主效基因及其育種應(yīng)用

丁能水，男，1975年7月22日生，江西東鄉(xiāng)人，德國哥廷根大學(xué)博士、二級崗研究員，博士生導(dǎo)師，享受國務(wù)院特殊津貼?，F(xiàn)任江西農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院副院長、江西省生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席專家、全國青聯(lián)委員、江西省青聯(lián)常委。先后入選教育部新世紀優(yōu)秀人才、江西省“贛鄱555人才工程”領(lǐng)軍人才、江西省新世紀百千萬人才工程人選、中國五四青年獎?wù)隆?/p>

現(xiàn)在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)豬遺傳改良與養(yǎng)殖技術(shù)國家重點實驗室從事種豬遺傳及育種新技術(shù)研究。先后主持國家級項目5項、省部級項目10余項，累計發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，作為主要完成人獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎（2011）、國家科技進步二等獎（2005）、中華農(nóng)業(yè)科技獎優(yōu)秀創(chuàng)新團隊獎（等同于科研成果一等獎）（2013） 、和江西省科技進步一等（2004）獎各1項。

今天特別高興有這樣一個機會，和大家匯報一下我們團隊在種豬基因育種方面所做的一些工作，以及對基因育種的一些理解。育種技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，在建立完善的常規(guī)育種技術(shù)體系基礎(chǔ)上，逐漸豐富了基因育種技術(shù)體系，從分子標記輔助選擇育種（包括已有較多成功案例的主效基因育種）和可能改變未來種豬育種方式的基因組選擇育種。下面，我代表我們豬遺傳改良與養(yǎng)殖技術(shù)國家重點實驗室研究團隊匯報的主要內(nèi)容是主效基因育種技術(shù)及其應(yīng)用。

2013年麥肯錫咨詢公司做了個評估，到2025年改變世界的12項顛覆性技術(shù)及其影響，第一項是移動互聯(lián)技術(shù)，下一代基因組學(xué)技術(shù)位列第七?；蚪M學(xué)技術(shù)的發(fā)展對于人類醫(yī)學(xué)而言，可以快速診斷甚至預(yù)測疾病，發(fā)展新的靶向藥物等。在養(yǎng)豬生產(chǎn)中，基因組學(xué)技術(shù)可以更好幫助解析豬的遺傳本質(zhì)，發(fā)展精準快捷的選種選育技術(shù)；分析細菌或病毒的變異特性和致病性，促進疫病防控技術(shù)的進步；同時基因組技術(shù)還可通過腸道宏基因組學(xué)研究成果推動營養(yǎng)飼喂技術(shù)的改變。具體到基因育種技術(shù)的發(fā)展，第一，可以挖掘搜尋到更多控制豬重要經(jīng)濟性狀的主效基因和因果突變，開發(fā)出主效基因輔助育種技術(shù)；第二，可以開發(fā)針對某一性狀或多個性狀的基因組選擇技術(shù)?，F(xiàn)階段，第一類主效基因育種技術(shù)對提升種豬選育的效率和效果有非常大的促進。

在生產(chǎn)中，育種的成效取決于諸多因素。例如，與育種群體的性能基礎(chǔ)水平和群體變異程度有關(guān)，你的起點是什么？育種過程是否做好生物安全確保種豬健康？針對不同品種（系）是否有合適的營養(yǎng)供給？一些常規(guī)育種技術(shù)是否扎實？育種過程中是否使用了行業(yè)引領(lǐng)性的新技術(shù)？在育種成效得經(jīng)濟效益在終端商品豬體現(xiàn)多少？可見，豬場育種成效不僅與育種方案、流程和技術(shù)等有關(guān)，而且跟豬場的各項管理密不可分。

現(xiàn)場種豬選育實踐中應(yīng)用的選育技術(shù)可以統(tǒng)分為兩類，一類是現(xiàn)在每個育種核心場的基本手段，亦即是常規(guī)育種技術(shù)，它是基于數(shù)量遺傳學(xué)的BLUP經(jīng)典育種策略，其關(guān)鍵基礎(chǔ)是對豬場扎實、持續(xù)的表型測定和記錄。例如，現(xiàn)場測定背膘厚、達100 kg體重日齡、記錄產(chǎn)仔數(shù)等，然后輸入育種軟件，計算估計育種值EBV，再計算綜合選擇指數(shù)，結(jié)合體型評分排序選擇，這些技術(shù)相對于新型的育種技術(shù)，謂之常規(guī)技術(shù)。通過常規(guī)技術(shù)，實際上我們已經(jīng)取得非常大的成就，一些品系的產(chǎn)仔數(shù)獲得極大提高，料肉比下降等。這些技術(shù)都是我們過去選育提高極度依賴的常規(guī)選育技術(shù)。

隨著選育進程的加快，某些性狀的提升會遇到瓶頸、難以取得更大突破；或者想加快選育速度，依靠傳統(tǒng)技術(shù)毫無疑問會變得越來越艱難?；蛴N給我們提供了這種機會，對于某些性狀而言基因育種具有獨特優(yōu)勢。首先表型非常難以測定的性狀，如抗病性狀；第二表型測定成本高昂的性狀，如肉質(zhì)性狀、飼料轉(zhuǎn)化率、公豬繁殖性狀，通過常規(guī)育種技術(shù)很難、或者代價比較高。

因此，如果結(jié)合常規(guī)育種技術(shù)和基因育種技術(shù)，可以加快育種進程，同時在某些性狀的選擇上可以突破一些瓶頸。對基因育種技術(shù)來講，其關(guān)鍵在于主效基因的鑒別，就是所使用的基因到底是什么基因，而不簡單是我們聽到的所謂標記。標記基因的應(yīng)用必須考慮到不同群體的連鎖不平衡（LD block）的差異，其應(yīng)用的前提是評估在不同豬群的效果?，F(xiàn)今，我們提倡的可用于選育的基因必須經(jīng)過嚴謹?shù)倪z傳學(xué)分析，有確定的影響效應(yīng)。例如大家熟悉的氟烷應(yīng)激基因RYR1（HAL基因），它是導(dǎo)致豬惡性高溫應(yīng)激綜合癥及宰后PSE肉的主效基因；還有一個特定發(fā)生在漢普夏及含漢普夏血緣豬上的酸肉基因PRKAG3（RN），這個基因的效益是可致屠宰后加工損失約13 %；專門控制瘦肉率的IGF2基因，可以增加3 %瘦肉增長速度。這是3個非常成功的育種實踐典范基因，實際上遠遠不止這些。

芬蘭這個國家比較小，種豬育種體系也不大，但有著非常嚴謹?shù)臏y定系統(tǒng)和表型記錄，甚至包括公豬性狀、精液質(zhì)量檢測這些記錄，同時系統(tǒng)采集了種豬和測定豬只的基因組DNA。早在1987年，他們就通過精液檢查發(fā)現(xiàn)，有些芬蘭大白公豬發(fā)生精子短尾癥，在2000年，發(fā)現(xiàn)約已有37 %芬系大白豬攜帶致病基因。通過系統(tǒng)的遺傳學(xué)研究，特別是在基因組學(xué)新技術(shù)之后，他們迅速準確定位到精子短尾癥致因基因KPL2基因，該基因的30號內(nèi)含子插入一個大逆轉(zhuǎn)座子L1致使KPL2表達異常，由此導(dǎo)致精子短尾綜合癥，從而開發(fā)了簡便的基于PCR的育種檢測技術(shù)，然后回到生產(chǎn)中開展運用。做一個簡單的PCR檢測就可以知道是否攜帶了這個致病基因，然后將攜帶該致病等位基因的大白豬進行剔除，育種上即可淘汰該致病因素。

第二個案例，同樣發(fā)生在芬蘭，Tex14基因?qū)е戮影l(fā)生阻滯癥，這個基因的發(fā)現(xiàn)也是因為有非常系統(tǒng)的表型記錄，從而導(dǎo)致后期研究速度非?？臁?996至2005年，在芬蘭公豬站收集的2 048頭大白和長白豬中有8頭公豬（0.39 %）患精子發(fā)生阻滯癥（SA）。患病公豬睪丸只有正常公豬50 %左右大，幾乎完全不產(chǎn)生成熟精子。其遺傳控制機理是，Tex14基因27號外顯子插入一個51 bp的片段導(dǎo)致Tex14基因轉(zhuǎn)錄翻譯被提前終止?，F(xiàn)場利用PCR檢測技術(shù)，在早期階段就可將芬系大白豬SA患病個體及攜帶者進行剔除。

這是國外非常典型的案例，通過主效基因育種帶來的巨大改變。現(xiàn)在我介紹一下我們在黃路生院士帶領(lǐng)下的豬遺傳改良團隊在基因育種方面所做的部分工作。

我們團隊通過一系列研發(fā)，已經(jīng)產(chǎn)生了在育種生產(chǎn)中可以應(yīng)用的多項基因?qū)＠夹g(shù)，包括以下4項主要的基因育種技術(shù)：①抗K88仔豬腹瀉基因育種技術(shù)（減少腹瀉死亡率 1 %）；②用來提高多肋骨數(shù)的基因育種技術(shù)（增加1個胸椎或1對肋骨）；③改良酸肉（減少30 %滴水損失）基因育種技術(shù)；④健康脂肪酸，改變脂肪組成成分的基因育種技術(shù)。

抗大腸桿菌F4ac腹瀉基因，大家都比較了解。這個基因育種技術(shù)建立后，實際上是一個非常方便的檢測，結(jié)合芯片技術(shù)可以實現(xiàn)一次性96頭高通量快速檢測。研制的F4ac仔豬腹瀉抗病基因育種新技術(shù)具有100 %高精準度，在很多豬場已開始應(yīng)用，效果也非常好，這里不再贅述。在生產(chǎn)中大家可能會發(fā)現(xiàn)，杜洛克、長白、大白3個品種里，杜洛克發(fā)生腹瀉的頻率最低，檢測也正好驗證了這個現(xiàn)象，三個品種中，杜洛克的F4ac抗腹瀉頻率最高。

在哺乳動物里，人的肋骨是不變的，但是豬和羊除外，很明顯土豬和洋豬存在胸椎和腰椎數(shù)量的變化。特別是胸椎，胸椎上面是排骨，排骨在中國消費市場中價值相對較高，我們就力圖找到這個決定胸椎數(shù)變異的基因。土豬的胸椎和腰椎數(shù)一般是19個，洋豬一般是21～23個，也就是說它是有變異的?；蛴N應(yīng)用非常重要的一個前提是這個基因要有重大商業(yè)價值，另一個是群體中是存在變異，也就是存在選育的空間。實際上控制椎骨數(shù)有兩個主效基因，其中一個主效基因NR6A1在杜長大生產(chǎn)體系中沒有應(yīng)用空間，因為在杜、長、大3個品種中優(yōu)勢等位基因已經(jīng)純合，沒有提高空間。

另外一個主效基因則是VRTN，在杜、長、大中有變異，優(yōu)勢等位基因型相比野生型可增加一個椎骨數(shù)，亦即可以增加1對肋骨。這個主效基因的遺傳機制實際上也是非常清晰的，就是在該基因的20 311 bp和20 312 bp之間插入了一個291 bp片段，使得基因功能發(fā)生改變。應(yīng)用效果已經(jīng)在商品豬中得以驗證，商品豬屠宰后測量肋骨數(shù)并做基因分型，事實發(fā)現(xiàn)在商品豬中可以增加一對肋骨。在包括溫氏公司的杜、長、大育種群中進行優(yōu)勢等位基因頻率分析，發(fā)現(xiàn)長白中的VRTN優(yōu)勢等位頻率是最高的，可以達到70 %以上，從豬體長來講，長白也是總體比其他兩個品種要長一些。有人會問，是否真的能提高體長？是否跟其他性能也有關(guān)系？如果這個基因會負面影響繁殖力、產(chǎn)仔數(shù)，降低飼料效率等，這個基因的應(yīng)用也許需要謹慎評估。通過在生產(chǎn)中做系統(tǒng)檢測分析，我們在溫氏進行了大量檢測，溫氏做性狀表型檢測記錄非常系統(tǒng)、完善。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，VRTN基因不僅可以增加肋骨數(shù)。從體長來講，一個優(yōu)勢等位基因可增加7.5 mm體長，即一個優(yōu)質(zhì)基因型可以帶來1.5 cm體長變化。同時發(fā)現(xiàn)對乳頭數(shù)也存在協(xié)同增加的效應(yīng)，一個優(yōu)勢等位基因大概可增加0.5個乳頭。有意思的是通過VRTN優(yōu)勢等位基因的起源分析，發(fā)現(xiàn)VRTN起源來自中國地方豬種。雖然我們現(xiàn)在豬育種相比發(fā)達國家落后，但是我們的地方豬種對世界豬育種實際上是有巨大貢獻的。

酸肉改良基因，所謂酸肉就是屠宰以后有滴水損失。宰后豬肉滲水、酸度下降如果比較厲害，則可能發(fā)生PSE肉。除了氟烷基因以外，有沒有其他基因在控制酸肉的產(chǎn)生？酸肉的源頭是因為GP含量，即肌肉糖酵解產(chǎn)生乳酸的潛能。GP的高低決定屠宰后pH值下降程度，滴水損失的多少。我們在商品豬中對GP進行了檢測，發(fā)現(xiàn)GP>180 μmol/g的個體（酸肉）約占10 %，核算可致使肉品加工產(chǎn)量損失約1.3 %。利用多個研究材料，并采用整合系統(tǒng)生物學(xué)研究手段，黃路生院士研究團隊成功鑒別了該主效基因位點的因果基因PHKG1及其因果突變位點。這是迄今豬中第三個被鑒別的數(shù)量性狀位點（QTN）。通過系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)，酸肉主效基因PHKG1的不利突變僅發(fā)生在杜洛克或含杜洛克血緣的豬中，在杜洛克豬中，不利等位基因的頻率高達0.32。因此，在杜洛克、或含杜洛克血緣的豬種中篩選剔除PHKG1不利等位基因，即可減少杜長大商品豬中發(fā)生酸肉的風(fēng)險，具有較大的應(yīng)用價值。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在杜長大三元雜交商品豬中，AA基因型個體較CC基因型個體易產(chǎn)生劣質(zhì)酸肉，pH值下降 0.22，加工損失增加約1 %，肌內(nèi)脂肪含量IMF含量下降約0.6 %。在溫氏杜洛克核心種群中分析，酸肉基因只特異性影響肉質(zhì)性狀，與100 kg體重日齡、30 kg～100 kg體重日增重、100 kg體重背膘厚、100 kg體重瘦肉率、繁殖指數(shù)、體長、體高、外貌指數(shù)、肢蹄評分、出生重、管圍、日增重EBV、背膘EBV、總產(chǎn)仔數(shù)EBV等其他表型均不存在顯著關(guān)聯(lián)，表明對該基因的選育不會對其她重要生產(chǎn)性狀產(chǎn)生負面效應(yīng)。

消費者不關(guān)心豬肉產(chǎn)量，而是更關(guān)心豬肉的安全性和風(fēng)味。脂肪酸是影響豬肉營養(yǎng)、風(fēng)味和加工的重要指標。飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的組成、比例不僅影響豬肉的貨架期，同時可影響豬肉的健康度。如，長鏈飽和脂肪酸C18：0有利于加工及貯藏，短鏈飽和脂肪酸C12：0～C16：0對健康不利，不飽和脂肪酸則對豬肉風(fēng)味和健康度有正面作用。通過系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，顯著影響C18：0含量的主效基因SCD可應(yīng)用于優(yōu)質(zhì)肉的選育。

除此之外，我們還在地方豬種中發(fā)現(xiàn)一些與豬肉肌內(nèi)脂肪含量（IMF）、產(chǎn)仔數(shù)、稀有毛色、罕見遺傳疾患等相關(guān)的主效基因標記位點，例如發(fā)現(xiàn)控制部分藏豬、云南大河豬和貴州可樂豬有棕褐色表型的主效基因是TYRP1，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致沙子嶺豬雙側(cè)外耳先天性缺失的致因基因HOXA1。相信這些重要發(fā)現(xiàn)，將對我國地方豬種的提純復(fù)壯、選育提高具有重要的應(yīng)用價值。

主效基因育種技術(shù)對于當(dāng)下以常規(guī)育種技術(shù)為主的國內(nèi)育種業(yè)而言，還有巨大的發(fā)揮潛力，在做好常規(guī)育種的同時，單基因育種或基因聚合育種與常規(guī)育種相結(jié)合，將極大推動我國種豬業(yè)的發(fā)展。

除了主效基因育種之外，能不能發(fā)展更有優(yōu)勢的新的育種技術(shù)？現(xiàn)在看來，全基因組選擇技術(shù)是個很好的方向。所謂基因組選擇，通俗講，就是考慮把眾多控制性狀的基因綜合在一起進行選育，可以針對單一性狀，如繁殖性狀，也可以針對多個性狀。目前，國際上許多科研單位和國際育種公司都在開展研發(fā)。全基因組選擇技術(shù)在奶牛上已經(jīng)取得很好的效果，因為全世界的奶牛品種主要是荷斯坦奶牛，最關(guān)注的性狀是產(chǎn)奶性狀；而在種豬選育領(lǐng)域，由于品種多、性狀復(fù)雜，發(fā)展豬全基因組選擇技術(shù)還有許多問題需要解決，包括技術(shù)的效能及性價比等問題。但不管如何，全基因組選擇技術(shù)是種豬選育技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。我們認為發(fā)展節(jié)糧、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)肉、抗病全基因選擇技術(shù)是我國種豬育種致力的方向。謝謝大家！

最后特別感謝江西農(nóng)業(yè)大學(xué)豬遺傳改良與養(yǎng)殖技術(shù)國家重點實驗室的黃路生院士的指導(dǎo)和給予團隊工作進展的機會，也感謝任軍教授、陳從英研究員、麻駿武副教授、肖石軍研究員、艾華水副研究員、楊斌和張志燕博士等，以及許多博士和碩士研究生所做出的大量杰出而完美的研發(fā)工作。謝謝！