華南地區(qū)公豬精液性狀遺傳參數(shù)估計(jì)

張笑科，李 瑤，林 清，周 雋，黃曉宇，鐘展明，袁曉龍，張 哲，李加琪，黃 翔*，張 豪*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，廣東省農(nóng)業(yè)動(dòng)物基因組學(xué)與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510642；2.廣東谷越科技有限公司，廣東廣州 510980）

養(yǎng)豬業(yè)是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)。良種是保障生豬產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是提升生豬產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。我國(guó)是世界上生豬生產(chǎn)與豬肉消費(fèi)第一大國(guó)，穩(wěn)產(chǎn)保供任務(wù)艱巨，必須要有強(qiáng)有力的種業(yè)支撐。目前，種公豬主要依據(jù)生長(zhǎng)性狀（如生長(zhǎng)速度）、胴體性狀和繁殖性狀（如窩產(chǎn)仔豬數(shù)）進(jìn)行選擇。在牧場(chǎng)中，人工授精（Artificial Insemination，AI）已成為商業(yè)母豬配種的主要形式，并對(duì)生豬遺傳改良和生產(chǎn)性能提高產(chǎn)生了重大影響，因此，核心育種場(chǎng)和公豬站生產(chǎn)大量高質(zhì)量精液是提高生豬生產(chǎn)水平的關(guān)鍵。據(jù)報(bào)道，全國(guó)生豬人工授精率達(dá)到86% 以上，有效地減少了繁殖群所需的公豬數(shù)量，同時(shí)提高了每頭公豬生育率和遺傳價(jià)值的發(fā)揮。目前最佳線性無(wú)偏預(yù)測(cè)（Best Linear Unbiased Prediction，BLUP）廣泛應(yīng)用于優(yōu)秀公豬的選擇，但精液性狀的遺傳研究較少。國(guó)外關(guān)于豬群精液性狀遺傳參數(shù)估計(jì)已有一些研究，但這些遺傳參數(shù)顯示出高度變異性。因此，華南地區(qū)公豬精液性狀的遺傳參數(shù)研究，對(duì)于制訂有效的精液選擇方案具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 本研究數(shù)據(jù)來(lái)自廣東谷越科技有限公司某核心公豬站，以杜洛克（Duroc，DD）、長(zhǎng)白（Landrace，LL）、大白（Yorkshire，YY）3 個(gè)品種公豬為研究對(duì)象，收集2020—2022 年924 頭公豬23 470 條精液測(cè)定記錄，性狀包括精液體積（Semen Volume，SEMVOL）、精液密度（Semen Concentration，SPCON）、精子活力（Sperm Motility，SPMOT）、直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)精子比例（Sperm Progressive Motility，SPPMOT）、精子畸形率（Sperm Abnormality Rate，SPABR）、總精子數(shù)（Total Sperm Count，SPCOUNT）。其中，總精子數(shù)由精液體積×精液密度得到。

1.2 數(shù)據(jù)的測(cè)定與處理 Wang 等給出了測(cè)量精液體積的詳細(xì)說(shuō)明，即使用電子天平稱(chēng)量每一次射精的重量來(lái)確定精液量。通過(guò)Magapor Gesipor3.0 CASA（Computer-Aided Sperm Analysis）計(jì)算機(jī)輔助精液分析系統(tǒng)檢測(cè)精液密度、精子活力、直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)精子比例和精子畸形率。

根據(jù)Marques 等和Wang 等的研究，結(jié)合自身數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理：①公豬年齡在10—40 月齡之間；②剔除采精次數(shù)≤5 次的公豬樣本；③剔除精子活力<0.1 的精液測(cè)定記錄；④剔除一次射精量≤50 mL 的精液測(cè)定記錄，⑤剔除精子密度≤1×10個(gè)精子/mL 的精液測(cè)定記錄；⑥剔除精子畸形率<0.01 的精液測(cè)定記錄；⑦剔除相鄰采精間隔>60 d和采精間隔為0 d 的精液測(cè)定記錄。此外，每個(gè)品種公豬系譜可以追溯3 代。經(jīng)過(guò)原始數(shù)據(jù)處理，共剔除1 107 條精液測(cè)定記錄，占原始數(shù)據(jù)4.72%，獲得杜洛克豬381 頭10 132 條精液測(cè)定記錄、長(zhǎng)白豬289 頭6 851 條精液測(cè)定記錄和大白豬254 頭5 380 條精液測(cè)定記錄。

1.3 固定效應(yīng)劃分 使用R 軟件（R x64 4.0.3，https://www.r-project.org/）剔除每個(gè)固定效應(yīng)條件下各精液性狀記錄數(shù)量較少的測(cè)定記錄，剩余固定效應(yīng)水平劃分如下：品種效應(yīng)依據(jù)公豬品種劃分為3 個(gè)水平（DD、LL、YY）；年份效應(yīng)依據(jù)采精年份劃分為3 個(gè)水平（2020年、2021 年、2022 年）；季節(jié)效應(yīng)依據(jù)采精季節(jié)劃分為4 個(gè)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）；胎次效應(yīng)依據(jù)公豬出生胎次劃分為6 個(gè)水平（1～5 胎、6 胎及以上記作6 胎）；同窩仔豬數(shù)效應(yīng)依據(jù)公豬出生同窩仔豬個(gè)數(shù)劃分為4 個(gè)水平（1～8、9～12、13～16、>16）；乳頭數(shù)效應(yīng)依據(jù)公豬總?cè)轭^數(shù)劃分為3 個(gè)水平（<12、13～16、>16）。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

1.4.1 固定效應(yīng)分析模型

式中：Y為第個(gè)品種、個(gè)采精年、個(gè)采精季、個(gè)出生胎次、個(gè)同窩仔豬數(shù)、個(gè)總?cè)轭^數(shù)的第頭公豬的精液性狀表型值，Breed為品種效應(yīng)，Year為年效應(yīng)，Season為季節(jié)效應(yīng)，Parity為公豬出生胎次效應(yīng)，Litter為公豬同窩仔豬數(shù)效應(yīng)，Nipples為公豬總?cè)轭^數(shù)效應(yīng)，e為隨機(jī)殘差效應(yīng)。

1.4.2 方差組分估計(jì)模型 本研究使用DMU 軟件（v6-R5-2-EM64T）進(jìn)行方差組分估計(jì)和育種值預(yù)測(cè)。采用平均信息法（Average Information，AI）和期望最大化算法（Expectation Maximization，EM）相結(jié)合的dmuai 模塊約束性最大似然法估計(jì)方差組分（Restricted Maximum Likelihood Method Eastimation of（Co）-Variance Components），利用dmu4 模塊估計(jì)個(gè)體育種值。精液性狀方差組分分析采用重復(fù)力模型，模型如下：

模型的矩陣表示：

式中：是各精液性狀的觀測(cè)值向量，為固定環(huán)境效應(yīng)向量，為固定回歸函數(shù)的回歸系數(shù)向量，長(zhǎng)度為m+1，a 為加性遺傳隨機(jī)回歸系數(shù)向量，長(zhǎng)度為×（m+1），p 為永久環(huán)境隨機(jī)回歸系數(shù)向量，長(zhǎng)度為×（m+1），為系譜中的個(gè)體數(shù)，為有測(cè)定值的個(gè)體數(shù)，m為固定回歸函數(shù)的階數(shù)，m為隨機(jī)回歸函數(shù)的階數(shù)；X為固定環(huán)境效應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣，X為固定回歸系數(shù)的協(xié)變量矩陣，Z、Z為隨機(jī)回歸函數(shù)的協(xié)變量矩陣；A 為加性遺傳相關(guān)矩陣，D 為加性遺傳隨機(jī)回歸系數(shù)間的方差-協(xié)方差矩陣，P 為永久環(huán)境隨機(jī)回歸系數(shù)間的方差協(xié)方差矩陣；?為直積（Kronecker Product）。

遺傳力的標(biāo)準(zhǔn)誤（）計(jì)算參照Knauer 等和Su 等的研究：

式中：為遺傳力標(biāo)準(zhǔn)誤，（）為加性效應(yīng)和永久環(huán)境效應(yīng)的協(xié)方差；（）為加性效應(yīng)和殘差效應(yīng)的協(xié)方差；（）為永久環(huán)境效應(yīng)和殘差效應(yīng)的協(xié)方差，由DMU 結(jié)果文件PAROUTSTD 獲得。

遺傳相關(guān)和表型相關(guān)的計(jì)算：

1.4.3 估計(jì)育種值準(zhǔn)確性（Reliability of Estimated Breeding Value，r） 參照Mrode 等和張沅的研究，個(gè)體育種值準(zhǔn)確性的計(jì)算公式為：

2 結(jié)果

2.1 表型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 各品種精液性狀質(zhì)控后描述性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1?？梢悦黠@看出，精液體積和總精子數(shù)長(zhǎng)白公豬最高，精液密度杜洛克公豬最高，精子活力杜洛克和大白豬高于長(zhǎng)白豬，直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)精子比例長(zhǎng)白和大白豬高于杜洛克，精子畸形率長(zhǎng)白和大白豬低于杜洛克。

表1 各品種公豬各精液性狀描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 固定效應(yīng)顯著性檢驗(yàn) 公豬品種、采精季節(jié)、公豬出生胎次對(duì)各精液性狀均有顯著影響，采精年份對(duì)SPCON、SPPMOT、SPMOT、SPABR 影響極顯著，公豬同窩仔豬數(shù)和公豬總?cè)轭^數(shù)對(duì)除總精子數(shù)外的各精液性狀均有顯著影響（表2）。在計(jì)算方差組分時(shí)將對(duì)各個(gè)精液性狀影響不顯著的固定效應(yīng)剔除。

表2 各精液性狀固定效應(yīng)方差分析F 值

2.3 方差組分與遺傳參數(shù)估計(jì) 參照Falconer 等的研究，遺傳力指數(shù)量性狀育種值方差占表型方差的比例，≥0.3 表示該性狀具有較高的遺傳力；0.1 ≤<0.3 表示該性狀具有中等大小的遺傳力；<0.1 表示該性狀具有較低的遺傳力。重復(fù)力反映一個(gè)性狀受到遺傳效應(yīng)和永久性環(huán)境效應(yīng)的大小。各精液性狀的加性遺傳方差、永久環(huán)境效應(yīng)方差、殘差方差、遺傳力和重復(fù)力見(jiàn)表3。本研究中精液性狀的遺傳力變化范圍為0.185～0.298，屬于中等遺傳力性狀，重復(fù)力的變化范圍為0.221～0.626。SEMVOL、SPCON、SPMOT、SPPMOT、SPABR、SPCOUNT 的遺傳力和重復(fù)力分別為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，各精液性狀遺傳力和遺傳力標(biāo)準(zhǔn)誤存在極顯著差異（<0.01），結(jié)果可靠；精液性狀中精子畸形率重復(fù)力較高，受環(huán)境因素影響最大。

表3 各精液性狀估計(jì)方差組分和遺傳參數(shù)

2.4 遺傳相關(guān)與表型相關(guān) 精液各性狀間的遺傳相關(guān)和表型相關(guān)見(jiàn)表4。精液體積與精液密度、總精子數(shù)的遺傳相關(guān)分別為-0.463、0.320，表型相關(guān)分別為-0.323、0.359，精液體積和精液密度存在中等程度負(fù)相關(guān)、總精子數(shù)存在中等程度正相關(guān)；精液密度和精子活力、精子畸形率、總精子數(shù)的遺傳相關(guān)分別為0.461、-0.348、0.554，表型相關(guān)分別為0.304、-0.254、0.582，精液密度和精子活力存在中等程度正相關(guān)、精子畸形率中等程度負(fù)相關(guān)、總精子數(shù)中等程度正相關(guān)；精子活力和直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)精子比例、精子畸形率、總精子數(shù)的遺傳相關(guān)分別為0.538、-0.669、0.511，表型相關(guān)分別為0.187、-0.423、0.210，精子活力和直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)精子比例存在中等程度正相關(guān)、精子畸形率存在中高程度負(fù)相關(guān)、總精子數(shù)中等程度正相關(guān)；直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)精子比例和精子畸形率的遺傳相關(guān)為-0.340，表型相關(guān)為-0.178，兩者之間存在中等程度負(fù)相關(guān)；精子畸形率和總精子數(shù)的遺傳相關(guān)為-0.620，表型相關(guān)為-0.268，兩者之間存在中高程度負(fù)相關(guān)；這些性狀遺傳相關(guān)、表型相關(guān)和遺傳相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)誤、表型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)誤存在極顯著差異，結(jié)果可靠；其余性狀均無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。精子體積和精子活力、精液密度和直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)比例的遺傳相關(guān)分別為-0.041、-0.078，無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。

表4 各精液性狀的遺傳相關(guān)及表型相關(guān)

2.5 估計(jì)育種值準(zhǔn)確性 SEMVOL、SPCON、SPMOT、SPPMOT、SPABR、SPCOUNT 的估計(jì)育種值準(zhǔn)確性分別為0.742±0.092、0.775±0.147、0.722±0.093、0.897±0.147、0.594±0.059、0.635±0.085，精液體積、精液密度、精子活力和直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)精子比例具有較高育種值準(zhǔn)確性，均在0.7 以上；除精子畸形率育種值準(zhǔn)確性較低外，其余各精液性狀均具有較高的育種值準(zhǔn)確性。

3 討 論

精子數(shù)量和精液質(zhì)量是影響AI 公豬繁殖能力的主要因素，在生豬育種和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。47.3%由生長(zhǎng)性狀選擇的AI 公豬因精液品質(zhì)差而從核心育種場(chǎng)、公豬站淘汰，因?yàn)檫@些精液性狀沒(méi)有達(dá)到質(zhì)量閾值。公豬精液品質(zhì)差是公豬淘汰的主要原因，它使公豬的壽命降低了12.3 個(gè)月。因此，AI 公豬的選育不僅要考慮生長(zhǎng)性狀、繁殖性狀，還要考慮精液性狀，估計(jì)精液性狀遺傳參數(shù)、計(jì)算育種值準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。

在本研究中，SEMVOL、SPCON、SPMOT、SPPMOT、SPABR、SPCOUNT 遺傳力和重復(fù)力為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，各精液性狀遺傳力遠(yuǎn)大于估計(jì)精液性狀標(biāo)準(zhǔn)誤，說(shuō)明結(jié)果較為精確。這些結(jié)果與Wolf和陳毅龍的結(jié)果相符，精子畸形率都表現(xiàn)出較高的重復(fù)力。精子活力、直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)精子比例、總精子數(shù)與Marques的研究結(jié)果0.15～0.25、0.21～0.31、0.12～0.18 較為一致，精子畸形率略高于Marques的研究結(jié)果，這可能和精子畸形率受環(huán)境因素影響較大有關(guān)。本研究中精子活力與精子畸形率的遺傳相關(guān)為-0.669±0.094，遠(yuǎn)高于Smital 等的研究結(jié)果（-0.34），和Wolf的研究結(jié)果（-0.51）較為接近；精液體積和精液密度的遺傳相關(guān)為-0.463±0.105，略高于Li 等的研究結(jié)果（-0.34），和Smital、Wolf的結(jié)果較為相近。

除了估計(jì)遺傳力和重復(fù)力外，估計(jì)育種值準(zhǔn)確性也引起了動(dòng)物育種家的強(qiáng)烈興趣，因?yàn)樗跍y(cè)量群體中直接反映了估計(jì)育種值的可信程度。個(gè)體育種值估計(jì)準(zhǔn)確性與加性方差和個(gè)體育種值預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)誤有關(guān)，本研究SEMVOL、SPCON、SPMOT、SPPMOT、SPABR、SPCOUNT 的準(zhǔn)確性分別為0.742±0.092、0.775±0.147、0.722±0.093、0.897±0.147、0.594±0.059、0.635±0.085，均具有較高的可信度，在估計(jì)育種價(jià)值和設(shè)計(jì)育種方案加入估計(jì)育種值準(zhǔn)確性是所必需的。和其他精液性狀相比，精子畸形率育種值準(zhǔn)確性較低，可能和公豬采精間隔不規(guī)律以及受環(huán)境因素影響較大有關(guān)。本研究獲得的遺傳參數(shù)估計(jì)結(jié)果和育種值可靠程度為我國(guó)華南地區(qū)種公豬精液性狀選擇提供了有用信息。然而，需要注意的是，主要基于表型信息和系譜信息的傳統(tǒng)選擇策略效率有限，隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展，標(biāo)記輔助選擇（Marker Assisted Selection，MAS）和基因組選擇（Genomic Selection，GS）逐漸用于畜禽育種中，在提高育種準(zhǔn)確性的同時(shí)，通過(guò)早期選種縮短世代間隔、加速遺傳進(jìn)展。

采精年份被納入固定效應(yīng)顯著性檢驗(yàn)，主要是因?yàn)楣i群體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，會(huì)有一定程度的公豬死亡；也會(huì)人為淘汰精液品質(zhì)差的，引進(jìn)新的種公豬，進(jìn)一步優(yōu)化公豬群體結(jié)構(gòu)。由于不同季節(jié)光照周期、豬舍溫濕度的差異，公豬精子發(fā)生過(guò)程中受季節(jié)因素的影響很大，秋冬季精液密度和總精子數(shù)明顯提升。本研究證明了在華南地區(qū)種公豬飼養(yǎng)盡管已經(jīng)采用一套自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)（正壓通風(fēng)系統(tǒng)、智能空調(diào)系統(tǒng)、智能除臭系統(tǒng)、智能飲水純水系統(tǒng)和全自動(dòng)洗消系統(tǒng)），用于豬舍提供良好的舍內(nèi)環(huán)境，公豬精液性狀仍受季節(jié)性影響。對(duì)于精液密度、精子活力和總精子數(shù)最有利的季節(jié)都是秋季，最不利的季節(jié)分別為春季、夏季、春季。該研究結(jié)果為華南地區(qū)核心育種場(chǎng)和公豬生產(chǎn)管理提供了指導(dǎo)，為進(jìn)一步提高公豬精液質(zhì)量提供了依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究獲得了各固定效應(yīng)對(duì)精液質(zhì)量的影響、精液性狀的方差組分估計(jì)和估計(jì)育種值準(zhǔn)確性等結(jié)果，為我國(guó)華南地區(qū)精液選擇提供了有效信息。中等遺傳力表明各精液性狀存在相關(guān)的遺傳變異，并且估計(jì)育種值具有較高的可信度，對(duì)這些性狀進(jìn)行有效選擇以提高精液產(chǎn)量具有重要意義。在以動(dòng)物模型準(zhǔn)確估計(jì)育種值的前提下，還應(yīng)充分考慮公豬品種、季節(jié)、公豬出生胎次、公豬乳頭數(shù)等對(duì)精液質(zhì)量的影響。