豬精液性狀的遺傳參數(shù)估計(jì)

洪一峰 ，張 恒，談 成，董林松，李婭蘭，葉 健，蔡更元,，吳珍芳,，李紫聰,*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510642；2.溫氏食品集團(tuán)股份有限公司，廣東新興 527439）

人工授精技術(shù)的發(fā)展給養(yǎng)豬業(yè)帶來翻天覆地的變化，其不僅滿足了現(xiàn)代豬業(yè)批次化管理進(jìn)程，還能使優(yōu)良基因得以迅速普及，加快豬的遺傳進(jìn)展。精液中精子的質(zhì)量與數(shù)量直接影響公豬站的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，高質(zhì)量的公豬和精液可以決定該公豬站在市場(chǎng)上的主導(dǎo)地位。對(duì)公豬精液性狀進(jìn)行選擇，可以提高母豬的產(chǎn)仔性能，增強(qiáng)乳豬的生存能力，并減少飼養(yǎng)員的采精次數(shù)。為制定有效的精液性狀選擇方案，需對(duì)精液性狀的遺傳參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。迄今為止，只有少數(shù)研究估計(jì)了豬精液性狀的遺傳參數(shù)。本研究旨在通過對(duì)我國(guó)南方種豬精液的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，估計(jì)精液性狀的遺傳參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 研究數(shù)據(jù)主要來自溫氏食品集團(tuán)股份有限公司下屬某核心種豬場(chǎng)，研究品種有杜洛克、長(zhǎng)白、大白、皮特蘭4 個(gè)品種，收集1999—2018 年近20 年的采精記錄，用于遺傳參數(shù)估計(jì)。其中，精液性狀主要包括精液體積（Semen Volume，VOL）、精子活力（Sperm Motility，MOT）、精子密度（Sperm Concentration，DEN）和精子畸形率（Percentage of Abnormal Sperm，ABN）。

1.2 表型的測(cè)定與處理 精液體積測(cè)量是對(duì)每一次射精的稱重（假設(shè)1 g 精液等于1 mL 精液）。精子活力、精子密度和精子畸形率是通過使用亞衛(wèi)彩色精子檢測(cè)分析系統(tǒng)（YY-9000 型）對(duì)新鮮精液進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)Marques 等[1]和Wang 等[2]的研究，結(jié)合自身數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了以下處理：①剔除采精次數(shù)小于等于10 次的公豬樣本；②挑選公豬年齡在220～900 d 的測(cè)定記錄；③剔除兩次采精時(shí)間間隔大于60 d 的測(cè)定記錄；④剔除一次射精量≤50 mL 的測(cè)定記錄；⑤將一次射精量大于800 mL 的測(cè)定記錄改為800 mL。經(jīng)過原始數(shù)據(jù)質(zhì)控，每個(gè)品種的公豬及射精記錄如表1 所示，其中，大白豬總測(cè)定記錄最多，皮特蘭豬總測(cè)定記錄最少。

表1 各品種及豬記錄數(shù)量描述性統(tǒng)計(jì)

各個(gè)性狀的描述性統(tǒng)計(jì)如表2 所示，其中，每個(gè)品種的系譜追溯3 代，共計(jì)31 506 頭。可以明顯看出4個(gè)品種射精體積量存在差異，大白豬的平均射精體積最高，杜洛克的平均射精體積最低，然而精子活力、精子密度和精子畸形率在4 個(gè)品種中無明顯差異。

表2 各品種各性狀描述性統(tǒng)計(jì)

1.3 參數(shù)估計(jì)方法 方差組分采用BLUPF90 軟件包中的airemlf 90 程序進(jìn)行估計(jì)。利用單性狀重復(fù)力模型估計(jì)精液體積、精子活力、精子密度和精子畸形率4 個(gè)性狀的方差組分和遺傳力，具體模型如下：其中，y 為個(gè)體的觀察值；b 是固定效應(yīng)，主要包括（場(chǎng)）年月效應(yīng)、時(shí)間間隔效應(yīng)、年齡效應(yīng)、品種效應(yīng)；a 表示個(gè)體的加性遺傳效應(yīng)（即個(gè)體育種值）；t 是永久環(huán)境效應(yīng)；e 是殘差效應(yīng)；a、t 和e 為隨機(jī)效應(yīng)；X、Z、W 分別為b、a、t 的關(guān)聯(lián)矩陣；A 為基于系譜信息的分子親緣關(guān)系矩陣；I 為單位矩陣；為加性遺傳方差；為永久環(huán)境效應(yīng)方差；為殘差方差。

表型遺傳方差（）、遺傳力（h2）、重復(fù)力（Re）的計(jì)算公式如下：

表型和遺傳相關(guān)的計(jì)算方法如下：

采用雙變量動(dòng)物模型分別計(jì)算精液體積、精子活力、精子密度和精子畸形率之間的遺傳相關(guān)，使用BLUPF90 軟件包中的airemlf90 程序來計(jì)算出2 個(gè)性狀之間的方差及協(xié)方差組分。模型如下：

其中，yi表示第i 個(gè)性狀的個(gè)體觀察值；bi是第i 個(gè)性狀的固定效應(yīng)，主要包括（場(chǎng)）年月效應(yīng)、時(shí)間間隔效應(yīng)、年齡效應(yīng)、品種效應(yīng)；ai表示第i 個(gè)性狀的個(gè)體加性遺傳效應(yīng)（即個(gè)體育種值）；ti是第i 個(gè)性狀的永久環(huán)境效應(yīng)；ei是第i 個(gè)性狀的殘差效應(yīng)；ai、ti和ei為隨機(jī)效應(yīng)，Xi、Zi、Wi分別為bi、ai、ti的關(guān)聯(lián)矩陣；A 為基于系譜信息的分子親緣關(guān)系矩陣；I 為單位矩陣；為第i個(gè)性狀的加性遺傳方差；為第i 個(gè)性狀的永久環(huán)境效應(yīng)方差；為第i 個(gè)性狀的殘差方差；σa12為性狀1 與性狀2 的加性效應(yīng)的協(xié)方差；σt12為性狀1 與性狀2 的永久環(huán)境效應(yīng)的協(xié)方差；σe12為性狀1 與性狀2 的殘差效應(yīng)的協(xié)方差。

遺傳相關(guān)與表型相關(guān)計(jì)算公式如下：

若AIREML 不能收斂，則添加參數(shù)“OPTION EM-REML 10”使前10 次迭代中使用EM-REML 算法。

2 結(jié)果

各精液性狀的加性效應(yīng)方差、永久環(huán)境效應(yīng)方差、隨機(jī)殘差、表型方差、遺傳力與重復(fù)力如表3 所示。通過計(jì)算可得精液體積、精子活力、精子密度、精子畸形率4 個(gè)性狀的遺傳力分別為0.29、0.10、0.16、0.15，重復(fù)力分別為0.47、0.42、0.36、0.50。精液體積為中遺傳力性狀，精子密度與精子畸形率為中等偏低遺傳力性狀，精子活力為低遺傳力性狀。這4 個(gè)性狀均為中等重復(fù)力性狀。

表3 4 個(gè)精液性狀方差組分和遺傳力估計(jì)

由表4 可知，精子活力與精子畸形率表型相關(guān)為-0.712，遺傳相關(guān)為-0.826，兩者之間具有強(qiáng)負(fù)相關(guān)；精液體積與精子密度表型相關(guān)為-0.236，遺傳相關(guān)為-0.389，兩者之間具有較強(qiáng)負(fù)相關(guān)；精液體積與精子畸形率遺傳相關(guān)為-0.171，兩者之間具有弱負(fù)相關(guān)；其余性狀間均為無明顯遺傳相關(guān)。

表4 各精液性狀的遺傳相關(guān)與表型相關(guān)

3 討 論

精液的質(zhì)量和數(shù)量在豬育種和生產(chǎn)中起著重要的作用，精液質(zhì)量差是種公豬被淘汰的主要原因之一。種公豬的選育不僅要考慮生長(zhǎng)性狀，還要考慮精液性狀，因此，對(duì)公豬精液進(jìn)行遺傳參數(shù)估計(jì)十分重要，現(xiàn)階段通用的遺傳參數(shù)有遺傳力、重復(fù)力、遺傳相關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，公豬精液體積的遺傳力為0.29，屬于中遺傳力性狀，精子活力的遺傳力為0.10，屬于低遺傳力性狀，精子密度與精子畸形率的遺傳力分別為0.16、0.15，屬于中等偏低遺傳力性狀。Wolf[3-4]運(yùn)用重復(fù)力動(dòng)物模型得出精液體積、精子活力、精子密度、精子畸形率的遺傳力分別為0.28、0.05、0.20、0.15，與本研究結(jié)果基本相似。Diniz[5]報(bào)道大白豬精子活力遺傳力為0.11～0.14。Smital[6]報(bào)道精子畸形率遺傳力為0.34。運(yùn)用不同的數(shù)學(xué)模型會(huì)得出不同的結(jié)果。本研究運(yùn)用重復(fù)力模型，根據(jù)公豬采精時(shí)間、公豬兩次采精時(shí)間間隔以及公豬年齡進(jìn)行分組作為固定效應(yīng)[7]。其他分析數(shù)據(jù)的方法還有雙性狀動(dòng)物模型以及隨機(jī)回歸模型，雙性狀動(dòng)物模型將單一性狀分為2 個(gè)性狀，例如將精液體積性狀分為精液體積平均值性狀與精液體積變異系數(shù)性狀，通過雙性狀動(dòng)物模型來計(jì)算精液體積性狀的遺傳力，該方法操作起來簡(jiǎn)單易懂，然而會(huì)丟失每次精液體積的記錄信息。隨機(jī)回歸模型提供了一種分析隨時(shí)間變化的方差成分的方法，將加性遺傳方差與永久環(huán)境效應(yīng)分別建立時(shí)間函數(shù)進(jìn)行分析[8]。根據(jù)Wolf[3]的研究，與隨機(jī)回歸模型相比，重復(fù)力模型所需要的參數(shù)更少，但重復(fù)力模型無法體現(xiàn)時(shí)間上的差異。

個(gè)體的永久環(huán)境效應(yīng)代表了環(huán)境因素和非加性遺傳效應(yīng)，是個(gè)體所特有的并終生影響個(gè)體的生產(chǎn)性能。因此個(gè)體的育種值和永久環(huán)境效應(yīng)的和被稱為潛在生產(chǎn)力。精液性狀的重復(fù)力相對(duì)較高，由此啟發(fā)，可以通過提高飼養(yǎng)管理水平等提高豬的成績(jī)。

根據(jù)公豬精液各性狀的遺傳相關(guān)估計(jì)值，可以得出精子活力與精子畸形率存在強(qiáng)負(fù)遺傳相關(guān)（-0.826），因此可以在提高精子活力的同時(shí)降低精子畸形率。Li[2]運(yùn)用重復(fù)力模型對(duì)杜洛克、大白、長(zhǎng)白群體進(jìn)行精液性狀遺傳參數(shù)估計(jì)，3 個(gè)群體中精子活力與精子密度的遺傳相關(guān)為0.13、-0.38、-0.05，表型相關(guān)為0.91、0.45、0.30。精子活力與精子密度的遺傳相關(guān)低，甚至是弱負(fù)相關(guān)，表型相關(guān)卻很高。然而本研究數(shù)據(jù)集中，精子活力與精子密度遺傳相關(guān)與表型相關(guān)均很低，這說明不同數(shù)據(jù)集會(huì)得出截然不同的結(jié)果。

精子在產(chǎn)生的過程中受環(huán)境因素影響，由于季節(jié)、光周期、溫度與濕度等因素的不同而對(duì)精液質(zhì)量造成不同程度的影響，我國(guó)南方豬場(chǎng)雖然有一些現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)，但公豬精液性狀仍受強(qiáng)烈的環(huán)境影響[9-10]。這種影響與野生豬是一致的。據(jù)Chemineau[11]等研究，大多數(shù)中緯度和高緯度地區(qū)的家畜物種在繁殖現(xiàn)象上與野生動(dòng)物一樣存在季節(jié)變化。對(duì)于精液性狀例如精液體積、精子活力與精子密度，較適宜的季節(jié)為冬季和春季。公豬的采精頻率也是影響精液質(zhì)量的主要因素，兩次采精間隔過長(zhǎng)或過短均不利于精液的質(zhì)量，本研究數(shù)據(jù)集表明，公豬間隔6 d 即可進(jìn)行再次采精，并具有較強(qiáng)的精子活力。這些研究結(jié)果為我國(guó)南方公豬的環(huán)境控制和管理提供了一定的參考，有利于進(jìn)一步提高精液的數(shù)量和質(zhì)量。

4 結(jié) 論

本研究獲得遺傳力和遺傳相關(guān)等估計(jì)結(jié)果，為我國(guó)（尤其是南方）選擇精液性狀提供有效信息。根據(jù)遺傳力估計(jì)結(jié)果對(duì)精液性狀進(jìn)行選擇可以加快遺傳進(jìn)展。由于精液性狀為有限性別性狀，導(dǎo)致基于表型信息的傳統(tǒng)選擇策略的效率有限，因此，基因組選擇的優(yōu)勢(shì)可體現(xiàn)出來。基因組選擇可校正系譜、提供個(gè)體間更準(zhǔn)確的分子親緣關(guān)系矩陣，進(jìn)而更好的估計(jì)精液性狀的遺傳參數(shù)。