加速優(yōu)秀基因傳遞開(kāi)辟動(dòng)物遺傳育種新時(shí)代

文|方美英 劉劍鋒 張勤 吳常信 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)

加速優(yōu)秀基因傳遞開(kāi)辟動(dòng)物遺傳育種新時(shí)代

文|方美英 劉劍鋒 張勤 吳常信 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)

項(xiàng)目成果：牛、豬全基因組選擇技術(shù)平臺(tái)創(chuàng)建與應(yīng)用

課題單位：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)

“十二五”國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于高密度SNP芯片的牛、豬基因組選擇技術(shù)研究”，針對(duì)家畜產(chǎn)奶、生長(zhǎng)和肉質(zhì)等性狀難以選育的技術(shù)難題，本課題成功創(chuàng)建了牛、豬基因組選擇育種技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)低成本的早期選育，提高了遺傳評(píng)定準(zhǔn)確性。豬基因組選擇技術(shù)已在廣東溫氏食品集團(tuán)得以初步應(yīng)用；牛基因組選擇技術(shù)已被農(nóng)業(yè)部指定為我國(guó)荷斯坦青年公牛遺傳評(píng)估的唯一方法，并入選科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目。課題研究成果已獲北京市科技一等獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、大北農(nóng)科技特等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。其中成果“中國(guó)荷斯坦牛基因組選擇技術(shù)平臺(tái)的建立與應(yīng)用”已推薦參評(píng)2016年國(guó)家科技獎(jiǎng)評(píng)選。

近年來(lái)，關(guān)于牛、豬生產(chǎn)性能的遺傳改良工作一直在積極開(kāi)展，但所獲得的遺傳進(jìn)展逐漸減緩，其原因是傳統(tǒng)的選種方式如最佳線性無(wú)偏估計(jì)法（BLUP）、標(biāo)記輔助選擇等方法對(duì)一些性狀，尤其是限性性狀、低遺傳力性狀或是活體難以測(cè)量的性狀，選擇準(zhǔn)確性較差，性狀改良進(jìn)展緩慢。

全基因組選擇(Genomic Selection)是指基于基因組育種值（GEBV）的選種方法，其通過(guò)檢測(cè)覆蓋全基因組的分子標(biāo)記，利用基因組水平的遺傳信息對(duì)個(gè)體進(jìn)行遺傳評(píng)估，以期獲得更高的育種值估計(jì)準(zhǔn)確度。全基因組選擇，簡(jiǎn)而言之就是在全基因組范圍內(nèi)的標(biāo)記輔助選擇，一方面它能夠捕獲性狀所有相關(guān)的遺傳變異，使得選種工作更加高效準(zhǔn)確地進(jìn)行。對(duì)于限性性狀和低遺傳力性狀的遺傳改良更體現(xiàn)出其優(yōu)于傳統(tǒng)方法的特性；另一方面，通過(guò)對(duì)參考群體SNP（Single Nucleotide Polymorphism,即單核苷酸多態(tài)性）遺傳效應(yīng)的估計(jì)，可直接進(jìn)行育種群個(gè)體的基因組育種值（GEBV）估計(jì)，從而降低種畜性能測(cè)定成本。近年來(lái)，隨著基因組SNP芯片成本的逐年降低，畜禽的全基因組選擇已逐漸從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用。

高效發(fā)掘優(yōu)良種質(zhì)基因

課題在國(guó)家十二五科技計(jì)劃支持下，突破了一些關(guān)鍵技術(shù)，取得如下技術(shù)成果：

一是成功構(gòu)建了規(guī)模超過(guò)3500頭的牛基因組選擇參考群和1100頭的杜洛克公豬參考群體；建立并優(yōu)化了牛、豬基因組選擇應(yīng)用技術(shù)平臺(tái)。與傳統(tǒng)選種方法相比，基因組選擇可提高遺傳評(píng)估準(zhǔn)確性12～17個(gè)百分點(diǎn)；加快遺傳進(jìn)展0.10～0.25個(gè)遺傳標(biāo)準(zhǔn)差；目前?；蚪M育種值已列為農(nóng)業(yè)部奶牛良種補(bǔ)貼計(jì)劃考核指標(biāo)；豬基因組選擇技術(shù)也已用于廣東新興育種公司種豬的生產(chǎn)實(shí)踐。

二是提出了更準(zhǔn)確、更有效的GEBV估計(jì)的TABLUP、BayesT、BayesA+、BayesB+、BayesCpi+等系列新方法，并首次提出了綜合性能評(píng)價(jià)的基因組性能指數(shù)GCPI，優(yōu)化了基因組選擇育種值估計(jì)分析平臺(tái)，提高了選種準(zhǔn)確性；獲得相關(guān)軟件著作權(quán)3項(xiàng)。

三是采用60K全基因組SNP芯片分析了我國(guó)五指山小型豬種質(zhì)特性；進(jìn)而創(chuàng)建了基于核基因組和線粒體基因組遺傳變異的“家豬遺傳信息鑒定平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)了種質(zhì)基因的高效發(fā)掘及分子標(biāo)記的開(kāi)發(fā)；制定地方標(biāo)準(zhǔn)3個(gè)，建立產(chǎn)業(yè)化示范基地2個(gè)。

四是申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利15項(xiàng), 其中授權(quán)專利7項(xiàng); 獲得省部級(jí)獎(jiǎng)3項(xiàng),發(fā)表研究論文33篇，SCI源25篇；課題執(zhí)行期間，共培養(yǎng)博士12名，碩士28名。

此外，課題組成員利用全基因組關(guān)聯(lián)分析方法篩選了影響豬生長(zhǎng)性狀的SNPs，并對(duì)候選基因進(jìn)行了功能分析。同時(shí)將功能SNPs在后期的芯片設(shè)計(jì)中加入，擴(kuò)大補(bǔ)充了芯片信息量。

加速良種繁育進(jìn)程

2012年，課題成果——中國(guó)荷斯坦?；蚪M選擇技術(shù)平臺(tái)，通過(guò)教育部成果鑒定后，被農(nóng)業(yè)部采用。自2012年起，這一成果已連續(xù)3年對(duì)我國(guó)奶牛育種龍頭企業(yè)-北京奶牛中心和上海奶牛育種中心有限公司的779頭青年公牛進(jìn)行了基因組遺傳評(píng)估，依據(jù)評(píng)估結(jié)果選擇了172頭優(yōu)秀青年公牛作為種公牛在全國(guó)推廣使用，提前淘汰了607頭遺傳素質(zhì)較低的青年公牛。同時(shí)，連續(xù)3年累計(jì)為全國(guó)26個(gè)公牛站的1547頭青年公牛進(jìn)行了基因組遺傳評(píng)估，選出了724頭優(yōu)秀青年公牛進(jìn)入國(guó)家良種補(bǔ)貼項(xiàng)目，其冷凍精液已在全國(guó)范圍內(nèi)推廣，促進(jìn)了優(yōu)良基因的快速傳遞，縮短了世代間隔，降低了育種成本，顯著提高了中國(guó)荷斯坦奶牛的遺傳改良速度，目前已獲經(jīng)濟(jì)效益13.35億元，具有重要的社會(huì)和生態(tài)效應(yīng)。在未來(lái)5～10年內(nèi)，農(nóng)業(yè)部將繼續(xù)采用中國(guó)荷斯坦奶?；蚪M選擇技術(shù)進(jìn)行青年公牛的基因組遺傳評(píng)估，繼續(xù)在全國(guó)奶牛育種中推廣應(yīng)用，通過(guò)對(duì)優(yōu)秀公牛及改良后代的使用，還將繼續(xù)產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益，并進(jìn)一步提高我國(guó)奶牛良種覆蓋率。

豬全基因組選擇技術(shù)目前已在溫氏集團(tuán)新興育種公司和北京豬育種中心開(kāi)展應(yīng)用，主要針對(duì)日增重性狀、背膘厚性狀、繁殖性狀和飼料轉(zhuǎn)化率性狀進(jìn)行選育。通過(guò)全基因組選擇技術(shù)的應(yīng)用，大大減少了進(jìn)行種用測(cè)定的種公豬數(shù)量，節(jié)約了飼養(yǎng)成本，實(shí)現(xiàn)了早期選種加快了育種進(jìn)程。課題還利用高密度SNP芯片對(duì)我國(guó)熱帶亞熱帶小型豬——五指山豬重要遺傳資源進(jìn)行發(fā)掘和利用，應(yīng)用基地包括海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所定安科研基地與海南省海口市瓊山區(qū)新民林場(chǎng)石鼓嶺基地，共有五指山能繁母豬1923頭。此外，課題組篩選鑒定的3個(gè)與豬繁殖性狀相關(guān)的基因，也已在恩施黑豬（218頭）和大白豬（230余頭）等豬種中進(jìn)行了核心育種群的應(yīng)用，為發(fā)現(xiàn)和培育高繁殖力的地方豬種和商業(yè)豬種奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基因組選擇技術(shù)的實(shí)施，給我國(guó)奶牛和種豬育種帶來(lái)了顯著成效，主要體現(xiàn)在：

一是提高了選種的準(zhǔn)確性，對(duì)于主要性狀基因組遺傳評(píng)估的準(zhǔn)確性達(dá)到0.67～0.80，與常規(guī)系譜指數(shù)遺傳評(píng)估相比，準(zhǔn)確性提高了12～25個(gè)百分點(diǎn)。

二是大幅度縮短了種畜的世代間隔，尤其在奶牛的育種中，由于青年公牛經(jīng)基因組遺傳評(píng)估后即可投入使用，公牛世代間隔由常規(guī)育種的6.25年縮短到1.75年，縮短了4.5年。

三是加快了群體遺傳進(jìn)展，由于選擇準(zhǔn)確性的提高和世代間隔的縮短，使得我國(guó)種畜的平均遺傳進(jìn)展得以提高；經(jīng)過(guò)評(píng)估，奶牛的遺傳進(jìn)展已加快一倍。

四是大幅度提高了我國(guó)種畜育種效益，由于遺傳進(jìn)展的加快和育種成本的下降，該成果自推廣以來(lái)，在奶牛實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益8650萬(wàn)；同時(shí)通過(guò)生成優(yōu)質(zhì)凍精獲得的間接經(jīng)濟(jì)效應(yīng)8280萬(wàn)元。

五是通過(guò)基因組選擇，及早淘汰了遺傳性能不佳的小公牛和種公豬，減少了飼養(yǎng)成本和種用性能測(cè)定費(fèi)用。

可以預(yù)期，全基因組選擇技術(shù)如果能在種畜場(chǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用，無(wú)疑會(huì)加快我國(guó)牛、豬的育種進(jìn)程，大大降低種畜的育種成本，進(jìn)而顯著降低牛、豬產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本，未來(lái)也必然會(huì)大幅度降低豬、牛畜產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格。全基因組選擇技術(shù)的推廣應(yīng)用為保障普通消費(fèi)者買得起、吃得起畜產(chǎn)品提供了可行之路。