通過(guò)選擇育種降低綿羊甲烷排放的研究進(jìn)展

王 冰，于麗娟，付雪峰，狄 江

（新疆畜牧科學(xué)院，烏魯木齊 830011）

地球大氣層溫室效應(yīng)氣體濃度的增加是人類(lèi)面臨的一大挑戰(zhàn)。家畜是溫室效應(yīng)氣體的主要貢獻(xiàn)者，據(jù)估計(jì)溫室效應(yīng)氣體的51%以上[1]或9%～11%[2]來(lái)源于此。在影響氣候變化的不同溫室效應(yīng)氣體中，甲烷（CH4）是主要排放者，這是因?yàn)榉雌c動(dòng)物消化系統(tǒng)與甲烷產(chǎn)生有內(nèi)在聯(lián)系。其中，非產(chǎn)乳牛是甲烷的最大來(lái)源，其次是奶牛、水牛、綿羊和山羊[3]。溫室效應(yīng)氣體也造成家畜能量損失，反芻家畜腸道甲烷排放占其總攝入能量的2%～12%[4]，從而顯著降低其生產(chǎn)體系的效率。如何降低溫室效應(yīng)氣體排放量已是反芻動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)一步發(fā)展需重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一。

1 降低甲烷排放的主要措施

甲烷主要在反芻動(dòng)物瘤網(wǎng)胃和后腸生產(chǎn)，但排放前在動(dòng)物體內(nèi)不同部位間有轉(zhuǎn)移。飼喂苜蓿的母羊，97.5%甲烷通過(guò)食道打嗝離開(kāi)瘤胃進(jìn)入肺然后通過(guò)呼氣排出，也有一些瘤胃生產(chǎn)的甲烷不通過(guò)食道而是吸收入血液再進(jìn)入肺。當(dāng)家畜打嗝排出氣體增加、不反芻以及進(jìn)食后，從胃腸道吸收入血液的甲烷比例降低。盡管23%的甲烷生產(chǎn)發(fā)生在后腸，僅僅2.5%通過(guò)放屁排放，推測(cè)后腸的甲烷可能進(jìn)入了血液[4]。

甲烷是由反芻動(dòng)物攝入飼料經(jīng)瘤胃微生物降解生成的氫合成。總的飼料攝入、飼料的營(yíng)養(yǎng)成分、飼料種類(lèi)、瘤胃中飼料發(fā)酵的比例和速率、飼喂頻率、瘤胃容積和瘤胃消化物的流通速率、動(dòng)物生理狀態(tài)等均可引起動(dòng)物個(gè)體甲烷生產(chǎn)量變化[2-6]。提高動(dòng)物采食量，總的甲烷產(chǎn)量增加，但損失的甲烷能占日糧總能的比例降低。反芻動(dòng)物采食粗飼料時(shí)，纖維降解菌大量增殖，瘤胃主要進(jìn)行乙酸發(fā)酵，產(chǎn)生大量氫，刺激甲烷菌大量增殖，甲烷產(chǎn)量增加。當(dāng)采食富含淀粉或可溶性碳水化合物的日糧時(shí)，丙酸產(chǎn)量增加，乙酸/丙酸比例下降，瘤胃PH值降低，抑制了粗飼料消耗和原蟲(chóng)、甲烷菌活動(dòng)，甲烷產(chǎn)量降低。

基于以上甲烷產(chǎn)量變化的影響因素，目前已提出許多減少動(dòng)物腸道甲烷排放量的措施，包括：改變飼料類(lèi)型（例如從放牧轉(zhuǎn)向濃縮飼料）、利用添加劑（脂肪、油、植物萃取劑、和硝酸鹽等）、抑制參與甲烷形成的酶、消耗纖毛蟲(chóng)、改變飼養(yǎng)管理（利用生長(zhǎng)促進(jìn)劑）提高生產(chǎn)率、接種拮抗產(chǎn)甲烷菌的疫苗等[3，7]。

2 利用育種方法降低甲烷排放的基礎(chǔ)

盡管反芻動(dòng)物甲烷生產(chǎn)量主要由日糧的可發(fā)酵性、數(shù)量等飼養(yǎng)管理因素決定，但綿羊個(gè)體甲烷排放量測(cè)定表明同一群體、同樣日糧條件下個(gè)體間甲烷產(chǎn)量有顯著變化[8]。通過(guò)對(duì)低甲烷產(chǎn)量組和高甲烷產(chǎn)量組成年母羊研究表明，低甲烷產(chǎn)量與個(gè)體瘤胃中微粒和液體消化物較短的平均滯留時(shí)間、較少的微粒成分?jǐn)?shù)量以及較小的瘤胃容積相關(guān)，而與干物質(zhì)消化率無(wú)顯著關(guān)聯(lián)，且CT掃描表明低甲烷產(chǎn)量綿羊瘤胃中有界限分明的氣相和液相。因此，甲烷生產(chǎn)可能潛在地被動(dòng)物個(gè)體瘤胃形態(tài)學(xué)和功能差異影響，即動(dòng)物遺傳學(xué)可能影響甲烷生產(chǎn)機(jī)理。這種自然存在的動(dòng)物個(gè)體間甲烷產(chǎn)量變化為通過(guò)選擇育種降低甲烷排放提供了基礎(chǔ)。

個(gè)體間甲烷產(chǎn)量不同與個(gè)體間對(duì)日糧選擇、攝食速度和消化物動(dòng)力學(xué)特征等不同相關(guān)。反芻動(dòng)物品種間或品種內(nèi)存在日糧選擇差異，公羊間對(duì)日糧選擇不同已有報(bào)道[9]；較快的攝食速度與較大攝食量和腸道較短滯留時(shí)間關(guān)聯(lián)，牛個(gè)體間攝食速度差異也已被觀察到，且較快攝食速度引發(fā)的瘤胃消化物較短滯留時(shí)間與較低的日甲烷生產(chǎn)量（daily methane production，DMP）一致[10]；瘤胃消化物平均滯留時(shí)間（the mean retention time，MRT）影響了有機(jī)質(zhì)在瘤胃中降解程度和反芻后未降解微生物的流動(dòng)程度[7]。高甲烷排放量綿羊較低排放量綿羊有相對(duì)低的瘤胃有機(jī)質(zhì)流通速率，而較低的流通速率與低的氫溶解濃度關(guān)聯(lián)，因此可生產(chǎn)更多甲烷[6，7]。體外研究已證明瘤胃消化物滯留時(shí)間變化能引起微生物合成效率的顯著差異，體內(nèi)研究建議綿羊中觀察到的甲烷生產(chǎn)變化40%以上歸因于平均瘤胃流量[6]。

日糧選擇、攝食速度和消化物動(dòng)力學(xué)不同均影響了消化道微生物種類(lèi)組成。研究表明微生物菌群結(jié)構(gòu)與飼喂相同日糧綿羊甲烷排放量的變化有顯著相關(guān)。高甲烷排放量綿羊產(chǎn)甲烷菌生成甲烷通路中的基因高度表達(dá)，其解釋了高甲烷排放量綿羊中較低的氫濃度。同時(shí)，高甲烷產(chǎn)量綿羊瘤胃聚集相對(duì)高豐度的生產(chǎn)氫的菌屬，低甲烷產(chǎn)量綿羊瘤胃聚集相對(duì)高豐度的生產(chǎn)丙酸或乳酸、琥珀酸的菌屬[7，11]。

3 降低甲烷排放育種的目標(biāo)性狀

3.1 目標(biāo)性狀選擇

降低甲烷排放的育種目標(biāo)包括減少個(gè)體動(dòng)物甲烷總排放量、排放強(qiáng)度（單位動(dòng)物產(chǎn)品或利潤(rùn)）等。一個(gè)直接的選擇性狀是甲烷產(chǎn)量，包括日甲烷產(chǎn)量（g CH4/day，克 甲烷/日）和單位干物質(zhì)攝入甲烷產(chǎn)量（g CH4/kg dry matter intake(DMI)，克甲烷/千克干物質(zhì)攝入）。已有報(bào)道綿羊單位干物質(zhì)消耗的甲烷產(chǎn)量個(gè)體間存在差異，且利用這個(gè)性狀在降低甲烷排放量的同時(shí)不改變干物質(zhì)消耗[2]。

3.2 甲烷產(chǎn)量測(cè)定方法

甲烷產(chǎn)量精確測(cè)定是一個(gè)科學(xué)難題，粗放的檢測(cè)方法不易發(fā)現(xiàn)個(gè)體間甲烷排量差異。目前的方法主要有呼吸代謝箱法、示蹤法（碳同位素示蹤法和六氟化硫示蹤法）、頭罩法、面罩法等。然而，表現(xiàn)低甲烷產(chǎn)量的個(gè)體并不會(huì)在全部時(shí)間段或不同日糧條件下均保持這個(gè)特性[12]。隨著測(cè)定方法發(fā)展，表現(xiàn)甲烷產(chǎn)量持續(xù)不同的綿羊個(gè)體已被鑒別出[13]，為利用甲烷產(chǎn)量性狀進(jìn)行選育提供了支持。為簡(jiǎn)化甲烷產(chǎn)量測(cè)定方法，Goopy等（2010）觀察到任何給定的2個(gè)小時(shí)期間綿羊甲烷產(chǎn)量與全天甲烷總產(chǎn)量高度相關(guān)（r2=0.5-0.82），提出甲烷產(chǎn)量的短期測(cè)定值可能提供了一個(gè)定義綿羊甲烷產(chǎn)量表型的方法。隨著可測(cè)定1 h期間甲烷產(chǎn)量（1 hMP）的靜態(tài)呼吸室被發(fā)展，測(cè)得1 hMP與DMP間表型相關(guān)是0.51[14]。然而，這種短期測(cè)量方法的一個(gè)限制是不知道動(dòng)物測(cè)量前的攝食情況，因此甲烷產(chǎn)量不可能僅僅用這種測(cè)量方法計(jì)算。

3.3 甲烷產(chǎn)量性狀遺傳參數(shù)

實(shí)現(xiàn)對(duì)羊甲烷產(chǎn)量目標(biāo)性狀的選育，需要估計(jì)此性狀遺傳力、以及在不同年齡和不同日糧條件下的重復(fù)力等。準(zhǔn)確估計(jì)遺傳參數(shù)需要個(gè)體記錄的大數(shù)據(jù)集，如此大的測(cè)定還是不易實(shí)現(xiàn)的。最初，甲烷產(chǎn)量測(cè)定方法影響了效果，隨著用于測(cè)定DMP呼吸室的應(yīng)用，甲烷產(chǎn)量準(zhǔn)確性顯著提高，使得估計(jì)該性狀遺傳參數(shù)成為可能?；?277個(gè)綿羊系譜記錄，測(cè)得綿羊g CH4/day的遺傳力是0.29±0.05，g CH4/kg干物質(zhì)攝入的遺傳力是0.13±0.03[2]。已有研究也表明，g CH4/day和g CH4/kgDMI兩個(gè)性狀在不同年齡和不同日糧間均為可重復(fù)性狀且也伴隨瘤胃流出速率變化[15，16]，1 hMP的重復(fù)力是47%[12]，這些結(jié)果表明總的甲烷產(chǎn)量性狀是可遺傳和可重復(fù)性狀。

3.4 降低甲烷產(chǎn)量的間接選擇性狀

由于直接測(cè)量動(dòng)物甲烷排放量較為困難，使得利用關(guān)聯(lián)性狀（如剩余采食量）來(lái)預(yù)測(cè)和改善甲烷產(chǎn)量性狀成為另一選擇。剩余采食量（residual feed intake,RFI）是一種估測(cè)畜禽飼料效率的指標(biāo)，即畜禽實(shí)際采食量與用于維持和增重所需要的預(yù)測(cè)采食量之差，反映的是動(dòng)物本身由遺傳背景決定的代謝差。它是一個(gè)負(fù)向選擇的性狀，同樣體重和生產(chǎn)性能下剩余采食量低者消耗飼料低于平均水平[12]。剩余采食量有中度遺傳力，通過(guò)對(duì)牛剩余采食量的選擇已表明降低了干物質(zhì)攝入量，甲烷產(chǎn)量也隨之減少[17]。對(duì)剩余攝食量選擇是降低綿羊DMP的一個(gè)可行方法。

3.5 降低甲烷產(chǎn)量對(duì)其他生產(chǎn)性能影響

已有的研究工作沒(méi)有證據(jù)表明減少甲烷產(chǎn)量的選擇與降低任何生產(chǎn)性能性狀有表型或遺傳相關(guān)。Wall等（2010）提到加拿大奶牛業(yè)中伴隨奶牛數(shù)量減少情況下，每頭奶牛產(chǎn)奶量增加有助于甲烷排放降低10%[18]。然而，如果反芻動(dòng)物數(shù)量維持不變，每頭產(chǎn)量增加可能導(dǎo)致每頭動(dòng)物更高的能量需要和因此更高的總溫室效應(yīng)氣體。Alcock和Hegarty(2011)估計(jì)綿羊生長(zhǎng)性狀和繁殖性狀10%的改變可能降低18%以上總溫室效應(yīng)氣體排放[19]。Cruickshank等（2008）估計(jì)通過(guò)增加繁殖率，每只出售羔羊的甲烷產(chǎn)量可降低21%以上[20]。然而，僅僅改變一個(gè)性狀不可能準(zhǔn)確推斷對(duì)溫室效應(yīng)氣體的影響結(jié)果，因?yàn)樾誀钸z傳力和性狀間遺傳相關(guān)對(duì)排放強(qiáng)度改變有影響[19]。Alcock和Hegarty(2011)認(rèn)為選擇羔羊高生長(zhǎng)速度性狀和母羊高繁殖力性狀可降低溫室效應(yīng)氣體從而獲利，但這個(gè)過(guò)程也被動(dòng)選擇了母羊體重增加并進(jìn)而提高甲烷排放量，可能在一定程度上抵消了所獲利益[19，21]。

4 小 結(jié)

羊等反芻家畜是全球溫室效應(yīng)氣體的重要貢獻(xiàn)者，而通過(guò)溫室效應(yīng)氣體造成的能量損失也顯著降低了反芻家畜生產(chǎn)系統(tǒng)效率。因此，降低甲烷排放不僅是對(duì)環(huán)境影響考慮，也有其經(jīng)濟(jì)需要。已提出許多減緩家畜溫室效應(yīng)氣體對(duì)環(huán)境影響的方法。然而，遺傳選擇是尤其可行的策略，因?yàn)槠湫纬傻母淖兪浅志玫?、可累積的和相對(duì)低成本的。盡管甲烷排放的測(cè)定是困難和昂貴的，但全基因組選擇等現(xiàn)代生物、育種技術(shù)的發(fā)展將為其提供最可持續(xù)的途徑。