全基因組選擇在豬育種中的研究進(jìn)展

宋志芳，曹洪戰(zhàn)，2*，蘆春蓮，2

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，河北??保定??071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)豬業(yè)科學(xué)研究所，河北??保定??071000）

全基因組選擇在豬育種中的研究進(jìn)展

宋志芳1，曹洪戰(zhàn)1，2*，蘆春蓮1，2

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，河北??保定??071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)豬業(yè)科學(xué)研究所，河北??保定??071000）

目前，隨著分子生物學(xué)技術(shù)和遺傳學(xué)的不斷發(fā)展，動物育種方法從傳統(tǒng)的數(shù)量評估方法，逐漸向全基因組選擇法評估育種值轉(zhuǎn)變。全基因組選擇是動物育種的一次革命，利用全基因組遺傳標(biāo)記信息對個體進(jìn)行遺傳評估，能大大縮短育種間隔，提高遺傳進(jìn)展，已然成為動物育種研究的熱點(diǎn)。該文主要對全基因組選擇在動物育種中的應(yīng)用及展望做一個簡述。

全基因組選擇；動物育種；單核苷酸多態(tài)性；數(shù)量性狀位點(diǎn)

中國擁有豐富的地方豬種資源，據(jù)2012年最新統(tǒng)計(jì)，中國擁有地方豬品種88個。地方豬具有其天然優(yōu)勢，比如耐粗飼、繁殖力高、肉質(zhì)好等，所具有的優(yōu)點(diǎn)是無可替代、獨(dú)一無二的［1］。我國是世界上的養(yǎng)豬大國，有著悠久的歷史，同時也是種豬的進(jìn)口大國，進(jìn)口國外優(yōu)良高品質(zhì)的種豬，新美系杜洛克，丹麥的長白豬、英國的大白豬等。這種長期依賴進(jìn)口的根本原因是我國缺乏相關(guān)的育種技術(shù)和人才。隨著人們生活水平的不斷提高和消費(fèi)觀念的改變，對豬肉的需求也從脂肪型豬向瘦肉型豬轉(zhuǎn)變，對肉質(zhì)提出了更高的要求。市場的需求就是豬育種應(yīng)該努力的方向。我們應(yīng)該充分利用我國豐富的地方豬種資源，采取更有效的措施進(jìn)行保種和育種工作。傳統(tǒng)的育種方法周期較長，消耗大量的人力、物力和財(cái)力，短期內(nèi)很難完成優(yōu)良品種的培育，而且保持優(yōu)良品種的優(yōu)良特性也比較困難。

1　動物育種值估計(jì)方法的歷史

在20世紀(jì)70年代，選擇指數(shù)法被廣泛應(yīng)用于各種家畜的個體遺傳評定，包含了單性狀和多性狀、單信息和多信息等各種情況，在理論上，它的理論比較完善，選擇效率也相對較高。但是在實(shí)際動物育種過程中，選擇指數(shù)法很難達(dá)到理論上的預(yù)期效果，有時差異很大。因?yàn)樗斜容^嚴(yán)格的應(yīng)用前提條件，因而也存在著缺陷。如果實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足前提條件，在雞、豬等的場內(nèi)遺傳評估中，利用選擇指數(shù)也能夠得到較好的選擇效果。自20世紀(jì)80年代以來，隨著數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)，特別是線性模型理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，動物育種值的估計(jì)方法也從根本上發(fā)生了變化。美國育種學(xué)家C.R.Henderson等人發(fā)展起來的BLUP（最佳線性無偏估計(jì)）使得動物遺傳育種的理論與實(shí)踐進(jìn)入了一個新階段，是估計(jì)育種值的可靠方法。BLUP在本質(zhì)上就是選擇指數(shù)的擴(kuò)展，既可以估計(jì)育種值又可以估計(jì)和校正系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)，從而提高估計(jì)的準(zhǔn)確性［2］。但是應(yīng)用這個方法有一個基本假設(shè)：在不影響觀察值的系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)或者這些效應(yīng)是已知的，從而可以對觀察值進(jìn)行校正。即使基本假設(shè)不成立，它的估計(jì)值也是理想的。由于計(jì)算技術(shù)的限制，1948年Henderson提出時，并未真正運(yùn)用到育種實(shí)踐中去。到了20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，能夠處理大量數(shù)據(jù)，使得這一方法得以運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)。利用BLUP法估計(jì)動物的育種值逐漸得到普及和應(yīng)用，已經(jīng)成為世界各國家畜評定的規(guī)范方法。

2　數(shù)量性狀位點(diǎn)與標(biāo)記輔助選擇

20世紀(jì)80年代以來，出現(xiàn)了新的研究領(lǐng)域-分子數(shù)量遺傳學(xué)，將分子生物學(xué)和數(shù)量遺傳方法相結(jié)合，研究QTL（數(shù)量性狀基因座）與MAS（標(biāo)記輔助選擇）的理論和方法。分子數(shù)量遺傳學(xué)的完善和發(fā)展，給動物育種帶來一次新的飛躍。1990年，Thompson為標(biāo)記輔助選擇下了一個定義：把分子遺傳學(xué)方法和人工選擇相結(jié)合達(dá)到農(nóng)藝性狀最大的遺傳改進(jìn)。人們進(jìn)一步將MAS定義為以分子遺傳學(xué)和遺傳工程為手段，在連鎖分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)代育種原理和方法，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝性狀最大的遺傳改進(jìn)。分子標(biāo)記輔助選擇具有明顯優(yōu)勢：能顯著改良遺傳力低的生產(chǎn)性狀，如豬產(chǎn)仔數(shù)，為其選擇提供新的方法和途徑。對于費(fèi)用昂貴（如抗病性）、在發(fā)育早期難以測定的表型值（如瘦肉率）或限性表現(xiàn)（如產(chǎn)奶量）的性狀，也能夠衡量；選擇可以不受性別的限制，如繁殖性狀；可以早期選擇，如繁殖性狀和胴體性狀；大大節(jié)省成本［3］。

數(shù)量性狀位點(diǎn)是指占據(jù)一特定染色體區(qū)域的微效多基因群，可能控制某個經(jīng)濟(jì)性狀，并存在與某個易于檢測的DNA分子標(biāo)記緊密連鎖的可能性。因此，當(dāng)今世界豬遺傳育種研究的焦點(diǎn)是利用分子生物學(xué)技術(shù)探測豬DNA標(biāo)記來分析遺傳標(biāo)記與重要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳連鎖關(guān)系［4］。

3　全基因組選擇概述

3.1全基因組選擇的基本概念

為了進(jìn)一步剔除環(huán)境效應(yīng)，提高估計(jì)育種值的準(zhǔn)確性，T.H.Meuwissen提出了全基因組選擇這一種新的標(biāo)記輔助選擇方法［5］。全基因組選擇的基本概念：是全基因組范圍內(nèi)的標(biāo)記輔助選擇，主要通過全基因組中大量的標(biāo)記信息，估計(jì)出不同染色體片段的育種值并進(jìn)行標(biāo)記［6］。其選擇理論是主要利用連鎖不平衡信息，要求標(biāo)記密度足夠高，以

使所有的數(shù)量性狀位點(diǎn)與標(biāo)記處于連鎖不平衡狀態(tài)。全基因組選擇率先應(yīng)用于奶牛，已經(jīng)取得成功，并成為奶牛的常規(guī)育種方法，給奶牛場帶來非常可觀的收益。全基因組選擇法具有很大的優(yōu)勢和潛力：1）能夠捕獲基因組中的全部遺傳變異，提高選擇的準(zhǔn)確性；2）可以不依賴表型信息；3）對于遺傳力低、難以度量的性狀更具有優(yōu)勢；4）縮短育種年限，大幅度提高遺傳進(jìn)展。目前豬的基因組測序已經(jīng)完畢，隨著SNP（單核苷酸多態(tài)性）芯片的商業(yè)化，全基因組選擇法顯然成為豬育種領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)和最新的育種方法，是未來豬育種工作的新技術(shù)，將極大地推動我國豬遺傳改良和遺傳進(jìn)展。

3.2影響全基因組選擇的因素

性狀遺傳進(jìn)展的快慢主要取決于全基因組選擇的準(zhǔn)確性，而影響其準(zhǔn)確的主要因素有：1）SNP的密度和位置。全基因組選擇要求高密度的標(biāo)記，可以保證至少有一個標(biāo)記與QTL處于緊密連鎖，因此，覆蓋全基因組的標(biāo)記密度越高，則與影響目的性狀基因的LD（不平衡連鎖）值越高［7］。2）遺傳力。用全基因組法可以提高目標(biāo)性狀的準(zhǔn)確性，對于低遺傳力的性狀也是如此，但是要提高低遺傳力性狀的準(zhǔn)確性，需要更多的表型數(shù)據(jù)，研究表明，遺傳力越高，GEBV（遺傳估計(jì)育種值）的準(zhǔn)確性越高［8］。3）有效參考群體的數(shù)量。基因組評估育種值分析的第一步就是通過參考群體估計(jì)出不同染色體片段的效應(yīng)，也就是說參考群的規(guī)模能直接影響候選個體的GEBV的準(zhǔn)確性。

4　全基因組選擇在豬育種的應(yīng)用情況

4.1全基因組選擇在豬育種中的研究

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究表明利用豬60KSNP芯片得到的GEBV具有很高的準(zhǔn)確性。在生長性能方面，O.F.Christensen等利用豬60kSNP芯片選擇丹麥杜洛克豬的日增重和飼料轉(zhuǎn)化率時，發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)育種方法相比，GEBV的準(zhǔn)確性要高［9］。在肉質(zhì)方面，E.Gjerlaug-Enger等利用豬60?k?SNP芯片對長白和杜洛克豬的肌間脂肪進(jìn)行全基因組選擇，GEBV的準(zhǔn)確性明顯比傳統(tǒng)選育方法高［10］。H.Simianer研究表明，全基因組選擇可以極大地提高母豬產(chǎn)仔性能的遺傳進(jìn)展［11］。

我國一些高校和科研單位也對全基因組選擇在豬育種方面的應(yīng)用做出了探索和努力。石玉珍等人提出了一種新型混合低密度（MLD）芯片技術(shù)，并且討論了MLD芯片在基因組選擇育種中的應(yīng)用前景。經(jīng)過研究和比較得出MLD芯片的基因組選擇提高了準(zhǔn)確性。隨著芯片密度由1?k增加到12?k，各芯片的填充準(zhǔn)確性均增加。王敏等人研究了豬全基因組范圍內(nèi)miRNA靶基因種子序列中SNP的篩選和驗(yàn)證，產(chǎn)生的新的SNP位點(diǎn)可以提供新的分子標(biāo)記用于豬的育種改良。孫博興，白春艷等人研究了豬剩余采食量高低分化選擇與全基因組關(guān)聯(lián)分析，期望建立飼料效率分化品系，并對分化群體進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，探討提高豬飼料效率的育種策略。李伯江，吳望軍等人研究了利用全基因重測序技術(shù)對影響豬肌內(nèi)脂肪的關(guān)鍵候選基因及變異位點(diǎn)進(jìn)行鑒定，研究結(jié)果為深入開展肌內(nèi)脂肪形成的分子調(diào)控機(jī)制，以及分子標(biāo)記技術(shù)的研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

4.2全基因組選擇在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用

最近幾年，全基因組選擇法在奶牛育種中取得成功后，也成為豬育種的一個熱門話題，是目前遺傳育種改良的最先進(jìn)的估計(jì)方法，很多知名豬育種公司已經(jīng)把全基因組選擇當(dāng)作一種新的育種手段［12］。比如PIC種豬改良公司，是世界上最早專業(yè)從事種豬改良的公司之一。經(jīng)過50年的發(fā)展，PIC年銷售種豬300多萬頭，并對pH、大理石紋、肌內(nèi)脂肪含量等肉質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行選育，對產(chǎn)仔總數(shù)、生長速度、采食量和眼肌面積性狀進(jìn)行選擇。我國率先用全基因組選擇進(jìn)行育種的是廣東溫氏食品集團(tuán)，主要針對日增重、肉質(zhì)等性狀進(jìn)行選擇。然而，由于全基因組選擇法進(jìn)行動物育種改良成本較高，對于中小型育種場來說，如果測試群體較大，會造成很大的經(jīng)濟(jì)壓力，所以還沒有得到普及。

5　展望

我國是豬生產(chǎn)和消費(fèi)大國，人們對豬肉肉質(zhì)也提出越來越高的要求，豬育種主導(dǎo)著生豬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，我國規(guī)模化養(yǎng)殖快速發(fā)展，小規(guī)模的養(yǎng)豬場逐漸被收購，生豬產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸進(jìn)入微利時代，使得生豬市場競爭愈發(fā)激烈，所以全基因組選擇法既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。隨著生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是分子生物學(xué)，使得全基因組選擇應(yīng)用于實(shí)際成為可能［13］。目前的測序成本相對較高，一般的豬場很難承擔(dān)高昂的費(fèi)用。即使可以利用全基因組選擇法選育出優(yōu)質(zhì)的種豬，因?yàn)槌杀咎撸芏喾N豬場也不愿意嘗試，就算成功選育出了優(yōu)質(zhì)種豬，它的利用年限也比較短，利用空間小。我國的地方種豬場比較分散，缺乏信息交流。所以，我國需要開展聯(lián)合育種，建立信息平臺，這將利于全基因組選擇方法取得良好的遺傳進(jìn)展。

［1］?陳瑤生，王健，劉小紅，等.中國生豬產(chǎn)業(yè)新趨勢［J］.中國畜牧雜志，2015，51（2）：8-14，19.

［2］?郝懷志，昝林森，劉丑生，等.13個綿羊品種的遺傳多樣性分析［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，37（3）：7-14.

［3］?俞沛初.種豬育種與養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)化［J］.動物科學(xué)與動物醫(yī)學(xué)，2005，22（7）：（63）.

［4］?李祥龍，田慶義，孫乃權(quán)，等.唐山奶山羊隨機(jī)擴(kuò)多態(tài)DNA與體重體尺相關(guān)性研究［J］.河北農(nóng)業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（1）：2-7.

［5］?MEUWISSEN?T?H，HAYES?B?J，GODDARD?M?E.Prediction?of?total?genetic?value?using?genomewide?dense?marker?maps［J］. Genetics，2001，157（4）：1819-1829.

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

［7］?G O D D A R D?M.G e n o m i c?selection：prediction?of?accuracy?and?maximisation?of?long?term?r e s p o n s e［J］.G e n e t i c s，2 0 0 9，?136（2）：245-257.

［8］?CLEVELAND?M?A，HICKEY?J?M，F(xiàn)ORNI?S.A?common?data?set?for?genomic?analysis?of?live?stock?populations［J］.G3：Genes|Genomes|Gene tics，2012，2（4）：429-435.

［9］?CHRISTENSEN?O?F，MADSEN?P，NIELSEN?B，et?al.Single-step?methods?for?genomic?evaluation?in?pigs［J］.Animal，2012，6（10）：1565-1571.

［10］?Gjerlaug-Enger?E，?Nordb???，?Grindflek?E.?Genomic?selection?in?pig?breeding?for?improved?meat?quality［C］//10th?World?Congress?on?Genetics?Applied?to?Livestock?Production.?Asas，?2014..

［11］?SIMIANER?H.The?potential?of?genomic?selection?to?improve?litter?size?in?pig?breeding?programmes［C］.In?Proceedings?of?the?60?th?Annual?Meeting?of?the?European?Association?of?Animal? Production.Barcelona：Wageningen?Academic?Publishers，2009.

［12］?HAYES?B?J，DAETWYLER?H?D，BOWMAH?P，et?al.Accuracy?of?genomic?selection：comparing?theory?and?results［J］.Proc?Assoc?Advmt?Anim?Breed?Genet，2009，18：34-37.

［13］?王晨，秦珂，薛明，等.全基因組選擇在豬育種中的應(yīng)用［J］.畜牧獸醫(yī)學(xué)報(bào)，2016，47（1）：1-9.

2016-4-17）