动物遗传育种学科百年发展历程与研究前沿

杨 宁，姜 力

（中国农业大学动物科技学院，畜禽育种国家工程实验室，北京100193）

0 引言

中国是最早进行动物驯化的古老民族之一，早在距今一万年左右就开始驯化各种野生动物。发展至今，已经成为当之无愧的养殖业大国，各种养殖产品产量及养殖规模均居世界前列。近年来，中国养殖业总产值以年均16.1%的速度高速增长，肉类和蛋类总产量连续多年稳居世界第一。动物种业位于养殖产业链的最上游，是畜禽产业的重要基石。据测算，中国畜禽种业市场价值已达4500亿元，约占全球的1/3。种业的快速发展离不开动物遗传育种学科的进步。回顾动物遗传育种学科近一个世纪的发展历程，经过科技工作者的不懈努力，中国在数量遗传学、分子遗传学、畜禽常规育种技术、分子育种技术、转基因育种技术、新品种培育等方面都取得显著进展，在猪、奶牛、肉牛、家禽、羊等畜禽遗传改良和育种实践中取得重要成果，大大推动了中国畜牧业的发展。

1 数量遗传学与畜禽常规育种

1900年孟德尔遗传规律的再发现，标志着现代遗传学理论的开始，但是这些理论并没有在当时的育种实践中发挥作用。20世纪初，随着数量遗传学理论逐步建立，全世界的育种工作进入了一个新的发展阶段。

数量遗传学研究早期基于的基本理论即是动植物数量性状的表型等于基因型值与环境值之和，并以此为基础估算育种中的重要遗传参数和个体育种值。从此，畜禽育种从传统的表型选择逐渐转变为育种值选择。随着数量遗传学理论的发展，育种值估计的方法迅速发展。20世纪中期，选择指数法开始应用于畜禽个体遗传评定。1965年Henderson提出了最佳线性无偏估计(BLUP)方法进行动物个体的育种值估计。随着计算机科学的发展，BLUP计算技术正式在育种中得以实现[1]，为全世界畜禽重要经济性状的遗传改良做出了巨大贡献，目前已成为世界各国畜禽遗传评定的规范方法。近几十年来，得益于数量遗传学的发展，中国的畜禽常规育种也取得了长足的进步。

中国奶牛育种工作主要起始于70年代中期的奶牛人工授精技术，随后从1983年起开始有计划的组织全国公牛后裔测定，逐步实施DHI和遗传评估。2006年，中国首次对奶牛进行了全国联合遗传评定。2007年，中国奶业协会育种专业委员会提出中国奶牛性能指数CPI[2]，经过不断完善，目前已涵盖产奶、体细胞评分、泌乳系统、体型、肢蹄多个性状[3]。这些举措对中国奶牛群体遗传改良发挥了重要作用并取得了显著成效，使牛奶总产量从建国初期的21万t上升到2016年的3570万t[4]。

猪的遗传育种一直备受关注。早在1972年，中国就成立了全国猪育种科研协作组。1997年，正式进行全国种猪遗传评估。2000年，中国开始利用动物模型BLUP进行种猪的遗传评估。2006年，建立了全国种猪遗传评估中心并开始全国猪的联合育种。2009年起实行全国生猪改良遗传计划[5]。目前中国已建立起全球最大的种猪遗传评估群体——92家核心场的核心群数量近15万头，并开发了全国种猪联合育种网络系统(http://www.cnsge.org.cn)[6]。联合育种的关键在于加强场间的遗传联系，随着社会化公猪站的建设和人工授精技术不断成熟，中国猪的联合育种优势将会越发明显。

家禽的常规育种水平近年来也得到快速提升。目前中国已能够准确、快速、全面地进行家禽的个体生产性能测定，实现了自动化和无纸化，并且在北京和扬州分别建立了家禽品质监督检验测试中心。在遗传评估技术方面，借助大数据分析工具，一个品系每个世代超过10万个以上的记录数据可以在短时间内得到快速的分析处理。随着全国蛋鸡和肉鸡遗传改良计划的启动，中国家禽产业逐步建立起较为完整的良种繁育体系，蛋鸡的良种国产比例已经达到50%，黄羽肉鸡则达到了完全的国产化，但是快大型肉鸡还需从国外引进[7]。

肉牛选育从80年代初期开始实施体型外貌评定、生产性能测定、系谱记录和后裔测定，并利用BLUP方法进行育种值估计。肉牛国家遗传评估中心收集来自全国各地核心育种场种公牛和核心母牛群的生产性能数据，已完成近8000头肉用或兼用种公牛的育种值估计。

羊的育种方面，国外以联合育种、BLUP遗传评估为代表的常规育种技术体系日臻完善。中国羊的育种工作中，种羊测定、人工授精、BLUP方法等技术已经得到应用，然而在联合育种、遗传参数估计等方面尚存在不足，各项技术发展的潜力还很大。

2 分子遗传学与畜禽分子育种

2.1 功能基因挖掘和分子遗传机制解析

到目前为止，Animal QTLdb数据库中已经收录了国际上发表的影响猪646个性状的25610个QTL，影响鸡380个性状的7812个QTL，影响牛574个性状的99652个QTL，影响羊225个性状的1658个QTL。由于QTL定位区间一般在10～20 cM，定位精度远不能满足对单个基因效应的识别，更加难以进行功能基因的分离和克隆。随着第三代分子标记SNP的出现和商业化高通量SNP芯片及分型技术的诞生，全基因组关联分析(GWAS)策略应运而生。中国农业大学在国内外首次利用Illumina生产的牛商用50K SNP芯片开展了奶牛产奶性状的GWAS，检测到与产奶量、乳脂量、乳蛋白量、乳脂率和乳蛋白率显著相关的75个重要候选基因[8]，并验证了GPIHBP1基因影响奶牛乳脂性状的分子机制[9]。随后陆续开展了奶牛乳成分、乳房炎、体型、繁殖以及公牛精子质量等性状的GWAS。

猪重要经济性状功能基因的研究也取得了丰硕成果。2007年，Mikawa等人发现了位于1号染色体的影响猪腰椎数的功能基因NR6A1及因果突变位点[10]。2011年，江西农业大学鉴定出位于7号染色体影响猪耳面积的功能基因PPARD和因果突变[11]、位于3号染色体的酸肉基因PHKG1[12]、仔猪腹泻基因MUC13[13]和导致肋骨数增加的功能基因VRTN以及因果突变位点[14]。此外，国内许多课题组开展了与猪生长、繁殖、肉质和免疫性状相关的功能基因挖掘和鉴定工作。

中国鸡的分子遗传研究也取得了长足的进步。1993年，中国农业大学精细定位了鸡性连锁矮小基因(dw)，并报道了该基因的DNA序列。2004年12月，中科院北京基因组研究所等单位在原鸡基因组和家鸡基因组多态性研究的基础上绘成一张鸡的遗传差异图谱，发现了280多万个变异位点。2013年，中国农业大学通过系统研究，首次鉴定了鸡绿壳基因SLCO1B3，并成功解析了绿壳蛋性状形成的分子机理[15]。中国在鸡快慢羽基因、丝羽乌骨鸡“十全”特征性状遗传规律的研究、控制鸡抱巢性基因与变异的鉴别等方向都取得了可喜的进展，为鸡的分子标记辅助选择奠定了坚实基础。

2.2 功能基因组研究

功能基因组技术的发展极大的促进了畜禽重要经济性状功能基因的挖掘和遗传变异的解析。通过对基因组、转录组、蛋白组、表观组以及宏基因组等组学信息的获得，可以从不同层次、不同角度挖掘和筛选功能基因，并可以更加高效的研究基因网络和调控通路，为解析功能基因作用机理奠定了坚实基础。

2013年，四川农业大学通过对藏猪和家猪的基因组比较研究，鉴定出大量藏猪高海拔适应性的快速进化基因以及家猪中受到强烈人工选择的与肌肉生长、脂肪沉积和免疫相关的基因[16]。2014年，国际千牛基因组计划启动，在牛的基因组中检测到2800多万个基因变异位点。中国农业大学作为参加成员之一，完成了该计划中部分个体的重测序。2015年，江西农业大学对11个不同品种的猪进行了全基因组重测序，深入研究了在进化过程中基因的渗入，获得了与中国南北方猪不同温度适应性有关的位点[17]。2012年，中国科学家完成了牦牛基因组序列图谱[18]。2013年和2014年，中国科学院昆明动物研究所和深圳华大基因研究院等单位合作分别对云南黑山羊、特克赛尔羊进行基因组测序，组装完成了首个绵、山羊全基因组图谱，分别在Nature Biotechnology、Science杂志发表[19-20]。

在转录组、蛋白质组、表观遗传组和宏基因组等方面，中国在畜禽重要经济性状上都开展了大量研究，鉴定了一批与生长、肉质、繁殖、产奶等重要经济性状相关的差异表达基因、差异表达蛋白、差异甲基化基因、miRNA、lncRNA等，并对它们之间的调控关系进行了探究。2012年，四川农业大学利用高通量测序技术绘制了猪脂肪组织和肌肉组织的全基因组甲基化图谱，并研究了差异甲基化基因与差异表达基因之间的调控关系[21]。2014年，中国农业大学对具有极端高、低乳脂率和乳蛋白率的中国荷斯坦牛的乳腺组织进行了转录组测序，筛选了31个产奶性状相关的差异表达基因[22]。此外，中国科学家在奶牛乳房炎抗性[23]、绒山羊毛囊发育[24-25]等分子机制等方面都有重要发现。畜禽宏基因组研究也有重要进展，中国农业大学利用宏基因组测序技术揭示了鸡的饲料转化率性状与肠道微生物之间的关系[26]。

拷贝数变异(CNV)也是近年来畜禽功能基因组研究的热点。中国多个研究小组利用高通量SNP芯片和二代测序技术对畜禽基因组中的拷贝数变异进行了检测，获得了奶牛、猪、肉牛、鸡等全基因组拷贝数变异图谱，通过对CNV进行生物信息学分析，发现多个与体尺性状、胴体性状、免疫性状、肉质性状等相关的重要候选基因。随着各个物种基因组序列图谱和基因组功能注释不断的完善，畜禽分子遗传研究将更加深入，未来调控畜禽重要经济性状的“黑箱”有望被一一打开。

2.3 分子标记辅助选择和基因组选择

中国在分子标记辅助选择方面也取得了长足的进步。例如中国科研人员发现的仔猪腹泻基因、酸肉基因、多肋基因都已获得专利授权并已成功应用于中国猪的分子标记辅助选择(Marker Assisted Selection,MAS)中，取得了显著的经济效益。首先鉴定出鸡的矮小基因和绿壳基因，并培育出“农大3号”节粮小型蛋鸡和“新杨绿壳”、“苏禽绿壳”蛋鸡新品种。鱼腥味基因FMO3检测技术也被应用于中国蛋鸡、鹌鹑的分子育种中，通过剔除鱼腥味敏感等位基因去除禽蛋鱼腥味。这些分子标记的应用，为中国畜禽产业带来了巨大的生产效益。

然而到目前为止经过功能验证并应用于畜禽分子育种的功能基因或分子标记数量仍然十分有限。并且由于发现的很多影响经济性状的基因或分子标记解释的遗传变异比例较低，限制了MAS在畜禽育种中的应用。2001年，Meuwissen首次提出了基因组选择(genomic selection，GS)方法，即利用全基因组高密度标记信息进行个体育种值的估计，得到基因组育种值(GEBV)[27]。基因组选择能够捕捉到所有影响目标性状的QTL，以此实现对育种值的准确预测。自该方法提出后，全球的科学家们围绕GS的算法、如何提高GEBV估计准确度以及如何将其应用到具体的育种实践中展开了多方面的探讨和研究，GS育种已经成为畜禽种业关注的焦点。

GS不但可以对动物个体进行早期选种，缩短世代间隔，而且对于一些遗传力低的性状以及一些难以测量的性状更具有独特的优势。2006年，Schaeffer的研究表明，采用基因组选择获得一个遗传标准差的改进所需的育种成本比常规育种（后裔测定）体系下降27.8倍[28]。因此，自2009年起世界上一些奶业发达国家，如美国、加拿大首先开始在奶牛育种中使用GS。2012年，由中国农业大学牵头成功构建了中国唯一的奶牛基因组选择参考群体，该群体包括约9000头中国荷斯坦奶牛，并首次使用GS对青年公牛进行遗传评估。GS技术的应用使中国公牛选择准确性提高22个百分点、世代间隔缩短4.5年、遗传进展加快一倍，大大提高了中国自主培育种公牛的能力。该技术已成为农业部《全国奶牛遗传改良计划》的核心技术。

随后，GS在鸡和猪的育种领域开始应用，并得到快速发展。在肉鸡和蛋鸡的研究中均发现基因组选择方法准确性高于传统BLUP法。2010年后，Illunima公司和Affymetrix公司分别和不同的国际研究团队及育种公司合作，先后推出了鸡60 K SNP芯片和600 K芯片，用于全基因组关联分析和基因组选择。2017年，中国农业大学和中国农业科学院北京畜牧兽医研究所针对中国鸡育种的实际需要，分别设计制作了50 K蛋鸡专用SNP芯片（Illumina平台）和55 K肉鸡专用SNP芯片（Affymetrix平台），通过优化芯片设计和针对性的育种方案，降低育种成本，提高选择的准确性，使中国鸡分子育种的技术水平走到了国际前列。

2010年后，GS开始在猪的育种中被快速应用。根据PIC公司2014年的数据，应用GS使总体遗传进展加快了35%。中国猪的GS工作于2012年开始，由中国农业大学与温氏集团等合作，率先在杜洛克猪群体中开展了GS研究。2017年8月，由中国农业大学等7个科研单位以及全国31家猪育种企业共同参加的全国猪基因选择育种平台在重庆猪业大会上正式启动，计划针对杜洛克、长白和大白3个品种构建大规模基因组选择参考群体，对生长性状、繁殖性状和饲料转化率性状进行GS。随后，2017年10月，江西农业大学推出了中国最新自主设计的“高效、精准”的猪基因组选择芯片，未来有望应用于GS中，进一步提高选种的准确性。

中国肉牛GS研究也紧跟国际前沿，2008年中国农业科学院北京畜牧兽医研究所在内蒙古锡林格勒盟乌拉盖地区组建了西门塔尔肉牛参考群体，积极开展肉牛全基因组选择(GS)研究。绵羊GS研究方面，新西兰走在了世界前列[29]，法国、英国和澳大利亚等也正在开展相关研究，国内还未见有关报道。

3 转基因育种技术

转基因育种是通过人工基因修饰技术培育出常规育种方法不能或难以育成的动物新品种，从而加快动物重要经济性状改良进程。中国启动了农业领域唯一的重大专项——转基因生物新品种培育重大专项，为中国猪、牛、羊的转基因育种研究提供了重要契机。

近年来，转基因猪研究开展的如火如荼。最引人注目的是2014年美国科学家成功利用CRISPR/Cas9技术制备了CD163和CD1D的基因编辑猪[30]，并开展了CD163基因编辑猪对猪蓝耳病病毒的抗性研究[31]。2017年，英国爱丁堡大学罗斯林研究所研究人员通过编辑CD163基因培育出了32头抗蓝耳病的转基因猪[32]。中国转基因猪的研究起始于1992年，魏庆信等采用显微注射法获得了首批转生长激素基因的转基因猪。2005年，中国农业大学获得了中国首例体细胞克隆猪和转溶菌酶克隆猪，并逐步建立了高效的体细胞克隆猪、转基因克隆猪和基因敲除克隆猪生产技术平台。目前中国科研人员已成功获得了影响猪肌肉生长和瘦肉率性状的MSTN、GH基因编辑猪，影响肉质性状的sfat-1基因编辑猪，影响繁殖性状的FSHα/β基因编辑猪以及影响抗病性状的转基因猪等[33]。2017年中国科学院动物研究所利用CRISPR/Cas9技术构建了UCP1基因定点敲入猪，培育出了首例抗寒瘦肉转基因猪[34]。

转基因牛的研究方面，目前国内已经获得了表达人重组乳铁蛋白基因的转基因奶牛、MSTN基因敲除牛、β-乳球蛋白基因敲除牛转溶葡萄球菌素抗乳腺炎转基因牛等。2017年，西北农林科技大学利用CRISPR/Cas9n系统最新获得了抗结核病的转基因牛，该转基因牛在牛结核分枝杆菌的环境下更具抗性[35]。内蒙古大学研制出fat-1转基因奶牛，乳汁中的ω-3多不饱和脂肪酸含量是对照组的10倍以上[33]。羊的转基因研究也已经在国内多个实验室开展[33]，并培育了一批转基因羊新品种研发企业，为转基因羊研究最终走向产业化奠定了基础。

4 新品种培育

中国十分重视国内自主品种的培育，近年来采用开放与闭锁相结合技术路线，利用BLUP育种技术、分子育种技术等多种技术相结合，在猪、牛、鸡、羊中培育了许多新品种和配套系。1999年中国开展畜禽品种审定制度以来，截止2017年6月，在猪的育种中先后培育了13个新品种和13个配套系，包括鲁烟白猪、松辽黑猪、天府肉猪等。由于牛的世代间隔长，近十年培育了夏南牛、延黄牛、辽育白牛、蜀宣花牛、云岭牛5个专门化肉牛品种。

鸡的新品种培育取得了可喜的成果。近20年，利用从国外引进的高产蛋鸡品种素材和国内的遗传资源，中国先后育成了京系列、农大3号、新杨绿壳等蛋鸡配套系，使中国蛋鸡产业摆脱了对外国品种的依赖。利用国内丰富的地方品种资源，培育出大量优质黄羽肉鸡，如温氏新兴黄鸡、岭南黄鸡、雪山鸡等，促进形成了规模巨大的优质肉鸡产业。到2017年1月，通过国家审定的蛋鸡新品种（配套系）已经有18个，黄羽肉鸡新品种和配套系数量已达49个[7]。这些新品种（配套系）的成功培育，使中国蛋鸡肉鸡自主育种迈上一个重要台阶，取得了巨大的社会效益与经济效益。

建国以来，中国已育成了二十多种不同生产方向的绵羊品种。1954年，中国第一代细毛羊品种——新疆毛肉兼用细毛羊培育成功。1985年，中国美利奴羊通过国家畜禽遗传资源委员会审定。2000年，云南半细毛羊育成，成为中国第一个国家级的半细毛羊新品种。2003年到2014年间，育成新吉细毛羊、晋岚绒山羊、苏博美利奴羊等7个新品种，其中苏博美利奴羊是跨省区多单位联合育种，经4个世代系统选育的超细型细毛羊新品种。中国肉羊新品种近年来主要培育出了巴美肉羊、昭乌达羊、察哈尔等肉用绵羊品种和南江黄羊、简阳大耳羊等肉用山羊品种。

5 前景展望

中国畜牧业产业正从数量型增长向质量效益型转变，盲目引种时代已经结束。随着动物遗传理论和育种技术的不断进步，规模化养殖技术的不断发展，畜牧业已进入新的发展时期。目前正是中国畜禽自主育种的战略机遇期，未来的工作中应重点关注以下3个方面：

（1）基因组选择技术在畜禽育种中的应用。根据联合国粮农组织的预测，21世纪全球畜牧业90%畜禽品种将会逐步应用分子育种技术。GS的出现为动物分子育种带来了革命性进展，在许多畜牧业发达国家广泛应用。未来20年中国应加强畜禽基因组研究及基因组选择育种技术应用的研究。

（2）“平衡育种”应是未来畜禽育种工作的重点。在畜禽育种中，如果只关注了畜禽经济性状的选择而忽视了其他性状的平衡选择，也会导致育种效率的降低。未来的育种工作中应强调畜禽综合经济效益的提高，将高产、优质、高效、抗病和生产年限等相关性状统筹纳入育种目标中。

（3）提高中国育种企业的国际竞争力。目前中国育种行业具有自主育种能力和国际竞争力的育种龙头企业还不多。国际育种公司已经发展成为全球性的育种企业，而中国种业研发主要集中在科研院所和高校。未来需要重点扶持和鼓励企业与科研院所合作，开展长期的自主育种研究，推进商业化育种体系的建立，加快中国育种企业向国际种业市场进军的步伐。

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