全基因組選擇在豬育種上的研究進展

董航言，黃生強

（湖南農業大學動物科學技術學院，長沙 410128）

全基因組選擇在豬育種上的研究進展

董航言，黃生強*

（湖南農業大學動物科學技術學院，長沙 410128）

全基因組選擇(Genomic selection，GS)，即全基因組范圍內的標記輔助選擇(marker-assisted selection，MAS)。因其具有可縮短世代間隔，提高年遺傳進展；早期選擇準確率高；同時還能提高低遺傳力、難以測量性狀選擇效率等諸多優點，目前已成為動物遺傳育種領域的研究熱點。文內圍繞“什么是GS”、“為什么選用GS”以及“影響GS的因素”這3個方面全方位詮釋了GS。重點闡述了GS在豬育種中的應用現狀，并結合GS在奶牛上的成功應用，簡述了GS在豬育種上的展望。

全基因組選擇；SNP；GEBV；豬育種

自野生動物被馴化以來，科學家一直致力于提高畜禽育種值的研究。近半個世紀來，畜禽育種值估計的方法主要經歷了綜合選擇指數法、同期群體比較法、最佳線性無偏預測法(Best Linear Unbiased Prediction，BLUP)、分 子標記輔助選擇育種(MAS)以及近幾年快速發展的GS法[1]。同時，隨著高密度基因芯片的出現和高通量測序技術的快速發展，單核苷酸多態性(Single Nucleotide Polymorphism，SNP)分型成本快速下降，GS才逐漸引起畜禽界的關注[2]。特別是Schaeffer發現，在奶牛育種中利用GS比后裔測定可節約成本97%，且遺傳進展可提高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，實質為全基因組范圍的標記輔助選擇。其理論基礎是應用整個基因組的標記信息和各性狀值來估計每個標記或染色體片段的效應值，然后將效應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，彌補了在MAS中標記數量只能解釋一部分遺傳方差以及數量性狀位點(Quantitative Trait Locus，QTL)定位困難的缺點。其中心任務是提高GEBV值的準確性，并盡可能準確地估計每個標記的效應。而估計標記效應的方法在實際運用中以BLUP法為主[5]；Bayes法雖其準確性高于BLUP，但因其計算復雜，需在超級計算機上運行而限制其應用[6]。不過隨著快速算法的開發和計算機硬件的改進，Bayes法的運算效率有望提高。

1.2?為什么選用GS

1.2.1 GS的優勢

與MAS相比，GS的優勢主要表現在：

1）能對所有的遺傳和變異效應做出準確的估計。而MAS只能對部分遺傳變異進行檢測，且容易高估其遺傳效應[6]。

2）縮短世代間隔、提高畜禽年遺傳進展、降低生產成本等，這在需要后裔測定的家畜中尤為明顯。如GS給奶牛育種帶來了巨大經濟效益。

3）早期選擇準確率高。

另一方面，事實上，實運營開始網絡化，虛體驗逐步實體化，線上與線上的界限越來越模糊。豐富的線下資源，是潛在消費增量市場，而線上平臺的線下化，增強了平臺的滲透能力，獲得了巨大的增量消費群。

4）對于較難實施選擇的性狀具有重大影響。如低遺傳力性狀、難以測定的性狀等[8]。

5）GS在提高種群的遺傳進展前提下，還能降低群體的近交增量。

1.2.2 GS的可靠性

GS的關鍵便是對GEBV值做出可靠的評估[9]。VanRaden等人在北美荷斯坦奶牛群體中，比較產奶性狀、體型外貌性狀等27個經濟性狀，發現GEBV平均可靠性為0.37，而傳統育種值僅為0.19，相比可靠性提高95%。

Su等人比較丹麥荷斯坦奶牛18個重要經濟性狀，發現GEBV平均可靠性為0.55，而傳統育種值僅為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展，但仍受到許多因素的影響，這些因素主要包括：

1）標記類型和結構。標記類型主要包括微衛星和SNP 2種，但實際應用中以SNP標記為主。

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

3）資源參考群中的表型測定數。GS的準確性隨著表型測定數的增加而增加。

4）估計標記效應所記錄的表型世代數。對于低遺傳力性狀，記錄世代數越多，GS的準確性越高；但對于高遺傳力性狀，一般以2～3代為宜。

5）性狀的遺傳特性。一般認為GS選擇對低遺傳力性狀的選擇更有利。

6）資源參考群與預測群體的世代距離。GS在選擇3～4世代后必須重新估計標記效應，才能保持其長期優勢。

7）資源參考群與預測群體的遺傳距離。模擬研究結果顯示，當合并多個群體或品種的參考群為一個共同參考群時，GS的選擇準確性大大提高。

2??GS在豬育種上的應用

鑒于GS具有節約種畜生產成本并可縮短世代間隔等優勢，近幾年來，已成為遺傳育種領域的研究熱點。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個丹系杜洛克豬群體上的SNPs，評估了料重比中GEBV的準確性。他們得出，GEBV比基于血緣所得到EBV的準確性要高出許多。

2010年，丹麥丹育公司正式宣布啟動豬GS研究，主要針對低遺傳力、抗病性、飼料轉化率和肉質等難測定性狀進行選擇，并且該公司也專門對公豬膻味進行GS研究，以期能在2018年向消費者提供無膻味的公豬肉。

Hypor公司也已經開始嘗試應用GS對繁殖、肉質和抗病等性狀進行選擇，并于2012年6月15日，該公司報道已為客戶提供GS生產的種豬，進一步鞏固了其在豬育種界的領先地位。

2011年，溫氏集團作為我國最大的豬育種和肉豬生產公司，為了提高種豬的遺傳進展和其在行業中的競爭力，也開始進行了GS研究。主要對種豬的飼料利用率、肉質等性狀進行選擇。

2012年初，TOPIGS公司宣布開始在豬育種中采用GS，對公豬膻味、飼料轉化率等性狀進行選擇，以期改善豬的肉質，提高種豬競爭力。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選育的1頭杜洛克特級種公豬正在健康長大，并即將開始配種應用。

綜上所述，GS在豬育種上的應用仍處于起步階段，但隨著育種技術的不斷發展以及計算機水平的不斷進步，GS在豬育種上的應用也會日漸成熟。

3??GS在豬育種中的展望

3.1??前景

作為在傳統育種方法和MAS基礎上發展起來的新一代育種技術，GS實現了對候選個體從表型選擇到基因選擇的突破，解決動物個體肉質和抗性等性狀難以選育的技術障礙，還可實現低成本的早期選擇。如Lillehammer等[11]研究發現，對母豬進行GS能大大提高種豬的繁殖性能。

3.2?挑戰

GS在豬育種中同樣也面臨著諸多挑戰，主要表現在以下幾個方面。

首先，GS測序費用相對較高。我國多數小型企業在育種方面投資小，只能等基因芯片分型成本進一步降低，才能真正擴大GS的應用范圍。其次，GS需要對數萬個標記的效應進行估計，算法比較復雜，需要具備相關知識的技術人員才能進行該項工作。目前，計算機發展水平有限，在一定程度上限制了GS在育種中的發展和應用。再次，獲取GEBV的時間過長。從實驗開始之初，到最后獲得GEBV值的時間通常需要14周[12]。

3.3?建議

鑒于GS在奶牛上的成功應用，提出如下幾點建議。

首先，常規育種是GS能成功應用的基本前提。GS出現初期，人們在GS和常規育種兩者關系的認識上存在曲解。有人認為只要利用標記基因進行分子育種就不再需要傳統的常規育種，即該觀點是對常規育種的全盤否定。相反，GS并非對常規育種的全盤否定，而是以其為基礎進行的后續研究。因此，GS準確性的高低依賴于常規育種中測定數據的準確性。

其次，效仿奶牛業中所建的參考網群，不斷擴大群體規模，共享數據資源，提高GEBV值的準確性。2010年，歐洲4個育種組織共享了各自的參考群體，并加入歐洲基因組計劃，使得其參考群體規模快速擴大，達2.5萬頭驗證公牛[13]。當然，豬資源數據共享工作已初步開展，2001年，丹麥國家豬生產委員會與中國科學院北京基因組研究所的科研人員首次合作開展大規模豬基因組測序項目。

再次，有效并充分利用我國社會資源，構建國家級別豬育種平臺。該工作需要聯合我國豬育種專家、高校科研機構、優勢種豬企業、種豬中心測定站等，并在相關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用[J].廣東農業科學，2012（17）：106-109.

[2] 趙永聚，李堯鋒，郭剛，等.丹麥動物遺傳育種研究熱點[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.

[4] Meuwissen T H E，Hayes B J，Goddard M E.Prediction of total genetic value using genome—wide dense marker maps[J].Geneties，2001，157(4)：1819—1829.

[5] Tu L，Woolliams J A，Sigbjorn L.The accuracy of genomic selection in norwegian red cattle assessed by cross validation[J]. Geneties，2009，183(11)：1119-1126.

[6] 石玉珍，梁文帥，張哲，等.基因組選擇在家畜改良上的研究進展[J].現代畜牧獸醫，2014(5)：48-52.

[7] 馮春剛，胡曉湘，趙要風，等.全基因組選擇及其在動物育種中的應用[J].中國家禽，2008，30(22)：5-8.

[8] 李婭蘭，瞿浩，蘇國生，等. 畜禽基因組選擇的研究進展[J].中國畜牧獸醫，2010，37(11)：84-89.

[9] 劉天飛，瞿浩，王劫，等.家禽基因組選擇研究進展[J].中國家禽，2014，36(10)：2-5.

[10] Christensen O F， Madsen P， Nielsen B，et al.Single-step methods for genomic evaluation in pigs[J].Animal，2012（5）：1-7.

[11] Lillehammer M，Meuwissen T H E，Sonesson A K. Genomic selection for maternal traits in pigs[J]. U.S. National Library of Medicine，2011，89(12)：3908-3916.

[12] 黃九龍.在常規的育種方案中利用基因組選擇技術[J].豬與禽，2013，33(10)：39-42.

[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：分子數量遺傳學。E-mail：ythnnddhy@me.com

黃生強（1968-），男，副教授，博士，研究方向：豬分子遺傳育種。