楊 寧,姜 力
(中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院,畜禽育種國家工程實驗室,北京100193)
中國是最早進行動物馴化的古老民族之一,早在距今一萬年左右就開始馴化各種野生動物。發(fā)展至今,已經(jīng)成為當之無愧的養(yǎng)殖業(yè)大國,各種養(yǎng)殖產(chǎn)品產(chǎn)量及養(yǎng)殖規(guī)模均居世界前列。近年來,中國養(yǎng)殖業(yè)總產(chǎn)值以年均16.1%的速度高速增長,肉類和蛋類總產(chǎn)量連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。動物種業(yè)位于養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈的最上游,是畜禽產(chǎn)業(yè)的重要基石。據(jù)測算,中國畜禽種業(yè)市場價值已達4500億元,約占全球的1/3。種業(yè)的快速發(fā)展離不開動物遺傳育種學科的進步?;仡檮游镞z傳育種學科近一個世紀的發(fā)展歷程,經(jīng)過科技工作者的不懈努力,中國在數(shù)量遺傳學、分子遺傳學、畜禽常規(guī)育種技術、分子育種技術、轉(zhuǎn)基因育種技術、新品種培育等方面都取得顯著進展,在豬、奶牛、肉牛、家禽、羊等畜禽遺傳改良和育種實踐中取得重要成果,大大推動了中國畜牧業(yè)的發(fā)展。
1900年孟德爾遺傳規(guī)律的再發(fā)現(xiàn),標志著現(xiàn)代遺傳學理論的開始,但是這些理論并沒有在當時的育種實踐中發(fā)揮作用。20世紀初,隨著數(shù)量遺傳學理論逐步建立,全世界的育種工作進入了一個新的發(fā)展階段。
數(shù)量遺傳學研究早期基于的基本理論即是動植物數(shù)量性狀的表型等于基因型值與環(huán)境值之和,并以此為基礎估算育種中的重要遺傳參數(shù)和個體育種值。從此,畜禽育種從傳統(tǒng)的表型選擇逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛N值選擇。隨著數(shù)量遺傳學理論的發(fā)展,育種值估計的方法迅速發(fā)展。20世紀中期,選擇指數(shù)法開始應用于畜禽個體遺傳評定。1965年Henderson提出了最佳線性無偏估計(BLUP)方法進行動物個體的育種值估計。隨著計算機科學的發(fā)展,BLUP計算技術正式在育種中得以實現(xiàn)[1],為全世界畜禽重要經(jīng)濟性狀的遺傳改良做出了巨大貢獻,目前已成為世界各國畜禽遺傳評定的規(guī)范方法。近幾十年來,得益于數(shù)量遺傳學的發(fā)展,中國的畜禽常規(guī)育種也取得了長足的進步。
中國奶牛育種工作主要起始于70年代中期的奶牛人工授精技術,隨后從1983年起開始有計劃的組織全國公牛后裔測定,逐步實施DHI和遺傳評估。2006年,中國首次對奶牛進行了全國聯(lián)合遺傳評定。2007年,中國奶業(yè)協(xié)會育種專業(yè)委員會提出中國奶牛性能指數(shù)CPI[2],經(jīng)過不斷完善,目前已涵蓋產(chǎn)奶、體細胞評分、泌乳系統(tǒng)、體型、肢蹄多個性狀[3]。這些舉措對中國奶牛群體遺傳改良發(fā)揮了重要作用并取得了顯著成效,使牛奶總產(chǎn)量從建國初期的21萬t上升到2016年的3570萬t[4]。
豬的遺傳育種一直備受關注。早在1972年,中國就成立了全國豬育種科研協(xié)作組。1997年,正式進行全國種豬遺傳評估。2000年,中國開始利用動物模型BLUP進行種豬的遺傳評估。2006年,建立了全國種豬遺傳評估中心并開始全國豬的聯(lián)合育種。2009年起實行全國生豬改良遺傳計劃[5]。目前中國已建立起全球最大的種豬遺傳評估群體——92家核心場的核心群數(shù)量近15萬頭,并開發(fā)了全國種豬聯(lián)合育種網(wǎng)絡系統(tǒng)(http://www.cnsge.org.cn)[6]。聯(lián)合育種的關鍵在于加強場間的遺傳聯(lián)系,隨著社會化公豬站的建設和人工授精技術不斷成熟,中國豬的聯(lián)合育種優(yōu)勢將會越發(fā)明顯。
家禽的常規(guī)育種水平近年來也得到快速提升。目前中國已能夠準確、快速、全面地進行家禽的個體生產(chǎn)性能測定,實現(xiàn)了自動化和無紙化,并且在北京和揚州分別建立了家禽品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心。在遺傳評估技術方面,借助大數(shù)據(jù)分析工具,一個品系每個世代超過10萬個以上的記錄數(shù)據(jù)可以在短時間內(nèi)得到快速的分析處理。隨著全國蛋雞和肉雞遺傳改良計劃的啟動,中國家禽產(chǎn)業(yè)逐步建立起較為完整的良種繁育體系,蛋雞的良種國產(chǎn)比例已經(jīng)達到50%,黃羽肉雞則達到了完全的國產(chǎn)化,但是快大型肉雞還需從國外引進[7]。
肉牛選育從80年代初期開始實施體型外貌評定、生產(chǎn)性能測定、系譜記錄和后裔測定,并利用BLUP方法進行育種值估計。肉牛國家遺傳評估中心收集來自全國各地核心育種場種公牛和核心母牛群的生產(chǎn)性能數(shù)據(jù),已完成近8000頭肉用或兼用種公牛的育種值估計。
羊的育種方面,國外以聯(lián)合育種、BLUP遺傳評估為代表的常規(guī)育種技術體系日臻完善。中國羊的育種工作中,種羊測定、人工授精、BLUP方法等技術已經(jīng)得到應用,然而在聯(lián)合育種、遺傳參數(shù)估計等方面尚存在不足,各項技術發(fā)展的潛力還很大。
到目前為止,Animal QTLdb數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)收錄了國際上發(fā)表的影響豬646個性狀的25610個QTL,影響雞380個性狀的7812個QTL,影響牛574個性狀的99652個QTL,影響羊225個性狀的1658個QTL。由于QTL定位區(qū)間一般在10~20 cM,定位精度遠不能滿足對單個基因效應的識別,更加難以進行功能基因的分離和克隆。隨著第三代分子標記SNP的出現(xiàn)和商業(yè)化高通量SNP芯片及分型技術的誕生,全基因組關聯(lián)分析(GWAS)策略應運而生。中國農(nóng)業(yè)大學在國內(nèi)外首次利用Illumina生產(chǎn)的牛商用50K SNP芯片開展了奶牛產(chǎn)奶性狀的GWAS,檢測到與產(chǎn)奶量、乳脂量、乳蛋白量、乳脂率和乳蛋白率顯著相關的75個重要候選基因[8],并驗證了GPIHBP1基因影響奶牛乳脂性狀的分子機制[9]。隨后陸續(xù)開展了奶牛乳成分、乳房炎、體型、繁殖以及公牛精子質(zhì)量等性狀的GWAS。
豬重要經(jīng)濟性狀功能基因的研究也取得了豐碩成果。2007年,Mikawa等人發(fā)現(xiàn)了位于1號染色體的影響豬腰椎數(shù)的功能基因NR6A1及因果突變位點[10]。2011年,江西農(nóng)業(yè)大學鑒定出位于7號染色體影響豬耳面積的功能基因PPARD和因果突變[11]、位于3號染色體的酸肉基因PHKG1[12]、仔豬腹瀉基因MUC13[13]和導致肋骨數(shù)增加的功能基因VRTN以及因果突變位點[14]。此外,國內(nèi)許多課題組開展了與豬生長、繁殖、肉質(zhì)和免疫性狀相關的功能基因挖掘和鑒定工作。
中國雞的分子遺傳研究也取得了長足的進步。1993年,中國農(nóng)業(yè)大學精細定位了雞性連鎖矮小基因(dw),并報道了該基因的DNA序列。2004年12月,中科院北京基因組研究所等單位在原雞基因組和家雞基因組多態(tài)性研究的基礎上繪成一張雞的遺傳差異圖譜,發(fā)現(xiàn)了280多萬個變異位點。2013年,中國農(nóng)業(yè)大學通過系統(tǒng)研究,首次鑒定了雞綠殼基因SLCO1B3,并成功解析了綠殼蛋性狀形成的分子機理[15]。中國在雞快慢羽基因、絲羽烏骨雞“十全”特征性狀遺傳規(guī)律的研究、控制雞抱巢性基因與變異的鑒別等方向都取得了可喜的進展,為雞的分子標記輔助選擇奠定了堅實基礎。
功能基因組技術的發(fā)展極大的促進了畜禽重要經(jīng)濟性狀功能基因的挖掘和遺傳變異的解析。通過對基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、表觀組以及宏基因組等組學信息的獲得,可以從不同層次、不同角度挖掘和篩選功能基因,并可以更加高效的研究基因網(wǎng)絡和調(diào)控通路,為解析功能基因作用機理奠定了堅實基礎。
2013年,四川農(nóng)業(yè)大學通過對藏豬和家豬的基因組比較研究,鑒定出大量藏豬高海拔適應性的快速進化基因以及家豬中受到強烈人工選擇的與肌肉生長、脂肪沉積和免疫相關的基因[16]。2014年,國際千牛基因組計劃啟動,在牛的基因組中檢測到2800多萬個基因變異位點。中國農(nóng)業(yè)大學作為參加成員之一,完成了該計劃中部分個體的重測序。2015年,江西農(nóng)業(yè)大學對11個不同品種的豬進行了全基因組重測序,深入研究了在進化過程中基因的滲入,獲得了與中國南北方豬不同溫度適應性有關的位點[17]。2012年,中國科學家完成了牦牛基因組序列圖譜[18]。2013年和2014年,中國科學院昆明動物研究所和深圳華大基因研究院等單位合作分別對云南黑山羊、特克賽爾羊進行基因組測序,組裝完成了首個綿、山羊全基因組圖譜,分別在Nature Biotechnology、Science雜志發(fā)表[19-20]。
在轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、表觀遺傳組和宏基因組等方面,中國在畜禽重要經(jīng)濟性狀上都開展了大量研究,鑒定了一批與生長、肉質(zhì)、繁殖、產(chǎn)奶等重要經(jīng)濟性狀相關的差異表達基因、差異表達蛋白、差異甲基化基因、miRNA、lncRNA等,并對它們之間的調(diào)控關系進行了探究。2012年,四川農(nóng)業(yè)大學利用高通量測序技術繪制了豬脂肪組織和肌肉組織的全基因組甲基化圖譜,并研究了差異甲基化基因與差異表達基因之間的調(diào)控關系[21]。2014年,中國農(nóng)業(yè)大學對具有極端高、低乳脂率和乳蛋白率的中國荷斯坦牛的乳腺組織進行了轉(zhuǎn)錄組測序,篩選了31個產(chǎn)奶性狀相關的差異表達基因[22]。此外,中國科學家在奶牛乳房炎抗性[23]、絨山羊毛囊發(fā)育[24-25]等分子機制等方面都有重要發(fā)現(xiàn)。畜禽宏基因組研究也有重要進展,中國農(nóng)業(yè)大學利用宏基因組測序技術揭示了雞的飼料轉(zhuǎn)化率性狀與腸道微生物之間的關系[26]。
拷貝數(shù)變異(CNV)也是近年來畜禽功能基因組研究的熱點。中國多個研究小組利用高通量SNP芯片和二代測序技術對畜禽基因組中的拷貝數(shù)變異進行了檢測,獲得了奶牛、豬、肉牛、雞等全基因組拷貝數(shù)變異圖譜,通過對CNV進行生物信息學分析,發(fā)現(xiàn)多個與體尺性狀、胴體性狀、免疫性狀、肉質(zhì)性狀等相關的重要候選基因。隨著各個物種基因組序列圖譜和基因組功能注釋不斷的完善,畜禽分子遺傳研究將更加深入,未來調(diào)控畜禽重要經(jīng)濟性狀的“黑箱”有望被一一打開。
中國在分子標記輔助選擇方面也取得了長足的進步。例如中國科研人員發(fā)現(xiàn)的仔豬腹瀉基因、酸肉基因、多肋基因都已獲得專利授權(quán)并已成功應用于中國豬的分子標記輔助選擇(Marker Assisted Selection,MAS)中,取得了顯著的經(jīng)濟效益。首先鑒定出雞的矮小基因和綠殼基因,并培育出“農(nóng)大3號”節(jié)糧小型蛋雞和“新楊綠殼”、“蘇禽綠殼”蛋雞新品種。魚腥味基因FMO3檢測技術也被應用于中國蛋雞、鵪鶉的分子育種中,通過剔除魚腥味敏感等位基因去除禽蛋魚腥味。這些分子標記的應用,為中國畜禽產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的生產(chǎn)效益。
然而到目前為止經(jīng)過功能驗證并應用于畜禽分子育種的功能基因或分子標記數(shù)量仍然十分有限。并且由于發(fā)現(xiàn)的很多影響經(jīng)濟性狀的基因或分子標記解釋的遺傳變異比例較低,限制了MAS在畜禽育種中的應用。2001年,Meuwissen首次提出了基因組選擇(genomic selection,GS)方法,即利用全基因組高密度標記信息進行個體育種值的估計,得到基因組育種值(GEBV)[27]。基因組選擇能夠捕捉到所有影響目標性狀的QTL,以此實現(xiàn)對育種值的準確預測。自該方法提出后,全球的科學家們圍繞GS的算法、如何提高GEBV估計準確度以及如何將其應用到具體的育種實踐中展開了多方面的探討和研究,GS育種已經(jīng)成為畜禽種業(yè)關注的焦點。
GS不但可以對動物個體進行早期選種,縮短世代間隔,而且對于一些遺傳力低的性狀以及一些難以測量的性狀更具有獨特的優(yōu)勢。2006年,Schaeffer的研究表明,采用基因組選擇獲得一個遺傳標準差的改進所需的育種成本比常規(guī)育種(后裔測定)體系下降27.8倍[28]。因此,自2009年起世界上一些奶業(yè)發(fā)達國家,如美國、加拿大首先開始在奶牛育種中使用GS。2012年,由中國農(nóng)業(yè)大學牽頭成功構(gòu)建了中國唯一的奶牛基因組選擇參考群體,該群體包括約9000頭中國荷斯坦奶牛,并首次使用GS對青年公牛進行遺傳評估。GS技術的應用使中國公牛選擇準確性提高22個百分點、世代間隔縮短4.5年、遺傳進展加快一倍,大大提高了中國自主培育種公牛的能力。該技術已成為農(nóng)業(yè)部《全國奶牛遺傳改良計劃》的核心技術。
隨后,GS在雞和豬的育種領域開始應用,并得到快速發(fā)展。在肉雞和蛋雞的研究中均發(fā)現(xiàn)基因組選擇方法準確性高于傳統(tǒng)BLUP法。2010年后,Illunima公司和Affymetrix公司分別和不同的國際研究團隊及育種公司合作,先后推出了雞60 K SNP芯片和600 K芯片,用于全基因組關聯(lián)分析和基因組選擇。2017年,中國農(nóng)業(yè)大學和中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所針對中國雞育種的實際需要,分別設計制作了50 K蛋雞專用SNP芯片(Illumina平臺)和55 K肉雞專用SNP芯片(Affymetrix平臺),通過優(yōu)化芯片設計和針對性的育種方案,降低育種成本,提高選擇的準確性,使中國雞分子育種的技術水平走到了國際前列。
2010年后,GS開始在豬的育種中被快速應用。根據(jù)PIC公司2014年的數(shù)據(jù),應用GS使總體遺傳進展加快了35%。中國豬的GS工作于2012年開始,由中國農(nóng)業(yè)大學與溫氏集團等合作,率先在杜洛克豬群體中開展了GS研究。2017年8月,由中國農(nóng)業(yè)大學等7個科研單位以及全國31家豬育種企業(yè)共同參加的全國豬基因選擇育種平臺在重慶豬業(yè)大會上正式啟動,計劃針對杜洛克、長白和大白3個品種構(gòu)建大規(guī)?;蚪M選擇參考群體,對生長性狀、繁殖性狀和飼料轉(zhuǎn)化率性狀進行GS。隨后,2017年10月,江西農(nóng)業(yè)大學推出了中國最新自主設計的“高效、精準”的豬基因組選擇芯片,未來有望應用于GS中,進一步提高選種的準確性。
中國肉牛GS研究也緊跟國際前沿,2008年中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所在內(nèi)蒙古錫林格勒盟烏拉蓋地區(qū)組建了西門塔爾肉牛參考群體,積極開展肉牛全基因組選擇(GS)研究。綿羊GS研究方面,新西蘭走在了世界前列[29],法國、英國和澳大利亞等也正在開展相關研究,國內(nèi)還未見有關報道。
轉(zhuǎn)基因育種是通過人工基因修飾技術培育出常規(guī)育種方法不能或難以育成的動物新品種,從而加快動物重要經(jīng)濟性狀改良進程。中國啟動了農(nóng)業(yè)領域唯一的重大專項——轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項,為中國豬、牛、羊的轉(zhuǎn)基因育種研究提供了重要契機。
近年來,轉(zhuǎn)基因豬研究開展的如火如荼。最引人注目的是2014年美國科學家成功利用CRISPR/Cas9技術制備了CD163和CD1D的基因編輯豬[30],并開展了CD163基因編輯豬對豬藍耳病病毒的抗性研究[31]。2017年,英國愛丁堡大學羅斯林研究所研究人員通過編輯CD163基因培育出了32頭抗藍耳病的轉(zhuǎn)基因豬[32]。中國轉(zhuǎn)基因豬的研究起始于1992年,魏慶信等采用顯微注射法獲得了首批轉(zhuǎn)生長激素基因的轉(zhuǎn)基因豬。2005年,中國農(nóng)業(yè)大學獲得了中國首例體細胞克隆豬和轉(zhuǎn)溶菌酶克隆豬,并逐步建立了高效的體細胞克隆豬、轉(zhuǎn)基因克隆豬和基因敲除克隆豬生產(chǎn)技術平臺。目前中國科研人員已成功獲得了影響豬肌肉生長和瘦肉率性狀的MSTN、GH基因編輯豬,影響肉質(zhì)性狀的sfat-1基因編輯豬,影響繁殖性狀的FSHα/β基因編輯豬以及影響抗病性狀的轉(zhuǎn)基因豬等[33]。2017年中國科學院動物研究所利用CRISPR/Cas9技術構(gòu)建了UCP1基因定點敲入豬,培育出了首例抗寒瘦肉轉(zhuǎn)基因豬[34]。
轉(zhuǎn)基因牛的研究方面,目前國內(nèi)已經(jīng)獲得了表達人重組乳鐵蛋白基因的轉(zhuǎn)基因奶牛、MSTN基因敲除牛、β-乳球蛋白基因敲除牛轉(zhuǎn)溶葡萄球菌素抗乳腺炎轉(zhuǎn)基因牛等。2017年,西北農(nóng)林科技大學利用CRISPR/Cas9n系統(tǒng)最新獲得了抗結(jié)核病的轉(zhuǎn)基因牛,該轉(zhuǎn)基因牛在牛結(jié)核分枝桿菌的環(huán)境下更具抗性[35]。內(nèi)蒙古大學研制出fat-1轉(zhuǎn)基因奶牛,乳汁中的ω-3多不飽和脂肪酸含量是對照組的10倍以上[33]。羊的轉(zhuǎn)基因研究也已經(jīng)在國內(nèi)多個實驗室開展[33],并培育了一批轉(zhuǎn)基因羊新品種研發(fā)企業(yè),為轉(zhuǎn)基因羊研究最終走向產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。
中國十分重視國內(nèi)自主品種的培育,近年來采用開放與閉鎖相結(jié)合技術路線,利用BLUP育種技術、分子育種技術等多種技術相結(jié)合,在豬、牛、雞、羊中培育了許多新品種和配套系。1999年中國開展畜禽品種審定制度以來,截止2017年6月,在豬的育種中先后培育了13個新品種和13個配套系,包括魯煙白豬、松遼黑豬、天府肉豬等。由于牛的世代間隔長,近十年培育了夏南牛、延黃牛、遼育白牛、蜀宣花牛、云嶺牛5個專門化肉牛品種。
雞的新品種培育取得了可喜的成果。近20年,利用從國外引進的高產(chǎn)蛋雞品種素材和國內(nèi)的遺傳資源,中國先后育成了京系列、農(nóng)大3號、新楊綠殼等蛋雞配套系,使中國蛋雞產(chǎn)業(yè)擺脫了對外國品種的依賴。利用國內(nèi)豐富的地方品種資源,培育出大量優(yōu)質(zhì)黃羽肉雞,如溫氏新興黃雞、嶺南黃雞、雪山雞等,促進形成了規(guī)模巨大的優(yōu)質(zhì)肉雞產(chǎn)業(yè)。到2017年1月,通過國家審定的蛋雞新品種(配套系)已經(jīng)有18個,黃羽肉雞新品種和配套系數(shù)量已達49個[7]。這些新品種(配套系)的成功培育,使中國蛋雞肉雞自主育種邁上一個重要臺階,取得了巨大的社會效益與經(jīng)濟效益。
建國以來,中國已育成了二十多種不同生產(chǎn)方向的綿羊品種。1954年,中國第一代細毛羊品種——新疆毛肉兼用細毛羊培育成功。1985年,中國美利奴羊通過國家畜禽遺傳資源委員會審定。2000年,云南半細毛羊育成,成為中國第一個國家級的半細毛羊新品種。2003年到2014年間,育成新吉細毛羊、晉嵐絨山羊、蘇博美利奴羊等7個新品種,其中蘇博美利奴羊是跨省區(qū)多單位聯(lián)合育種,經(jīng)4個世代系統(tǒng)選育的超細型細毛羊新品種。中國肉羊新品種近年來主要培育出了巴美肉羊、昭烏達羊、察哈爾等肉用綿羊品種和南江黃羊、簡陽大耳羊等肉用山羊品種。
中國畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)正從數(shù)量型增長向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變,盲目引種時代已經(jīng)結(jié)束。隨著動物遺傳理論和育種技術的不斷進步,規(guī)?;B(yǎng)殖技術的不斷發(fā)展,畜牧業(yè)已進入新的發(fā)展時期。目前正是中國畜禽自主育種的戰(zhàn)略機遇期,未來的工作中應重點關注以下3個方面:
(1)基因組選擇技術在畜禽育種中的應用。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的預測,21世紀全球畜牧業(yè)90%畜禽品種將會逐步應用分子育種技術。GS的出現(xiàn)為動物分子育種帶來了革命性進展,在許多畜牧業(yè)發(fā)達國家廣泛應用。未來20年中國應加強畜禽基因組研究及基因組選擇育種技術應用的研究。
(2)“平衡育種”應是未來畜禽育種工作的重點。在畜禽育種中,如果只關注了畜禽經(jīng)濟性狀的選擇而忽視了其他性狀的平衡選擇,也會導致育種效率的降低。未來的育種工作中應強調(diào)畜禽綜合經(jīng)濟效益的提高,將高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、抗病和生產(chǎn)年限等相關性狀統(tǒng)籌納入育種目標中。
(3)提高中國育種企業(yè)的國際競爭力。目前中國育種行業(yè)具有自主育種能力和國際競爭力的育種龍頭企業(yè)還不多。國際育種公司已經(jīng)發(fā)展成為全球性的育種企業(yè),而中國種業(yè)研發(fā)主要集中在科研院所和高校。未來需要重點扶持和鼓勵企業(yè)與科研院所合作,開展長期的自主育種研究,推進商業(yè)化育種體系的建立,加快中國育種企業(yè)向國際種業(yè)市場進軍的步伐。
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