetidos aos operadores genéticos: selecção, recombinação (crossover) e mutação. Estes operadores utilizam uma caracterização da qualidade de cada indivíduo como solução do problema em questão chamada de avaliação e vão gerar um processo de evolução natural destes indivíduos, que eventualmente deverá gerar um indivíduo que caracterizará uma boa solução (talvez até a melhor possível) para o nosso problema (Gerges et al., 2018GERGES, F.; ZOUEIN, G.; AZAR, D.: “Genetic algorithms with local optima handling to solve sudoku puzzles”, En: Proceedings of the 2018 international conference on computing and artificial intelligence, pp. 19-22, 2018.).

Definindo de outra maneira, podemos dizer que AGs são algoritmos de busca baseados nos mecanismos de selecção natural e genética. Eles combinam a sobrevivência entre os melhores com uma forma estruturada de troca de informação genética entre dois indivíduos para formar uma estrutura heurística de busca (Burkhart y Ruiz, 2023BURKHART, M.C.; RUIZ, G.: “Neuroevolutionary representations for learning heterogeneous treatment effects”, Journal of Computational Science, 71: 102054, 2023, ISSN: 1877-7503.).

A reprodução e a mutação são aplicadas em indivíduos seleccionados dentro da nossa população. A selecção de ser feita de tal forma os indivíduos mais aptos sejam seleccionados frequentemente do que aqueles menos aptos, de forma que as boas características daqueles passem a predominar dentro da nova população de soluções. De forma alguma os indivíduos menos aptos têm que ser descartados da população reprodutoria. Isto causaria uma rápida convergência genética de todas as soluções para um mesmo conjunto de características e evitaria uma busca mais ampla pelo espaço de soluções (Tavares et al., 2004TAVARES, J.; MACHADO, P.; CARDOSO, A.; PEREIRA, F.B.; COSTA, E.: “On the evolution of evolutionary algorithms”, En: European Conference on Genetic Programming, Ed. Springer, pp. 389-398, 2004.).

A convergência genética se traduz em uma população com baixa diversidade genética que, por possuir genes similares, não consegue evoluir, a não ser pela ocorrência de mutações aleatórias que sejam positivas. Isto pode ser traduzido em outro conceito interessante que é a perda da diversidade, que pode ser definida como sendo o numero de indivíduos que nunca são escolhidos pelo método de selecção de pais. Quanto maior for a perda de diversidade, mais rápida será a convergência do nosso AG (Luque-Rodriguez et al., 2022LUQUE-RODRIGUEZ, M.; MOLINA-BAENA, J.; JIMENEZ-VILCHEZ, A.; ARAUZO-AZOFRA, A.: “Initialization of feature selection search for classification”, Journal of Artificial Intelligence Research, 75: 953-983, 2022, ISSN: 1076-9757.).

Funcionamento deum AG

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O funcionamento de um AG, pode ser resumido algoritmicamente através dos seguintes passos Jansen y Weyland (2007)JANSEN, T.; WEYLAND, D.: “Analysis of evolutionary algorithms for the longest common subsequence problem”, En: Proceedings of the 9th annual conference on Genetic and evolutionary computation, pp. 939-946, 2007.:

  1. Inicialize a população de cromossomas.

  2. Avalie cada cromossoma na população.

  3. Seleccione os pais para gerar novos cromossomas.

  4. Aplique os operadores de recombinação e mutação a estes pais de forma a gerar os indivíduos da nova população.

  5. Apague os velhos membros da população.

  6. Avalie todos os novos cromossomas e insira-os na população.

  7. Se o tempo acabou, ou melhor cromossoma satisfaz os requerimentos e desempenho, retorne-o, caso contrário, volte para o passo c).

Figura 1.  Funcionamento de um AG.

Num AG o processo geralmente começa a partir de uma população de indivíduos gerados aleatoriamente e é um processo iterativo. Em cada geração, a aptidão de cada indivíduo na população é avaliada. Indivíduos mais aptos são seleccionados estocasticamente da população actual. A nova geração é usada na próxima iteração do algoritmo. Comummente, o algoritmo termina quando um número máximo de gerações foi produzido ou um nível de aptidão satisfatório foi atingido para a população (Pétrowski y Ben-Hamida, 2017PÉTROWSKI, A.; BEN-HAMIDA, S.: Evolutionary algorithms, Ed. John Wiley & Sons, vol. 9, 2017, ISBN: 1-84821-804-4.).

Etapas e técnicas de melhoramento genético

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  1. Selecção: Identificação e selecção de animais com características genéticas superiores, como maior crescimento, ganho de peso, qualidade da carne ou resistência a doenças.

  2. Reprodução: Utilização de técnicas como inseminação artificial, transferência de embriões ou outras estratégias para garantir a multiplicação de animais seleccionados e a transmissão de seus genes para a próxima geração.

  3. Gestão de rebanhos: A organização e gestão de rebanhos, incluindo a criação e engorda de animais, o uso de pastagens adequadas e a prevenção de doenças para garantir o desenvolvimento adequado dos animais e a perpetuação da evolução genética.

Métodos de selecção de gado para o melhoramento genetico

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  1. Selecção Ancestral: Este método utiliza o desempenho dos ancestrais para identificar características com baixa ou média herdabilidade. Durante esse processo, são colectadas informações dos ancestrais de um determinado bovino, quando informações individuais sobre o animal não estão disponíveis.

  2. Selecção por parentes: Neste método, os bovinos são seleccionados com base em informações dos registros de produção de seus parentes (valores fenotípicos).

  3. Selecção de Progênie: Esta selecção avalia o valor genético do macho com base no comportamento de sua progênie. Principalmente porque o pai oferece metade de seu material genético aos filhos. Este teste de progênie é o método ideal para seleccionar machos, especialmente quando uma característica desejada se manifesta apenas na fêmea.

  4. Selecção individual: A selecção individual é baseada no valor fenotípico do gado (registros de produção). Este método é o mais utilizado para o melhoramento genético de gado. Embora seja essencial definir características que possam ser medidas no indivíduo, a selecção individual se limita basicamente aos valores fenotípicos. De fato, a selecção de um indivíduo ocorre pela antecipação de seu genótipo com base em seu fenótipo.

Uso da técnica de inseminação artificial em bovinos

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A rápida disseminação dessa tecnologia, deveu-se a uma combinação de factores genéticos, económicos e técnicos. O uso da mesma permitiu a implementação de testes de progênie e, consequentemente, a avaliação do mérito genético de touros em muitos rebanhos. Além disso, permitiu a disponibilização dos melhores genótipos para toda a população animal. Segundo Baruselli et al.(2019)BARUSELLI, P.S.; CATUSSI, B.L.C.; ABREU, L.Â. de; ELLIFF, F.M.; SILVA, L. da G. da; BATISTA, E.S.; CREPALDI, G.A.: “Evolução e perspectivas da inseminação artificial em bovinos”, Revista Brasileira de Reprodução Animal, 43(2): 308-314, 2019. a pesquisa genética está beneficiada por esta mesma tecnologia, pois permite o uso dos touros em vários rebanhos.

Por outro lado, esta tecnologia tem sido a biotecnologia de reprodução mais bem-sucedida e eficaz na produção animal, sendo responsável por taxas de aumento genético na pecuária leiteira de cerca de 1,0 a 1,5% ao ano. Ela revolucionou a população de gado leiteiro comercial nos últimos 50 anos, permitindo a disseminação de genótipos superiores em larga escala. Em alguns países, praticamente 100% das vacas leiteiras são acasaladas por esta mesma tecnologia.

Visão geral da inseminação artificial em Angola

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A inseminação artificial de bovinos em Angola é uma prática que visa melhorar a produção e a genética por meio da introdução de sémen de touros seleccionados no útero da vaca sem contacto directo (De Carvalho et al., 2021DE CARVALHO, B.C.; CHITITTI, G.M.; IMBELLONI, J.C.G.: Inseminação artificial em gado bovino,[en línea], 2021, Disponible en:https://sistemafamato.org.br/senarmt/wp-content/uploads/sites/2/2023/08/Cartilha-84-MT-Inseminacao-Artificial-em-Bovinos.pdf. ). Este método permite o acasalamento com raças mais adaptadas e de melhor desempenho, mas exige treinamento de pessoal, materiais específicos e a correcta observação da fertilidade e do desejo sexual para a inseminação no momento ideal, conforme indicado por outras organizações pecuárias. É a introdução mecânica do sémen do touro directamente no trato reprodutivo da vaca, evitando o acasalamento natural (Ferreira et al., 2021FERREIRA, A.M.; FERREIRA DE SÁ, W.; VIANA, J.H.M.; CAMAGO, L.S.A.: Inseminação artificialem gado bovino, [en línea], Inst. Portal Embrapa recursos genéticos e biotecnologia e gado de leite, 2021, Disponible en:https://www.embrapa.br/agencia-de-informacao/. ).

Objectives Oblectivos de inseminação artificial emAmgola (Minagrif, 2021MINAGRIF: Melhoramento genético do gado bovino, [en línea], Inst. Ministério de agricultura e florestas. Orgão oficial da Republica de Angola., Luanda, Angola, 2021, Disponible en:https://faolex.fao.org/docs/pdf/ang215085.pdf. )

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  1. Melhoramento genético: Permite a utilização de sémen de touros e raças genéticas de alta qualidade, mais bem adaptados às condições ambientais de Angola, promovendo bovinos mais produtivos e resilientes.

  2. Maior eficiência reprodutiva

Etapas do processo

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  1. Identificação da fertilidade e do desejo sexual: A vaca é observada atentamente para identificar sinais de fertilidade e desejo sexual (estar receptiva ao acasalamento e não acasalamento em outras vacas);

  2. Preparação do sémen: O sémen é congelado em palhetas dentro de um tanque de nitrogénio líquido;

  3. Introdução do sémen: O sémen é introduzido no útero da vaca usando um aplicador.

Material necessário

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Cilindro de nitrogênio, palhetas para sêmen, luvas descartáveis, pinça.

Considerações gerais

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  1. Treinamento: A técnica requer pessoal treinado e familiarizado com a anatomia animal e o manuseio de equipamentos;

  2. Higiene: É essencial manter a limpeza adequada dos materiais, e condições insalubres podem comprometer a fertilidade.

Resultados

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A inseminação artificial no gado bovino em Angola oferece resultados de melhoramento genético e produtividade, permitindo a utilização de sémen de touros superiores, cruzamento de raças adaptadas ao clima local com raças de outros países e o aproveitamento de sémen de animais de alto valor. Para ser bem-sucedida, a IA em

Em Angola, como em qualquer lugar, requer um manejo adequado, incluindo nutrição, sanidade, conforto animal e o uso de equipamentos apropriados, além de pessoal treinado. Vantagens principais:

  1. Melhoramento genético: Permite a introdução de características desejáveis no rebanho, como maior potencial produtivo, ao usar sémen de touros geneticamente superiores.

  2. Aproveitamento de touros: O sémen de um único touro pode ser usado para inseminar centenas de vacas, optimizando o uso do reprodutor e reduzindo custos de manutenção de um touro na propriedade.

  3. Cruzamento de raças: Possibilita a combinação do sémen de touros europeus com vacas criadas em Angola, resultando em animais com maior rusticidade e produtividade, adaptados às condições tropicais.

  4. Utilização de sémen especial: Permite o uso de sémen de touros que morreram ou estão incapacitados para monta natural, garantindo a continuidade do melhoramento genético, como é o caso da inseminação artificial em tempo fixo que permite a ovulação mesmo em vacas sem ciclos regulares.

Os estudos demonstram que para a obtenção dos melhores resultados é necessário as seguintes condições:

  1. Manejo e pessoal qualificado: A inseminação artificial exige operadores bem treinados e o uso de equipamentos específicos para garantir a saúde do rebanho e a eficiência do processo.

  2. Sanidade: A limpeza inadequada de instrumentos ou condições insalubres podem diminuir a fertilidade e aumentar a propagação de doenças, especialmente se o sémen não for de touros devidamente testados.

  3. Registo individual: É fundamental ter um sistema de registos individuais para cada animal, para um controle e acompanhamento adequados de cada indivíduo.

A utilização de algoritmo genético artificial como ferramenta para o melhoramento genético do gado em Angola visa aumentar a produção de carne e leite através da selecção e cruzamento de animais com características desejáveis (Minagrif, 2021MINAGRIF: Melhoramento genético do gado bovino, [en línea], Inst. Ministério de agricultura e florestas. Orgão oficial da Republica de Angola., Luanda, Angola, 2021, Disponible en:https://faolex.fao.org/docs/pdf/ang215085.pdf. ).

A biotecnologia de reprodução tem sido exitosa na produção animal, sendo responsável por taxas de aumento genético na pecuária leiteira de cerca de 1,0 a 1,5% ao ano, pois ela revolucionou a população de gado leiteiro comercial nos últimos 50 anos, permitindo a disseminação de genótipos superiores em larga escala. Em alguns países, praticamente 100% das vacas leiteiras são acasaladas por esta tecnologia. A Figura 2, representa a inseminação artificial em bovinos.

Figura 2.  Iseminação artificial em bovinos. https://www.cpt.com.br/cursos-bovinos-gadodeleite/inseminacao-artificial-em-bovinos-convencional-e-em-tempo-fixo

Discussão

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A inseminação artificial no gado bovino em Angola pode melhorar a produtividade através da disseminação de características genéticas superiores, reduzir custos com a manutenção de reprodutores e minimizar a transmissão de doenças. Contudo, a sua implementação requer investimento em treinamento de pessoal, rigorosos protocolos de higiene e o acompanhamento técnico, garantindo que as fêmeas a serem inseminadas estejam em perfeitas condições de saúde e ciclo estral.

A inseminação artificial tem os seguintes benefícios:

  1. Melhoria genética: Permite o uso de sémen de touros provados com características superiores, disseminando genética de alta qualidade para todo o rebanho e aumentando a produtividade e qualidade do gado.

  2. Redução de custos: Reduz a necessidade de manter um grande número de touros na propriedade, diminuindo custos com alimentação e infraestrutura.

  3. Segurança sanitária: Minimiza o risco de transmissão de doenças através do sémen, protegendo a saúde do rebanho.

  4. Flexibilidade no manejo: Possibilita a organização dos acasalamentos e a sincronização dos partos, facilitando o manejo sanitário e nutricional da criação.

  5. Se propõem os seguintes e requisitos para uma melhor inseminação artificial:

  6. Capacitação técnica: Necessidade de investir em treinamento de equipes para dominar as técnicas avançadas de inseminação artificial, e investir em programas de capacitação.

  7. Saúde animal: É fundamental inseminar apenas fêmeas em perfeitas condições de saúde, especialmente as que não tenham apresentado irregularidades no ciclo estral.

  8. Práticas de higiene rigorosas: Exigir um controle sanitário rigoroso em todas as etapas, incluindo o manuseio do sémen, o descongelamento do material, a limpeza do ambiente e a esterilização dos instrumentos.

  9. Infraestrutura: Requer a disponibilidade de equipamentos e insumos adequados, como sémen de qualidade, laboratórios para processamento e armazenamento, e veterinários qualificados.

  10. Gestão do processo: É preciso implementar um sistema de gestão eficiente, que inclua a detecção precisa do cio ou a utilização de protocolos de sincronização em tempo fixo para maximizar as taxas de sucesso.

Conclusões

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Podemos concluir que a utilização de algoritmos genéticos para o melhoramento genético de bovinos é uma ferramenta poderosa para transformar a pecuária, tornando-a mais eficiente, rentável e sustentável. Os resultados da pesquisa demonstram que a inseminação artificial tem sido a biotecnologia de reprodução mais bem-sucedida e eficaz na produção animal em Angola, sendo responsável por taxas de aumento genético na pecuária leiteira da ordem de 1,0 a 1,5%. Revolucionou a população de gado leiteiro comercial nos últimos anos, permitindo a disseminação de genótipos superiores em larga escala. Ao investir em melhoramento genético, pecuaristas podem optimizar a produção, reduzir custos e agregar valor aos seus produtos, contribuindo para o desenvolvimento do sector. Além disso, o produtor não só garante melhores resultados económicos, como também contribui para a sustentabilidade e o futuro da pecuária. O melhoramento genético é uma das estratégias mais poderosas para aumentar a produtividade e a rentabilidade da pecuária.