全基因組選擇技術(shù)在肉牛育種中的應(yīng)用

成海建， 姜富貴， 張清峰， 蘇文政， 劉方圓， 孔淑慧， 宋恩亮*

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，濟(jì)南 250100；2.山東省畜禽疫病防治與繁育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100；3.山東省畜禽健康養(yǎng)殖工程技術(shù)中心，濟(jì)南 250100；4.山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261061)

肉牛的多數(shù)重要經(jīng)濟(jì)性狀為數(shù)量性狀，常規(guī)育種主要基于外貌評(píng)定、性能測(cè)定和譜系記錄，應(yīng)用表型或者估計(jì)育種值的方法進(jìn)行選擇，這些方法在過(guò)去肉牛育種中獲得了很大的進(jìn)展。但是肉牛的世代間隔長(zhǎng)，繁殖率低，肉質(zhì)性狀難以測(cè)定且測(cè)定成本較高，常規(guī)育種方法選育進(jìn)展相對(duì)緩慢。近年來(lái)，隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展，分子標(biāo)記被考慮用于牛的標(biāo)記輔助選擇(MAS)育種中，以提高選擇的準(zhǔn)確性。但是，目前發(fā)現(xiàn)并功能驗(yàn)證影響肉牛重要經(jīng)濟(jì)性狀的基因或標(biāo)記數(shù)量少，且解釋遺傳變異的比例低。這些因素使標(biāo)記輔助選擇技術(shù)在肉牛育種的應(yīng)用期值較低。鑒于此，Meuwissen等人于2001年提出了全基因組范圍內(nèi)的標(biāo)記輔助選擇方法，即全基因組選擇(GS)方法[1]。隨著牛全基因組序列的公布，高密度、高通量的商業(yè)化SNP芯片隨后不斷推出，隨之基因分型效率提高，成本大大降低[2]。千牛基因組計(jì)劃的實(shí)施[3]，推動(dòng)了基因組選擇在牛選育應(yīng)用的研究[4-6]，基因組選擇方法、模型和策略的不斷優(yōu)化?；蚪M選擇技術(shù)在奶牛育種中已廣泛應(yīng)用，在豬、綿羊及肉牛育種中的應(yīng)用正在穩(wěn)步開(kāi)展。本文通過(guò)綜述基因分型技術(shù)，基因組選擇技術(shù)及其在牛育種中的應(yīng)用，旨在表明新型遺傳技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了肉牛遺傳評(píng)估方法的改進(jìn)。

1 SNP芯片分型技術(shù)

1.1 高通量SNP標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)

高通量SNP標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)是測(cè)序技術(shù)和生物芯片技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，而測(cè)序技術(shù)和生物芯片兩項(xiàng)技術(shù)迅速發(fā)展是高通量SNP標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)趨于商業(yè)化的基礎(chǔ)。目前新一代的測(cè)序技術(shù)涉及DNA測(cè)序、Small RNA測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、數(shù)字化表達(dá)譜測(cè)序、DNA甲基化、目標(biāo)區(qū)域捕獲測(cè)序、宏基因組測(cè)序等，這些技術(shù)體系覆蓋了基因組科學(xué)的各個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域。隨著新一代測(cè)序技術(shù)的通量提升和成本較低，生物芯片的檢測(cè)成本越來(lái)越低，檢測(cè)密度越來(lái)越大。SNP芯片通過(guò)制作技術(shù)的革新，檢測(cè)方法的優(yōu)化，高密度SNP檢測(cè)技術(shù)成為便捷、高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，為基因組選擇提供了便利條件。

1.2 牛的高密度SNP芯片

2010年，Illumina公司推出BovineSNP50k高密度芯片，50k SNPs約包含3億堿基對(duì)，約每60 kb有1個(gè)SNP。由于Illumina Bovine SNP50 DNA池的樣本來(lái)自安格斯、荷斯坦以及美國(guó)一群重要肉牛品種的公牛。因此，SNP的分析結(jié)果表明存在偏性，即安格斯、荷斯坦牛的SNP最小等位基因頻率高，且Bovine SNP50的分析平臺(tái)對(duì)于這些品種全基因組關(guān)聯(lián)分析和全基因組選擇的準(zhǔn)確性略高。

為了盡量減少品種間信息含量的偏斜，Illumina和Affymetrix公司又相繼推出800 k的高密度SNP基因芯片。800 k芯片是根據(jù)大量不同品種的測(cè)序結(jié)果設(shè)計(jì)的，每3.8 kb為1 SNP。結(jié)果說(shuō)明SNP芯片幾乎在所有牛品種中具有高的平均等位基因頻率，但也包含許多具有低等位基因頻率位點(diǎn)[7]。高密度標(biāo)記能精確定位引起性狀內(nèi)變異的突變位置，也為識(shí)別SNPs給予了更大的機(jī)會(huì)，且在不同動(dòng)物中甚至混合品種中用全基因組選擇評(píng)定時(shí)，可預(yù)測(cè)這些突變型的基因型值。

2 全基因組選擇

2.1 全基因組選擇

全基因組選擇主要是通過(guò)全基因組中大量的標(biāo)記信息估計(jì)出不同染色體片段的育種值，然后估計(jì)出個(gè)體全基因組范圍的育種值并進(jìn)行選擇的一種新方法[1]。該方法主要是根據(jù)連鎖不平衡信息，假設(shè)標(biāo)記與其相鄰的QTL處于連鎖不平衡狀態(tài)，由相同標(biāo)記估計(jì)不同群體的染色體片段效應(yīng)相同的原理建立的選擇理論?；蚪M選擇對(duì)歷史群體數(shù)據(jù)庫(kù)要求相對(duì)較低，可在個(gè)體早期進(jìn)行基因型檢測(cè)而估計(jì)育種值，在不降低育種值估計(jì)準(zhǔn)確性的前提下，縮短世代間隔，降低性能測(cè)定的成本，提高遺傳進(jìn)展[8]。

2.2 全基因組選擇的計(jì)算方法

全基因組選擇的方法主要通過(guò)2個(gè)思路應(yīng)用:一種思路是基于估計(jì)等位基因效應(yīng)的主要方法,有最小二乘法、隨機(jī)回歸最佳無(wú)偏預(yù)測(cè)法(RR-BLUP)、主成分分析法和貝葉斯法等；另一種思路是通過(guò)已測(cè)定的基因型計(jì)算個(gè)體間的相關(guān)關(guān)系，記為G矩陣，從而按照最佳無(wú)偏預(yù)測(cè)法(BLUP)的思路，用G矩陣代替BLUP中的A矩陣來(lái)估計(jì)育種值，GBLUP法。

2.3 影響全基因組選擇的因素

影響基因組選擇的因素有很多，如標(biāo)記類型和密度、單倍型長(zhǎng)度、參考群體大小和標(biāo)記-數(shù)量性狀基因座(QTL)連鎖不平衡(LD)大小等[9]。不同類型的標(biāo)記具有不同的多態(tài)信息含量,標(biāo)記數(shù)量越多,與QTL連鎖不平衡的標(biāo)記越多，基因組選擇的準(zhǔn)確性隨標(biāo)記密度的增加而增加。另外，假定標(biāo)記密度相同，所標(biāo)記間的距離和群體中LD的大小不一定相同,那么標(biāo)記數(shù)目不同所構(gòu)成的單倍型進(jìn)行基因組選擇時(shí)，獲得的準(zhǔn)確性存在差異。

個(gè)體有效表型信息越豐富，且基因分型個(gè)體的數(shù)量越多，基因組選擇的準(zhǔn)確性越高。參考群體的擴(kuò)大可以使單倍型或等位基因效應(yīng)估計(jì)的準(zhǔn)確性提高。標(biāo)記-QTL間的LD可以增加基因組選擇的準(zhǔn)確性，但隨著世代的增加，基因組選擇準(zhǔn)確性隨著標(biāo)記-QTL間的LD逐漸降低而降低，因此標(biāo)記或單倍型效應(yīng)經(jīng)過(guò)若干世代就需要重新估計(jì)?；蚪M選擇的準(zhǔn)確性也受性狀的影響，由于不同性狀的遺傳力不同，故不同性狀采用同樣的方法其準(zhǔn)確性存在差異。同理，同一性狀在不同環(huán)境條件下，由于顯示基因型和環(huán)境的互作是遺傳變異的重要組分，故估計(jì)的標(biāo)記效應(yīng)不同。基因組選擇特別適合于世代間隔較長(zhǎng)、繁殖力較低的物種，如牛。由于不同物種的世代間隔和繁殖力不同，因而基因組選擇在不同物種中效果可能會(huì)有差異。

3 基因組選擇技術(shù)在肉牛育種中應(yīng)用屏障

全基因組選擇的真正優(yōu)勢(shì)在于使用緊密連鎖標(biāo)記的芯片時(shí)，它能同時(shí)選擇所有性狀遺傳變異有關(guān)位點(diǎn)的理想組合。標(biāo)記輔助選擇通常需要在小部分大效應(yīng)的位點(diǎn)中選擇理想的基因型，因?yàn)檫@些位點(diǎn)一般在關(guān)聯(lián)或者連鎖分析中容易識(shí)別[2]。相比而言，全基因組選擇可以同時(shí)選擇全基因組范圍內(nèi)的理想基因型。但是在生產(chǎn)實(shí)踐中，肉牛全基因組選擇通常用于進(jìn)行效應(yīng)估計(jì)的參考群體和驗(yàn)證群體不同。而全基因組選擇準(zhǔn)確性有依賴于標(biāo)記和QTL之間的LD程度，這種依賴在標(biāo)記和QTL之間距離較大時(shí)尤為明顯，有時(shí)不同群體中QTL效應(yīng)也有差別。即使是相同品種的2個(gè)不同群體，遺傳和環(huán)境之間的互作也可能會(huì)降低基因組估計(jì)育種值的準(zhǔn)確性[10]。假設(shè)性狀引起變異的位點(diǎn)在不同品種中是相同的，但引起的變異頻率不同，就導(dǎo)致了這些性狀在品種間存在差異。由于SNP等位基因頻率在品種之間也不同，這些不同的標(biāo)記和引起變異的頻率意味著不同SNP不同程度與不同品種的性狀變異密切相關(guān)。

基于此，準(zhǔn)確估計(jì)基因組育種值需要大量基因分型的參考群體。奶牛和肉牛育種生產(chǎn)體系不同，肉牛和奶牛相比，缺乏像利用奶牛品種的集中資源群體，所以每個(gè)肉牛品種可用于基因分型的個(gè)體有限。換而言之，基因組選擇技術(shù)應(yīng)用于肉牛育種的潛在方向是肉牛品種間開(kāi)展全基因組選擇。缺乏準(zhǔn)確的期望后裔改進(jìn)值個(gè)體用于建立參考群體，來(lái)自不同品種的個(gè)體則需要跨品種的基因分型和信息分析。這是基因組選則技術(shù)在肉牛育種中廣泛應(yīng)用的主要屏障。

4 全基因組選擇技術(shù)在肉牛育種中的應(yīng)用

隨著基因分型效率的提高，成本大大降低，以及基因組選擇方法、模型和策略的不斷優(yōu)化，基因組選擇技術(shù)在奶牛育種中已廣泛應(yīng)用，在豬、綿羊及肉牛育種中的應(yīng)用穩(wěn)步開(kāi)展。全基因組選擇技術(shù)，在美國(guó)、中國(guó)、澳大利亞、日本、韓國(guó)、巴西、韓國(guó)等國(guó)探索式應(yīng)用，涉及到安格斯牛、利木贊牛、婆羅門牛、日本黑牛、韓國(guó)韓牛、布拉佛、海福特、尼爾洛、西門塔爾等主要肉牛品種[11-12]，詳見(jiàn)表1。各個(gè)國(guó)家肉牛的育種目標(biāo)、選育體系和生產(chǎn)方式的不同，基因組選擇技術(shù)的應(yīng)用策略、方式以及效果也存在差異。

表1 文獻(xiàn)報(bào)道基因組選擇技術(shù)在不同國(guó)家不同肉牛群體中應(yīng)用狀況

4.1 在美國(guó)肉牛育種中的應(yīng)用

美國(guó)在基因組選擇技術(shù)應(yīng)用早期，利用Ilumina50k芯片，對(duì)注冊(cè)的3 703頭安格斯公牛，2 239頭利木贊公牛和2 703頭西門塔爾公牛進(jìn)行基因分型，計(jì)算了測(cè)定性狀的DGV。一方面結(jié)果表明，青年?？梢垣@得早期的遺傳估計(jì)值，將基因分型的公牛反復(fù)納入?yún)⒖既悍治?，?duì)于育種而言，獲得最高準(zhǔn)確性DGV是需要策略。另一方面結(jié)果表明，安格斯、利木贊牛和西門塔爾牛育種應(yīng)用基因組選擇技術(shù)獲得個(gè)體直接基因組育種值是可行的，而且通過(guò)使用DGV與父母平均信息進(jìn)行比較，至少某些性狀，在一部分種群中，通過(guò)自然交配，可以實(shí)現(xiàn)更大的遺傳進(jìn)展。安格斯、利木贊牛和西門塔爾牛育種者都將受益于使用DGV信息來(lái)增加其種群的遺傳進(jìn)展[11-12]。

4.2 在澳大利亞肉牛育種中的應(yīng)用

澳大利亞肉牛基因組選擇的主要障礙是品種繁多，且每個(gè)品種滿足于參考群構(gòu)建條件的個(gè)體數(shù)量較少。針對(duì)肉牛育種的現(xiàn)狀，澳大利亞牛肉合作研究中心(CRC)通過(guò)不同品種的參考群信息構(gòu)建基因組預(yù)測(cè)方程，開(kāi)展肉?；蚪M選擇工作。結(jié)果表明，盡管與已發(fā)布的品種內(nèi)準(zhǔn)確性相比，準(zhǔn)確性普遍較低，但它們與其他多品種種群的結(jié)果是一致，且CRC開(kāi)發(fā)的基因組預(yù)測(cè)方程，可以促進(jìn)澳大利亞肉牛育種中基因選擇的實(shí)施[13]。

4.3 在日本和韓國(guó)肉牛育種中的應(yīng)用

亞洲2個(gè)知名品種為日本和牛和韓國(guó)韓牛，其選育目標(biāo)均突出肉質(zhì)性狀，繁育體系相近，育種中應(yīng)用基因組選擇技術(shù)策略相似，參考群體閹牛組成，按照文獻(xiàn)報(bào)道[14-18]分別為872頭和1 679頭[16]，詳細(xì)開(kāi)展工作見(jiàn)表1。日本和牛和韓國(guó)韓牛有效群體規(guī)模均相對(duì)較小，品種特征突出肉質(zhì)，特別突出大理石花紋。經(jīng)過(guò)持續(xù)對(duì)肉質(zhì)性狀的選擇，日本的黑牛群體可能全基因組LD度相對(duì)較高，而基因組選擇分析表明，大理石花紋等級(jí)相比胴體重而言，只有相對(duì)較小QTLs效應(yīng)控制[15]。韓牛育種者測(cè)算，如果擴(kuò)大參考群體，規(guī)模達(dá)到5 000頭以上時(shí)，應(yīng)用基因組選擇技術(shù)[17]，遺傳進(jìn)展可提高30%。目前，基于2個(gè)牛種群體規(guī)模，為了在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)取得更好的結(jié)果，已基因組選擇技術(shù)不同程度地納入了常規(guī)育種程序。

4.4 在巴西肉牛育種中的應(yīng)用

巴西有超過(guò)2.12億頭牛[21]，肉牛產(chǎn)業(yè)以純種和雜交飼養(yǎng)的瘤牛為基礎(chǔ)，在全國(guó)的牛種群中，Nellore是主要的肉牛品種，它在世界牛肉市場(chǎng)上是一個(gè)重要的品種。同時(shí)，也有其他品種對(duì)經(jīng)濟(jì)影響較大，如海福特和白福特。巴西2個(gè)類別的肉牛，考慮了2種基因組選擇策略。一方面針對(duì)瘤牛的研究結(jié)果表明，特別是對(duì)于高遺傳力性狀，基因組育種值估計(jì)通過(guò)調(diào)節(jié)表型Y*比EBV更準(zhǔn)確。可獲得理想的基因組選擇準(zhǔn)確性期值，應(yīng)用基因組選擇技術(shù)提高Nellore牛胴體性狀的育種方案可行。巴西專家建議在Nellore選育中，針對(duì)胴體性狀，實(shí)施基因組選擇。另一方面針對(duì)白福特和海福特牛等的其他牛種，在肉牛育種中廣泛應(yīng)用基因組選擇取決于基因分型的價(jià)格。目前的中等或高密度的SNP芯片在牛肉行業(yè)廣泛使用價(jià)格較高。在選擇準(zhǔn)確性相對(duì)減少較小且價(jià)格適宜的前提下，專家建議白福特和海福特牛的育種者使用15 k的SNP芯片進(jìn)行大規(guī)模的基因分析。

4.5 在中國(guó)肉牛育種中的應(yīng)用

我國(guó)肉牛品種較多，育種群體規(guī)模小、生產(chǎn)性能和譜系記錄系統(tǒng)不完善，繁育體系不健全等是制約我肉牛育種的主要屏障。中國(guó)西門塔爾牛基因組選擇開(kāi)始于2008年，到目前為止是我國(guó)唯一一個(gè)大規(guī)模開(kāi)展基因組選擇的肉牛品種，經(jīng)過(guò)9年持續(xù)開(kāi)展，現(xiàn)在參考群規(guī)模為2 000余頭，主要由公牛、母牛和育肥牛三類群體組成。隨著基因分型群體的不斷擴(kuò)大，選擇準(zhǔn)確性也在不斷提高,為我國(guó)其他肉牛品種將來(lái)開(kāi)展全基因組選擇奠定了基礎(chǔ)。

5 展 望

高密度標(biāo)記分型技術(shù)的提升和測(cè)序技術(shù)升級(jí)將為克服制約肉?；蚪M選擇的主要瓶頸起到重要的作用?；蚪M選擇在傳統(tǒng)選擇理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合了全基因組水平的信息，在量化個(gè)體間遺傳關(guān)系方面有了突破，由高通量的遺傳標(biāo)記取代了傳統(tǒng)的系譜，遺傳關(guān)系的描述更加精確。新型遺傳技術(shù)正快速地推進(jìn)基因組研究，這些技術(shù)勢(shì)必促進(jìn)肉牛育種方法的革新。