加速優(yōu)秀基因傳遞開辟動物遺傳育種新時代

文|方美英 劉劍鋒 張勤 吳常信 中國農(nóng)業(yè)大學

加速優(yōu)秀基因傳遞開辟動物遺傳育種新時代

文|方美英 劉劍鋒 張勤 吳常信 中國農(nóng)業(yè)大學

項目成果：牛、豬全基因組選擇技術(shù)平臺創(chuàng)建與應用

課題單位：中國農(nóng)業(yè)大學

“十二五”國家科技計劃項目“基于高密度SNP芯片的牛、豬基因組選擇技術(shù)研究”，針對家畜產(chǎn)奶、生長和肉質(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，實現(xiàn)低成本的早期選育，提高了遺傳評定準確性。豬基因組選擇技術(shù)已在廣東溫氏食品集團得以初步應用；牛基因組選擇技術(shù)已被農(nóng)業(yè)部指定為我國荷斯坦青年公牛遺傳評估的唯一方法，并入選科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目。課題研究成果已獲北京市科技一等獎、教育部科技進步二等獎、大北農(nóng)科技特等獎各1項。其中成果“中國荷斯坦牛基因組選擇技術(shù)平臺的建立與應用”已推薦參評2016年國家科技獎評選。

近年來，關于牛、豬生產(chǎn)性能的遺傳改良工作一直在積極開展，但所獲得的遺傳進展逐漸減緩，其原因是傳統(tǒng)的選種方式如最佳線性無偏估計法（BLUP）、標記輔助選擇等方法對一些性狀，尤其是限性性狀、低遺傳力性狀或是活體難以測量的性狀，選擇準確性較差，性狀改良進展緩慢。

全基因組選擇(Genomic Selection)是指基于基因組育種值（GEBV）的選種方法，其通過檢測覆蓋全基因組的分子標記，利用基因組水平的遺傳信息對個體進行遺傳評估，以期獲得更高的育種值估計準確度。全基因組選擇，簡而言之就是在全基因組范圍內(nèi)的標記輔助選擇，一方面它能夠捕獲性狀所有相關的遺傳變異，使得選種工作更加高效準確地進行。對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，通過對參考群體SNP（Single Nucleotide Polymorphism,即單核苷酸多態(tài)性）遺傳效應的估計，可直接進行育種群個體的基因組育種值（GEBV）估計，從而降低種畜性能測定成本。近年來，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應用。

高效發(fā)掘優(yōu)良種質(zhì)基因

課題在國家十二五科技計劃支持下，突破了一些關鍵技術(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、豬基因組選擇應用技術(shù)平臺。與傳統(tǒng)選種方法相比，基因組選擇可提高遺傳評估準確性12～17個百分點；加快遺傳進展0.10～0.25個遺傳標準差；目前牛基因組育種值已列為農(nóng)業(yè)部奶牛良種補貼計劃考核指標；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)實踐。

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

三是采用60K全基因組SNP芯片分析了我國五指山小型豬種質(zhì)特性；進而創(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”，實現(xiàn)了種質(zhì)基因的高效發(fā)掘及分子標記的開發(fā)；制定地方標準3個，建立產(chǎn)業(yè)化示范基地2個。

四是申請國家發(fā)明專利15項, 其中授權(quán)專利7項; 獲得省部級獎3項,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聯(lián)分析方法篩選了影響豬生長性狀的SNPs，并對候選基因進行了功能分析。同時將功能SNPs在后期的芯片設計中加入，擴大補充了芯片信息量。

加速良種繁育進程

2012年，課題成果——中國荷斯坦牛基因組選擇技術(shù)平臺，通過教育部成果鑒定后，被農(nóng)業(yè)部采用。自2012年起，這一成果已連續(xù)3年對我國奶牛育種龍頭企業(yè)-北京奶牛中心和上海奶牛育種中心有限公司的779頭青年公牛進行了基因組遺傳評估，依據(jù)評估結(jié)果選擇了172頭優(yōu)秀青年公牛作為種公牛在全國推廣使用，提前淘汰了607頭遺傳素質(zhì)較低的青年公牛。同時，連續(xù)3年累計為全國26個公牛站的1547頭青年公牛進行了基因組遺傳評估，選出了724頭優(yōu)秀青年公牛進入國家良種補貼項目，其冷凍精液已在全國范圍內(nèi)推廣，促進了優(yōu)良基因的快速傳遞，縮短了世代間隔，降低了育種成本，顯著提高了中國荷斯坦奶牛的遺傳改良速度，目前已獲經(jīng)濟效益13.35億元，具有重要的社會和生態(tài)效應。在未來5～10年內(nèi)，農(nóng)業(yè)部將繼續(xù)采用中國荷斯坦奶牛基因組選擇技術(shù)進行青年公牛的基因組遺傳評估，繼續(xù)在全國奶牛育種中推廣應用，通過對優(yōu)秀公牛及改良后代的使用，還將繼續(xù)產(chǎn)生間接經(jīng)濟效益，并進一步提高我國奶牛良種覆蓋率。

豬全基因組選擇技術(shù)目前已在溫氏集團新興育種公司和北京豬育種中心開展應用，主要針對日增重性狀、背膘厚性狀、繁殖性狀和飼料轉(zhuǎn)化率性狀進行選育。通過全基因組選擇技術(shù)的應用，大大減少了進行種用測定的種公豬數(shù)量，節(jié)約了飼養(yǎng)成本，實現(xiàn)了早期選種加快了育種進程。課題還利用高密度SNP芯片對我國熱帶亞熱帶小型豬——五指山豬重要遺傳資源進行發(fā)掘和利用，應用基地包括海南省農(nóng)業(yè)科學院畜牧獸醫(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個與豬繁殖性狀相關的基因，也已在恩施黑豬（218頭）和大白豬（230余頭）等豬種中進行了核心育種群的應用，為發(fā)現(xiàn)和培育高繁殖力的地方豬種和商業(yè)豬種奠定了堅實的基礎。

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

一是提高了選種的準確性，對于主要性狀基因組遺傳評估的準確性達到0.67～0.80，與常規(guī)系譜指數(shù)遺傳評估相比，準確性提高了12～25個百分點。

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展，由于選擇準確性的提高和世代間隔的縮短，使得我國種畜的平均遺傳進展得以提高；經(jīng)過評估，奶牛的遺傳進展已加快一倍。

四是大幅度提高了我國種畜育種效益，由于遺傳進展的加快和育種成本的下降，該成果自推廣以來，在奶牛實際生產(chǎn)中已經(jīng)產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益8650萬；同時通過生成優(yōu)質(zhì)凍精獲得的間接經(jīng)濟效應8280萬元。

五是通過基因組選擇，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)成本和種用性能測定費用。

可以預期，全基因組選擇技術(shù)如果能在種畜場大規(guī)模推廣應用，無疑會加快我國牛、豬的育種進程，大大降低種畜的育種成本，進而顯著降低牛、豬產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本，未來也必然會大幅度降低豬、牛畜產(chǎn)品的市場價格。全基因組選擇技術(shù)的推廣應用為保障普通消費者買得起、吃得起畜產(chǎn)品提供了可行之路。