山東省荷斯坦奶牛體型性狀遺傳參數(shù)估計(jì)及系譜世代數(shù)的影響

宋月通，張汝美，李彥芹，李榮嶺，高運(yùn)東，仲躋峰，薛光輝，王玉東，李建斌*，孫東曉

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，濟(jì)南 250102；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，北京 100193；3.山東奧克斯畜牧種業(yè)有限公司，濟(jì)南250131；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，煙臺 264003)

中國荷斯坦牛是19世紀(jì)末期由我國的黃牛與引進(jìn)的荷斯坦牛雜交培育而成的奶牛品種，目前我國奶牛飼養(yǎng)中85%以上為中國荷斯坦牛。2020年全國荷斯坦牛平均年產(chǎn)奶量達(dá)到8 300 kg，較2008年增加了3 500 kg，增長了73%。但隨著單產(chǎn)的提高，奶牛功能性狀問題逐步凸顯，大多在第三胎之前被淘汰，導(dǎo)致利用年限低，影響終生產(chǎn)奶量。研究表明，奶牛的體型性狀與產(chǎn)奶、繁殖和長壽性等性狀具有一定相關(guān)性，因此世界各國逐漸重視體型性狀并納入綜合選擇指數(shù)。例如，2020年美國總性能指數(shù)(Total Performance Index,TPI)中體型指數(shù)所占權(quán)重達(dá)到26%，我國最新版的奶?；蚪M選擇性能指數(shù)(Genomic China Performance Index,GCPI)中體型性狀權(quán)重達(dá)到30%。由于體型優(yōu)異的牛具有更長的利用年限且更加適合集約化生產(chǎn)方式，體型性狀的選育是提高奶牛業(yè)盈利能力的可行方案。研究體型性狀的遺傳規(guī)律，對實(shí)施平衡育種及提高奶牛群體的生產(chǎn)性能均具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外已有很多關(guān)于奶牛體型性狀遺傳參數(shù)估計(jì)的報道。毛杰基于上海地區(qū)30個牧場4 252頭中國荷斯坦牛體型數(shù)據(jù)、系譜追溯至三代及以上，估計(jì)的遺傳力為0.17～0.52。彭朋等基于河北省103個牛場9 871頭中國荷斯坦牛的體型數(shù)據(jù)，通過追溯系譜至3代共計(jì)包含1 797頭公牛和12 908頭母牛，遺傳力估計(jì)值為0.01～0.13。母童等對寧夏地區(qū)荷斯坦牛泌乳系統(tǒng)性狀的估計(jì)遺傳力范圍為0.08～0.378。Zotto等收集了2002—2004年間32 359頭頭胎意大利瑞士褐牛的體型數(shù)據(jù)，估計(jì)遺傳力為0.08～0.32。此外，這些研究結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了奶牛體型性狀與產(chǎn)奶性狀的遺傳關(guān)系密切，如彭朋等研究表明大部分體型性狀與產(chǎn)奶量呈遺傳正相關(guān)，而與乳脂率、乳蛋白率呈遺傳負(fù)相關(guān)，進(jìn)而也體現(xiàn)出產(chǎn)奶量與乳脂率、乳蛋白率的遺傳負(fù)相關(guān)，這與先前已有研究結(jié)果一致。毛杰的研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)容量性狀多與體細(xì)胞數(shù)評分之間存在較強(qiáng)遺傳負(fù)相關(guān)，說明結(jié)構(gòu)容量性狀應(yīng)當(dāng)同乳房相關(guān)性狀一樣被重視起來。

系譜信息的完整性會對公牛的遺傳評估有一定影響，然而對于公牛后代女兒的遺傳參數(shù)估計(jì)影響的研究相對較少。有研究表明，父親、祖父和外祖父對于后代公牛的遺傳評估具有較大貢獻(xiàn)，而準(zhǔn)確性的提高與其他親屬信息幾乎沒有關(guān)聯(lián)。Zwald等將480 927條后代女兒表型記錄，根據(jù)已知后代女兒的母親和外祖父情況(以百分?jǐn)?shù)為單位)，按照系譜完整性平均得分高于78.8、76.6～78.7、74.5～76.5和低于74.4，共分為4組。根據(jù)系譜完整性平均得分由高至低，4組牛群的體型性狀平均最終得分遺傳力和標(biāo)準(zhǔn)誤差估計(jì)值依次為(0.39±0.006)、(0.33±0.005)、(0.24±0.006)和(0.20±0.003)，從該結(jié)果可看出，誤差與系譜完整性得分呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，而一般認(rèn)為兩者應(yīng)為正相關(guān)，并且沒有探究系譜世代數(shù)對評估準(zhǔn)確性的影響，因此還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前，尚未見到山東省荷斯坦奶牛體型性狀遺傳參數(shù)估計(jì)的報道。另外，遺傳參數(shù)估計(jì)需要大規(guī)模的表型和系譜數(shù)據(jù)，其中系譜數(shù)據(jù)的完整性和所追溯的世代數(shù)可能影響遺傳參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。通常認(rèn)為，在保證系譜完整性的前提下，追溯系譜世代數(shù)越高，估計(jì)準(zhǔn)確性會隨之提高，但目前尚未見到相關(guān)報道。同時，計(jì)算效率也是值得關(guān)注的問題，當(dāng)表型數(shù)據(jù)量較大時，系譜追溯至3代的系譜量已經(jīng)很大，如果繼續(xù)追溯至家系更多世代數(shù)，更大的系譜數(shù)據(jù)量將導(dǎo)致計(jì)算時間過長，優(yōu)化最佳的系譜追溯世代數(shù)具有重要意義。鑒于此，本研究旨在基于山東省144個牧場中國荷斯坦牛的體型鑒定數(shù)據(jù)，應(yīng)用DMU軟件結(jié)合動物模型，估計(jì)體型性狀的遺傳力以及體型性狀間的遺傳相關(guān)、表型相關(guān)等遺傳參數(shù)，分析追溯系譜世代數(shù)對遺傳參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確性的影響，為山東省的奶牛育種方案制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與整理

1.1.1 數(shù)據(jù)來源 本研究數(shù)據(jù)由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所提供，包括山東省 2010—2020年間144個牛場的31 963頭頭胎中國荷斯坦母牛的體型外貌鑒定數(shù)據(jù)。體型數(shù)據(jù)包括20個線性評分性狀,分別為體高(stature,Sta)、胸寬(chest width,CW)、體深(body depth,BD)、腰強(qiáng)度(loin strength,LS)、尻角度(pin setting,PS)、尻寬(pin width,PW)、蹄角度(foot angle,FootA)、蹄踵深度(heel depth,HD)、骨質(zhì)地(bone quality,BQ)、后肢側(cè)視(set of rear legs,SORL)、后肢后視(rear leg-rear view,RLRV)、乳房深度(udder depth，UD)、懸韌帶(median suspensory,MS)、前乳房附著(fore attachment,ForeA)、前乳頭位置(fore teat placement,FTP)、前乳頭長度(fore teat length,FTL)、后乳房附著高度(rear attachment height,RAH)、后乳房附著寬度(rear attachment width,RAW)、后乳頭位置(rear teat placement,RTP)及棱角性(angularity,Ang)。

1.1.2 數(shù)據(jù)整理 原始數(shù)據(jù)質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)如下：頭胎牛且鑒定時的泌乳天數(shù)為30～180 d；場內(nèi)母牛頭數(shù)不少于30頭；每個鑒定員鑒定母牛頭數(shù)不少于20頭；各體型性狀數(shù)據(jù)值在1～9之間；母牛初產(chǎn)月齡為22～38月。

固定效應(yīng)劃分：場效應(yīng)，每個場為一個固定效應(yīng)，共有70個場效應(yīng)；泌乳月效應(yīng)，按鑒定天數(shù)每30 d為一組進(jìn)行分組，共分為5個泌乳月效應(yīng)；產(chǎn)犢年齡效應(yīng)，按照每4個月為1組進(jìn)行分組，即22～25、26～29、30～33、34月齡以上各為一組，共有4個產(chǎn)犢年齡效應(yīng)；鑒定員效應(yīng)，每個鑒定員為1個效應(yīng)，共分為25個水平。

體型性狀表型記錄均為線性分，由于線性分僅代表性狀從一個極端到另一個極端的變化，不能夠代表其最差和最優(yōu)情況，而功能分則可以很好地解釋，所以本研究將體型各性狀表型記錄由線性分轉(zhuǎn)為功能分(具體參照《中國荷斯坦牛體型鑒定技術(shù)規(guī)程》中線性分與功能分轉(zhuǎn)換表)。

使用Rstudio軟件(version4.0.2,R coreteam)利用DHI收集的牛場牛只系譜數(shù)據(jù)和加拿大CDN網(wǎng)上(www.cdn.can)下載的公牛系譜數(shù)據(jù)庫對系譜進(jìn)行追溯，分別追溯至1～6代，不同代數(shù)總個體數(shù)、公牛數(shù)和母牛數(shù)的情況：1)追溯至1代(父母代)，共35 685個體，包括1 012頭公牛和34 673頭母牛；2)追溯至2代(祖代)，共44 302個體，包括1 999頭公牛和42 303頭母牛；3)追溯至3代(曾祖代)，共47 320個體，包括2 383頭公牛和44 937頭母牛；4)追溯至4代(高祖代)，共48 502個體，包括2 555頭公牛和45 947頭母牛；5)追溯至5代(天祖代)，共49 344個體，包括2 674頭公牛和46 670頭母牛；6)追溯至6代(列祖代)，共50 046個體，包括2 797頭公牛和47 249頭母牛。除“2.4”中涉及1～6代系譜外，其他遺傳參數(shù)估算時使用的系譜世代數(shù)均為4代。

1.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

本研究采用Rstudio軟件(version4.0.2,R coreteam)基礎(chǔ)包中的廣義線性模型(general linear model，GLM)過程進(jìn)行方差分析，來確定影響奶牛體型性狀評定的主要因素，固定效應(yīng)主要包括：場效應(yīng)、泌乳月效應(yīng)、產(chǎn)犢月齡和鑒定員效應(yīng)。

使用 DMU 軟件，利用平均信息限制最大似然法(average information restricted maximum likelihood，AI-REML)結(jié)合期望最大化(expectation maximization，EM)算法估計(jì)方差組分，進(jìn)而計(jì)算各性狀遺傳力及性狀間的遺傳相關(guān)、表型相關(guān)等遺傳參數(shù)。20個性狀分別采用兩兩性狀動物模型，統(tǒng)計(jì)模型為：

=++++++

式中：為體型性狀功能分向量；為第i個場的固定效應(yīng)；為第j個鑒定員的固定效應(yīng)；為第k個水平產(chǎn)犢月齡的固定效應(yīng)；為第l個泌乳月的固定效應(yīng)；為個體m的加性遺傳效應(yīng)向量；為隨機(jī)殘差效應(yīng)向量。

遺傳力標(biāo)準(zhǔn)誤計(jì)算公式：

2 結(jié) 果

2.1 體型性狀的基本統(tǒng)計(jì)量

由表1 可知，所研究群體中20個體型線性評分性狀平均值變化范圍為4.92±0.90(前乳頭長度)～7.28±1.11(體高)。各性狀與理想分差值的變化范圍為-3.58(蹄踵深度)～0.51(乳房深度)，且變異系數(shù)均小于0.25。

表1 體型性狀線性評分的基本描述統(tǒng)計(jì)分析

由表2 可知，所研究群體中20個體型功能評分性狀平均值變化范圍為78.51±3.81(尻寬)～94.92±4.77(體高)。各性狀與理想分差值的變化范圍為-20.40(后肢后視)～-3.88(后乳頭位置)，且變異系數(shù)均不大于0.10。

表2 體型性狀功能評分的基本描述統(tǒng)計(jì)分析

2.2 體型性狀遺傳力估計(jì)值

體型性狀遺傳力估計(jì)值結(jié)果如表3所示。遺傳力估計(jì)值變化范圍從0.049(后肢側(cè)視)～0.282(棱角性)，其中棱角性、體高、蹄踵深度等性狀遺傳力估計(jì)值大于0.1,屬于中高遺傳力性狀,后肢側(cè)視、尻角度、乳房深度等性狀遺傳力估計(jì)值小于0.1,屬于低遺傳力性狀。

表3 體型性狀遺傳力估計(jì)值

2.3 體型性狀間的相關(guān)性分析

體型各部位性狀估計(jì)的表型和遺傳相關(guān)見表4。泌乳系統(tǒng)各性狀之間表型相關(guān)范圍為-0.085(后乳房附著寬度與后乳頭位置)～0.168(后乳房附著寬度與后乳房附著高度)。遺傳相關(guān)范圍為-0.558(前乳頭位置與乳房深度)～0.587(懸韌帶與前乳房附著)。

表4 20個體型性狀間的相關(guān)

在前乳房部位中，表型相關(guān)除乳房深度與前乳頭位置(-0.008)呈負(fù)相關(guān)外，其余均為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)范圍為-0.008(前乳頭位置與乳房深度)～0.157(懸韌帶與乳房深度)，遺傳相關(guān)范圍為-0.558(前乳頭位置與乳房深度)～0.587(前乳房附著與懸韌帶)。在后乳房部位中，表型相關(guān)中除后乳房附著寬度與后乳頭位置(-0.085)為負(fù)相關(guān)外，其余性狀間均為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)范圍為-0.085(后乳房附著寬度與后乳頭位置)～0.192(懸韌帶與后乳房附著高度)，遺傳相關(guān)范圍為-0.137(乳房深度與后乳房附著寬度)～0.445(后乳房附著寬度與懸韌帶)。

在肢蹄部位中，各性狀之間表型相關(guān)系數(shù)范圍為-0.002(蹄踵深度與后肢側(cè)視)～0.277(蹄角度與蹄踵深度)。遺傳相關(guān)中后肢后視與蹄角度(-0.029)、蹄踵深度(-0.035)為遺傳負(fù)相關(guān)，其余均為正相關(guān)，其中蹄踵深度與蹄角度(0.717)為高度遺傳正相關(guān)。體軀容量各性狀之間表型相關(guān)范圍為0.101(腰強(qiáng)度與體深)～0.180(腰強(qiáng)度與胸寬)，均呈正相關(guān)。遺傳相關(guān)范圍為0.118(體深與體高)～0.461(胸寬與腰強(qiáng)度)，同樣均呈正相關(guān)。在尻部部位中，尻角度與尻寬的表型為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.024，遺傳為中度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.251。

20個性狀間表型相關(guān)范圍為-0.085(后乳頭位置與后乳房附著寬度)～0.277(蹄踵深度與蹄角度)，遺傳相關(guān)范圍為-0.558(前乳頭位置與乳房深度)～0.717(蹄踵深度與蹄角度)。

體型性狀中遺傳相關(guān)不低于0.5的有12組，分別為：尻寬與體深(0.518)、蹄踵深度與蹄角度(0.717)、后肢側(cè)視與尻角度(0.567)、前乳房附著與腰強(qiáng)度(0.512)、前乳房附著與懸韌帶(0.587)、前乳頭位置與蹄角度(0.569)、前乳頭長度與后肢側(cè)視(0.520)、后乳房附著寬度與胸寬(0.615)、后乳房附著寬度與尻寬(0.501)、棱角性與體高(0.587)、棱角性與后肢后視(0.512)、棱角性與前乳房附著(0.520)。

2.4 系譜世代數(shù)對遺傳力估計(jì)的影響

系譜世代數(shù)對遺傳力估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)誤見表5。通過表5可以看出，在系譜世代數(shù)為1～3代時，各性狀的標(biāo)準(zhǔn)誤基本呈逐漸降低態(tài)勢，4～6代時呈現(xiàn)微小回升趨勢，四代系譜遺傳力的標(biāo)準(zhǔn)誤估計(jì)值要高于3代。

表5 體型性狀對應(yīng)各系譜世代數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤和遺傳力估計(jì)值

3 討 論

3.1 體型性狀遺傳力分析

本研究所得各性狀的遺傳力估計(jì)值范圍為0.049(后肢側(cè)視)～0.282(棱角性)，泌乳系統(tǒng)各性狀的遺傳力估計(jì)值為0.068～0.129，低于母童等估計(jì)的寧夏地區(qū)荷斯坦奶牛泌乳系統(tǒng)各性狀遺傳力0.080～0.378；肢蹄各性狀遺傳力估計(jì)值范圍為0.049～0.262，高于Olasege等的估計(jì)結(jié)果(0.02～0.06)，各部位性狀的遺傳力估計(jì)值整體上要低于毛杰、劉松柏、李培娟、Campos等、Setati等、Boettcher等、Haile-Mariam和Pryce的研究結(jié)果。體型鑒定員是影響體型數(shù)據(jù)的因素，不同鑒定員鑒定的數(shù)據(jù)可能存在一定程度的偏差。此外，不同研究所利用的系譜數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性也是影響遺傳力估計(jì)的因素。

3.2 體型性狀間的遺傳相關(guān)和表型相關(guān)

遺傳相關(guān)是性狀間育種值的相關(guān)，僅由遺傳原因引起，可以遺傳;而表型相關(guān)則是群體中不同數(shù)量性狀的表型值之間的相關(guān)，由遺傳和環(huán)境因素共同決定。

本研究中，蹄踵深度與蹄角度、后乳房附著寬度與胸寬的遺傳相關(guān)高于0.6，其中前者可能是受同一基因控制，因而表現(xiàn)出強(qiáng)遺傳正相關(guān)，而后者則可能是由于影響兩性狀的基因處于連鎖不平衡而引起的。

本研究中，體軀容量的各性狀之間表現(xiàn)出中等大小的遺傳正相關(guān)，整體上高于表型相關(guān)，表型相關(guān)呈中低水平。本研究估計(jì)胸寬與體深的遺傳相關(guān)為0.377，低于申慧芳等的研究結(jié)果。

本研究估計(jì)山東地區(qū)奶牛后乳房附著高度與后乳房附著寬度之間的表型相關(guān)為0.168，與劉松柏、關(guān)龍的結(jié)果相似，國外有研究所得該兩性狀之間的表型相關(guān)為0.70以上。本研究中，奶牛后乳房附著高度與后乳房附著寬度之間的遺傳相關(guān)為0.349，呈中強(qiáng)度的正相關(guān)，與關(guān)龍(-0.011)、劉松柏(-0.054)研究所得趨勢和大小均不相同，同國外的一些研究結(jié)果相比，雖低于其估計(jì)值，但趨勢相同，國外有研究的遺傳相關(guān)估計(jì)值為0.63～0.91。從自然選擇的角度來看，中強(qiáng)度的遺傳正相關(guān)可以保證奶牛的乳房有著合適的容量，從而減少了人工選擇對奶牛產(chǎn)奶量的影響。

3.3 系譜世代數(shù)對體型性狀遺傳力估計(jì)的影響

一般來說，數(shù)據(jù)量越大，遺傳力估計(jì)的誤差越小，準(zhǔn)確性越高，但是本研究對比在不同系譜世代數(shù)下估計(jì)的遺傳力標(biāo)準(zhǔn)誤，發(fā)現(xiàn)系譜世代數(shù)在1～3時，誤差呈小幅降低趨勢，在4～6代時卻呈小幅上升趨勢，可能是由于前3代系譜較為完整，計(jì)算遺傳參數(shù)時所需要的親緣關(guān)系矩陣的完整率可能處于一個平穩(wěn)的水平，而在系譜世代數(shù)為3的基礎(chǔ)上再往后追蹤系譜記錄時，其親緣關(guān)系矩陣的維數(shù)在不斷增大，而記錄數(shù)的增加量卻逐漸變小，即在4～6代時構(gòu)建的親緣關(guān)系矩陣的完整率出現(xiàn)下降的趨勢，導(dǎo)致其估計(jì)的準(zhǔn)確性有所下降。另外，系譜世代數(shù)為5或6時估計(jì)各性狀遺傳力的標(biāo)準(zhǔn)誤差比系譜世代數(shù)為3時微高，但基本持平，無較大波動，證明系譜世代數(shù)為3是估計(jì)遺傳力時相對良好的一個狀態(tài)。

遺傳力估計(jì)的準(zhǔn)確性是否與系譜數(shù)據(jù)完整性有關(guān)、系譜世代數(shù)為3是否為估算遺傳力的最佳條件，還需要擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

在體型性狀中體高、胸寬、體深、腰強(qiáng)度、尻寬、蹄角度、蹄踵深度、骨質(zhì)地、后肢后視、懸韌帶、前乳房附著、前乳頭位置、棱角性屬于中高遺傳力性狀，對于這些遺傳力較高的性狀可以通過系統(tǒng)的選種選配來提高。泌乳系統(tǒng)部位是奶牛體型中需要改良的重點(diǎn)，腰強(qiáng)度、懸韌帶、蹄角度、后肢側(cè)視、胸寬和尻寬等性狀與泌乳系統(tǒng)部位中的性狀存在較強(qiáng)遺傳正相關(guān)，其中胸寬、腰強(qiáng)度、尻寬、蹄角度和懸韌帶有著較高遺傳力，因此可以通過選擇這5個部位來間接改善泌乳系統(tǒng)部位，以達(dá)到提高奶牛生產(chǎn)性能的目的。另外，在本研究數(shù)據(jù)中，利用前3代系譜估計(jì)的遺傳力標(biāo)準(zhǔn)誤最小，估計(jì)遺傳參數(shù)的最佳系譜世代數(shù)可能為3，具體還需更換數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證。