全基因组选择技术在牧场的应用

赵晓铎，张鹏，吕昕哲，许诗凡，刘光磊,2

（1.上海奶牛育种中心有限公司，上海 201901；2.光明牧业有限公司，上海 201103）

随着高通量的基因检测技术的发展，基因组选择技术给传统奶牛育种体系带来革命性变化。该方法利用基因芯片技术实现规模化的SNP 标记多态检测，并基于各国积累的大量后裔测定遗传评估结果，实现单个遗传标记或多个遗传标记构成单倍型的遗传效应估计[1]。基因组选择的方法仅利用新生后备牛的基因组选择信息，即可实现动物个体的基因组育种值（GEBV）估计，据研究报道，其可靠性高于传统的系谱选择，可靠性最高可达75%左右[2]。基因组选择策略目前实现了公牛的早期选择，极大缩短了奶牛遗传改良的世代间隔，节约了选育成本，提高了选育效率。目前该技术已在全球得到大规模应用，不光应用于公牛检测，越来越多的牧场也开始将该技术应用于母牛群体。本文对基因组选择技术的发展、遗传进展进行了论述，并对牧场检测的母牛头胎305d产奶量、乳脂率、乳蛋白率等表型值与基因组检测的产奶量、乳脂率、乳脂量、乳蛋白率、乳蛋白量等5个生产性能单性状育种值进行分析，为基因组选择在牧场的应用提供参考。

1 北美地区奶牛基因组选择技术发展情况

北美地区在奶牛基因组选择的研究与实践方面发展迅速。由于美国和加拿大奶牛的遗传联系性较高，两国联合构建了荷斯坦验证公牛资源群体，到2010年参考群体规模已经达到9 958头公牛[3]，目前已达到18 000头公牛以上[4]。

美国采用Illumina Bovine SNP50 芯片进行标记基因型检测。标记基因型效应的估计采用传统的BLUP 法和改进的Bayesian 法进行。基因组育种值( GEBV) 的计算同时考虑系谱信息与基因组预测信息，采用选择指数法的原则进行合并[5]。在美国地区公布的基因组育种值结果中，各性状基因组育种值的平均可靠性达50%以上，远高于传统父母均值的预测可靠性。2009年1月份，美国首次公开发布奶牛基因组选择的评定结果，并且完全接纳基因组信息作为官方种公牛评定发布的信息来源，即综合传统评定结果与GEBV 进行公牛排名。

加拿大奶牛基因组选择项目由加拿大圭尔夫大学的家畜遗传改良中心( CGIL) 、加拿大奶业网( CDN) 与美国相关机构合作同平台开展。2009年8月份，加拿大首次公布其育种体系下的奶牛基因组选择遗传评估结果。对于青年公牛和青年母牛，加拿大公布的基因组育种值综合考虑系谱信息与直接基因组评估值（Direct Genomic Value，DGV）性状平均权重比例为35∶65，平均可靠性达60%；对于无后代女儿信息的成母牛综合考虑传统育种值（EBV）和DGV，性状平均权重比例为45∶55，平均可靠性达70%；对于具有后代女儿信息的成年母牛和验证公牛考虑EBV与DGV，性状的平均权重比例为50∶50，平均可靠性达90%[6]。加拿大奶牛育种组织对于基因组育种值的应用相对谨慎，所发布的官方公牛排名仍使用传统后裔测定育种值进行排序，仅对各公牛进行基因组育种值的标注。对母牛而言，加拿大官方同时公布传统育种值排名及基因组育种值排名，以供参考。

2 北美地区基因组选择技术对牛群取得的遗传进展及检测数量

加拿大荷斯坦协会按照母牛出生日期将母牛分为2004～2009年出生、2011～2016年出生两个阶段，其中2004～2009年出生的母牛未做过基因组选择，2011～2016年出生的母牛都进行过基因组选择。根据每年出生的母牛的平均育种值统计其遗传进展，经过统计，2004～2009年出生的荷斯坦母牛的育种值遗传进展为每年增加50点，2011～2016年出生的母牛育种值遗传进展为每年增加107点，后者是前者的两倍[7]。可以看出自从2010年实施基因组选择技术后，所取得的效果非常显著。

通过评估单性状的遗传进展可以看出基因组选择在奶牛育种中的作用。表1显示了2004～2009年各性状获得的遗传进展与2011～2016年各性状获得的遗传进展，结果表明，基因组选择对所有性状遗传进展都有促进作用，尤其是遗传力较低的功能性状会有不错的遗传进展。在基因组选择之前，大部分功能性状进展缓慢或变化不大，像女儿怀孕率，遗传力低，通过基因组选择可以提高性状遗传评估的准确性[8]。基因组选择最大的作用是提高了功能性状的遗传进展。对于脂肪量和蛋白量育种值，2011～2016年出生的母牛获得了比2004～2009年出生的母牛多两倍的进展。体型性状，尤其是体躯容量和乳房性状，是2004～2009年出生的母牛获得的最高遗传进展的性状，但在2011～2016年出生的母牛中体型性状遗传进展更快。肢蹄性状的遗传进展在应用了基因组选择后比之前提高了两倍。肢蹄性状是体型性状中遗传力最低的性状，通过基因组选择可以显著增加肢蹄性状的遗传进展。

表1 加拿大2004～2009年和2011～2016年出生母牛各性状育种值遗传进展分析对比

表2 加拿大2004～2009年和2011～2016年出生母牛各表型值取得的遗传进展对比

表1看出，通过基因组选择，蛋白量遗传进展B组是A组的两倍。表2可以看出，A组母牛乳蛋白量5年间共增加11.8kg，每年约增加2.4kg，在B组，5年间乳蛋白量共增长24kg，即每年增长4.8kg。这意味着，在过去5年里，在管理水平不变的条件下，群体母牛305d乳蛋白产量平均每年可增加约5kg。

表1和表2可以看出，对无论是遗传力高还是遗传力低的性状，基因组检测取得的遗传进展都比非基因组检测母牛群体取得的遗传进展更高，充分说明了基因组选择在奶牛育种上的巨大作用。

表3 美国2018年12月份基因组公牛和后测公牛的各性状遗传均值

通过表3可以看出，公牛在基因组选择上取得的进展比后裔测定公牛更快，取得的效果也更好。

截止到2018年12月23日，美国CDCB数据库中的基因组选择数据量已经达到2 850 434个，其中主要国家的检测量如表4所示。

表4 主要国家基因组检测公牛和母牛样本数量

由表4可以看出，基因组选择技术受到各个国家的认可和欢迎，截止到2018年12月23日，各国基因组检测检测母牛样品达2 461 204个，其中美国基因组检测母牛样品2 136 643个，由此可见基因组选择技术应用越来越普遍。但中国母牛检测数量较少，仅有4 051个数据，基因组选择技术在中国牧场应用还刚开始，未来还有非常大的应用空间。

3 基因组选择技术在上海地区牧场的应用实践

目前基因组检测技术已经广泛应用于上海地区牧场的公牛选择，所有的公牛都经过基因组选择，都有基因组成绩。但是在2015年之前母牛基因组选择一直比较缓慢，随着参考群体的扩大，准确性的提高，越来越多的牧场开始应用基因组选择作为牧场的管理工具。

为了验证基因组检测的效果，随机挑选具有完整头胎产量记录的母牛91头，对其进行基因组检测，获得了TPI育种值及各单性状育种值，并对产量育种值和生产性能表型值之间的关系进行了分析。

由图1可以看出，群体中TPI最高和TPI最低对产奶量没有相关关系，因此制定育种目标不仅要看总育种值，更要关注单性状育种值。

图1 头胎305d产奶量与TPI的关系

表5 产奶量育种值与头胎305d产奶量的关系

图2 头胎305d产奶量与母牛育种值之间的关系

由表5、图2可以看出，产奶量育种值对牧场产量呈正相关的关系，通过产奶量育种值这个性状可以对母牛牛群的产量特别是犊牛的产量进行预测，产奶量育种值可靠性在70%～80%之间[9]。对犊牛进行基因组检测可以根据产奶量育种值淘汰产量最低的25%的犊牛，进而加快遗传进展。

图4 乳蛋白率育种值与表型值的关系

图5 乳脂量育种值与乳脂率表型值的关系

图6 乳蛋白量育种值与乳蛋白率表型值的关系

由图3～6可以看出，在不考虑牛群系谱是国产公牛还是进口公牛的前提下，牧场牛群乳脂率、乳蛋白率的表现与牛群的乳蛋白量、乳蛋白率、乳脂量、乳脂率4个性状的育种值变化是相一致的。由此可以看出，若在犊牛时期对牛群进行基因组筛选，可以有效地将育种值表现差的牛进行提早淘汰，进而对牧场牛群选育取得更快的遗传进展。

目前，牧场育种主要依靠公牛的遗传基因，因此冻精的选择对牧场非常重要，超过90%奶牛群体实现的遗传进展都是由公牛选择的结果，传统上，通过母牛进行选择的机会非常有限，这是由于母牛所有出生的后代比较少，只有在核心育种场，通过超数排卵、胚胎移植等技术才能使优秀母牛产生更多后代，才有机会对母牛进行选择。随着性控技术和基因组选择技术的成熟，商业化牧场通过性控技术和基因组选择技术可以为牧场获得更大的经济效益。一般后代小母牛得到的父母平均水平的可靠性在35%～40%之间。通过基因组选择，这个可靠性水平大约可翻倍到70%[9]。通过性控冻精使牧场获得更多的小母牛，通过基因组选择对小母牛进行早期选择，早期淘汰，将遗传水平最低的25%的小母牛群体进行淘汰，会加快牧场遗传进展。

通过试验分析也可以看出，牧场通过基因组选择对犊牛进行早期选择，可以有效提高牧场的产量水平。在实施方案中，需要确定牧场重点选育方向，对重点性状进行筛选，如果单纯对总育种值进行筛选，反而达不到育种目标。