肉牛種業科技創新發展現狀與趨勢分析

張天留 葛菲 朱波 高會江 李俊雅 高雪*

（1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京 100193；2.河南農業大學動物科技學院，河南鄭州 450046）

我國是牛肉生產和消費大國，據國家統計局和中國海關統計，2021 年我國肉牛存欄9817 萬頭，出欄4707 萬頭，牛肉產量約698 萬噸，消費量達930 萬噸，位居世界第三大生產國和第二大消費國。隨著消費和生產缺口的拉開，2021 年我國牛肉進口量達到233萬噸，幾乎是美國進口量的2 倍，一躍成為世界牛肉第一大進口國。據國家肉牛牦牛產業技術體系研究表明，2030 年我國牛肉消費量將達到1200 萬噸以上，如果沒有明顯的技術進步，我國牛肉生產遠遠不能滿足需求增長。

良種對肉牛業發展的貢獻率達40%，為牛肉產品穩產保供提供了關鍵支撐。自2011 年《全國肉牛遺傳改良計劃（2011—2025 年）》 實施以來，我國肉牛種業取得顯著成效。但對標國際肉牛種業強國，我們仍存在許多方面的“卡脖子” 問題，一是自主品種市場占有率不高，“頂天立地” 的品種少；二是肉牛育種數據庫基礎性建設薄弱；三是精準高效育種技術的研發與應用仍處于起步階段；四是地方種質資源挖掘與創新利用不足；五是肉牛聯合育種機制仍需要探索。面對這些“卡脖子” 問題，科技創新是引領肉牛種業高質量發展的基礎和關鍵。為深入貫徹落實習近平總書記關于打好種業翻身仗、推動科技自立自強等重要指示精神，該文立足“十四五” 面向“十五五”，準確把握肉牛種業領域的科技發展現狀及趨勢，探討肉牛種業科技創新重大基礎理論問題、核心關鍵技術研發和新品種培育能力提升等方面內容。同時，該文也為加強肉牛種業科技創新及產業戰略部署，提升我國肉牛種業科技創新能力，肉牛種業高質量發展奠定基礎。

1 肉牛種業基礎研究現狀

1.1 牛基因組學研究

2009 年，由美國、澳大利亞、新西蘭等共計25個國家300 多位科學家組成的國際研究團隊，發布了第一個以海福特牛為樣品的牛基因組序列，正式拉開了牛基因組學研究的序幕。隨后瘤牛、牦牛、水牛等不同牛屬不同品種的參考基因組相繼組裝完成（見表1）。這些牛參考基因組的發布，為研究人員挖掘鑒定與牛生長發育、胴體、肉質和抗病等性狀相關的重要功能基因提供了更加完善的牛基因組圖譜。正如澳大利亞聯邦生物信息研究帶頭人達爾利姆普勒博士所說：“希望牛基因組測序工作的完成能夠有助于培育出肉質更好或產奶量更多的新品種牛”。

表1 國內外牛基因組組裝研究進展

我國在牛基因組方面的研究也緊跟國際前沿，2012 年蘭州大學組裝了首個家牦牛的基因組[1]，2021年又以麥洼牦牛為研究對象，組裝了目前為止高質量的染色體水平家牦牛基因組，其Contig N50 長度達到44.72Mb，也是目前最高質量的反芻動物基因組。牦牛高質量基因組的完成，不僅有助于揭示牦牛產奶、產肉等重要經濟性狀以及其高原適應性的重要遺傳機制，也將有助于進一步揭示人類所出現的各種高原不適癥，促進對缺氧相關疾病的認識、預防和治療[2]。此外，2016 年四川大學組裝了歐洲野牛基因組[3]；2019 年華大基因和西北工業大學分別組裝孟加拉水牛、非洲水牛的基因組序列，為深入了解水牛這一物種的起源、馴化過程及其品種選育等奠定重要的遺傳學基礎[4]。2017 年中國科學院昆明動物所，2022 年中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所分別組裝了獨龍牛全基因組組裝序列，并通過比較基因組學揭示了獨龍牛的起源與系統地位問題，染色體融合的分子機制以及環境適應性的遺傳基礎，對我國地方牛種質資源的優異種質和基因精準鑒定具有重要意義[5]。

1.2 牛泛基因組學研究

隨著三代測序組裝的高質量參考基因組的陸續發布，以及大規模重測序和群體遺傳學分析的廣泛進行，研究人員發現來自單一個體的參考基因組遠不能涵蓋整個物種的所有遺傳序列，因此泛基因組的概念應運而生。2021 年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院發布了Original Braunvich 牛品種的基因組組裝，并利用已發表的普通牛（海福特、安格斯、高地牛）、瘤牛（婆羅門牛）和牦牛基因組，構建了牛亞科物種第一個圖結構泛基因組。與參考基因組（ARS-UCD1.2）相比，檢測到超過7000 萬個堿基缺失，包括參與免疫反應和調節的基因[6]。在2022 年5 月，瑞士蘇黎世聯邦理工學院聯合美國農業部動物基因組學和改良實驗室以瑞士褐牛的品種內雜交、內洛爾牛和瑞士褐牛的亞種間雜交、印度野牛和皮埃蒙特牛的種間雜交的后代中構建了單倍型分型基因組，結果表明在增加雜合度后，每一個分型基因組在連續性、完整性和準確性方面比目前的牛參考基因組都有了實質性的改善[7]。2022 年，英國愛丁堡大學構建了非洲N'Dama 和Ankole 兩個品種公牛個體的高質量基因組（見表1），并結合294 頭不同牛品種的重測數據構建了牛圖結構泛基因組，發現了116.1Mb（4.2%）的變異在海福特牛基因組中缺失[8]。我國西北農林科技大學也利用已發表的12 個牛屬物種基因組構建了牛泛基因組，發現了與免疫、代謝等功能相關的基因，全面挖掘了牛遺傳多樣性和本土適應機制[9]（見表2）。

表2 國內外肉牛泛基因組構建研究進展

1.3 肉牛重要性狀功能基因挖掘與遺傳機制解析

隨著高通量測序技術的飛速發展，肉牛重要經濟性狀的功能基因挖掘與遺傳機制解析策略也從傳統的候選基因法、QTL 定位等逐漸發展為各種組學技術的聯合分析。近10 年來，國內外學者利用基因組學、轉錄組學、代謝組學和蛋白質組學等組學技術分析，挖掘鑒定了一批與肉牛生長、胴體、肉質、抗病及環境適應性等性狀相關的功能基因和QTLs，為準確和全面揭示肉牛重要經濟性狀遺傳調控機制及肉牛育種奠定了堅實基礎。

1.3.1 具有育種價值新基因的挖掘與利用

1.3.1.1 無角性狀

在現代化肉牛養殖中，牛角容易造成人員傷亡，而人為去角違背了動物福利且浪費人力物力，因此無角性狀引發了高度關注。目前在安格斯、荷斯坦牛、西門塔爾牛等牛種鑒定出無角性狀的候選突變PF 和PC。PF 突變是由1 號染色體80128bp（1909352-1989480bp）的重復以及3 個SNP 導致，主要存在黑白花奶牛。PC 突變是由1 號染色體上202bp（1705843-1706045bp）的重復，并替換了原有的10bp（1706051-1706060bp），主要存在于安格斯、西門塔爾牛中[10]。目前美國、德國已利用基因編輯技術將PC突變引入荷斯坦奶牛和荷爾斯坦-弗里西亞牛，培育無角新品種[11-12]。

我國在大通牦牛群體種鑒定出1 號染色體2048750～2196313bp 處長約147kb 的單倍型域內存在無角性狀相關的單倍型，包含3 個蛋白編碼序列C1H21orf62,GCFC1 和SYNJ1。研究表明，單倍型TGTTTGCCA 與大通牦牛無角性狀相關，單倍型CCCGGATTG 與有角性狀相關。中國農業科學院蘭州畜牧與獸醫研究所利用無角性狀單倍型TGTTTGCCA選育，于2019 年培育成了“無角阿什旦牦牛”。

1.3.1.2 雙肌性狀

早在1807 年，英國農場主在短角牛群中發現雙肌肉表型，到1997 年美國科學家才確定“牛雙肌現象” 是由肌肉抑制素基因（myostatin，MSTN）發生了正常的基因自然突變所致。目前在短角牛、比利時藍牛、皮爾蒙特牛、夏洛萊和德國黃牛等雙肌群體中發現至少有9 個有義突變（S105C、F94L、nt821（del11）、Q204X、D182N、nt419（del7-ins10）、E226X、C313Y、E291X），這些突變均可引起不同程度的雙肌現象。因此，各國育種者有意保留群體中的有義突變來選育雙肌性狀或者利用編輯技術引入雙肌基因突變位點。阿斯圖里亞納牛（Asturiana de los Valles）原本是一個乳肉役多用途品種，通過加大雙肌性狀的選擇，選育出MSTN 基因純合個體，nt821（del11）突變頻率在群體中高達93.6%。我國內蒙古大學以蒙古牛、魯西牛和西門塔爾牛為對象，依據Myostatin 基因突變多態特點及分析自然突變牛的出生、生長與生產性狀，選擇基本不影響出生重及后期發育性能良好 的g.507del(6)、g.505del（115）、g.415C>A 和g.3942T>G 4 個位點作為基因編輯靶標，利用基因編輯、動物克隆、MOET 與常規繁殖技術成功培育出雙肌魯西牛、雙肌蒙古牛和雙肌西門塔爾牛等基因編輯肉牛新品系。

1.3.2 功能基因及分子標記研究與應用

1.3.2.1 生長與胴體性狀

生長發育和胴體性狀是肉牛生產中最重要的經濟性狀，可占胴體價格影響因素的60%～70%。目前在西門塔爾牛、利木贊、海福特、夏洛萊、安格斯、瑞士褐牛和荷斯坦牛群體中進行Meta-GWAS 和eQTL分析，定位到LCORL/NCAPG 基因SNP 間的LD 很高，并發現LCORL 的一個錯義突變與牛的體型顯著相關，該基因與人、大鼠和小鼠身高變化也有關[13]。此外，在歐洲牛品種的基因組研究結果中，對37 個牛品種（17 個肉牛品種，14 個奶牛品種，6 個兼用品種）的核心選擇信號區域（CSS）進行了報道，鑒定到291 個CSS 與體尺性狀相關候選基因[14]。

我國在中國肉用西門塔爾牛群體中基于一步法GWAS、單倍型、拷貝數變異等策略鑒定到與體高、十字部高等體尺性狀，初生重、日增重等生長發育性狀相關的候選基因，如SOX2、LCORL。以胴體重、屠宰率、凈肉率、上腦重、和尚頭、金錢腱和骨重等胴體性狀為研究對象，鑒定到LCORL、PLAG1、RYR、EML6、HOMER1 和SAMD12 候選基因[15-19]。在中國和牛群體中基于全基因組水平分別檢測到18個、5 個和1 個與十字部高、身高和體長相關的SNP，這些SNP 在11 個候選基因內或附近，其中6 個候選基因（PENK、XKR4、IMPAD1、PLAG1、CCND2和SNTG1）已經在多個群體被報道過[20-21]。此外，在地方黃牛的研究中發現，POMC 基因的變異位點與關嶺黃牛的體斜長具有關聯性[22]，還與南陽牛體重相關[23]。SH2B1 基因的多態性顯著影響秦川牛的體高、體長、坐骨端寬和胸圍[24]。FGF21 基因第297 位和第940 位的多態性與南陽牛18 月齡體重顯著相關[25]。

1.3.2.2 飼喂效率性狀

在肉牛生產中，采食量和飼料利用效率是極其重要的經濟性狀，常用飼料轉化率（FCR）、料重比（F/G）和剩余采食量（RFI）來衡量飼料利用率。在遺傳基礎解析上，在巴西內洛爾肉用牛群體中對平均日增重、干物質采食量、FCR、RFI 等性狀進行了遺傳參數估計和相關性測定，結果表明，RFI 與平均日增重、干物質采食量和FCR 的遺傳相關分別為-0.19、0.61 和0.50，表型相關分別為0.03、0.65 和0.35[26]。在肉牛的RFI 及脂肪酸等性狀的相關性研究中得到RFI 與n-6/n-3、18:2n-6 等不飽和脂肪酸間的遺傳相關系數絕對值在0.4 以上（-0.430.52），說明低RFI 的選育同時也可以改善脂肪酸組成，有利于人體健康[27]。在功能基因挖掘方面，在安格斯、內洛爾等群體中采用GWAS 策略鑒定到與RFI 相關的分子標記，主要與OAS2、STC2、SHOX、XKR4、SGMS1、DCP1B和SUPT20H 候選基因相關[28]。此外，對高低RFI 組的內洛爾牛的骨骼肌和肝臟中表達調控研究（miRNA-mRNA），結果顯示共鑒定到310 個牛的miRNA，其中miR-7、miR-199a-3p 和miR-486 等10 個miRNA可能與RFI 性狀變異相關。同時，針對差異表達miRNA 的靶基因和miRNA-mRNA 相關模塊進行功能富集分析發現，與RFI 性狀相關的信號通路涉及胰島素、脂質、免疫系統、氧化應激和肌肉發育[29]。

1.3.2.3 肉質性狀

肉質性狀作為復雜的經濟性狀，其度量指標眾多，但它們之間又有相互關聯。國際上已在普通牛（日本和牛、韓牛、安格斯、海福特、莫羅黑牛和短角牛），地方熱帶牛（貝爾蒙特紅牛和圣格魯迪牛）和瘤牛（婆羅門牛）等多個肉牛群體脂肪酸組成的遺傳結構分析中發現了多個SNPs 與脂肪酸組分存在顯著相關，研究證明，FASN 和SCD 基因對脂肪酸存在較大的影響[30-32]。同時，也鑒定到與肉嫩度、眼肌面積、背膘厚度和大理石紋相關的QTL 區間，基因注釋得到與ASAP1、CAPN1、CAPN5[33-34]。此外，在蛋白質和代謝水平中，應用iTRAQ 和HPLC-ESI-MS 技術對不同部位的分割肉塊中肌肉顏色和氧化穩定性相關的營養和代謝物質鑒定，確定了酰基肉堿、游離氨基酸、核苷酸、核苷和葡糖醛酸酯等候選物質與肉品質密切相關[35-36]。

在國內研究中，已在華西牛、中國和牛雜交群體中鑒定到與脂肪酸組分相關的候選基因，如ELOVL5、FASN、CASP2、TG[37-38]。同時，在華西牛群體的脂肪顏色、肉色、大理石花紋、眼肌面積和剪切力等5 個肉質形狀進行關聯分析，找到TMEM236、SORL1、TRDN、S100A10、AP2S1 等一系列候選基因[39]。在地方黃牛中，在郟縣紅牛、魯西牛和秦川牛群體中均發現GPR41 基因作為脂肪酸感受器可以感知來自消化腔的短鏈脂肪酸，能夠促進瘦素的分泌、調節糖脂和能量代謝、控制體重等功能[40]。此外，采用轉錄組和蛋白質策略得到了中國晉江黃牛早期背最長肌和腰大肌分子差異，鑒定到與肉質性狀相關基因（MTND2、ND4L、COII、SLC16A7、HOXC6），揭示了酶活性（乳酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶和琥珀酸脫氫酶）、丙酮酸含量等代謝物數量發生的變化[41-42]。

1.3.2.4 繁殖性狀

繁殖性狀作為重要的生產性狀，與動物生產成本和經濟效益密切相關。Oliver 等發現位于BTA19 的ASIC2 和SPACA3 基因參與氧化應激，影響妊娠[43]。Stegemiller 等通過GWAS 確定了卵泡計數（AFC）位點在2、3 和23 號染色體，生殖道評分（RTS）位點在2、8、10 和11 號染色體，STC1 基因與排卵數減少顯著相關，跨膜蛋白260 和胞嘧啶/尿嘧啶單磷酸激酶2 與繁殖性能相關[44]。有趣的是，與嫩度相關的基因會影響牛繁殖性能，CAPN1 等位基因與肉牛產后發情間隔的增加有關，CAST 多態性與牛的生育能力和繁殖壽命有關，DGAT1 多態性也與牛繁殖性狀相關，表明使用CAPN1 等標記增加嫩度，可能會延遲母牛地再繁殖[45]。

1.3.2.5 環境適應性

我國有豐富的地方牛品種遺傳資源，不同地區牛品種經歷了長期的選擇和培育后能夠生活在差異的環境條件下，其機體已經形成了獨特的適應性進化體系。如在寒冷氣候適應性研究方面，在延邊牛群體中鑒定出3 個候選基因（CORT、FGF5 和CD36），推測出錯意突變（c.638A>G）是延邊牛耐冷性的候選基因[46]。在大通牦牛和蒙古牛群體中，通過SNP 位點的多態性比例差異分析，鑒定到與熱休克蛋白、氧氣運輸、線粒體DNA 維持、代謝活動、采食量、胴體結構和生殖相關基因[47]。同時，通過比較選取我國南、北方代表型的蒙古牛和閩南牛，鑒定出大量差異性變異，獲得1096 和529 個潛在選擇基因分別與環境適應性、飼料效率和肉/奶產量等性狀相關[48]。此外，高原適應性上，在牦牛[1]、藏牛[49-50]、大額牛[5]群體中逐步挖掘到一系列環境適應性關鍵候選基因，如心血管系統方面：蘭尼堿受體2（RYR2），該基因編碼的蛋白是鈣通道上Ca2+運輸的重要組成因子，當處于缺氧環境中，通常會導致細胞內Ca2+的釋放，引發心肌興奮-收縮耦聯過程，刺激細胞收縮，應對低氧反應[51]。低氧應答方面，內皮PAS 蛋白1（EPAS1）、缺氧誘導因子α（HIF-1α）、促紅細胞生成素（EPO）、一氧化氮合酶1（NOS1）、血紅蛋白β 亞基（HBB）促進血管生成，維持血液中含氧氣和二氧化碳濃度變化，參與應急缺氧調節等生物過程[52-56]。

2 肉牛種業核心關鍵技術研究現狀

2.1 常規遺傳評估技術

近50 年以來，世界各國肉牛育種工作者經過不斷研究與探索，使得肉牛遺傳評定方法不斷改進和完善。最早是1975 年美國康奈爾大學Henderson 教授使用的公畜模型BLUP 方法。2001 年，Interbull 官方公布指南中指出，對于生產性狀而言，動物模型優于公畜模型，多性狀模型優于單性狀模型；針對閾性狀而言，公畜模型和公畜-外祖父模型估計結果更為準確。育種值估計軟件常用的有美國1993 年開發的MTDFREML 和1997 年開發的BLUPF90，英國1995 年開發的ASREML 和丹麥2013 年開發的DMU 等。

由于各國肉牛主要品種有一定差異，而不同品種在生產性能方面各有差異，如法國、美國和澳大利亞存欄較多的中大型肉牛品種夏洛萊、利木贊和西門塔爾牛在生長速度上更加突出，美國和澳大利亞存欄較多的中小型肉牛品種安格斯及日本的和牛在肉質性狀上更優秀，美國和印度存欄較多的瘤牛品種如婆羅門牛和巴西的內洛爾牛在耐熱能力和屠宰率上優勢更明顯。因此，各國在進行遺傳評估時，制定綜合選擇指數在所選擇的性狀和權重方面也有一定差異。以西門塔爾牛為例，美國和加拿大評估了生長性狀、胴體和肉質性狀及繁殖性狀共計15 個性狀，依據不同的育種目標制定了API 和TI 兩個綜合選擇指數（https://simmental.org/site/index.php）；英國評估了生長性狀、胴體和肉質性狀及繁殖性狀共計15 個性狀，制定了2個綜合選擇指數（http://www.britishsimmental.co.uk/）；澳大利亞同樣評估了生長性狀、胴體和肉質性狀及繁殖性狀共計18 個性狀，制定了4 個綜合選擇指數（https://simmental.com.au/）。

我國肉牛遺傳評估工作從2010 年才開始，起步較晚。根據國內肉用種公牛育種數據的實際情況，選擇體型外貌評分、6～12 月齡日增重、13～18 月齡日增重和19～24 月齡日增重4 個性狀，制定了中國肉牛選擇指數CBI 對肉用種牛進行評估。為了對接國外遺傳評估體系，2020 年7 月修訂了CBI 指數，選擇體型外貌評分、出生重、6 月齡重和18 月齡重4 個性狀。乳肉兼用牛的遺傳評估則使用總性能指數TPI 進行評估。我國目前肉牛生產體系和性能測定體系使得制定的綜合選擇指數暫時只能利用生長發育性狀和母親產奶量性狀。而歐洲、北美和澳洲等肉牛育種發達國家的產業體系、性能測定體系和遺傳評估體系較完善，考慮性狀較多。

2.2 基因組育種評估技術

進入21 世紀以來，基于基因組高密度標記信息的基因組選擇技術（Genomic Selection，簡稱GS）成為動物育種領域的研究熱點。利用該技術，可實現青年公牛早期準確選擇，而不必通過后裔測定，從而大幅度縮短世代間隔，加快群體遺傳進展，并顯著降低育種成本。

2014 年，美國安格斯協會率先開展安格斯青年公牛基因組遺傳評估。英國、愛爾蘭、德國、法國、丹麥等歐美主要發達國家陸續將基因組選擇技術全面應用于不同品種的基因組育種值估計中。以北美為代表的肉牛基因組遺傳評估體系開展的時間最早，也是目前最成熟且應用最新計算方法的體系，主要性狀的基因組遺傳評估可靠性達到70%～80%。以西門塔爾牛品種為例，其制定的API 和TI 指數也是多個國家肉牛育種的主要參考指數，同時美國開發的商業化BLOT 遺傳評估系統，該評估系統能綜合各品種信息，同時整合系譜和基因組信息進行多品種SSGBLUP 評定，也是目前主流的基因組遺傳評估系統之一。歐洲肉牛基因組遺傳評估以Interbeef 評估中心為主，大部分歐洲國家加入了該組織，該中心數據庫有超200 萬頭牛基因型數據，以單品種基因組遺傳評估為主，目前還未報道相關基因組選擇綜合選擇指數。澳洲肉牛基因組遺傳評估系統以BREEDPLAN 為主，主要是澳大利亞和新西蘭的各品種肉牛聯合會進行評定，其基因型測定個體要少于北美和歐洲。拉丁美洲的基因組遺傳評估主要是巴西的內洛爾牛，其他品種無相關報道。

我國基因組選擇技術研究從2008 年開始，中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所自主研發建立了肉用牛基因組選擇技術平臺，構建了肉用西門塔爾牛與和牛基因組選擇參考群體，目前西門塔爾牛參考群體3858 頭，和牛參考群體462 頭。2019 年制定了基因組中國肉牛基因組選擇指數GCBI（China Genomic Beef Index,GCBI），2020 年我國首次在中國肉用及乳肉兼用種公牛遺傳評估概要中發布了366 頭西門塔爾種公牛的基因組遺傳評估結果。從計算方法上，我國基因組評估方法采用的是貝葉斯方法，而國外多采用SSGBLUP 方法，主要由于國外有大量的系譜和表型數據，針對我國表型數據和系譜數據較少的情況下，貝葉斯方法在我國應用更有優勢。從參考群測定的表型性狀看，我國參考群測定了生長發育、屠宰、胴體、肉質和繁殖性狀共計87 個性狀，是目前基因組選擇測定表型性狀最多的國家。

2.3 智能表型測定與收集技術

準確、高效、智能的性狀測定技術是肉牛育種的前提和關鍵基礎性工作，育種與科學研究均依賴于表型數據的準確獲取。近年來，隨著物聯網、視頻與人工智能技術的結合，肉牛育種性狀測定與采集技術手段不斷更新與拓展，尤其以信息采集為基礎的信息化技術得到發展和應用，如牛的體溫、反芻次數、瘤胃pH、運動等智能數據采集技術。美國、英國、澳大利亞等主要發達國家已陸續將信息技術、紅外感應、影像捕獲、物聯網等技術運用到肉牛個體識別和性能測定中，并持續研發性能測定的智能化裝備和技術，誕生了一批世界領先的智能化性能測定設備制造企業。而國內大部分肉牛生產性能測定還比較粗放，效率和精確度低下；有少數企業和科研單位通過引進消化吸收和自主創新，開發出肉牛自動稱重、CT 掃描等設備，但硬件及配套軟件仍需完善和優化升級。

2.4 肉牛繁殖技術

繁殖技術可有效提升優秀肉用種牛遺傳物質的推廣效率，加速肉牛群體的遺傳改良。目前人工授精、母牛發情高效精準鑒定、定時輸精、胚胎移植等技術已在國內外規模化肉牛養殖場得到普遍應用。近20年，肉牛冷凍精液生產工藝和人工授精技術無實質性突破，配種受胎率有待提高。另外，隨著肉牛活體采卵體外受精（OPU-IVF）技術日益成熟，有望進一步提升肉牛遺傳改良效率。在美國、加拿大等肉牛發達國家，OPU-IVF-ET 技術已經應用到高產肉牛核心群快速擴繁生產中，顯著提高了群體育種速度和肉牛生產性能。而我國肉牛胚胎移植技術、OPU-IVF 生產技術研發力度不夠，總體應用效率低，推廣使用規模和范圍小，難以滿足肉牛業發展對良種牛的實際需求。

2.5 基因修飾編輯育種技術

隨著生命科學領域的不斷發展進步，基因編輯技術（Gene Editing,GE）逐漸興起，為肉牛生物育種提供了新思路。與傳統轉基因等技術不同，GE 可把目標基因引入基因組中的任何特定位置，或在任何位置進行編輯，產生所需的目標性狀動物，可大幅提高修改基因組的效率和精確度。目前全球范圍內，基因編輯技術已經在水稻、玉米、大豆、小麥和番茄等農作物以及豬、牛、羊等農業動物中廣泛應用；糯玉米、高油酸大豆、抗褐變馬鈴薯、高GABA 番茄、抵抗褐變的蘑菇等基因編輯產品陸續在美國、日本等國家上市推廣。

20 世紀90 年代左右，國外牛的轉基因育種主要集中在乳腺生物反應器、改善乳品質、抗病能力等方面，而近10 年則在無角牛的基因編輯上取得重大進展。2013 年，美國明尼蘇達州大學Tan Wenfang 等通過TALENs 技術編輯無角安格斯牛1 號染色體上Pc突變（即BAT1 1705843～1706045bp 處10bp 缺失的212bp 重復序列），得到編輯的荷斯坦牛胎兒成纖維陽性細胞，通過體細胞核移植技術，成功獲得2 頭成活的無角荷斯坦奶牛（Spotigy 和Buri），實現了將肉牛Pc 突變成功引入荷斯坦奶牛。2022 年德國科學家Felix Schuster 等利用CRISPR/Cas12a 編輯技術將無角安格斯牛Pc 突變轉入荷爾斯坦-弗里西亞公牛，獲得2頭編輯牛，其中1 頭90 日齡流產，經表型和組織學分析具有無角基因型；另外1 頭出生后死亡，但具有無角表型。

我國在牛轉基因和基因編輯育種研究領域的研究處于國際領先水平。中國農業大學、西北農林科技大學和內蒙古大學分別在轉基因牛生物反應器、轉基因與基因編輯抗病牛、轉基因與基因編輯高產優質肉牛育種研究方面，取得突破性進展（見表3）：乳清蛋白、乳鐵蛋白轉基因牛；抗乳腺炎、抗結核病與抗口蹄疫轉基因牛；fat-1 轉基因牛、Myostatin 基因編輯蒙古牛、魯西牛及西門塔爾牛等均進入生產性試驗階段，獲得國家生產性試驗證書或生產證書，目前正在培育轉基因或基因編輯新品系。

表3 2012—2022 年我國肉牛轉基因和基因編輯技術研究進展

3 肉牛種業科技創新發展趨勢

3.1 基因組與泛基因組學研究仍是未來基礎性研究熱點

盡管目前已經報道了普通牛、瘤牛、牦牛、水牛、野牛等不同牛屬不同品種不同版本的30 個參考基因組，但全球有近1000 多個牛品種，分布范圍廣、遺傳背景復雜、基因組差異大，已發布的基因組并不能飽含所有牛種的基因變異，因此開展肉牛基因組計劃，構建高精度、高敏感性的基因組功能注釋圖譜，全面解析肉牛重要性狀形成的遺傳機制，提高肉牛基因組育種選擇的準確度和敏感性。另外，相對于傳統的線性參考基因組，泛基因組在基因組de novo 的基礎上，基于圖論的組裝方法，更有助于挖掘品種特異性結構變異和特征序列。因此選擇代表性的牛品種，從頭組裝各品種基因組，構建全面覆蓋牛品種特征，序列的圖結構泛基因組，將為肉牛高精度分子育種提供堅實的基因組數據支撐。

3.2 多組學聯合分析挖掘重要育種目標性狀功能基因

隨著不同肉牛品種高質量、高精度基因組序列不斷發布，肉牛泛基因組的構建以及轉錄組、代謝組、蛋白組等組學技術快速發展，利用多組學聯合解析重要經濟性狀遺傳機制已成為未來必然趨勢。基于此，開展肉牛重要性狀遺傳機制與生理學基礎研究，整合利用多組學技術以及生物信息學、系統生物學策略，挖掘與鑒定影響生長性狀、胴體、肉質、抗病、繁殖和長壽等重要性狀的功能基因和分子標記，解析分子遺傳機制，鑒定具有育種價值的優異基因，為開展分子育種提供必要的基因信息。

3.3 基因組選擇技術研究是未來肉牛育種技術主攻方向

隨著測序技術的不斷發展以及測序成本的下降，獲得基因組、轉錄組、代謝組、蛋白組等海量數據信息，如何整合不同來源的數據到基因組選擇技術中是未來肉牛育種技術的主攻方向。優化基因組評估模型和方法，利用深度學習算法整合不同來源的先驗數據，包括GWAS 顯著SNP 位點、重要通路等多組學信息，并結合高效計算的線性混合模型（GBLUP、SS-GBLUP 等）、預測準確的貝葉斯方法（BayesR、BayesCπ 等），擬合優化基因組評估模型和方法。整合基因功能注釋、轉錄組、調控元件、表觀遺傳等生物信息的基因組選擇技術，基于基因組信息的最優化選配技術，育種目標經濟學分析及優化育種方案研究是未來我國乃至世界基因組育種新技術研究的制高點。

3.4 生物育種與數字化育種

3.4.1 生物育種

基因組編輯技術可以從其他品種或物種引入已知的理想等位基因或本品種內創造新的優勢等位基因，而不會產生與傳統基因滲入相關的連鎖阻力，為農業動物優異基因資源的高效聚合及創制提供了新策略。Bastiaansen 等[74]利用數學模型分析，當效率為100%時，基因組編輯可使所需等位基因的固定速度提高4倍。因而，創新基因編輯技術，提高編輯效率，仍是今后的技術攻關難點，重點開發精準高效的基因編輯系統，確保對目標基因具有特異性且不會攻擊其他基因，建立并優化精準多位點基因編輯體系。

3.4.2 數字化育種

數字技術引入農業領域代表著第四次農業革命。數字畜牧業技術有自動育種數據收集系統、自動發情識別系統、動物攝食及呼吸心率微控制器、疾病預警系統、虛擬圍欄控制系統、面部識別系統、生物傳感器，以及大數據分析和機器學習算法等。肉牛業的數字化將實現從二維的物理-社會系統到三維的網絡-物理-社會系統的轉變，改變未來肉牛種業的發展。

3.5 新興生物技術的探索與應用

3.5.1 干細胞育種技術

干細胞育種技術是根據育種規劃，利用基因組選擇技術、干細胞建系與定向分化技術、體外受精與胚胎生產技術，在實驗室通過體外實現家畜多世代選種與選配的育種新技術。與傳統育種技術體系相比，該方法用胚胎替代個體，完成胚胎育種值估計，育種周期大幅度縮短，有望能革新全球家畜種業格局，實現家畜育種跨越式、顛覆性發展。

3.5.2 胚胎基因編輯育種

家畜胚胎基因編輯育種取得突破，通過直接編輯決定遺傳性狀的胚胎基因，即可精確改良家畜遺傳性狀，獲得一批傳統育種較難培育、肉用性能和抗病力顯著提高的牛，徹底顛覆了通過表型性狀進行選育的傳統育種技術路線，成為肉牛種業革命新引擎。

3.5.3 新型配子與胚胎工程技術

未來，足量配子和胚胎供給是家畜遺傳改良與生物育種兩個領域的焦點問題。目前，小鼠和人的多能干細胞向配子方向的定向分化已經取得初步成果，但距離健康活體動物的生產尚存在很大差距。而家畜配子的誘導體系尚未取得突破性進展，目前仍沒有通過牛多能干細胞誘導獲得真正原始生殖細胞（PGCs）的報道。與以往的iPS 干細胞不同，“誘導全能干細胞（iTS 干細胞）” 同時具有發育為胚內和胚外組織的潛能。誘導處理iTS 干細胞向自然受精囊胚的牛“類囊胚樣（blastoid-like）” 結構，可逐漸培育出具有繁育能力的人工誘導胚胎。將基因編輯技術和“人造” 配子技術相結合，直接在配子階段編輯決定性狀的基因，可實現經濟、準確、高效的生物育種目標。