全基因組選擇技術在牧場的應用

趙曉鐸，張鵬，呂昕哲，許詩凡，劉光磊,2

（1.上海奶牛育種中心有限公司，上海 201901；2.光明牧業有限公司，上海 201103）

隨著高通量的基因檢測技術的發展，基因組選擇技術給傳統奶牛育種體系帶來革命性變化。該方法利用基因芯片技術實現規模化的SNP 標記多態檢測，并基于各國積累的大量后裔測定遺傳評估結果，實現單個遺傳標記或多個遺傳標記構成單倍型的遺傳效應估計[1]。基因組選擇的方法僅利用新生后備牛的基因組選擇信息，即可實現動物個體的基因組育種值（GEBV）估計，據研究報道，其可靠性高于傳統的系譜選擇，可靠性最高可達75%左右[2]。基因組選擇策略目前實現了公牛的早期選擇，極大縮短了奶牛遺傳改良的世代間隔，節約了選育成本，提高了選育效率。目前該技術已在全球得到大規模應用，不光應用于公牛檢測，越來越多的牧場也開始將該技術應用于母牛群體。本文對基因組選擇技術的發展、遺傳進展進行了論述，并對牧場檢測的母牛頭胎305d產奶量、乳脂率、乳蛋白率等表型值與基因組檢測的產奶量、乳脂率、乳脂量、乳蛋白率、乳蛋白量等5個生產性能單性狀育種值進行分析，為基因組選擇在牧場的應用提供參考。

1 北美地區奶牛基因組選擇技術發展情況

北美地區在奶牛基因組選擇的研究與實踐方面發展迅速。由于美國和加拿大奶牛的遺傳聯系性較高，兩國聯合構建了荷斯坦驗證公牛資源群體，到2010年參考群體規模已經達到9 958頭公牛[3]，目前已達到18 000頭公牛以上[4]。

美國采用Illumina Bovine SNP50 芯片進行標記基因型檢測。標記基因型效應的估計采用傳統的BLUP 法和改進的Bayesian 法進行。基因組育種值( GEBV) 的計算同時考慮系譜信息與基因組預測信息，采用選擇指數法的原則進行合并[5]。在美國地區公布的基因組育種值結果中，各性狀基因組育種值的平均可靠性達50%以上，遠高于傳統父母均值的預測可靠性。2009年1月份，美國首次公開發布奶牛基因組選擇的評定結果，并且完全接納基因組信息作為官方種公牛評定發布的信息來源，即綜合傳統評定結果與GEBV 進行公牛排名。

加拿大奶牛基因組選擇項目由加拿大圭爾夫大學的家畜遺傳改良中心( CGIL) 、加拿大奶業網( CDN) 與美國相關機構合作同平臺開展。2009年8月份，加拿大首次公布其育種體系下的奶牛基因組選擇遺傳評估結果。對于青年公牛和青年母牛，加拿大公布的基因組育種值綜合考慮系譜信息與直接基因組評估值（Direct Genomic Value，DGV）性狀平均權重比例為35∶65，平均可靠性達60%；對于無后代女兒信息的成母牛綜合考慮傳統育種值（EBV）和DGV，性狀平均權重比例為45∶55，平均可靠性達70%；對于具有后代女兒信息的成年母牛和驗證公牛考慮EBV與DGV，性狀的平均權重比例為50∶50，平均可靠性達90%[6]。加拿大奶牛育種組織對于基因組育種值的應用相對謹慎，所發布的官方公牛排名仍使用傳統后裔測定育種值進行排序，僅對各公牛進行基因組育種值的標注。對母牛而言，加拿大官方同時公布傳統育種值排名及基因組育種值排名，以供參考。

2 北美地區基因組選擇技術對牛群取得的遺傳進展及檢測數量

加拿大荷斯坦協會按照母牛出生日期將母牛分為2004～2009年出生、2011～2016年出生兩個階段，其中2004～2009年出生的母牛未做過基因組選擇，2011～2016年出生的母牛都進行過基因組選擇。根據每年出生的母牛的平均育種值統計其遺傳進展，經過統計，2004～2009年出生的荷斯坦母牛的育種值遺傳進展為每年增加50點，2011～2016年出生的母牛育種值遺傳進展為每年增加107點，后者是前者的兩倍[7]。可以看出自從2010年實施基因組選擇技術后，所取得的效果非常顯著。

通過評估單性狀的遺傳進展可以看出基因組選擇在奶牛育種中的作用。表1顯示了2004～2009年各性狀獲得的遺傳進展與2011～2016年各性狀獲得的遺傳進展，結果表明，基因組選擇對所有性狀遺傳進展都有促進作用，尤其是遺傳力較低的功能性狀會有不錯的遺傳進展。在基因組選擇之前，大部分功能性狀進展緩慢或變化不大，像女兒懷孕率，遺傳力低，通過基因組選擇可以提高性狀遺傳評估的準確性[8]。基因組選擇最大的作用是提高了功能性狀的遺傳進展。對于脂肪量和蛋白量育種值，2011～2016年出生的母牛獲得了比2004～2009年出生的母牛多兩倍的進展。體型性狀，尤其是體軀容量和乳房性狀，是2004～2009年出生的母牛獲得的最高遺傳進展的性狀，但在2011～2016年出生的母牛中體型性狀遺傳進展更快。肢蹄性狀的遺傳進展在應用了基因組選擇后比之前提高了兩倍。肢蹄性狀是體型性狀中遺傳力最低的性狀，通過基因組選擇可以顯著增加肢蹄性狀的遺傳進展。

表1 加拿大2004～2009年和2011～2016年出生母牛各性狀育種值遺傳進展分析對比

表2 加拿大2004～2009年和2011～2016年出生母牛各表型值取得的遺傳進展對比

表1看出，通過基因組選擇，蛋白量遺傳進展B組是A組的兩倍。表2可以看出，A組母牛乳蛋白量5年間共增加11.8kg，每年約增加2.4kg，在B組，5年間乳蛋白量共增長24kg，即每年增長4.8kg。這意味著，在過去5年里，在管理水平不變的條件下，群體母牛305d乳蛋白產量平均每年可增加約5kg。

表1和表2可以看出，對無論是遺傳力高還是遺傳力低的性狀，基因組檢測取得的遺傳進展都比非基因組檢測母牛群體取得的遺傳進展更高，充分說明了基因組選擇在奶牛育種上的巨大作用。

表3 美國2018年12月份基因組公牛和后測公牛的各性狀遺傳均值

通過表3可以看出，公牛在基因組選擇上取得的進展比后裔測定公牛更快，取得的效果也更好。

截止到2018年12月23日，美國CDCB數據庫中的基因組選擇數據量已經達到2 850 434個，其中主要國家的檢測量如表4所示。

表4 主要國家基因組檢測公牛和母牛樣本數量

由表4可以看出，基因組選擇技術受到各個國家的認可和歡迎，截止到2018年12月23日，各國基因組檢測檢測母牛樣品達2 461 204個，其中美國基因組檢測母牛樣品2 136 643個，由此可見基因組選擇技術應用越來越普遍。但中國母牛檢測數量較少，僅有4 051個數據，基因組選擇技術在中國牧場應用還剛開始，未來還有非常大的應用空間。

3 基因組選擇技術在上海地區牧場的應用實踐

目前基因組檢測技術已經廣泛應用于上海地區牧場的公牛選擇，所有的公牛都經過基因組選擇，都有基因組成績。但是在2015年之前母牛基因組選擇一直比較緩慢，隨著參考群體的擴大，準確性的提高，越來越多的牧場開始應用基因組選擇作為牧場的管理工具。

為了驗證基因組檢測的效果，隨機挑選具有完整頭胎產量記錄的母牛91頭，對其進行基因組檢測，獲得了TPI育種值及各單性狀育種值，并對產量育種值和生產性能表型值之間的關系進行了分析。

由圖1可以看出，群體中TPI最高和TPI最低對產奶量沒有相關關系，因此制定育種目標不僅要看總育種值，更要關注單性狀育種值。

圖1 頭胎305d產奶量與TPI的關系

表5 產奶量育種值與頭胎305d產奶量的關系

圖2 頭胎305d產奶量與母牛育種值之間的關系

由表5、圖2可以看出，產奶量育種值對牧場產量呈正相關的關系，通過產奶量育種值這個性狀可以對母牛牛群的產量特別是犢牛的產量進行預測，產奶量育種值可靠性在70%～80%之間[9]。對犢牛進行基因組檢測可以根據產奶量育種值淘汰產量最低的25%的犢牛，進而加快遺傳進展。

圖4 乳蛋白率育種值與表型值的關系

圖5 乳脂量育種值與乳脂率表型值的關系

圖6 乳蛋白量育種值與乳蛋白率表型值的關系

由圖3～6可以看出，在不考慮牛群系譜是國產公牛還是進口公牛的前提下，牧場牛群乳脂率、乳蛋白率的表現與牛群的乳蛋白量、乳蛋白率、乳脂量、乳脂率4個性狀的育種值變化是相一致的。由此可以看出，若在犢牛時期對牛群進行基因組篩選，可以有效地將育種值表現差的牛進行提早淘汰，進而對牧場牛群選育取得更快的遺傳進展。

目前，牧場育種主要依靠公牛的遺傳基因，因此凍精的選擇對牧場非常重要，超過90%奶牛群體實現的遺傳進展都是由公牛選擇的結果，傳統上，通過母牛進行選擇的機會非常有限，這是由于母牛所有出生的后代比較少，只有在核心育種場，通過超數排卵、胚胎移植等技術才能使優秀母牛產生更多后代，才有機會對母牛進行選擇。隨著性控技術和基因組選擇技術的成熟，商業化牧場通過性控技術和基因組選擇技術可以為牧場獲得更大的經濟效益。一般后代小母牛得到的父母平均水平的可靠性在35%～40%之間。通過基因組選擇，這個可靠性水平大約可翻倍到70%[9]。通過性控凍精使牧場獲得更多的小母牛，通過基因組選擇對小母牛進行早期選擇，早期淘汰，將遺傳水平最低的25%的小母牛群體進行淘汰，會加快牧場遺傳進展。

通過試驗分析也可以看出，牧場通過基因組選擇對犢牛進行早期選擇，可以有效提高牧場的產量水平。在實施方案中，需要確定牧場重點選育方向，對重點性狀進行篩選，如果單純對總育種值進行篩選，反而達不到育種目標。