北京市種豬基因組選擇育種平臺的構(gòu)建與應(yīng)用

唐韶青，肖 煒，楊宇澤，云 鵬，路永強*，丁向東，孟慶利，武建亮，李凱揚，張衛(wèi)藝，西鵬洋，于 凡，翟曉貝

（1.北京市畜牧總站，北京 100107；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，畜禽育種國家工程實驗室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部動物遺傳育種與繁殖重點實驗室，北京 100193；3.北京中育種豬有限責任公司，北京 100194；4.北京順鑫農(nóng)業(yè)發(fā)展集團有限公司，北京 101300；5.北京六馬養(yǎng)豬科技有限公司，北京 101308）

近年來，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，SNP 芯片和測序技術(shù)在動植物育種中應(yīng)用逐漸廣泛，利用全基因組遺傳標記進行基因組選擇帶來了動物育種的革命，彌補了傳統(tǒng)育種方法的不足，受到了越來越多的關(guān)注。世界著名豬育種公司和組織DanBred、PIC、TOPIGS 等也紛紛開展基因組選擇工作。DanBred利用基因組選擇將大白豬的產(chǎn)仔數(shù)準確性由常規(guī)選育的45%提高到70%；TOPIC 對難以測定的肉質(zhì)性狀進行了基因組選擇，準確性提高了30%，并且可以避免傳統(tǒng)方式造成的優(yōu)秀個體已被屠宰而無法留種的遺憾。PIC 作為世界上最大的種豬改良公司，擁有全球最大的豬育種數(shù)據(jù)庫，已經(jīng)對豬的產(chǎn)仔數(shù)、生長速度、采食量和眼肌面積進行基因組遺傳評估，并表明采用基因組選擇得到的基因組育種值準確性高于常規(guī)育種。在我國，廣東溫氏食品集團率先采用基因組選擇技術(shù)對生長性狀和肉質(zhì)性狀進行了選擇，于2013 年選育1 頭優(yōu)秀杜洛克公豬，并開始配種應(yīng)用。2020 年，我國《生豬遺傳改良計劃（2021—2035 年）》將完善豬基因組選擇技術(shù)平臺列為主要內(nèi)容。但基因組選擇前期參考群體構(gòu)建成本較高，涉及的數(shù)據(jù)分析計算過程復(fù)雜，我國大多數(shù)育種場還不具備開展基因組選擇的基礎(chǔ)和能力。本研究以構(gòu)建豬基因組選擇育種平臺為核心，開展基因組選擇技術(shù)理論和推廣方法的研究，搭建豬高密度SNP 芯片檢測體系，構(gòu)建大白豬參考群體，開發(fā)基因組育種值計算分析系統(tǒng)，建立開放、公用的豬基因組選擇育種平臺。本文旨在重點介紹北京市種豬基因組育種技術(shù)平臺（以下簡稱“平臺”）的構(gòu)建與應(yīng)用情況。

1 種豬基因組選擇育種平臺的構(gòu)建

1.1 基因組選擇參考群的構(gòu)建

1.1.1 表型數(shù)據(jù)庫 基因組選擇參考群數(shù)據(jù)來源于北京市種豬遺傳評估中心數(shù)據(jù)庫。2006 年，北京市種豬遺傳評估中心搭建種豬遺傳評估數(shù)據(jù)平臺，主要開展種豬聯(lián)合育種數(shù)據(jù)收集和處理工作，包括品種登記、場內(nèi)性能測定數(shù)據(jù)收集、聯(lián)合遺傳評估、評估結(jié)果反饋等。截止到2021 年12 月底，共收錄371.46 萬頭種豬系譜信息，51.23 萬條達100 kg 體重日齡記錄，50.90 萬條達100 kg體重背膘厚記錄和45.15 萬條窩產(chǎn)仔記錄。

參考群表型數(shù)據(jù)庫主要來源于北京地區(qū)3 家國家生豬核心育種場（種豬場編號分別為BBSCB、BJXD 和BJLM）的大白豬群體，包括305 217 頭大白豬的系譜記錄、116 454 條生長測定記錄和75 892 條繁殖記錄。

表1 北京市種豬遺傳評估數(shù)據(jù)庫品種登記量和生產(chǎn)性能測定量

1.1.2 高密度SNP 芯片檢測 對實驗群體進行篩選后采集抗凝血或耳組織樣品。利用血液基因組提取試劑盒（天根，DP348）提取DNA。利用Porcine SNP 80K Beadchip 芯片（Illumina）分型，共檢測到68 528 個SNP 位點，利用開發(fā)的平臺和beagle 軟件進行基因型質(zhì)量控制和填充處理，質(zhì)控條件設(shè)定為SNP 的檢出率（call rate）達到90%以上，SNP 最小等位基因頻率不低于0.05，個體檢出率達到90% 以上，最終篩選出56 508 個SNP。

1.1.3 參考群體構(gòu)建 以上述3 家種豬場為主，構(gòu)建大白豬參考群。構(gòu)建標準如下：①公豬具有生長性能測定成績，母豬具有生長性能測定和繁殖成績；②生長性能成績在群體平均數(shù)正負2 個標準差范圍內(nèi)；③公豬家系后代在每個場都有分布；④避免過多個體來自同一個公豬家系，保證參考群體的代表性；⑤對育種值可靠性較低的個體進行剔除。經(jīng)過質(zhì)控，最終選擇5 335 頭大白豬作為參考群，見表2。

表2 大白豬參考群體規(guī)模

1.2 基因組遺傳評估系統(tǒng)的建立 基因組選擇中涉及的芯片數(shù)據(jù)管理和處理、表型數(shù)據(jù)處理、芯片填充、反應(yīng)變量計算、基因組育種值估計等流程非常復(fù)雜、工作量大，對開展基因組育種值估計的技術(shù)人員的專業(yè)要求高。目前我國大多數(shù)育種場還不具備這一技術(shù)力量?；蚪M選擇數(shù)據(jù)處理、計算工作成為基因組選擇推廣的制約瓶頸。為此，開發(fā)一個智能化、自動化、標準化的基因組遺傳評估系統(tǒng)，為普通育種人員提供一個準確、快捷、操作簡單的基因組遺傳評估公共服務(wù)平臺，可使基因組選擇過程簡單化，為推進基因組選擇技術(shù)搭建數(shù)據(jù)分析平臺。

平臺搭建的基因組遺傳評估系統(tǒng)可以通過導(dǎo)入基因型信息、表型信息、系譜信息、映射文件等，實現(xiàn)基因組估計育種值的快速準確估計。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢、基因組遺傳評估、系統(tǒng)管理和權(quán)限管理板塊，實現(xiàn)了將復(fù)雜的基因組選擇計算過程轉(zhuǎn)化為“一鍵式”操作。圖1 為基因組遺傳評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖。

圖1 基因組遺傳評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖

2 種豬基因組選擇育種平臺的應(yīng)用

2.1 基因組選擇技術(shù)應(yīng)用 2017 年起，項目組利用平臺進行了基因組選擇技術(shù)應(yīng)用試驗。利用一步法（ssGBLUP 法）對北京地區(qū)及部分外埠關(guān)聯(lián)的9 個種豬場的4 631 頭10～20 日齡大白豬仔豬進行基因組遺傳評估，實施早期選擇，選留部分優(yōu)秀個體，性能測定后進行二次基因組遺傳評估后留種。種豬場根據(jù)評估結(jié)果選擇和淘汰種豬。

2.2 基因組選擇效果 平臺采用理論準確性和后裔評價作為基因組選擇評價效果指標。

2.2.1 理論準確性 采用理論準確性的方法評價基因組選擇的準確性，理論準確性計算方法與張金鑫等方法一致。如表3 所示，基因組選擇技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)相比，基于一步法的基因組育種值準確性明顯提升。早期選擇時，達100 kg 體重日齡的基因組育種值準確性為0.66，比常規(guī)選擇的0.56 提高了0.10；達100 kg 活體背膘厚的基因組育種值準確性為0.70，比常規(guī)選擇的0.56提高了0.14；總產(chǎn)仔數(shù)性狀基因組育種值準確性為0.60，比常規(guī)選擇的0.41 提高了0.19。終選時，達100 kg體重日齡的基因組育種值準確性為0.79，比常規(guī)選擇的0.69 提高了0.10；達100 kg 活體背膘厚的基因組育種值準確性為0.80，比常規(guī)選擇的0.72 提高了0.08；總產(chǎn)仔數(shù)性狀基因組育種值準確性為0.61，比常規(guī)選擇的0.41 提高了0.20。

表3 基因組育種值、常規(guī)育種值和系譜指數(shù)準確性

2.2.2 后裔評價 選擇3 家試驗場（A 場、B 場、C 場）的1 304 頭基因組選擇公豬后代與1 607 頭普通公豬后代，計算個體母系指數(shù)，經(jīng)分析比較，結(jié)果表明基因組選擇公豬后代比普通公豬后代的母系指數(shù)平均提高了2.5、16.6 和2.83。

3 種豬基因組選擇技術(shù)平臺后續(xù)規(guī)劃

3.1 進一步優(yōu)化參考群體 本研究表明，基因組選擇的準確性高于傳統(tǒng)育種值選擇，可加快遺傳進展，已成為畜禽育種的助推器。北京市種豬基因組選擇育種平臺建立7 年來，一直致力于擴大大白豬參考群體數(shù)量，以提高基因組選擇準確性。但依然存在2 個問題，一是大白豬參考群需要不斷更新才能滿足不斷擴大的基因組選擇技術(shù)的推廣范圍；二是北京地區(qū)長白豬和杜洛克豬的參考群尚未建立。下一步平臺將增加大白豬參考群體性狀種類，增加飼料報酬性狀等重要經(jīng)濟性狀，同時建立長白豬、杜洛克豬的參考群體，以擴大平臺應(yīng)用的范圍，提高基因組選擇推廣效率。

表4 基因組選擇和常規(guī)選擇公豬后代母系指數(shù)比較

3.2 建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因型檢測平臺 高通量基因型分型技術(shù)是基因組選擇實施的前提，當前SNP 芯片檢測以國外的Illumina 和Affematrix 平臺為主，國產(chǎn)化程度低。且基因組SNP 檢測成本相對較高，種豬企業(yè)接受度相對較低。平臺前期設(shè)計了豬低密度9 K SNP芯片。該芯片結(jié)合基因型填充技術(shù)，能在保持基因組選擇準確性不變的前提下，大幅度降低基因組選擇成本，并已獲得發(fā)明專利授權(quán)（專利號：201711190317.6）。同時，許多研究學(xué)者已開展了國有芯片技術(shù)的研發(fā)，據(jù)此，北京市種豬基因組選擇育種平臺將繼續(xù)致力建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因型檢測平臺，逐步實現(xiàn)芯片檢測技術(shù)國產(chǎn)化。

4 結(jié) 論

本研究介紹了北京市種豬基因組選擇育種平臺的建立及其推廣應(yīng)用情況，對大白豬仔豬進行了基因組選擇并取得了明顯的育種效果，實現(xiàn)了種豬的早期選擇，同時降低了后期飼養(yǎng)和常規(guī)測定成本。通過后代成績比較發(fā)現(xiàn)，基因組選擇后代平均成績優(yōu)于常規(guī)選擇后代，進一步佐證了基因組選擇對比常規(guī)育種的優(yōu)勢。綜上，基因組選擇技術(shù)作為當今最前沿的育種技術(shù)，具有明顯技術(shù)優(yōu)勢，可在豬場大范圍開展。