毛皮動物育種軟件應用現狀與展望

武曉宇 聶子涵 孫 鍇 樊 攀 劉志平

(東北林業大學野生動物與自然保護地學院，哈爾濱，150040)

我國珍貴毛皮動物養殖始于20世紀50年代，主要包括狐(Vulpes)、貂(Mustelavison)、貉(Nyctereutesprocyonoides)3大物種。在飼養范圍與規模上趕超芬蘭、丹麥和美國等主要養殖國，雖已成為毛皮動物飼養大國，但卻非強國[1]。我國毛皮動物行業存在品種落后、種源退化、重復引種等問題，所產皮張質量同國外相比還有差距，價格僅為國外同類產品的40%—70%[2]。傳統育種方式已無法滿足當今國際毛皮行業快速發展的需求，育種軟件的研發與應用為行業發展帶來更加廣闊的空間。

軟件研發一般要經歷需求分析、功能設計、程序編碼等流程，育種軟件即通過某一程序語言設計出以遺傳學理論、生產經驗為依據的各種應用模塊，使育種方法得到更好運用。從數據資料管理、簡單數值計算、遺傳評估、計算機模擬、專家系統、再到網絡技術的應用，動物育種軟件的應用方面日漸多樣化。目前，畜禽領域的研究相對成熟，而毛皮動物領域尚為缺乏。本文結合毛皮動物自身特點和畜禽領域先進經驗，就毛皮動物育種軟件的應用予以論證和分析，以期能為育種軟件在毛皮動物中的應用提供參考。

1 動物育種軟件的應用現狀

1.1 育種資料管理

數據庫技術是計算機存儲資料和處理數據的核心，1969年美國IBM公司研發了層次模型數據庫管理系統IMS，是數據庫發展史上邁出的第一步。20世紀70年代初，E.F.Codd提出關系數據庫模型概念，當時在理論和實踐方面都得到了顯著發展[3]，并提出用于操控關系表數據的DSL/Alpha語言，后來IBM公司創建了DSL/Alpha簡化版本，最終命名為SQL[4]。數據庫技術的應用更好地保護了動物遺傳資源，且便于育種中運用大量繁殖資料進行遺傳評估等統計分析工作。

1.1.1 遺傳資源管理

遺傳資源又稱種質資源，豐富全面的遺傳資源儲備，是培育高品質、適應性強、滿足人類需求品種的物質基礎[5]。在養殖業不斷追求生產性能和經濟效益的大環境下，一些具有優良特性的地方品種資源數正在減少，個別品種已處于瀕危或瀕臨滅絕狀態[6]，為維護畜牧業持續發展，遺傳資源管理變得尤為重要。

遺傳資源數據庫可保存并檢索大量資源品種常規描述、定性、定量和分子信息等[7]，聯合國糧農組織開發和維護的家畜多樣性信息系統(DAD-IS)記錄約8 800個品種資源信息，是世界上迄今為止家畜遺傳資源信息量最大的數據庫[8]。蘇勝彥等[7]建立的畜禽種質資源數據庫和霍蔚然等[9]研發的中國鴨遺傳資源信息系統，有較完整的快速查詢功能，為遺傳資源的保護和持續利用提供重要依據。

毛皮動物方面，中國農業科學院特產研究所楊福合主持建成國內首個完善特種經濟動物種質資源數據庫和信息檢索系統，也是目前世界上最大的特種經濟動物基因庫，涵蓋特種經濟動物種質資源509個品種(類型)，補充了國內外研究空白[10]。

1.1.2 數據資料管理

數據庫技術的應用取代了動物育種中工作量大、內容繁雜、難以查詢及保存的手工記錄方式，便于育種資料的存儲、分析、歸納和檢索。現有的數據管理系統多是以二維表的形式組織各種數據的關系型數據庫，表與表之間存在復雜關聯性，可準確提取所需信息。

Belanche等[11]研究如何運用Eskardillo軟件改善農場管理，Eskardillo能詳細記錄生產繁殖等相關資料外，還能顯著提高山羊產奶量。劉宗萌[12]和楊朝武等[13]分別研發了家禽育種數據庫軟件和優質肉雞育種信息智能化管理與分析系統，使育種信息的采集、管理和分析更加精準化、智能化。

毛皮動物中，芬蘭的Sampo種獸計算及育種軟件最具代表性，可輔助養殖者填寫動物ID卡片、儲存并更新最新繁殖數據，及時掌握變化動態[14-15]。聶春雨等[16-17]建立的狐貍和水貂兩套養殖場生產管理信息系統，同樣具有儲存、修改和查詢等功能。

1.2 遺傳評估系統

遺傳評估系統已被廣泛用于遺傳參數與育種值估計、近交分析、親緣關系計算等方面，軟件的應用提高了動物育種的準確性和效率，指導選種選配、品系培育等工作，加速動物育種進程。

遺傳參數估計是動物育種基礎工作之一，是制訂育種計劃、了解數量性狀遺傳機制等不可或缺的，也是估計育種值所必需的。估計育種值是種用動物選擇最主要的依據，育種值準確性直接關系畜群遺傳進展[18]。根據動物性能測定進行個體育種值的估計，再進一步評價其種用價值是現代遺傳育種理論和實踐的重要內容[19]。估計育種值的方法中，20世紀50年代初由美國學者Henderson提出的BLUP法(最佳線性無偏差估計法)應用最廣泛，但由于計算工具限制，其應用推遲20年，1973年他系統地闡述了BLUP法的理論和應用。BLUP法普及前，選擇指數法較為常用，但其實際應用與理論預期效果相差可能較大，應用十分復雜。70年代后，BLUP法成功用于種公牛選種，此后又普遍用于豬、羊、馬等領域[20]。

Rutten等[21]提出能預測傳統家畜選擇反應和近交率的SelAction軟件。后有研究證明基因組預測可加強育種結果準確性，但當時沒有實現該理論的軟件。Su等[22]填補了這一空白，在SelAction基礎上提出一個擴展計算機程序，可用于養殖者育種方案的比較替代和包括基因組信息的育種計劃的投資決策。雒鳴峰等[23]研發的BLUP、VCCE軟件和唐臻欽[24]建立的AMBLUP、SMBLUP軟件，基本滿足了BLUP法的使用需求。此外，用于育種值估計軟件還有DMU[25]、GBS[26]、PEST、MTEBV等。

除學術研究外，英國VSN International公司開發的ASReml線性模型分析軟件，基本能解決GBLUP方法在基因組選擇應用中的所有問題，在分子育種領域潛力巨大。美國S&S Programming公司建立的Herdsman軟件，能進行純種豬和雜交品種豬遺傳評估[19]。南京豐頓科技股份有限公司、南京科群公司分別研發的奶牛等動物遺傳評估與服務平臺和家畜育種數據分析軟件，助力動物養殖業現代化發展。

毛皮動物中，Sampo軟件運用BLUP模型計算動物個體自身育種值和后代育種值等遺傳指數[27]，還可確認母獸和預留種獸ID不重復、排除交配者間的近親關系[28]。丹麥Mor Winmink系統根據水貂系譜和主要生產性能記錄等，可估計育種值、防止近交。郭春來[29]構建的狐繁育系統與韋冰等[30-31]研發的狐貍養殖信息管理系統、銀狐核心群育種管理系統，均能杜絕近交，保障毛皮質量。

1.3 計算機模擬研究

計算機模擬技術幫助理解復雜的遺傳進程，根據自主需求設計研究范圍與參數，可獲得幾百、幾千種虛擬育種結果和方案，預測未來育種和保種效果。解決了可能配種組合數量較多的困難，不受時間、空間限制，減少成本投入，并有效避免了選擇和近交對遺傳進展、育種值準確性的影響。

1.3.1 育種方案研究

借助計算機仿真育種過程，通過改變育種中所涉及的各項參數，比較不同育種方案效果，從而優化育種方案[32]。

20世紀70年代日本學者利用模擬程序，獲得使奶牛年產奶量達遺傳進展最優化的育種制度[33]。在Hoban等[34]的概述中，涉及了模擬技術在估計親緣系數、基因組選擇等動物育種方面的應用。Faux等[35]研制的AlphaSim軟件，具有高度仿真靈活性，運用模擬技術制定、優化育種策略。徐凌洋等[36]設計開發了聚合模擬育種統計分析方法和相應軟件，指導雜交育種方案和選擇策略。王景霖[37]利用OMSim(1.0)軟件模擬3種基因組育種值估計方法對兩個性狀在不同SNP標記密度、不同群體規模下的育種值準確度、選擇持續性的影響。Lu等[38]運用模擬技術比較性狀遺傳力、QTL方差對標記輔助BLUP選擇效果的影響。

1.3.2 保種進程研究

計算機模擬技術在動物保種進程的研究主要圍繞影響群體遺傳結構的幾大因素進行。

吳克亮等[39]運用Monte Carlo模擬程序建立多種基因效應模型，研究選擇、群體有效含量、性狀遺傳力水平等多參數組合對保種效果的影響。芒來[40]建立數學模型分析畜禽保種群體遺傳結構變化規律，并利用Monte Carlo模擬程序驗證模型的正確性和可行性。Gómez-Romano等[41]建立計算機模擬程序研究不同SNP標記密度、群體規模條件下保種群遺傳多樣性的效果。魯云風等[42]依據微衛星標記特點并運用群體遺傳學知識，自行編寫模擬程序，為畜禽保種群體遺傳多樣性最大化方案的制訂提供依據。

隨著科技發展與創新，計算機模擬已成為野生物種保護與管理的重要工具[43]，用于野生動物保護方案的制訂。專家認為人工參與野生動物繁育有益于物種保護，能緩解野生動物瀕危滅絕的危機[44]。計算機模擬技術若用于毛皮動物領域，將有助于加速育種和保種進程，實現優質毛皮品種的培育和保護。

1.4 育種專家系統

專家系統多以某領域專家的理論知識和實踐經驗為依據，使計算機盡可能模擬人類專家給予決策支持。近年來專家系統成功用于多領域之中，更側重實際應用發展。專家系統需定時更新專業知識和生產經驗，不斷強化并完善其推理機制。

國內外畜禽養殖業專家系統的研究多集中于牛、羊領域，Hochman等[45]研發肉牛養殖專家系統后，Hochman等[46]又與他人合作開發X-Breed系統，利用黑板架構集成肉牛育種知識系統，在實際生產中應用效果更好、針對性更強。Pellerin等[47]開發的LAIT XPERT VACHES系統，可用于奶牛生產、繁殖等方面的計算，還可研究生產中所存在問題的原因。王申康[48]建立的生物遺傳育種專家系統，根據專家經驗和遺傳規律組成遺傳智能模型，可模擬雜交育種過程，減少試驗一些低劣組合的人力、物力，協助選配。楊國鋒[49]建立了現代肉羊生產專家系統，可進行遺傳育種、繁殖等模塊咨詢，具有使用快捷和可靠性強等優點。

專家系統在特種經濟動物領域中的研究成果還不顯著，現有小型專家系統用于經濟動物識別，但并不成熟。

1.5 網絡信息的傳遞與共享

網絡技術在畜牧業的應用加快了信息利用率、共享率和反饋效率，更具時效性、全面性和規范性，推動畜牧業信息化進程，為畜牧業發展升級和經濟效益提高帶來新動力。

美國畜牧信息數據庫系統，信息能通過網絡及時傳送，各地政府、研究所、大學和企業等都可隨時隨地查詢[50]。韓靜[51]建立的黑龍江省紅星農場畜牧管理信息系統和楊亮等[52]開發的山黑豬繁殖數據網絡數據庫平臺，通過網絡數據庫技術實現信息共享和數據庫動態更新，提高了繁育效率和遺傳進展。楊亮等[53]建立的規模化奶牛場數字化網絡管理平臺，可對生產數據進行管理、挖掘和分析，更利于管理者作出科學決策。

聯合育種已成為世界畜牧業發達國家的共同經驗[54-56]，是現代育種發展的必然趨勢。通過種畜(尤其是種公畜)跨場、跨地區乃至全國性聯合遺傳評估，共享優秀遺傳資源[57]，可加快動物群體遺傳改良、提高育種效益[58]。美國種豬登記協會(NSR)通過種豬性能測定和遺傳評估系統(STAGES)進行聯合育種，所有評估信息可直接在網站獲取[59]。錢蓉等[60]構建基于Web的豬育種管理系統，具有專家評估功能和豬性狀優良庫，促進了場內種豬選育和區域聯合育種。山東、上海、河北、廣西等地建立省級種豬遺傳評估信息平臺，推動了區域內生豬聯合育種，已取得不錯成效[59]。

在毛皮動物中，中國農業科學院特產研究所吳瓊等[61]研發的特種經濟動物品種資源數據庫信息共享網絡和余溢[62]建立的遼寧貂狐貉養殖及野生動物養殖數據庫，運用網絡數據庫的共享性、及時性，為養殖者提供便利。“狐聯網”是國內首個專門服務狐、貂、貉養殖業的綜合性信息互聯網平臺，提供快捷、權威、全面的信息化服務，提高了行業運作效率。

芬蘭曾提出類似聯合育種的概念——狐場聯營，通過合作經營充分利用優質種公獸，節約育種成本，且共用種公獸的飼養場間有基因關聯，具有相同遺傳資源的子代數量大幅增加，子代評估準確性提高，加快選育進程[63]。韋冰等[30-31]基于.NET開發的狐貍養殖信息管理系統和銀狐核心群育種管理系統實現了狐養殖信息網絡管理，為聯合育種的發展奠定基礎。近幾年，圖強林業局和東北農業大學動物生命學院合作，對“高寒型大興安嶺北極藍狐”聯合育種工作進行探索。

2 毛皮動物育種軟件的應用對策與展望

在我國，毛皮動物養殖是一個自發的無序產業，從業者多數為廣大農牧民。起步晚、綜合型技術人才匱乏是現實，加之養殖者對先進技術的認知偏差，目前使用軟件育種似乎并不現實，但就未來集約化、現代化的發展趨勢而言，必須作出改變，否則將面臨淘汰。

2.1 對策

與毛皮動物養殖發達國家相比，我國在使用計算機技術的研發與應用方面還存在一定差距，多數毛皮動物育種軟件所涉及的主要功能集中于數據存儲、管理和簡單統計分析等方面，而育種數據的智能化分析、應用及網絡共享等相對欠缺，因此不能滿足毛皮動物養殖規模化生產的需求。針對我國以上現實情況，為使育種軟件盡快在毛皮動物中得到切實的應用，其研發與應用需著重以下幾方面：

第一，跟蹤、引進、借鑒國外先進技術。

第二，增加科技投入，注重人才培養，提高養殖者科學素質，普及計算機與網絡應用技術。

第三，鼓勵、加強有針對性的育種軟件開發與應用，尤其在育種數據的智能化分析、應用及網絡共享等領域，跟上時代發展的步伐。

2.2 未來展望

毛皮動物由于其生物學特性，決定了與家畜家禽有許多不同之處，如：每年只繁殖1次且在固定的季節(春季)；自發地一次性排卵(狐、貉)和相繼的假妊娠、刺激性排卵(水貂)等；在產品方面除了生長主要考慮的是毛皮質量(皮張尺碼，毛長度、密度、色澤等)。這些要素許多與遺傳相關，在育種軟件開發時必須考慮在內，需要逐步建立新的更適用于毛皮動物特性的遺傳評估系統。

隨著分子生物學研究的不斷深入和發展，今后在數據庫系統的研究方面，應注重基因組數據庫、核酸數據庫、蛋白質序列數據庫等分子生物學數據庫的開發與應用，使大量的生物信息得以儲存、分析與運用，不斷擴增保護毛皮動物品種資源的途徑和方法，為超級品種的培育提供扎實的信息基礎。

相對于育種周期長、飼養成本高的毛皮動物而言，計算機模擬技術有必要作為未來育種研究中的重要內容之一，這不僅能促進育種計劃的優化和優良品種資源的保護，還能節約經費。

專家系統作為人工智能領域的研究熱點，未來的發展空間難以估計，結合毛皮動物自身特點的育種專家系統的研發與應用可為毛皮動物養殖業的生產管理帶來許多便利，如給出育種方案、優化育種方法、縮短育種周期、節約育種經費等。

網絡信息技術作為新興熱點，其應用使毛皮動物養殖業的發展更加趨向市場化、信息化，今后還需深入開發滿足實際需求的信息服務功能，并不斷加強網絡信息平臺的構建。充分發揮互聯網在生產要素配置中的優化和集成作用，將互聯網的創新成果與特種經濟動物行業深度融合[64]。未來毛皮行業的可持續發展，必將結合網絡信息技術，朝著共享育種資源、開展協作育種、實現合作共贏方向邁進。

3 結語

隨著社會發展和對高品質毛皮的需求，毛皮行業的競爭會愈發激烈，若想在國際市場上占據一席之地，必須要學會接納并運用先進技術。育種軟件的應用既能提高育種工作的準確性、可靠性，又能促進品種生產性能的提升，當前育種軟件已在世界范圍內被廣泛的應用于畜禽飼養領域，對毛皮動物而言，除了借鑒畜禽的經驗外，還需加大力度開發適用于自身的育種軟件。2018年我國成立了國家特種經濟動物科技創新聯盟，為促進毛皮產業的深入發展凝聚了更具優勢的科研力量和更加先進的核心科技資源。相信在未來的毛皮動物養殖領域，育種軟件的應用，將有助于解決我國種源依賴進口、皮張質量差等難題，使毛皮動物養殖業逐步走向科學化、簡單化、全民化的可持續發展道路。