全基因組選擇在豬育種上的研究進(jìn)展

董航言，黃生強(qiáng)

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙 410128）

全基因組選擇在豬育種上的研究進(jìn)展

董航言，黃生強(qiáng)*

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長沙 410128）

全基因組選擇(Genomic selection，GS)，即全基因組范圍內(nèi)的標(biāo)記輔助選擇(marker-assisted selection，MAS)。因其具有可縮短世代間隔，提高年遺傳進(jìn)展；早期選擇準(zhǔn)確率高；同時(shí)還能提高低遺傳力、難以測(cè)量性狀選擇效率等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已成為動(dòng)物遺傳育種領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文內(nèi)圍繞“什么是GS”、“為什么選用GS”以及“影響GS的因素”這3個(gè)方面全方位詮釋了GS。重點(diǎn)闡述了GS在豬育種中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并結(jié)合GS在奶牛上的成功應(yīng)用，簡述了GS在豬育種上的展望。

全基因組選擇；SNP；GEBV；豬育種

自野生動(dòng)物被馴化以來，科學(xué)家一直致力于提高畜禽育種值的研究。近半個(gè)世紀(jì)來，畜禽育種值估計(jì)的方法主要經(jīng)歷了綜合選擇指數(shù)法、同期群體比較法、最佳線性無偏預(yù)測(cè)法(Best Linear Unbiased Prediction，BLUP)、分 子標(biāo)記輔助選擇育種(MAS)以及近幾年快速發(fā)展的GS法[1]。同時(shí)，隨著高密度基因芯片的出現(xiàn)和高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，單核苷酸多態(tài)性(Single Nucleotide Polymorphism，SNP)分型成本快速下降，GS才逐漸引起畜禽界的關(guān)注[2]。特別是Schaeffer發(fā)現(xiàn)，在奶牛育種中利用GS比后裔測(cè)定可節(jié)約成本97%，且遺傳進(jìn)展可提高3～4倍后，全球掀起了一股研究GS的熱潮[3]。

1??全基因組選擇（GS）

1.1?什么是GS

2001年，Meuwissen等人最先提出GS，實(shí)質(zhì)為全基因組范圍的標(biāo)記輔助選擇。其理論基礎(chǔ)是應(yīng)用整個(gè)基因組的標(biāo)記信息和各性狀值來估計(jì)每個(gè)標(biāo)記或染色體片段的效應(yīng)值，然后將效應(yīng)值加和即得到基因組育種值(Genomic Estimated Breeding Value，GEBV)。

GS在某種程度上是MAS的延伸，彌補(bǔ)了在MAS中標(biāo)記數(shù)量只能解釋一部分遺傳方差以及數(shù)量性狀位點(diǎn)(Quantitative Trait Locus，QTL)定位困難的缺點(diǎn)。其中心任務(wù)是提高GEBV值的準(zhǔn)確性，并盡可能準(zhǔn)確地估計(jì)每個(gè)標(biāo)記的效應(yīng)。而估計(jì)標(biāo)記效應(yīng)的方法在實(shí)際運(yùn)用中以BLUP法為主[5]；Bayes法雖其準(zhǔn)確性高于BLUP，但因其計(jì)算復(fù)雜，需在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行而限制其應(yīng)用[6]。不過隨著快速算法的開發(fā)和計(jì)算機(jī)硬件的改進(jìn)，Bayes法的運(yùn)算效率有望提高。

1.2?為什么選用GS

1.2.1 GS的優(yōu)勢(shì)

與MAS相比，GS的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：

1）能對(duì)所有的遺傳和變異效應(yīng)做出準(zhǔn)確的估計(jì)。而MAS只能對(duì)部分遺傳變異進(jìn)行檢測(cè)，且容易高估其遺傳效應(yīng)[6]。

2）縮短世代間隔、提高畜禽年遺傳進(jìn)展、降低生產(chǎn)成本等，這在需要后裔測(cè)定的家畜中尤為明顯。如GS給奶牛育種帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

3）早期選擇準(zhǔn)確率高。

另一方面，事實(shí)上，實(shí)運(yùn)營開始網(wǎng)絡(luò)化，虛體驗(yàn)逐步實(shí)體化，線上與線上的界限越來越模糊。豐富的線下資源，是潛在消費(fèi)增量市場(chǎng)，而線上平臺(tái)的線下化，增強(qiáng)了平臺(tái)的滲透能力，獲得了巨大的增量消費(fèi)群。

4）對(duì)于較難實(shí)施選擇的性狀具有重大影響。如低遺傳力性狀、難以測(cè)定的性狀等[8]。

5）GS在提高種群的遺傳進(jìn)展前提下，還能降低群體的近交增量。

1.2.2 GS的可靠性

GS的關(guān)鍵便是對(duì)GEBV值做出可靠的評(píng)估[9]。VanRaden等人在北美荷斯坦奶牛群體中，比較產(chǎn)奶性狀、體型外貌性狀等27個(gè)經(jīng)濟(jì)性狀，發(fā)現(xiàn)GEBV平均可靠性為0.37，而傳統(tǒng)育種值僅為0.19，相比可靠性提高95%。

Su等人比較丹麥荷斯坦奶牛18個(gè)重要經(jīng)濟(jì)性狀，發(fā)現(xiàn)GEBV平均可靠性為0.55，而傳統(tǒng)育種值僅為0.29，相比可靠性提高90%。

1.3?影響GS的因素

盡管GS能顯著提高畜禽選育的遺傳進(jìn)展，但仍受到許多因素的影響，這些因素主要包括：

1）標(biāo)記類型和結(jié)構(gòu)。標(biāo)記類型主要包括微衛(wèi)星和SNP 2種，但實(shí)際應(yīng)用中以SNP標(biāo)記為主。

2）標(biāo)記密度和標(biāo)記間的連鎖不平衡程度。通常GS的準(zhǔn)確性隨著標(biāo)記密度的增加而增高。

3）資源參考群中的表型測(cè)定數(shù)。GS的準(zhǔn)確性隨著表型測(cè)定數(shù)的增加而增加。

4）估計(jì)標(biāo)記效應(yīng)所記錄的表型世代數(shù)。對(duì)于低遺傳力性狀，記錄世代數(shù)越多，GS的準(zhǔn)確性越高；但對(duì)于高遺傳力性狀，一般以2～3代為宜。

5）性狀的遺傳特性。一般認(rèn)為GS選擇對(duì)低遺傳力性狀的選擇更有利。

6）資源參考群與預(yù)測(cè)群體的世代距離。GS在選擇3～4世代后必須重新估計(jì)標(biāo)記效應(yīng)，才能保持其長期優(yōu)勢(shì)。

7）資源參考群與預(yù)測(cè)群體的遺傳距離。模擬研究結(jié)果顯示，當(dāng)合并多個(gè)群體或品種的參考群為一個(gè)共同參考群時(shí)，GS的選擇準(zhǔn)確性大大提高。

2??GS在豬育種上的應(yīng)用

鑒于GS具有節(jié)約種畜生產(chǎn)成本并可縮短世代間隔等優(yōu)勢(shì)，近幾年來，已成為遺傳育種領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2010年以來，世界各國的豬育種公司都開始嘗試GS育種。

Christensen等[10]利 用 60 000個(gè)丹系杜洛克豬群體上的SNPs，評(píng)估了料重比中GEBV的準(zhǔn)確性。他們得出，GEBV比基于血緣所得到EBV的準(zhǔn)確性要高出許多。

2010年，丹麥丹育公司正式宣布啟動(dòng)豬GS研究，主要針對(duì)低遺傳力、抗病性、飼料轉(zhuǎn)化率和肉質(zhì)等難測(cè)定性狀進(jìn)行選擇，并且該公司也專門對(duì)公豬膻味進(jìn)行GS研究，以期能在2018年向消費(fèi)者提供無膻味的公豬肉。

Hypor公司也已經(jīng)開始嘗試應(yīng)用GS對(duì)繁殖、肉質(zhì)和抗病等性狀進(jìn)行選擇，并于2012年6月15日，該公司報(bào)道已為客戶提供GS生產(chǎn)的種豬，進(jìn)一步鞏固了其在豬育種界的領(lǐng)先地位。

2011年，溫氏集團(tuán)作為我國最大的豬育種和肉豬生產(chǎn)公司，為了提高種豬的遺傳進(jìn)展和其在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力，也開始進(jìn)行了GS研究。主要對(duì)種豬的飼料利用率、肉質(zhì)等性狀進(jìn)行選擇。

2012年初，TOPIGS公司宣布開始在豬育種中采用GS，對(duì)公豬膻味、飼料轉(zhuǎn)化率等性狀進(jìn)行選擇，以期改善豬的肉質(zhì)，提高種豬競(jìng)爭(zhēng)力。同年6月初，該公司宣布在母系中全面采用GS，以期提高種豬繁殖力。

2013年，我國首例采用全基因組選擇技術(shù)選育的1頭杜洛克特級(jí)種公豬正在健康長大，并即將開始配種應(yīng)用。

綜上所述，GS在豬育種上的應(yīng)用仍處于起步階段，但隨著育種技術(shù)的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)水平的不斷進(jìn)步，GS在豬育種上的應(yīng)用也會(huì)日漸成熟。

3??GS在豬育種中的展望

3.1??前景

作為在傳統(tǒng)育種方法和MAS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代育種技術(shù)，GS實(shí)現(xiàn)了對(duì)候選個(gè)體從表型選擇到基因選擇的突破，解決動(dòng)物個(gè)體肉質(zhì)和抗性等性狀難以選育的技術(shù)障礙，還可實(shí)現(xiàn)低成本的早期選擇。如Lillehammer等[11]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)母豬進(jìn)行GS能大大提高種豬的繁殖性能。

3.2?挑戰(zhàn)

GS在豬育種中同樣也面臨著諸多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

首先，GS測(cè)序費(fèi)用相對(duì)較高。我國多數(shù)小型企業(yè)在育種方面投資小，只能等基因芯片分型成本進(jìn)一步降低，才能真正擴(kuò)大GS的應(yīng)用范圍。其次，GS需要對(duì)數(shù)萬個(gè)標(biāo)記的效應(yīng)進(jìn)行估計(jì)，算法比較復(fù)雜，需要具備相關(guān)知識(shí)的技術(shù)人員才能進(jìn)行該項(xiàng)工作。目前，計(jì)算機(jī)發(fā)展水平有限，在一定程度上限制了GS在育種中的發(fā)展和應(yīng)用。再次，獲取GEBV的時(shí)間過長。從實(shí)驗(yàn)開始之初，到最后獲得GEBV值的時(shí)間通常需要14周[12]。

3.3?建議

鑒于GS在奶牛上的成功應(yīng)用，提出如下幾點(diǎn)建議。

首先，常規(guī)育種是GS能成功應(yīng)用的基本前提。GS出現(xiàn)初期，人們?cè)贕S和常規(guī)育種兩者關(guān)系的認(rèn)識(shí)上存在曲解。有人認(rèn)為只要利用標(biāo)記基因進(jìn)行分子育種就不再需要傳統(tǒng)的常規(guī)育種，即該觀點(diǎn)是對(duì)常規(guī)育種的全盤否定。相反，GS并非對(duì)常規(guī)育種的全盤否定，而是以其為基礎(chǔ)進(jìn)行的后續(xù)研究。因此，GS準(zhǔn)確性的高低依賴于常規(guī)育種中測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

其次，效仿奶牛業(yè)中所建的參考網(wǎng)群，不斷擴(kuò)大群體規(guī)模，共享數(shù)據(jù)資源，提高GEBV值的準(zhǔn)確性。2010年，歐洲4個(gè)育種組織共享了各自的參考群體，并加入歐洲基因組計(jì)劃，使得其參考群體規(guī)模快速擴(kuò)大，達(dá)2.5萬頭驗(yàn)證公牛[13]。當(dāng)然，豬資源數(shù)據(jù)共享工作已初步開展，2001年，丹麥國家豬生產(chǎn)委員會(huì)與中國科學(xué)院北京基因組研究所的科研人員首次合作開展大規(guī)模豬基因組測(cè)序項(xiàng)目。

再次，有效并充分利用我國社會(huì)資源，構(gòu)建國家級(jí)別豬育種平臺(tái)。該工作需要聯(lián)合我國豬育種專家、高校科研機(jī)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)種豬企業(yè)、種豬中心測(cè)定站等，并在相關(guān)行政主管部門的配合下完成。

[1] 李婭蘭，梅盈潔，劉敬順，等.基因組選擇及其在豬育種中的應(yīng)用[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（17）：106-109.

[2] 趙永聚，李堯鋒，郭剛，等.丹麥動(dòng)物遺傳育種研究熱點(diǎn)[J].中國畜牧雜志，2011，47(4)：54-65.

[3] Schaeffer L R.Strategy for applying genome—wide selection in dairy cattle[J].Journal of Animal Breeding and Genetics，2006，123(4)：218—223.

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[13] 殷成文.奶牛基因組選擇介紹[J].中國奶牛，2014（16）：45-49.

2015-01-29)

董航言（1989-），男，碩士研究生，研究方向：分子數(shù)量遺傳學(xué)。E-mail：ythnnddhy@me.com

黃生強(qiáng)（1968-），男，副教授，博士，研究方向：豬分子遺傳育種。