豬疾病恢復力育種研究進展

楊麗玉，王立剛，王立賢

（中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京 100193）

各種疫病與流行性疾病對畜牧業的發展造成了巨大的經濟損失，僅豬繁殖與呼吸綜合癥（Porcine reproductive and respiratory syndrome，PRRS）這一傳染病，每年給美國養豬業造成約6.64 億美元的經濟損失。疫苗接種是對抗病毒性疾病的重要工具，但疫苗的效力可能隨著病原體的演變而改變。與提高預防和管理水平相比，遺傳選擇的優點是累積的，并影響到牲畜的所有后代。因此通過選育的方式提高動物機體對疾病的抵抗力是育種工作重要的組成部分。確定育種目標是動物育種工作的核心。育種目標和相應的選擇指標決定了遺傳改良的方向。當前，畜禽育種已經從最初的生產驅動轉變為旨在同時提高健康生產、效率和生產性狀的方向發展[1-3]。恢復力（Resilience）一詞最早始于美國，是一個相對較新的概念，盡管缺乏明確性，但是它已經越來越多地被運用到多個學科當中。在育種工作中，專家們逐漸對于將“恢復力”作為一個重要目標性狀進行選育，表現出較大的興趣。恢復力是指動物在受到干擾時受到最小程度的影響，或迅速恢復到受干擾前的狀態的能力[4]，恢復力的遺傳改良符合平衡育種的理念。然而當前，將恢復力納入豬的育種目標仍是一種不常見的做法，其中最主要的障礙是難以確定“恢復力”的評價指標。本文著重綜述了國內外關于豬疾病恢復力研究的策略方法，探討了精準農業及人工智能在量化恢復力指標中的應用等，以期為研究恢復力在育種中的應用提供理論參考。

1 動物疾病恢復力的研究現狀

恢復力的評價主要有兩種策略：一是通過組學分析，鑒定和挖掘與恢復力相關的基因和功能位點，為分子育種提供參考；二是收集動物的分子表型（如抗體水平）和生產表型數據（如：采食量變化、采食時間、日增重、死亡率、繁殖相關指標等），結合數學模型將這些數據運用于核心群的選擇上。

1.1 基因及功能位點的挖掘

隨著基因組工具的不斷發展和改進，識別特定基因內遺傳變異的能力也在不斷提高。2018 年Derks 等[5]在豬繁殖群體中鑒定到BBS9 基因存在212kb 的缺失，該缺失產生了一個截短的BBS9 蛋白，通過攜帶者×攜帶者和攜帶者×純合子野生型交配實驗證實，新生仔豬總數減少約20%，純合子個體多在妊娠中晚期死亡，雜合子個體則表現出較快的生長速度。2019 年，Derks 等[6]對兩個商品豬群中存在不同因果突變的隱性致死單倍型基因（POLR1B、TADA2A、URB1 和PNKP）進行了研究，發現這些隱性純合個體在胚胎期或產后死亡，使總產仔數降低15.1%～21.6%。而在單個種群中，隱性致死等位基因可影響多達2.9%的窩胚，并導致0.52%的總種群在胚胎期死亡。在Derks 等[7]另一研究中，利用基因組測序技術，鑒定到了可導致仔豬產后死亡的SPTBN4 基因存在16bp 的移碼缺失，該缺失產生了一個截短的SPTBN4 蛋白，攜帶個體不能正常走路或飲水，且在出生后數小時內死亡。總的來說，每個育肥豬品系大約有1～4 個致命變異，等位基因頻率為2%～12%。欣喜的是，到目前為止，有害的隱性變異已被證明存在品種特異性，不會導致雜交育肥豬死亡率的增加。基于有害基因變異的研究結果，在實際生產中實行科學配種，可以有效降低有害等位基因的發生頻率，提高仔豬存活率。

全基因組關聯分析（Genome wide association analysis selection，GWAS）可以幫助解開恢復力的遺傳背景，基因組選擇可以幫助進一步提高對恢復力選擇的反應[8,9]。Boddicker[10]以50K SNP 基因型數據為模板，通過GWAS 方法進行全基因組掃描，在豬4 號染色體上發現了一個與PRRS 宿主應答相關的QTL，WUR10000125（WUR）位點與致病突變具有完全連鎖平衡，因此可作為該QTL 的標記SNP。豬繁殖與呼吸綜合癥病毒（Porcine reproductive and respiratory syndrome virus，PRRSV）和豬圓環病毒（Porcine cir covirus，PCV）的感染試驗，再次驗證了該SNP的效應[11]。2012 年，Boddicker 等[10]研究表明，該標記可以解釋超過11 %的體重增加和15.7%的PRRSV 感染后血清病毒載量的總遺傳變異。據報道，WUR 與鳥苷酸結合蛋白5（Guanylate binding protein 5，GBP5）基因的功能突變處于完全的連鎖不平衡[12]，在當GBP5 基因發生突變，使具有不良基因型AA 豬產生一種被截斷的GBP5 蛋白，在豬接種了PRRS 毒株后，AB 基因型豬的病毒血癥水平低于AA 基因型豬，且AB 基因型豬仍會保持較高的增長率[13]，這暗示B 等位基因或許是有利基因型位點。然而有趣的是，也有研究報道了在非疾病挑戰性條件下WUR 對生長性能影響，發現AB 豬的生長速度明顯低于AA 豬[11]。Dunkelberger 等[13]評估了在非疾病挑戰條件下，WUR 對不同品系豬選擇性狀以及親本WUR基因型對雜交后代性能的影響，發現WUR 對大部分性狀，如采食量，背膘厚，日增重，死亡率等的影響不顯著。因此，在正常的非挑戰性的條件下，選擇B 等位基因有望在不影響整體經濟價值的情況下產生抗PRRS 的后代。

1.2 恢復力相關表型的研究

1.2.1 利用分子表型評價動物恢復力

一些研究已經證明，血液或牛奶中天然抗體NAb（Naturalantibodies，NAb）的水平是可重復和可遺傳的。在健康仔豬身上進行疾病恢復力指標的測量，可能為疾病恢復力的選擇提供依據。對暴露于自然疾病攻擊前的健康幼豬血液中NAb的遺傳力的研究顯示，斷奶后1 周的仔豬血液中NAb 的遺傳均值為0.76。在表型上，活仔豬的NAb 和總IgG 水平略高于死亡豬。從遺傳學上講，高水平的NAb 往往與較大的疾病恢復力相關，因此，健康仔豬血液中NAb 水平可作為疾病恢復力的潛在指標性狀[14]。也有研究利用斷奶后至育肥期的豬群構建自然疾病挑戰模型，并收集表型數據，發現自然疾病挑戰下豬只的全血細胞計數CBC（Complete blood count，CBC）這一表型具有遺傳性與生長和治療等相關[15]，這表明CBC 性狀具有成為預測恢復力表型的潛力。

在其他物種中，相關研究也取得了較大進展。在一項針對加拿大荷斯坦奶牛的全基因組關聯分析（GWAS）的研究中，Klerk 等人[16]發現了幾種與血液IgG NAb 滴度顯著相關的單核苷酸多態性（SNPs），以及與NAb 生物學功能相關的候選基因。Berghof 等[17]利用GWAS 鑒定到雞4 號染色體上的一個區域存在能與血藍蛋白KLH（Keyhole limpet hemocyanin,KLH）結合的IgG NAb 與總IgM 濃度有關，并篩選到與多個與NAb 生物學功能相關的候選基因,其中就包括toll樣受體1 家族成員B 基因TLR1B。

1.2.2 建立自然疾病挑戰模型評價動物恢復力

恢復力是有效管控傳染病和持續提高生產效率的一個重要指標，當前對恢復力的研究主要存在兩種觀點。第一種觀點認為遺傳改良的目標應該是提高普遍免疫，而不是特異性免疫，這意味著基因改良應該關注免疫系統中影響各種疾病的成分，而不是某一種特定的疾病。另一種觀點則與之相反，聚焦于嚴重影響當前畜牧業發展的某一特殊疾病，例如豬藍耳病、非洲豬瘟、仔豬腹瀉等，評估感染該疫病后動物的恢復能力，這可以通過攻毒的方式實現。

（1）建立自然挑戰模型

為研究斷奶至肥育豬接觸復雜疾病后機體恢復力的遺傳基礎，Dekkers 等[18]于2015—2019 年，建立了一套自然疾病挑戰模型，該模型由三部分組成：①對進入保育舍的斷奶仔豬，進行為期19d 的健康檢疫（確保均為健康仔豬）；②在40～70 日齡保育階段，讓仔豬初次接觸疾病；③70～180d 轉移到育肥舍飼喂直至育肥結束。在這3 個階段，每個豬圈平均4.4、7.2 和10.7 頭豬。豬被轉移到保育舍和育肥舍后重新分組，其中，第2、3 階段處于同一棟舍中，通過走廊連接。從不同的豬場引入豬群，作為自然疾病的傳播者進入到保育或育肥舍，通過每3 周進入60 或75頭健康保育豬的連續流動系統來維持挑戰，到育肥豬長至135kg 的時候進行屠宰。在試驗進行過程中詳細記錄各種表型數據并收集血液進行組學分析。在自然疾病挑戰的圈舍中逐漸檢測到了PRRSV、甲型豬流感病毒（Influenza a virus，AIV）、豬圓環病毒2 型（PCV2）和豬輪狀病毒A 型（Swine rotavirus A，RVA）等。然而，并不是所有批次的所有病原體都被識別出來了，也可能存在其他未被識別的病原體。

采食量變異（Variation in feed intake）可作為評價恢復力的新指標。傳統的恢復力表型包括死亡率、治愈率、平均日增重、日采食量、飼料系數、胴體重、背膘厚等。采食量（Feed intake，FI）對疾病較為敏感。豬在生病時，往往采食量會下降，同時采食量也是一個與生長速度直接相關的顯著遺傳性狀。Putz 等[18]從豬的日采食量數據中提取到，采食量或采食持續時間（Feed intake duration，FID）的日變化可作為新的恢復力指標，方法如下：對采食量或采食持續時間與年齡的線性回歸計算出每頭豬的FI 和DUR 的均方根誤差（Root mean square error，RMSE），在這種回歸中，具有較大平均偏差的動物被認為不具有恢復力，而FID 具有較大的遺傳力(0.23)，并與死亡率(0.79)和治愈率(0.20)具有良好的遺傳相關性。事實上，自然疾病挑戰模型中的環境是難以重復的，在一種環境中具有高恢復力的動物在不同病原體組合循環的環境中是否也具有高恢復力？這需要進一步的研究。

（2）特殊疾病感染模型

除關注動物在一般性疾病中的恢復力外，對于某一特殊疾病的恢復力也值得關注，事實上這類疾病往往是對經濟影響最大的疾病，例如，PRRS。針對這類疾病，疫苗接種并不是完全有效的，因此，針對特定疾病進行抗病育種是可取的。

2020 年，Harlizius 等[7]利用從一個核心豬場收集的5726 頭純種豬的日采食量數據來估算采食量變異的育種值。從5726 只純種豬中，挑選20 頭，培育了1356 個雜交后代，對這些后代首先進行PRRSV 攻毒試驗，然后用大量的次生病原體進行自然攻擊，發現采食量變異的估計育種值與成活率呈負相關(0.48)，提示減少采食量變異的遺傳選擇可用于提高豬只在感染PRRSV 后的成活率。Dunkelberger 等[19]用高致病性PRRSV 毒株感染1400 頭雜交育肥豬，結果顯示，在感染后PRRSV 后，豬的死亡率存在較大的遺傳變異。從試驗中獲得的遺傳參數估計表明，對單一世代單個性狀進行選擇后，感染HP-PRRSV 后的豬的死亡率有可能降低5.7%。Boddicker 等[10,20]開展的針對PRRS 疾病的感染試驗發現，宿主對PRRSV感染反應具有較強的遺傳力，選育PRRS 高抗豬，有利于提升豬群的抗病力水平。為了研究代謝物與豬的生產性能、疾病恢復力以及胴體性狀之間的關系，使用天然多種微生物疾病挑戰模型[18]收集與恢復力相關的性狀，利用核磁共振對健康保育豬血漿中的代謝物進行了量化，評估代謝物濃度的遺傳性，以及它們與暴露于自然多微生物疾病挑戰的生長豬的性能、恢復力和胴體特征的表型和遺傳相關性，通過GBLUP 估計方差組分，結果顯示，14 種代謝物的遺傳性估計值為低至中等(0.11±0.08 至0.19±0.08)，17 種代謝物為中等至高(0.22±0.09 至0.39±0.08)，L-谷氨酸(0.41±0.09)和次黃嘌呤(0.42±0.08)為最高。然而血漿代謝物與性能和胴體性狀的表型相關性較低[21]。這些結果表明，從健康保育豬中收集的一些血漿代謝物表型具有適度的遺傳性，與疾病挑戰后的表現和恢復力的措施的遺傳相關性表明它們可能是疾病恢復力的潛在遺傳指標。一直以來，基因型與環境的相互作用都是不容忽視的問題，因此，當特定疾病挑戰在標準化的受控環境中進行時，恢復力、抗病力乃至耐受力的研究是更有效的。另外，過度關注動物對某一特定疾病的恢復力，是否會造成對其他疾病的易感？這仍是未知的。

1.3 通過生產記錄評估疾病恢復力

通過建立自然疾病挑戰模型或是進行特定疾病攻毒的方法收集各項數據，通常并不容易實現。在缺乏這類數據的情況下，很多豬場的實地數據也應被給予重視，例如在疾病暴發期間收集的數據，可能有助于恢復力的研究。2014 年，Rashidi 等[22]利用在商品豬場收集的繁殖數據檢測PRRS 暴發的時期，并且對疾病的恢復力進行了評估。通常情況下，豬群處于健康或疾病發生的具體階段是難以區分的，因此，不能僅僅是考慮疾病的存在與否，也要重視疾病的發病程度。Mathur 等[23]利用來自歐洲、北美和巴西等不同國家447 個農場的3518222 條繁殖記錄開發了一套檢測疾病暴發時間及發病程度的方法。現已證明，用該方法檢測到的疫情暴發周期與豬場記錄相匹配。隨著疾病挑戰水平的增加，應對挑戰的遺傳變異程度也在增加，相應的，動物機體恢復力的表達也在提高。例如，對于PRRS 的發病程度，可就以通過母豬死胎和木乃伊胎的數量變化來判斷。

1.4 利用精準農業技術獲得恢復力表型。

精準農業（Precision Agriculture）是指在畜牧業中使用計算機、照相機、傳感器等電子設備，監測動物表型，捕獲有用數據，從而提升生產者管理水平以及養殖效率[18]。利用精準農業建立總體恢復力信息指標，然后與數學建模相結合的這種自動縱向數據收集在確定準確的恢復力指標方面具有很大潛力。

近年來，奶牛疾病研究取得了一定進展。奶牛產奶量對乳腺炎等疾病較為敏感，Elgersma等[24]利用自動擠奶系統的日產奶量記錄，介紹了奶牛的三種恢復力性狀，下降表型、下降回歸和每日產奶量變化。Poppe 等[25]探討了奶牛日產奶量與泌乳曲線偏差的方差、自相關和偏度，發現基于分位數回歸的對數轉換方差具有最高的遺傳力，且與健康、壽命和繁殖等性狀的遺傳相關性最強。然而，事實上，并非所有產奶量的變化都與疾病有關，例如：跛行、奶牛酮病、皺胃移位等疾病均會造成奶牛產奶量的下降[26]。

屠宰后臟器的變化也在一定程度上能夠反應豬只的恢復力差異。Topigs Norsvin 公司利用射頻識別（Radio frequency identification，FRID）電子標簽技術收集了140375 頭育肥豬的胴體數據，并對來自14 個農場的142324 頭豬的家系記錄進行遺傳分析，發現肺炎、胸膜炎、心包炎、肝臟病變和關節疾病的遺傳估計值分別為0.10、0.09、0.14、0.24 和0.17，表明存在大量遺傳變異[27]，如果對這些性狀進行選擇，可以對恢復力的遺傳改良有所幫助。Revilla 等[28]用自動飼喂系統對3個不同品系13093 頭育肥豬，對體重進行連續測量，然后使用Gompertz 模型和體重數據的線性插值來量化個體與預期生產水平的偏差。通過對不同品系豬恢復力指數（Resilience index）的遺傳力分析發現，曲線間面積（Area between curves，ABC）可作為量化恢復力的重要指標，ABC 越低，恢復力越高。另外，豬尾卷曲程度或可成為評價豬只恢復力的重要指標[29]。當豬只應對疾病的恢復力較差時，可能會造成豬咬尾現象的發生。

近年來，人工智能技術（Artificial intelligence，AI）在中國養豬業中也得到了廣泛應用。高科技企業與養殖企業進行合作，為其提供技術支持。華為機器視覺推出了智慧養豬解決方案，利用表盤監控、大數據分析、數字化管理、AI 識別、AI 預測、AI 決策等，通過全感知監控，實現機器人巡檢和自動遠程控制，使養豬模式智能升級。阿里巴巴公司把運動量作為判斷豬肉品質的標準，給每頭阿里豬的耳朵上建立一個專屬身份標識，用以記錄豬的運動量。為了提高母豬產仔數，阿里巴巴通過搜集母豬的睡姿、站姿、進食等數據，開發出一套“懷孕診斷算法”，由AI分析母豬是否配種成功，另外，利用語音識別技術和紅外線測溫技術來監測仔豬的健康狀況，降低仔豬死淘率。京東則推出了“豬臉識別”系統，通過“刷臉”識別，可對豬進行精準的飼料控制。另外還可全方位觀測、記錄每只豬的體重、生長、健康變化情況，以及收集豬舍內的溫度、濕度等參數。在百度的養豬解決方案中，養殖戶可利用“電子圍欄”實時監測豬棚里的異常活動，對豬進行遠程監控，通過“豬病通”進行豬病識別，篩查疾病、線上問診，降低豬群生病的概率。當前我國智能化養豬還處于發展階段，人工智能算法與解決方案在養豬中應用較晚且尚不成熟。另外，大多數豬場目前只能做到簡單的數據采集和分析，無法做到深層次和多維度數據模型構建以及精準決策。

2 國外育種公司對恢復力的研究

對于恢復力的研究，國外育種公司做了大量工作。加拿大加裕（GENESUS）公司于2009 年著手進行針對PRRS 的疾病恢復力的遺傳改良計劃，主要包括三個方面：①保育豬項目（Nursery pig project）：主要利用基因芯片數據篩選有利基因型育種（GBP5 的WUR 位點）。②母豬恢復力（Sow Resilience）：一方面，研究發病母豬群的產仔數及基因組信息，鑒定重要的遺傳標記及基因。另一方面，將FI 代后備母豬飼養在低健康水平的商品場，進行4 個胎次的跟蹤監測，利用基因組手段評價遺傳因素對后備母豬生產的影響。③商品豬恢復力（Grow-Finisher Resilience）：將部分育肥豬暴露在疾病挑戰環境中，篩選不同疾病恢復力水平的豬，進行高抗病基因組區域選擇，從而確定差異區段。當前，GENESUS 公司已經在疾病恢復力的研究及遺傳改良應用中獲得了重大的進展。

荷蘭托佩克（Topigs Norsvin）公司以其創新性的基因解決方案，應用于經濟高效的生豬養殖而聞名。Topigs Norsvin 公司率先使用CT 掃描技術對活體動物進行觀察，清晰識別母豬的椎骨數，提出母豬乳頭數或許與椎骨數有關的論斷。此外，CT 掃描儀在診斷軟骨病以及準確測量器官的形狀、大小方面具有較大優勢，這為評估豬的使用壽命和疾病恢復力特征提供了重要信息。良好的飼料利用率是豬最重要的特征之一，貫穿豬生長的每個階段。對600 多個豬場的調查顯示，若荷蘭每年每頭豬的總飼料效率平均提高0.8%，即13g，按1600 萬頭/ 年的豬屠宰量計算，則將減少超過4400hm2的作物種植面積。為更好的提高飼料利用率，同時降低豬群消化類疾病的發生，Topigs Norsvin 公司對3000 頭育肥豬展開了為期3 年的多組學研究，腸道微生物組學是該研究的關鍵一環，通過結合生產性能測定，最終開發出提高飼料利用效率及恢復力選育的方法。

海波爾（Hypor）育種公司在2000—2010 年采用雜種、純種一起（Combined crossbred and purebred selection，CCPS）的策略，根據豬在感染不同疾病后的生產表現對恢復力進行選育，方法是分別對公豬的純種和雜種群后代的數據進行收集，進行遺傳潛力評估，在疫病來襲時，收集雜種群信息，監測雜種群應對疫病挑戰的能力。

3 機遇與挑戰

我國是養豬大國，豬病給養豬生產造成的經濟損失約占總產值的12%～15%。已有的零星研究尚不足以支持有效的遺傳改良，進一步加強豬抗病育種理論與實踐的研究，從遺傳角度提高豬的利用效率具有重要意義。目前，豬恢復力的研究取得了較大進展，但是仍存在較多的問題。一是疾病感染屬于數量性狀，通常由微效多基因控制，由于數量性狀具有低遺傳力的特點，因此造成育種選擇進程較為緩慢。二是基因的表達調控并非獨自發揮作用，而是受控于基因互作網絡，這使得分子標記輔助選擇造成了較大難度。三是確定恢復力的指標是困難的。在研究恢復力時獲得了一些表型指標，例如采食量、死亡率、病毒載量等，然而這些指標有時也被用來評估動物的抗病力和耐受力，這中間的界限是模糊的，如果不能得到適當的解釋與區分，可能會影響到疾病恢復力的遺傳改良。四是關于如何鑒定出恢復力高和低差異較大的豬？目前，尚未有統一標準。篩選抗病力高和低的豬或許需要對感染疫病的豬進行長時間、多世代跟蹤，通過收集生產數據和血液生化指標進行判定，這是一項長期的工作。五是要想有意義地衡量疾病的恢復力，多大程度的疾病感染挑戰較為合適？這尚不清楚。但是清晰區分動物的生產潛力和抗病能力所需的最低感染挑戰或許是關鍵。盡管面臨諸多挑戰，利用動物本身的遺傳特性培育出恢復力強的品種依舊具有較大的育種價值與經濟價值。

目前，我國尚未見到關于豬疾病恢復力的相關報道。我國地方豬種資源豐富，且具有抗逆性強、耐粗飼的優勢，針對中外豬種體質差異利用多組學技術進行高抗病基因的篩選，鑒定出影響豬疾病恢復力的功能基因或蛋白是一個具有前景的研究方向，這對加強對優質遺傳資源的保護及合理開發與利用具有重要意義。