豬育種軟件的研究與應(yīng)用

孫曉燕　姜勛平

摘要計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為加速現(xiàn)代動物育種進(jìn)程的重要手段,為了適應(yīng)規(guī)?；呢i場養(yǎng)殖和豬育種的發(fā)展需要,使用高效的豬場育種管理軟件成為必然趨勢。綜述了計算機(jī)技術(shù)在動物育種中的應(yīng)用現(xiàn)狀,著重闡述國內(nèi)外常見的豬育種管理軟件,并提出目前相關(guān)軟件存在的一些問題及未來發(fā)展趨勢,為今后研究開發(fā)育種管理軟件提供一定經(jīng)驗和借鑒。

關(guān)鍵詞豬育種;軟件;研究與應(yīng)用

中圖分類號 S828;TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號 1007-5739(2009)15-0359-03

ResearchandapplicationofPigBreedingSoftware

SUN Xiao-yanJIANG Xun-ping

(College of Animal Science and Technology of Huazhong Agricultural University,Wuhan Hubei 430070)

AbstractComputer technology had became an important method for accelerating the process of pig breeding.In order to meet the needs of scale pig production and pig breeding,it was greatly necessary to use effective software of pig breeding and management.The application status was summarized,several pig breeding and management softwares were mainly introduced,besides these,the problems and development trend in future were put forward in this paper,in order to provide some experience for researching and developing such softwares later.

Key wordspig breeding;software;research and application

計算機(jī)信息技術(shù)應(yīng)用于畜禽育種中能促進(jìn)畜牧業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和品種改良,提高畜禽的生產(chǎn)性能。目前,中國畜禽育種技術(shù)在總體水平上落后于一些發(fā)達(dá)國家,傳統(tǒng)的育種技術(shù)已不能勝任我國養(yǎng)豬業(yè)高速發(fā)展的需要。綜觀中國養(yǎng)豬業(yè),許多種豬場在不同程度上進(jìn)行著選育工作,但由于育種技術(shù)參差不齊、持續(xù)性問題和育種規(guī)模的限制,難以實現(xiàn)高效率的育種工作。許多場從國外引進(jìn)種豬后,使用了若干年就逐漸衰退,失去了種用價值,造成高額浪費(fèi)。因此,制定統(tǒng)一的性能測定方法和遺傳評估方法,在大范圍內(nèi)的各個場之間交換種豬遺傳資料,運(yùn)用有效的育種技術(shù),即BLUP法進(jìn)行遺傳評估,是必然的趨勢。

動物遺傳育種本身是一門涉及遺傳育種、營養(yǎng)、疾病和生產(chǎn)管理的復(fù)雜的系統(tǒng)工程,因此進(jìn)行遺傳育種的深入研究,需要同時具備多方面的知識,而功能強(qiáng)大的計算機(jī)技術(shù)使得復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算和統(tǒng)計分析成為可能,這對家畜育種具有重要的意義。現(xiàn)代遺傳育種理論和方法的應(yīng)用離不開計算機(jī)技術(shù)的支持,而計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了新的遺傳育種理論和方法的研究,二者互相促進(jìn),不斷融合?，F(xiàn)將計算機(jī)技術(shù)在豬育種中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述如下,主要介紹國內(nèi)外各種豬育種管理軟件以及存在的一些問題和難點(diǎn),為今后計算機(jī)技術(shù)在豬育種上更好的研究和應(yīng)用提供一定參考。

1計算機(jī)技術(shù)在畜禽品種資源數(shù)據(jù)庫上的應(yīng)用

畜禽資源的調(diào)查、評估、保存、管理和利用,是育種上一項重要而基礎(chǔ)性的工作,有了廣泛而全面的品種資源的儲備,才可能從中尋找并培養(yǎng)出品質(zhì)高、適應(yīng)性強(qiáng)、符合人類需求的畜禽品種。因此,在物種迅速消失的現(xiàn)代,對畜禽資源的保管尤為重要。目前,世界上有種質(zhì)庫500多座,其中以FAO的iDAD-is家畜遺傳資源信息量最大。我國地幅遼闊,畜禽品種資源豐富,僅對全國100多個地方的豬種情況進(jìn)行歸納整理,就發(fā)現(xiàn)有76個地方豬種,其中不乏具有優(yōu)良品質(zhì)的品種。但我國畜禽品質(zhì)資源庫建立落后于發(fā)達(dá)國家,收錄到數(shù)據(jù)庫的品質(zhì)資源也十分有限,目前國內(nèi)畜禽品種資源數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)僅有119個字段,急需進(jìn)一步地擴(kuò)充和完善。

2計算機(jī)技術(shù)在遺傳參數(shù)估計上的應(yīng)用

育種值的估算是種畜選擇的依據(jù)以及育種規(guī)劃的任務(wù),為特定的候選育種方案規(guī)劃出保證估計育種值具有理想精確度的各種措施。充分利用各種有親緣關(guān)系的個體表型信息,估計出后備種畜個體的綜合選擇指數(shù),以此作為多性狀綜合育種值的估計值。為了保證育種值估計的精確度,應(yīng)力求使用先進(jìn)科學(xué)的統(tǒng)計方法。育種工作需要精確可靠的計算方法來對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理,利用計算機(jī)處理大量數(shù)據(jù),極大地提高遺傳參數(shù)和育種值估計的精確度,從而增加選擇的速度和可靠程度。

畜禽遺傳評估的理論幾十年來不斷發(fā)展,在牛的育種中已取得了突出成果,而在豬的育種中進(jìn)展較緩慢。長期以來,豬的育種方法一直是基于個體、祖先、同胞或后裔性能記錄的選擇指數(shù)。這種方法雖然簡單易行,但存在2個主要缺陷,一是沒有對環(huán)境因子或一些非遺傳因子進(jìn)行有效的校正;二是不能充分利用所有親屬的信息。BLUP在奶牛業(yè)上已取得很完善的應(yīng)用,而對于豬育種來說,存在著一些困難。由于人工授精技術(shù)和育種規(guī)模的限制,公豬通常在本場內(nèi)使用,很少跨場使用,給跨場綜合評定以提高選擇準(zhǔn)確性帶來了難度;同時,豬本身是多胎動物,繁殖力高、世代間隔短、母豬更新快、使用年限短。因此,對豬育種來說,最適合的,也是使用最廣泛的就是動物模型。但是動物模型的計算量十分龐大,這嚴(yán)重制約了豬遺傳評估的發(fā)展,因此在豬遺傳評估中應(yīng)用混合線性模型BLUP法要比其他家畜晚很多。

半個多世紀(jì)以來,根據(jù)家畜育種學(xué)的發(fā)展,許多遺傳參數(shù)估計方法被提了出來。如20世紀(jì)60~70年代提出來的基于混合線性模型的極大似然法(ML)、約束極大似然法(REML)、非求導(dǎo)約束最大似然法(DFREML)、最小范數(shù)二次無偏估計法(MINQUE)和最小方差二次無偏估計法(MIVQUE)等方差組分估計方法。此外,Harvey和Hend-erson相繼提出了“次級樣本含量不等資料的最小二乘法”和BLUP 數(shù)學(xué)模型,并開始在種公牛選種中應(yīng)用。此后,He-nderson 對BLUP 方法的理論和應(yīng)用作了系統(tǒng)闡述,當(dāng)固定效應(yīng)和協(xié)方差矩陣已知時,利用他所得出的混合模型方程組,可得到每頭家畜每個性狀選擇指數(shù)的預(yù)測值,爾后再考慮經(jīng)濟(jì)加權(quán)值,便得到了選擇標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)固定效應(yīng)未知,而協(xié)方差已知時,利用BLUP 法,可得到最佳選擇標(biāo)準(zhǔn)。但由于當(dāng)時計算工具的限制,此法在育種上的應(yīng)用推遲了20年。經(jīng)過在世界范圍內(nèi)國家和地區(qū)的推廣和使用,BLUP 法顯示了它的優(yōu)越性,與日益強(qiáng)大的計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合,成為現(xiàn)代育種強(qiáng)有力的工具。BLUP 法在奶牛育種中已經(jīng)取得了顯著的效果,在其他家畜上也進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。

國外關(guān)于育種值計算的軟件開展較早,Harvey于1976年編制了次級樣本含量不等資料的最小二乘法的通用計算程序LSM-76,并于1990年研制了可在計算機(jī)上運(yùn)行的新版本軟件包LSMLMW8 MIXMPL PC-2,該軟件包應(yīng)用混合模型方程組技術(shù),適用于不平衡資料的方差分析和遺傳參數(shù)的估計;Eildert Groeneveld研制的PEST軟件,其特點(diǎn)是可以處理缺失值。盡管國內(nèi)用計算機(jī)和BLUP 法相結(jié)合來進(jìn)行育種參數(shù)技術(shù)的研究晚了約15年,但通過育種工作者不斷努力與鉆研,中國也有一批用于育種值計算的軟件,如常智杰等(1991)研制的BLUP和VCCE軟件,北京市奶牛育種中心唐臻欽(1993)編制的AMBLUP(動物模型)和SMBLUP(公畜模型)2套大規(guī)模估計家畜育種值的微機(jī)軟件,可方便地估計種公(母)牛的育種值。Groeneveld等(1990)開發(fā)研制的多性狀遺傳評估軟件PEST(multivariate Prediction and Estimation)目前已經(jīng)在世界各國廣泛應(yīng)用。該軟件的特點(diǎn)是:能夠處理缺失值;建立一些或全部性狀的結(jié)構(gòu)矩陣;估計任何固定及隨機(jī)效應(yīng);處理任何協(xié)變量;建立動物的親緣關(guān)系矩陣;計算近交系數(shù);提供遺傳組模型;估計雜合誤差方差;估計育種值時可利用舊的計算結(jié)果迭代求解;使基礎(chǔ)親本的平均育種值為0;固定及混合多變量模型的假設(shè)檢驗;個體動物模型、公畜模型、公畜-母畜模型的EBVs計算;估計BLUP誤差方差和BLUE(最佳線性無偏估計)的標(biāo)準(zhǔn)誤;建立固定隨機(jī)效應(yīng)的協(xié)方差矩陣。PEST提供了30多種數(shù)學(xué)模型的單性狀或多性狀BLUP育種值的計算,以滿足豬育種需要。

3豬場育種生產(chǎn)管理軟件的研制

迄今為止,在單獨(dú)的育種值計算程序上已經(jīng)有了相當(dāng)多的研究,許多成熟的遺傳參數(shù)計算軟件已經(jīng)研制成功并投入使用。而在現(xiàn)代集約化的養(yǎng)豬生產(chǎn)中,要滿足豬場的日常生產(chǎn)管理和育種管理,非常需要使用方便、符合豬場實際需求、易于操作和維護(hù)的豬場生產(chǎn)管理和育種管理的系統(tǒng)。且國內(nèi)的育種工作難以持續(xù)開展,進(jìn)展緩慢,許多場甚至沒有使用軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理。引進(jìn)的原種豬,經(jīng)過若干代之后,系譜混亂,無法追蹤血緣,也無法進(jìn)行選配工作,甚至有的場使用混合的精液給母豬人工授精,以達(dá)到在一定程度上提高產(chǎn)仔數(shù)的目的,雖然可以在短期內(nèi)增加收益,但從長遠(yuǎn)方面考慮卻使育種工作難以展開。因此,使用優(yōu)質(zhì)的軟件進(jìn)行豬場的管理非常重要。應(yīng)此需求,相當(dāng)數(shù)量的豬生產(chǎn)和育種管理系統(tǒng)被開發(fā)出來,國內(nèi)外均有多款此類軟件的報道。

3.1國內(nèi)外豬場管理軟件

在生產(chǎn)管理軟件方面,國內(nèi)目前有一些成熟的商業(yè)化軟件。如王林云(1991)研制的豬育種生產(chǎn)微機(jī)系統(tǒng),包括飼料配方子系統(tǒng)、配種預(yù)產(chǎn)子系統(tǒng)、種豬數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng),數(shù)理統(tǒng)計子系統(tǒng)。孫德林、李炳坦(1998)研制的“工廠化養(yǎng)豬計算機(jī)信息管理系統(tǒng)”,利用Foxpro語言編程,其界面類似于Foxpro菜單屏幕,使得軟件的操作更加簡單明了,其主要功能是對種豬生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行搜索加工整理、生產(chǎn)報表和分析。這一系統(tǒng)是在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,研制適合國內(nèi)工廠化養(yǎng)豬生產(chǎn)的系統(tǒng)一次探索。由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院GBS軟件創(chuàng)作室研制的GBS系統(tǒng)是中文WINDOWS系統(tǒng)下的育種管理信息系統(tǒng),該系統(tǒng)功能十分全面,界面詳細(xì),對種豬、商品豬的數(shù)據(jù)均可采集并進(jìn)行分析,適合大型種豬生產(chǎn)企業(yè)使用。系統(tǒng)采用多性狀動物模型進(jìn)行育種值的分析。由網(wǎng)通科技公司和西江畜牧水產(chǎn)公司合作開發(fā)的豬場管理應(yīng)用軟件《豬場超級管家》,系統(tǒng)結(jié)合Windows NT 和SQL Server大型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā),前臺使用PowerBuild7.0進(jìn)行開發(fā),后臺使用SQL Server進(jìn)行數(shù)據(jù)管理,支持多種操作系統(tǒng),開放的ODBC數(shù)據(jù)庫接口,支持用戶進(jìn)行2次開發(fā)。海辰博遠(yuǎn)公司開發(fā)的豬場管理系統(tǒng)《豬場專家2008》,系統(tǒng)包含豬只管理、數(shù)據(jù)輸入、生產(chǎn)管理、統(tǒng)計分析、財務(wù)管理、庫存管理等幾大模塊,涵蓋對種豬豬群的生產(chǎn)管理、繁殖管理、疾病治療、檢疫免疫管理、提供豐富的報表圖表和準(zhǔn)確的生產(chǎn)預(yù)警提示。由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉少伯、葛翔等專家教授研制的金牧豬場管理軟件(pigCHN),吸收了國外流行豬場管理軟件PIGWIN和pigCHAMP的設(shè)計思路,并緊密結(jié)合了國內(nèi)豬場的實際情況。該軟件的主要功能有:種豬檔案管理、商品豬群管理、性能分析與成本核算、問題診斷與工作安排、配種計劃、生產(chǎn)預(yù)算、統(tǒng)計報表。

國外的豬場生產(chǎn)育種管理系統(tǒng)開發(fā)較早,目前該類軟件主要有如下幾種。

(1)PigWIN。PigWIN豬場管理軟件由Massey大學(xué)、國家間咨詢專家、Farm PRO Systems 公司、新西蘭養(yǎng)豬行業(yè)協(xié)會、新西蘭技術(shù)開發(fā)公司聯(lián)合制作。該系統(tǒng)被設(shè)計成模塊形式,允許用戶根據(jù)自己的需要把各模塊組成一個體系,是養(yǎng)豬生產(chǎn)者、畜牧獸醫(yī)、豬群健康和管理專家顧問的一個新穎的、用戶界面友好和功能強(qiáng)大的管理工具。該軟件目前分別在新西蘭、美國、加拿大、中國、澳大利亞及韓國等國家銷售。

(2)PigCHAMP。PigCHAMP是北美著名的豬場管理軟件,該軟件于20世紀(jì)80年代早期由明尼蘇達(dá)州立大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院開發(fā),最初的開發(fā)目的僅是用于采集科研數(shù)據(jù);1999年,明尼蘇達(dá)州立大學(xué)將PigCHAMP的所有權(quán)移交給PigCHAMP的雇員及外部投資者;2001年11月,Farms.com有限公司收購了PigCHAMP。

(3)Herdsman 2000。該軟件是由美國普渡大學(xué)的S&S; 公司于2000年推出的最新Windows版本。該軟件公司的創(chuàng)始人Keith Schuman 博士在22年前以普渡大學(xué)在讀學(xué)生的身份創(chuàng)建該公司,并推出第1版軟件產(chǎn)品,為美國中西部養(yǎng)豬行業(yè)提高生產(chǎn)管理效率和企業(yè)決策科學(xué)化做出不可磨滅的貢獻(xiàn)。至今為止,有近200家北美的種豬企業(yè)和商品豬生產(chǎn)企業(yè)成為了該產(chǎn)品的忠實用戶。著名的STAGES(Swine Tes-ting And Genetic Evaluation System,種豬測試和遺傳育種評估系統(tǒng))系統(tǒng)中的排名靠前的大部分種豬均來自使用Her-dsman軟件產(chǎn)品的美國企業(yè)。Herdsman有很多版本,有青銅版、白銀版、黃金版、鉑金版、鉆石版,版本越高,功能越高。版本低的可以進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、生成管理和統(tǒng)計報表,版本高者在之前的基礎(chǔ)上還可以計算育種值。目前,美國有60%的企業(yè)正在使用Herdsman軟件進(jìn)行豬場管理。但是Herdsman在中國的應(yīng)用并不廣泛,其在2003年3月曾經(jīng)推出的中文Windows版本Herdsman 2000,但仍然沒有完全漢化,漢化程度為95%。

3.2豬育種管理軟件所應(yīng)具備的功能

綜觀國內(nèi)的豬場育種與生產(chǎn)管理軟件,系統(tǒng)功能基本涵蓋豬育種和生產(chǎn)的各個方面和層次,一般需包括以下功能。

(1)具有完善的數(shù)據(jù)庫錄入豬只基本信息和豬群異動信息,個體數(shù)據(jù)錄入,并且可對個體數(shù)據(jù)進(jìn)行新增、修改、刪除。豬個體數(shù)據(jù)錄入項目可分3個方面:一是個體基本信息登記,包括登記個體耳號和系譜結(jié)構(gòu)檔案,個體及系譜內(nèi)個體的遺傳缺陷情況、出生記錄、斷奶轉(zhuǎn)群記錄和斷奶前死亡記錄;二是個體繁殖生產(chǎn)成績登記,分配種、妊娠、分娩和產(chǎn)仔、哺乳4個階段;三是生長性能測定登記、外貌體測評分登記、屠宰肉質(zhì)測定登記、精液品質(zhì)鑒定、后備公母豬鑒定。

(2)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。根據(jù)市場需求或者本場的實際情況,對采集到的資料進(jìn)行管理,并進(jìn)行分析統(tǒng)計,處理生成各種生產(chǎn)報表、種豬卡片等。計算和估算近交系數(shù),為選種提供表型值、遺傳力等參數(shù),計算綜合選擇指數(shù)和育種值。

(3)疾病情況與疾病專家診斷系統(tǒng)。

(4)財務(wù)管理系統(tǒng)。主要包括與豬場有關(guān)的財務(wù)費(fèi)用錄入、瀏覽查詢與輸出、費(fèi)用統(tǒng)計分析與輸出,同時可進(jìn)行財務(wù)預(yù)算登記與瀏覽查詢、預(yù)算分析。

(5)銷售管理系統(tǒng)。包括與豬場有關(guān)的銷售情況錄入,以及豬只銷售瀏覽查詢與輸出、銷售費(fèi)用瀏覽查詢與輸出、銷售情況統(tǒng)計分析與輸出,同時還可以對銷售客戶進(jìn)行管理。

4研制豬場育種管理系統(tǒng)存在的主要問題及解決辦法

4.1數(shù)據(jù)的異地傳輸問題

在許多用于豬場生產(chǎn)和育種管理的軟件中,不少都是單機(jī)版的,只能限于本場使用。而分布在全國甚至全球范圍內(nèi)的豬場,要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總和共享,必須要有良好的網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,并保證數(shù)據(jù)的安全性。因此,加大開發(fā)力度,以互聯(lián)網(wǎng)為依托,研制出操作界面更友好、功能更完善、使用更方便,能解決異地傳輸問題及其安全性問題的軟件,成為育種軟件工作者的重要任務(wù)。

4.2育種軟件科研人員培養(yǎng)的問題

要編制豬育種管理軟件,開發(fā)者必須同時精通育種、數(shù)理統(tǒng)計、計算機(jī)編程等多方面知識。農(nóng)業(yè)院校、相關(guān)政府部門和科研院所應(yīng)投入更多的資源到計算機(jī)與動物育種相關(guān)的研究方向中,激發(fā)學(xué)生和科研工作者的興趣,培養(yǎng)更多人對計算機(jī)和動物育種感興趣,鼓勵有想法、有創(chuàng)新思維的復(fù)合型人才,給予物質(zhì)和政策上的支持,提供良好的環(huán)境,以期開發(fā)出更完善的豬育種管理軟件。

隨著種豬生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和育種需求的變化、規(guī)模化程度的提高,育種的要求和重點(diǎn)也會隨之改變。因此,軟件開發(fā)者應(yīng)該不斷與使用者進(jìn)行交流反饋,獲得用戶新的需求,然后對軟件進(jìn)行維護(hù)與升級,以適合生產(chǎn)的需要。盡管中國計算機(jī)技術(shù)在豬育種上的應(yīng)用較晚,但只要加大軟件開發(fā)力度,創(chuàng)造良好的政策環(huán)境,號召更多的兼?zhèn)溆嬎銠C(jī)技術(shù)和動物育種技術(shù)的人才加入,就一定會有更優(yōu)秀的豬育種軟件被開發(fā),并投入使用,實現(xiàn)中國豬育種事業(yè)的騰飛。

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