华南地区公猪精液性状遗传参数估计

张笑科，李 瑶，林 清，周 隽，黄晓宇，钟展明，袁晓龙，张 哲，李加琪，黄 翔*，张 豪*

（1.华南农业大学动物科学学院，广东省农业动物基因组学与分子育种重点实验室，国家生猪种业工程技术研究中心，广东广州 510642；2.广东谷越科技有限公司，广东广州 510980）

养猪业是关系到国计民生的重要产业。良种是保障生猪产业健康发展的重要基础，是提升生猪产业核心竞争力的关键。我国是世界上生猪生产与猪肉消费第一大国，稳产保供任务艰巨，必须要有强有力的种业支撑。目前，种公猪主要依据生长性状（如生长速度）、胴体性状和繁殖性状（如窝产仔猪数）进行选择。在牧场中，人工授精（Artificial Insemination，AI）已成为商业母猪配种的主要形式，并对生猪遗传改良和生产性能提高产生了重大影响，因此，核心育种场和公猪站生产大量高质量精液是提高生猪生产水平的关键。据报道，全国生猪人工授精率达到86% 以上，有效地减少了繁殖群所需的公猪数量，同时提高了每头公猪生育率和遗传价值的发挥。目前最佳线性无偏预测（Best Linear Unbiased Prediction，BLUP）广泛应用于优秀公猪的选择，但精液性状的遗传研究较少。国外关于猪群精液性状遗传参数估计已有一些研究，但这些遗传参数显示出高度变异性。因此，华南地区公猪精液性状的遗传参数研究，对于制订有效的精液选择方案具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 数据来源 本研究数据来自广东谷越科技有限公司某核心公猪站，以杜洛克（Duroc，DD）、长白（Landrace，LL）、大白（Yorkshire，YY）3 个品种公猪为研究对象，收集2020—2022 年924 头公猪23 470 条精液测定记录，性状包括精液体积（Semen Volume，SEMVOL）、精液密度（Semen Concentration，SPCON）、精子活力（Sperm Motility，SPMOT）、直线前进运动精子比例（Sperm Progressive Motility，SPPMOT）、精子畸形率（Sperm Abnormality Rate，SPABR）、总精子数（Total Sperm Count，SPCOUNT）。其中，总精子数由精液体积×精液密度得到。

1.2 数据的测定与处理 Wang 等给出了测量精液体积的详细说明，即使用电子天平称量每一次射精的重量来确定精液量。通过Magapor Gesipor3.0 CASA（Computer-Aided Sperm Analysis）计算机辅助精液分析系统检测精液密度、精子活力、直线前进运动精子比例和精子畸形率。

根据Marques 等和Wang 等的研究，结合自身数据特点，对原始数据进行以下处理：①公猪年龄在10—40 月龄之间；②剔除采精次数≤5 次的公猪样本；③剔除精子活力<0.1 的精液测定记录；④剔除一次射精量≤50 mL 的精液测定记录，⑤剔除精子密度≤1×10个精子/mL 的精液测定记录；⑥剔除精子畸形率<0.01 的精液测定记录；⑦剔除相邻采精间隔>60 d和采精间隔为0 d 的精液测定记录。此外，每个品种公猪系谱可以追溯3 代。经过原始数据处理，共剔除1 107 条精液测定记录，占原始数据4.72%，获得杜洛克猪381 头10 132 条精液测定记录、长白猪289 头6 851 条精液测定记录和大白猪254 头5 380 条精液测定记录。

1.3 固定效应划分 使用R 软件（R x64 4.0.3，https://www.r-project.org/）剔除每个固定效应条件下各精液性状记录数量较少的测定记录，剩余固定效应水平划分如下：品种效应依据公猪品种划分为3 个水平（DD、LL、YY）；年份效应依据采精年份划分为3 个水平（2020年、2021 年、2022 年）；季节效应依据采精季节划分为4 个水平（春季：3—5 月、夏季：6—8 月、秋季9—11 月、冬季12 月至次年2 月）；胎次效应依据公猪出生胎次划分为6 个水平（1～5 胎、6 胎及以上记作6 胎）；同窝仔猪数效应依据公猪出生同窝仔猪个数划分为4 个水平（1～8、9～12、13～16、>16）；乳头数效应依据公猪总乳头数划分为3 个水平（<12、13～16、>16）。

1.4 统计分析

1.4.1 固定效应分析模型

式中：Y为第个品种、个采精年、个采精季、个出生胎次、个同窝仔猪数、个总乳头数的第头公猪的精液性状表型值，Breed为品种效应，Year为年效应，Season为季节效应，Parity为公猪出生胎次效应，Litter为公猪同窝仔猪数效应，Nipples为公猪总乳头数效应，e为随机残差效应。

1.4.2 方差组分估计模型 本研究使用DMU 软件（v6-R5-2-EM64T）进行方差组分估计和育种值预测。采用平均信息法（Average Information，AI）和期望最大化算法（Expectation Maximization，EM）相结合的dmuai 模块约束性最大似然法估计方差组分（Restricted Maximum Likelihood Method Eastimation of（Co）-Variance Components），利用dmu4 模块估计个体育种值。精液性状方差组分分析采用重复力模型，模型如下：

模型的矩阵表示：

式中：是各精液性状的观测值向量，为固定环境效应向量，为固定回归函数的回归系数向量，长度为m+1，a 为加性遗传随机回归系数向量，长度为×（m+1），p 为永久环境随机回归系数向量，长度为×（m+1），为系谱中的个体数，为有测定值的个体数，m为固定回归函数的阶数，m为随机回归函数的阶数；X为固定环境效应的关联矩阵，X为固定回归系数的协变量矩阵，Z、Z为随机回归函数的协变量矩阵；A 为加性遗传相关矩阵，D 为加性遗传随机回归系数间的方差-协方差矩阵，P 为永久环境随机回归系数间的方差协方差矩阵；⊗为直积（Kronecker Product）。

遗传力的标准误（）计算参照Knauer 等和Su 等的研究：

式中：为遗传力标准误，（）为加性效应和永久环境效应的协方差；（）为加性效应和残差效应的协方差；（）为永久环境效应和残差效应的协方差，由DMU 结果文件PAROUTSTD 获得。

遗传相关和表型相关的计算：

1.4.3 估计育种值准确性（Reliability of Estimated Breeding Value，r） 参照Mrode 等和张沅的研究，个体育种值准确性的计算公式为：

2 结果

2.1 表型数据统计分析 各品种精液性状质控后描述性统计见表1。可以明显看出，精液体积和总精子数长白公猪最高，精液密度杜洛克公猪最高，精子活力杜洛克和大白猪高于长白猪，直线前进运动精子比例长白和大白猪高于杜洛克，精子畸形率长白和大白猪低于杜洛克。

表1 各品种公猪各精液性状描述性统计

2.2 固定效应显著性检验 公猪品种、采精季节、公猪出生胎次对各精液性状均有显著影响，采精年份对SPCON、SPPMOT、SPMOT、SPABR 影响极显著，公猪同窝仔猪数和公猪总乳头数对除总精子数外的各精液性状均有显著影响（表2）。在计算方差组分时将对各个精液性状影响不显著的固定效应剔除。

表2 各精液性状固定效应方差分析F 值

2.3 方差组分与遗传参数估计 参照Falconer 等的研究，遗传力指数量性状育种值方差占表型方差的比例，≥0.3 表示该性状具有较高的遗传力；0.1 ≤<0.3 表示该性状具有中等大小的遗传力；<0.1 表示该性状具有较低的遗传力。重复力反映一个性状受到遗传效应和永久性环境效应的大小。各精液性状的加性遗传方差、永久环境效应方差、残差方差、遗传力和重复力见表3。本研究中精液性状的遗传力变化范围为0.185～0.298，属于中等遗传力性状，重复力的变化范围为0.221～0.626。SEMVOL、SPCON、SPMOT、SPPMOT、SPABR、SPCOUNT 的遗传力和重复力分别为0.23、0.28、0.19、0.21、0.298、0.14 和0.33、0.32、0.29、0.22、0.63、0.22，各精液性状遗传力和遗传力标准误存在极显著差异（<0.01），结果可靠；精液性状中精子畸形率重复力较高，受环境因素影响最大。

表3 各精液性状估计方差组分和遗传参数

2.4 遗传相关与表型相关 精液各性状间的遗传相关和表型相关见表4。精液体积与精液密度、总精子数的遗传相关分别为-0.463、0.320，表型相关分别为-0.323、0.359，精液体积和精液密度存在中等程度负相关、总精子数存在中等程度正相关；精液密度和精子活力、精子畸形率、总精子数的遗传相关分别为0.461、-0.348、0.554，表型相关分别为0.304、-0.254、0.582，精液密度和精子活力存在中等程度正相关、精子畸形率中等程度负相关、总精子数中等程度正相关；精子活力和直线前进运动精子比例、精子畸形率、总精子数的遗传相关分别为0.538、-0.669、0.511，表型相关分别为0.187、-0.423、0.210，精子活力和直线前进运动精子比例存在中等程度正相关、精子畸形率存在中高程度负相关、总精子数中等程度正相关；直线前进运动精子比例和精子畸形率的遗传相关为-0.340，表型相关为-0.178，两者之间存在中等程度负相关；精子畸形率和总精子数的遗传相关为-0.620，表型相关为-0.268，两者之间存在中高程度负相关；这些性状遗传相关、表型相关和遗传相关标准误、表型相关标准误存在极显著差异，结果可靠；其余性状均无明显相关关系。精子体积和精子活力、精液密度和直线前进运动比例的遗传相关分别为-0.041、-0.078，无明显相关关系。

表4 各精液性状的遗传相关及表型相关

2.5 估计育种值准确性 SEMVOL、SPCON、SPMOT、SPPMOT、SPABR、SPCOUNT 的估计育种值准确性分别为0.742±0.092、0.775±0.147、0.722±0.093、0.897±0.147、0.594±0.059、0.635±0.085，精液体积、精液密度、精子活力和直线前进运动精子比例具有较高育种值准确性，均在0.7 以上；除精子畸形率育种值准确性较低外，其余各精液性状均具有较高的育种值准确性。

3 讨 论

精子数量和精液质量是影响AI 公猪繁殖能力的主要因素，在生猪育种和生产中发挥着重要作用。47.3%由生长性状选择的AI 公猪因精液品质差而从核心育种场、公猪站淘汰，因为这些精液性状没有达到质量阈值。公猪精液品质差是公猪淘汰的主要原因，它使公猪的寿命降低了12.3 个月。因此，AI 公猪的选育不仅要考虑生长性状、繁殖性状，还要考虑精液性状，估计精液性状遗传参数、计算育种值准确性是至关重要的。

在本研究中，SEMVOL、SPCON、SPMOT、SPPMOT、SPABR、SPCOUNT 遗传力和重复力为0.229±0.035、0.276±0.016、0.185±0.069、0.207±0.048、0.298±0.100、0.142±0.026 和0.33、0.32、0.29、0.22、0.63、0.22，各精液性状遗传力远大于估计精液性状标准误，说明结果较为精确。这些结果与Wolf和陈毅龙的结果相符，精子畸形率都表现出较高的重复力。精子活力、直线前进运动精子比例、总精子数与Marques的研究结果0.15～0.25、0.21～0.31、0.12～0.18 较为一致，精子畸形率略高于Marques的研究结果，这可能和精子畸形率受环境因素影响较大有关。本研究中精子活力与精子畸形率的遗传相关为-0.669±0.094，远高于Smital 等的研究结果（-0.34），和Wolf的研究结果（-0.51）较为接近；精液体积和精液密度的遗传相关为-0.463±0.105，略高于Li 等的研究结果（-0.34），和Smital、Wolf的结果较为相近。

除了估计遗传力和重复力外，估计育种值准确性也引起了动物育种家的强烈兴趣，因为它在测量群体中直接反映了估计育种值的可信程度。个体育种值估计准确性与加性方差和个体育种值预测标准误有关，本研究SEMVOL、SPCON、SPMOT、SPPMOT、SPABR、SPCOUNT 的准确性分别为0.742±0.092、0.775±0.147、0.722±0.093、0.897±0.147、0.594±0.059、0.635±0.085，均具有较高的可信度，在估计育种价值和设计育种方案加入估计育种值准确性是所必需的。和其他精液性状相比，精子畸形率育种值准确性较低，可能和公猪采精间隔不规律以及受环境因素影响较大有关。本研究获得的遗传参数估计结果和育种值可靠程度为我国华南地区种公猪精液性状选择提供了有用信息。然而，需要注意的是，主要基于表型信息和系谱信息的传统选择策略效率有限，随着分子遗传学的发展，标记辅助选择（Marker Assisted Selection，MAS）和基因组选择（Genomic Selection，GS）逐渐用于畜禽育种中，在提高育种准确性的同时，通过早期选种缩短世代间隔、加速遗传进展。

采精年份被纳入固定效应显著性检验，主要是因为公猪群体结构会发生变化，会有一定程度的公猪死亡；也会人为淘汰精液品质差的，引进新的种公猪，进一步优化公猪群体结构。由于不同季节光照周期、猪舍温湿度的差异，公猪精子发生过程中受季节因素的影响很大，秋冬季精液密度和总精子数明显提升。本研究证明了在华南地区种公猪饲养尽管已经采用一套自动化生产系统（正压通风系统、智能空调系统、智能除臭系统、智能饮水纯水系统和全自动洗消系统），用于猪舍提供良好的舍内环境，公猪精液性状仍受季节性影响。对于精液密度、精子活力和总精子数最有利的季节都是秋季，最不利的季节分别为春季、夏季、春季。该研究结果为华南地区核心育种场和公猪生产管理提供了指导，为进一步提高公猪精液质量提供了依据。

4 结 论

本研究获得了各固定效应对精液质量的影响、精液性状的方差组分估计和估计育种值准确性等结果，为我国华南地区精液选择提供了有效信息。中等遗传力表明各精液性状存在相关的遗传变异，并且估计育种值具有较高的可信度，对这些性状进行有效选择以提高精液产量具有重要意义。在以动物模型准确估计育种值的前提下，还应充分考虑公猪品种、季节、公猪出生胎次、公猪乳头数等对精液质量的影响。