全基因組選擇及其在奶牛育種中的應(yīng)用進(jìn)展

摘要：試驗(yàn)結(jié)果表明，奶牛育種中基于 GEBV 的遺傳評(píng)估可靠性在 20%～67%之間，如以之代替常規(guī)后裔測(cè)定體系，可節(jié)省92%的育種成本。由于可以提高育種值估計(jì)準(zhǔn)確性、利于早期選種、顯著縮短世代間隔、減少育種成本，全基因組選擇作為一項(xiàng)新的育種策略在奶牛育種中逐漸得到應(yīng)用，并將擁有良好的前景。本文綜述了全基因組選擇的基本原理、計(jì)算方法、影響因素及其在奶牛育種中的應(yīng)用現(xiàn)狀和所面臨的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：全基因組選擇；奶牛；育種；應(yīng)用進(jìn)展

中圖分類號(hào)：S823.9+12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2013）02-0131-05

1全基因組選擇的原理

中國(guó)奶牛養(yǎng)殖規(guī)模和生產(chǎn)性能都得到大幅度提高，傳統(tǒng)育種為奶牛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，例如奶牛產(chǎn)奶量平均單產(chǎn)在過(guò)去的30年間提高了3 000 kg，其中 40% 以上得益于育種。模擬和真實(shí)數(shù)據(jù)均表明，標(biāo)記輔助選擇可提高奶牛育種效率。但是標(biāo)記信息所能帶來(lái)的額外準(zhǔn)確性主要取決于它能夠解釋的遺傳變異。畜禽遺傳改良的多數(shù)目標(biāo)性狀都是數(shù)量性狀，受多個(gè)基因控制，每個(gè)基因只能解釋很小比例的遺傳變異。因此，通過(guò)候選基因（candidate gene）、數(shù)量性狀基因座定位（quantitative trait loci mapping，QTL mapping）和全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association study，GWAS）等策略發(fā)現(xiàn)的基因或標(biāo)記也只能解釋較小比例的遺傳變異。顯然，以上策略均難以顯著提高育種值估計(jì)的準(zhǔn)確性。

全基因組選擇（Genomic Selection，GS），即全基因組范圍的標(biāo)記輔助選擇（Marker Assisted Selection，MAS），指通過(guò)檢測(cè)覆蓋全基因組的分子標(biāo)記，利用基因組水平的遺傳信息對(duì)個(gè)體進(jìn)行遺傳評(píng)估，以期獲得更高的育種值估計(jì)準(zhǔn)確度。隨著2006年?；蚪M結(jié)果的公布，以及高密度SNP分型芯片的開(kāi)發(fā)和成本降低，獲得高覆蓋率的全基因組的標(biāo)記成為可能。同時(shí)，計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和分子數(shù)量遺傳學(xué)理論的進(jìn)步，也為大批量數(shù)據(jù)的運(yùn)算提供了技術(shù)支持。這兩者都促進(jìn)了基因組選擇方法由理論變?yōu)閷?shí)踐。

全基因組選擇獲得的估計(jì)育種值稱為基因組育種值（genomic estimated breeding value，GEBV）?；蚪M選擇的一個(gè)基本假設(shè)是，影響數(shù)量性狀的每一個(gè) QTL 都與高密度全基因組標(biāo)記圖譜中的至少一個(gè)標(biāo)記處于連鎖不平衡（linkage disequilibrium，LD）狀態(tài)。因此，基因組選擇能夠追溯到所有影響目標(biāo)性狀的 QTL，從而克服傳統(tǒng)標(biāo)記輔助選擇中標(biāo)記解釋遺傳方差較少的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)育種值的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[1]。

模擬研究證明，僅僅通過(guò)標(biāo)記預(yù)測(cè)育種值的準(zhǔn)確性可以達(dá)到0.85[2]。如果在犢牛剛出生時(shí)即可達(dá)到如此高的準(zhǔn)確性，對(duì)奶牛育種工作意義深遠(yuǎn)。另一項(xiàng)模擬研究表明，對(duì)于一頭剛出生的公犢牛而言，如果其GEBV的估計(jì)準(zhǔn)確性可以達(dá)到經(jīng)過(guò)后裔測(cè)定估計(jì)得到的EBV準(zhǔn)確性，相當(dāng)于可以利用2歲公牛代替5歲乃至更老的公牛作為種用，遺傳進(jìn)展率將提高一倍，與奶牛常規(guī)后裔測(cè)定體系相比，可節(jié)省92% 的育種成本[3]。這引起了育種研究者和育種企業(yè)的關(guān)注。此后，基因組選擇的研究和應(yīng)用報(bào)道不斷涌現(xiàn)。

2基因組育種值的計(jì)算方法

根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型的不同，基因組育種值的計(jì)算方法主要可分為兩類：（1）間接估計(jì)：通過(guò)估計(jì)標(biāo)記效應(yīng)進(jìn)而間接獲得基因組估計(jì)育種值；（2）直接獲得：用標(biāo)記構(gòu)建個(gè)體間關(guān)系矩陣，將關(guān)系矩陣放入混合模型方程組（mixed model equations，MME），直接獲得個(gè)體的基因組估計(jì)育種值。兩類方法的基本計(jì)算模式如圖1所示。部分其他研究基于這些方法對(duì)模型進(jìn)行了擴(kuò)展[4～8]。