全基因組選擇技術(shù)在豬育種中的應(yīng)用進(jìn)展

江慧青 ，李千軍 ，崔茂盛 ，馬 墉 ，張豐霞 ，李文軍

（1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，天津 300381；2.天津農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院，天津 300384；3.天津市農(nóng)墾康嘉生態(tài)養(yǎng)殖公司，天津 300380）

家畜育種是人類應(yīng)用遺傳學(xué)理論，主要是在遺傳水平上改良動(dòng)物群體重要經(jīng)濟(jì)性狀，從而提高效益的方法和技術(shù)。家畜在經(jīng)過長期的優(yōu)勝劣汰自然選擇后，人工選擇也加快了育種進(jìn)程。時(shí)代和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)物育種經(jīng)歷了4個(gè)階段，從主要依靠古樸經(jīng)驗(yàn)學(xué)的人工馴化1.0階段，到依賴于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的雜交育種2.0階段，再到分子育種時(shí)代，而分子育種時(shí)代又分為轉(zhuǎn)基因育種3.0階段和智能設(shè)計(jì)育種4.0階段。隨著分子育種時(shí)代的到來，育種家們將分子標(biāo)記和全基因預(yù)測應(yīng)用到了選育工作中，全基因組選擇等智能設(shè)計(jì)育種技術(shù)在時(shí)代發(fā)展的需求下應(yīng)運(yùn)而生。

育種的關(guān)鍵是選擇，選擇的關(guān)鍵是提高選種的準(zhǔn)確性，即若想選擇具有優(yōu)良遺傳性狀的個(gè)體，其主要核心在于選擇的準(zhǔn)確性。市場需求是家畜育種發(fā)展的動(dòng)力，全基因組選擇是對傳統(tǒng)遺傳評估技術(shù)的一次重大革新，該技術(shù)是利用覆蓋全基因組的高密度遺傳標(biāo)記計(jì)算個(gè)體的基因組估計(jì)育種值（Genomic estimated breeding value，GEBV）。全基因組選擇技術(shù)在動(dòng)物育種中最早應(yīng)用于奶牛，且已在奶牛行業(yè)取得顯著成效，但在豬育種方面研究得還不夠深入。豬的生長性狀和繁殖性狀的提高是養(yǎng)豬經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，與生長性狀相比，豬的繁殖性狀，如產(chǎn)仔數(shù)、產(chǎn)活仔數(shù)具有遺傳力低和限性表現(xiàn)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)育種方式難以獲得較高的育種值估計(jì)準(zhǔn)確性。目前全基因組選擇技術(shù)（Genomic-wide selection，GS）在豬育種方面的研究與國外相比仍存在較大差距，在“十三五”、“十四五”農(nóng)業(yè)動(dòng)物育種領(lǐng)域規(guī)劃中GS已被我國列為重點(diǎn)發(fā)展和研究的育種技術(shù)之一。GS可以有效提高育種的準(zhǔn)確性和遺傳進(jìn)展，縮短世代間隔和降低人工育種成本，且對于傳統(tǒng)育種中的低遺傳力性狀和難以測量的等性狀，比如繁殖性狀，GS也更具優(yōu)勢。所以基因選擇等分子育種技術(shù)在動(dòng)物育種方面是非常值得深入研究的技術(shù)方法。

本文主要從全基因組選擇技術(shù)在豬育種中的方法步驟、影響因素、優(yōu)勢和應(yīng)用現(xiàn)狀等方面進(jìn)行綜述，以期為我國在豬育種行業(yè)中應(yīng)用全基因組選擇技術(shù)提供參考。

1 豬全基因組選擇步驟與方法

GS的計(jì)算方法主要可以分為直接法、 間接法和其它方法，是對基因組估計(jì)育種值即GEBV的算法，常見應(yīng)用模型見表1。GS選擇流程主要包括參考群和候選群的建立。第一步：建立參考群，參考群體要求至少有3代以上的系譜數(shù)據(jù)，且都有已知的表型數(shù)據(jù)和基因型數(shù)據(jù)，選擇合適的統(tǒng)計(jì)模型分析計(jì)算得到每個(gè)個(gè)體的單核苷酸多態(tài)性（Single nucleotide polymorphism，SNP）效應(yīng)值。第二步：候選群的選擇，對候選群里的個(gè)體進(jìn)行基因檢測，獲得基因型數(shù)據(jù)即基因分型，再依據(jù)參考群中估計(jì)得到的SNP效應(yīng)值來獲得候選群中每個(gè)個(gè)體的GEBV；如果只有單性狀，則根據(jù)GEBV排名由高到低對個(gè)體進(jìn)行選留，如果有雙性狀或者多性狀，則根據(jù)需要計(jì)算獲得綜合選擇指數(shù)，最后按選擇指數(shù)從高到低選留個(gè)體。待選留個(gè)體完成表型性能測定后，若想使優(yōu)良性狀得到穩(wěn)定遺傳，就需要將這些個(gè)體放入?yún)⒖既褐杏糜谥匦鹿烙?jì)效應(yīng)值，用來保持參考群和候選群的更新。

表1 全基因組選擇技術(shù)方法

2 豬全基因組選擇優(yōu)勢

全基因組選擇是指利用覆蓋整個(gè)基因組的高密度SNP計(jì)算個(gè)體的GEBV并加以選擇的育種方法。育種值能夠穩(wěn)定遺傳給后代，根據(jù)育種值進(jìn)行選種可以獲得穩(wěn)定的遺傳進(jìn)展。根據(jù)數(shù)量遺傳學(xué)理論，可知遺傳進(jìn)展的公式為：

與傳統(tǒng)選育相比，由上述公式可知GS主要在選擇準(zhǔn)確性和縮短世代間隔方面有顯著優(yōu)勢，可有效提高遺傳進(jìn)展。（1）早期選擇準(zhǔn)確率高：在豬的GS應(yīng)用中主要是靠提高GEBV的準(zhǔn)確性來加快遺傳進(jìn)展的。（2）縮短世代間隔：運(yùn)用GS，在候選群中，仔豬出生后哪怕沒有表型數(shù)據(jù)，也可利用基因型數(shù)據(jù)分析獲得的效應(yīng)值進(jìn)行前期個(gè)體選擇，將不合格的仔豬早期就淘汰掉，不用等長大再去選擇，即實(shí)現(xiàn)早期選擇，相當(dāng)于提高了選擇強(qiáng)度，降低了育種成本。（3）GS對一些低遺傳力性狀、限性性狀和難以測定的性狀以及不能早期度量的性狀，如抗病性狀率、產(chǎn)奶性狀、繁殖性狀、使用壽命等性狀提供了可行性操作的途徑，能大幅度的提高育種值估計(jì)準(zhǔn)確性，加快遺傳進(jìn)展。

3 影響全基因組選擇準(zhǔn)確性的因素

性狀的GEBV值準(zhǔn)確性可以用來體現(xiàn)選擇的準(zhǔn)確性，而GS的準(zhǔn)確性受多個(gè)因素的影響，其中有表型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、參考群規(guī)模、芯片密度等。

3.1 表型數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性

參考群體的系譜數(shù)據(jù)和表型數(shù)據(jù)的完善記錄和準(zhǔn)確收集對于開展全基因組選擇至關(guān)重要，不然哪怕?lián)碛谢蚍中蛿?shù)據(jù)，也沒有任何價(jià)值，因?yàn)橹挥性诖_保系譜和表型信息的準(zhǔn)確的前提下，才能保證GS結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 參考群規(guī)模

Hayes等和vanRaden等的研究都表明，參考群規(guī)模的大小對GEBV準(zhǔn)確性影響很大。Haberland等研究認(rèn)為，GS應(yīng)用于豬時(shí)，參考群至少大于1 000頭才能達(dá)到較好的準(zhǔn)確性，目前主流觀點(diǎn)是參考群大于2 000頭或3 000頭效果最好，且遺傳力越低，規(guī)模越大效果越好?？傊?，參考群規(guī)模越大，GS技術(shù)評估準(zhǔn)確性越高。

3.3 育種芯片標(biāo)記密度

GS是基于育種芯片的基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究分析，理論上在豬育種中SNP芯片的標(biāo)記密度是越高越好，雖然標(biāo)記密度越高意味著檢測費(fèi)用越貴，但SNP標(biāo)記密度越高代表標(biāo)記間的連鎖不平衡就越高，可使預(yù)估到的基因估計(jì)育種值即GEBV準(zhǔn)確性越高。

3.4 遺傳力大小

中、高遺傳力性狀，GS取得的應(yīng)用效果較明顯，但對于低遺傳力或難以度量的性狀，需要的參考群規(guī)模就越大，評估準(zhǔn)確性才會(huì)越高，否則實(shí)際意義不大。

3.5 參考群與目標(biāo)群體個(gè)體間的相關(guān)性

候選群的GEBV估算依賴于參考群的SNP效應(yīng)值即遺傳參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選擇，所以參考群與候選群之間的世代間隔也將影響選擇的準(zhǔn)確性。研究表明，參考群和候選群世代間隔數(shù)越小，尤其二者世代間隔在1-2代時(shí)其GS預(yù)測準(zhǔn)確性越高。

3.6 育種值估計(jì)方法

不管是直接法、間接法還是其他方法，目的都是通過模型計(jì)算獲得估計(jì)育種值，目前應(yīng)用最多的還是第一種和第二種方法。在全基因組選擇技術(shù)研究中育種估計(jì)方法一直都是研究創(chuàng)新的重點(diǎn)?？傊?，任何方法和模型都有優(yōu)缺點(diǎn)，目前沒有哪一種模型可以保證計(jì)算準(zhǔn)確性效果是具有絕對優(yōu)勢的。對于不同的遺傳標(biāo)記、不同的性狀等情況，計(jì)算EBV需選擇最適宜的全基因組選擇方法和模型。

4 GS在豬育種中的應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 SNP芯片在豬育種中的使用現(xiàn)狀

2001年由Meuwissen等提出全基因組選擇概念，之后GS首先應(yīng)用于奶牛且取得了顯著的效果。2005年公布了家豬的基因組序列，Ramos等在2009年研發(fā)出了首款豬的全基因組SNP芯片，該款I(lǐng)llumina PorcineSNP60芯片的出現(xiàn)為豬實(shí)施GS育種提供了可能。目前豬品種中應(yīng)用范圍較廣的SNP芯片國內(nèi)外都有好幾款，這些芯片的出現(xiàn)為豬進(jìn)行GS育種提供了極大的便利。常見豬SNP芯片的信息簡介見表2。

4.1.1 國外豬育種芯片

目前國外市場上豬品種應(yīng)用范圍較廣的SNP芯片主要有3款，分別是PorcineSNP60 V2 60K芯片、PorcineSNP80 芯片和Axiom PorcineHD芯片。PorcineSNP60 V2 60K芯片屬于固相芯片，來源于Illumina公司，該款芯片有64 232個(gè)SNP位點(diǎn)，該芯片是PorcineSNP60 V1 60K芯片的升級版，參考群主要涵蓋長白豬、大白豬、杜洛克豬和皮特蘭豬等國外的瘦肉型豬品種，性價(jià)比高，能提供足夠的SNP密度，有效提高育種效率和準(zhǔn)確性，但并不適用于我國地方品種豬。PorcineSNP80是來源于紐勤公司研發(fā)的固相芯片，該款芯片有68 528個(gè)SNP位點(diǎn)，SNP密度較高，參考群數(shù)據(jù)主要來源于杜洛克豬、長白豬、皮特蘭豬和大白豬，可應(yīng)用于全基因組選擇和比較基因等研究，但芯片上的SNP位點(diǎn)都是從常見的國外品種中篩選出來的，跟PorcineSNP60 V1 60K芯片一樣并不適用于我國地方品種豬的研究。Axiom PorcineHD芯片是Affymetrix公司研發(fā)的固相芯片，該款芯片有658 692個(gè)SNP位點(diǎn)，密度高，SNP標(biāo)記的參考群品種主要源于杜長大和皮特蘭豬，該芯片能夠?qū)颖具M(jìn)行基因分型而不會(huì)出現(xiàn)標(biāo)記丟失或數(shù)據(jù)丟失問題，具有很高的遺傳評估準(zhǔn)確性，但價(jià)格昂貴，成本較高，不易大量檢測。

4.1.2 國內(nèi)豬育種芯片

在國家的大力支持和育種企業(yè)、育種專家的努力下，我國終于打破了國外豬育種芯片的壟斷，擁有了具有我國自由知識產(chǎn)權(quán)的豬育種芯片。目前我國市場上豬品種應(yīng)用范圍較廣的SNP芯片主要有3款，分別是中芯一號芯片、液相50K芯片和PorcineWEN 55K芯片。中芯一號V1芯片是江西農(nóng)業(yè)大學(xué)最新研發(fā)的固相芯片，該款芯片有51 368個(gè)SNP位點(diǎn)，屬于高密度芯片，是我國自主設(shè)計(jì)的固相芯片，打破了國外豬基因芯片的壟斷，參考群已涵蓋杜長大等主要商品品種及二花臉、巴馬香、疝氣等六大類型的中國地方豬品種，對我國特有豬品種選育更具針對性，該芯片涵蓋豬從出生到屠宰整個(gè)生育期的繁殖、免疫等七大類422個(gè)性狀，同時(shí)芯片可升級，但檢測成本較高，大規(guī)模測定較難實(shí)施。中芯一號PLUS豬育種芯片在原中芯一號的基礎(chǔ)上提升了有效位點(diǎn)數(shù)，以提升企業(yè)育種相關(guān)性狀的選育效率、提高與其他分子檢測產(chǎn)品數(shù)據(jù)填充方面的兼容性。CAUporcine5K是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)最新研發(fā)的液相芯片，該款芯片擁有543 832個(gè)SNP位點(diǎn)，液相50K芯片是基于靶向捕獲測序技術(shù)的液相芯片，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，該芯片定制靈活、可任意增刪 SNP 位點(diǎn)，芯片目前可拆分為1 K、10 K、40 K，檢測成本較低，檢測速度較快，可使基因組育種效率提升且更容易實(shí)施，但深度不夠，遺傳評估準(zhǔn)確性低于高密度的固相芯片。PorcineWEN 55K芯片是廣東溫氏食品集團(tuán)股份有限公司針對自有12個(gè)瘦肉型品系種豬遺傳特點(diǎn)，自主研發(fā)的種豬育種專用高密度SNP固相芯片，是國內(nèi)首款規(guī)?；瘧?yīng)用于企業(yè)現(xiàn)場育種的自主設(shè)計(jì)芯片，擁有56 380個(gè)SNP位點(diǎn)，在種質(zhì)資源多樣性分析、GS、GWAS分析等方面優(yōu)勢明顯，但該芯片屬于定制類芯片，目前專用于溫氏集團(tuán)，針對性較強(qiáng)。

4.2 GS在豬繁殖性狀中的研究現(xiàn)狀

種豬的繁殖能力從側(cè)面反映了養(yǎng)殖場的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益，其中繁殖性狀中的產(chǎn)仔數(shù)和產(chǎn)活仔數(shù)作為豬重要的經(jīng)濟(jì)性狀之一，對豬場效益有直接影響，產(chǎn)活仔數(shù)越多，養(yǎng)殖戶獲得的收益越多。影響豬繁殖性能的因素有很多，其中遺傳因素占主因，傳統(tǒng)選育進(jìn)展緩慢，而GS在這些方面尤其是對繁殖性狀等低遺傳力性狀具有很好的改良優(yōu)勢。自從在牛育種上取得顯著成效后，隨著2012年國際豬基因組測序聯(lián)盟、華大基因與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院相繼公布了豬的全基因組序列之后，GS在豬的育種上也逐漸成為了育種新時(shí)代的研究熱點(diǎn)。在母系豬中GS能夠通過實(shí)現(xiàn)早期選擇和提高繁殖性狀的選擇準(zhǔn)確性來達(dá)到加快遺傳進(jìn)展的目的。通過模擬繁殖性能數(shù)據(jù)，研究結(jié)果顯示，運(yùn)用GBLUP比BLUP分析得到的基因組預(yù)測準(zhǔn)確性提高23%-91%。李勇等采用BLUP和GBLUP（GBLUP_WGS、GBLUP_snp60）兩種方法對1 097頭大白豬的總產(chǎn)仔數(shù)、產(chǎn)活仔數(shù)、健仔數(shù)和出生窩重進(jìn)行育種準(zhǔn)確性分析，研究表明除總產(chǎn)仔數(shù)外，產(chǎn)活仔數(shù)、健仔數(shù)和出生窩重的預(yù)測準(zhǔn)確性GBLUP＞BLUP。Forni等研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的BLUP預(yù)估效應(yīng)為0.22，而運(yùn)用一步法對平均窩產(chǎn)仔數(shù)進(jìn)行預(yù)估分析其獲得的效應(yīng)在0.28-0.49之間。Simianer等對豬的產(chǎn)仔性狀進(jìn)行全基因組選擇分析，研究發(fā)現(xiàn)GS可提高該性狀37%的年遺傳進(jìn)展。張金鑫等對1 789頭大白公豬的總產(chǎn)仔數(shù)進(jìn)行GS分析，其EBV準(zhǔn)確性為0.41，GEBV準(zhǔn)確性為0.60，提高了19個(gè)百分點(diǎn)，研究指出運(yùn)用GS對低遺傳力性狀提高幅度最大。

4.3 GS在豬其它表型性狀中的研究現(xiàn)狀

除了繁殖性狀，GS在豬的其它表型性狀上也取得了諸多進(jìn)展，目前已有大量文章報(bào)道了豬全基因組選擇的相關(guān)研究。邱奧等分別運(yùn)用豬50 K固相芯片和豬50 K液相芯片，采用GBLUP方法對1 267頭大白豬的達(dá)100 kg體重日齡（AGE）和100 kg活體背膘厚（BF）進(jìn)行GS分析，研究表明兩款芯片具有很好的兼容性，同時(shí)在對2個(gè)生長性狀的GEBV準(zhǔn)確性分析上，液相芯片比固相芯片平均高出1.7%。周雋等運(yùn)用BLUP、GBLUP和ssGBLUP對杜洛克豬群體的達(dá)100 kg體重日齡、背膘厚和眼肌面積3個(gè)生長性狀進(jìn)行GS分析，結(jié)論表明一步法預(yù)測的準(zhǔn)確性高于BLUP和GBLUP，其準(zhǔn)確性提升為14.7%-51.1%和13.4%-45.7%。Ostersen等對杜洛克豬的日增重和飼料轉(zhuǎn)化率進(jìn)行了GS準(zhǔn)確性分析，研究指出GEBV的可靠性分別可達(dá)0.34和0.20。Lee等使用BayesB方法預(yù)測2 432頭大白豬的體長、體高和總?cè)轭^數(shù)的GEBV，其準(zhǔn)確性分別為0.60、0.52和0.51，而且BayesB方法對豬的這3個(gè)外部特征的基因組準(zhǔn)確性略高于BayesC方法。張金鑫等對1 789頭大白公豬進(jìn)行基因型檢測，結(jié)合100 kg體重日齡、100 kg活體背膘厚的表型數(shù)據(jù)進(jìn)行GS分析，研究指出傳統(tǒng)育種值準(zhǔn)確性分別為 0.70和0.72，GEBV準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高至0.78和0.84，GEBV比EBV準(zhǔn)確性提高了8和12個(gè)百分點(diǎn)，可見GS的準(zhǔn)確性高于傳統(tǒng)的系譜指數(shù)和育種值選種。這些相關(guān)研究都表明了全基因組選擇技術(shù)在豬育種中是成效顯著和具有光明前景的。

5 展望

目前，全基因組選擇技術(shù)已經(jīng)開啟了豬育種新時(shí)代，雖然尚不及在牛育種上應(yīng)用得普遍和成熟，但與傳統(tǒng)育種相比GS是具有顯著優(yōu)勢和改善效果的，且隨著國家的重視、高通量檢測技術(shù)的不斷優(yōu)化和芯片檢測成本的下降，GS在國內(nèi)種豬育種工作中還是相當(dāng)有應(yīng)用前景的。但不可忽視的是，GS在豬育種中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，比如養(yǎng)殖人員對表型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和持續(xù)性記錄重視度不夠高；高通量的基因型測定成本對于大部分企業(yè)來說成本依舊高昂；隨著數(shù)據(jù)的積累，對于模型和算法的要求會(huì)日益增高，所以仍需努力找到最佳的優(yōu)化方法以及因?yàn)樾袠I(yè)對專業(yè)度要求較高，育種專業(yè)技術(shù)人才目前是相對缺乏的。這一系列問題，都是急需大家去解決或重視的問題?？傊?，隨著高通量技術(shù)的高速發(fā)展，種豬育種工作進(jìn)入全基因組選擇時(shí)代是大勢所趨，不管是在豬還是其它動(dòng)物育種上，檢測成本、分析方法、品系和性狀等諸多因素都影響著GS的應(yīng)用與普及，因此具體如何高效應(yīng)用GS，還值得進(jìn)一步研究。