他们用基因组技术为中国奶牛“挤奶”

【摘要】 新中国成立以来，我国奶业得到了快速发展，尤其是培育了我国自己的奶牛品种——中国荷斯坦牛，也就是我们俗称的“黑白花牛”。项目团队从2006年开始组建中国荷斯坦牛基因组选择参考群体，经过持续扩充， 建立了由6000头母牛以及400头验证公牛组成的参考群。

奶业是农业乃至国民经济的重要组成部分。新中国成立以来，我国奶业得到了快速发展，尤其是培育了我国自己的奶牛品种——中国荷斯坦牛，也就是我们俗称的“黑白花牛”。在目前我国饲养的近1400万头奶牛中，80%以上是中国荷斯坦牛。然而，与国外奶业发达国家相比，我国的奶牛生产水平有较大差距。据中国奶业协会提供的数据显示，2010年我国奶牛平均单产为4500公斤，而美国则为9500公斤。牛奶产量低下的原因就在于，我国的奶牛在生产性能和群体遗传水平方面仍有较大差距，且群体遗传改良效率不高，自主选育优秀种公牛的能力不强。针对上述问题，中国农业大学等单位联合成立课题攻关组，在863计划、农业部948项目和国家科技支撑计划等项目资助下，重点开展了中国荷斯坦牛基因组选择技术平台研究，旨在为我国实施奶牛基因组选择提供技术支撑。经过几年的不断研究探索，项目团队最终创建了具有自主知识产权的中国荷斯坦牛基因组选择技术平台，提升了我国奶牛遗传评估的整体技术水平；发掘了一批奶牛重要经济性状功能基因，为提高基因组选择准确性提供了重要基因信息；研发了奶牛遗传缺陷和亲子关系的分子鉴定技术，建立了我国荷斯坦种公牛遗传缺陷及亲子关系监控体系；创建了中国荷斯坦牛基因组选择分子育种技术体系，成为我国荷斯坦青年公牛遗传评估的唯一方法。该项目荣获2015年北京市科学技术奖一等奖。必须要有中国的奶牛基因组选择技术平台“其实，我国高产奶牛群体，诸如北京、上海等地的牛群，生产水平已经接近世界先进水平。”课题组负责人之一，中国农业大学教授孙东晓告诉科技日报记者，“但与奶业发达国家相比，国内奶牛群体整体水平还是有较大差距。”奶牛的生理特性决定了奶牛生产和育种体系与其它动物物种有很大区别，首先是母牛繁殖率很低，平均约12个月产一胎，每胎一头，且一半的可能性是公的；第二，产奶性状是限性性状，只在母牛中表现；第三，由于人工授精技术的全面应用，一头公牛可与数千乃至数万头母牛交配，所以优秀种公牛的选育是奶牛群体遗传改良的核心，但公牛本身不表现产奶性能，在传统育种中只能通过其后代母牛的产奶性能来准确评价公牛的遗传优劣性（即后裔测定），导致公牛的世代间隔很长（通常为6年左右）；最后，为了保证母牛群体的扩繁更新，就无法对母牛进行严格的选择和淘汰。由于奶牛育种的以上特点，“奶牛没有必要，也不可能像生猪家禽那样通过不断培育新品种或建立杂交配套体系来实现遗传改良，奶牛最主要的育种手段，还是实施品种内的群体遗传改良。”孙东晓说，“最重要就是系统地实施牛群遗传改良技术，充分使用优秀种公牛，全面改良牛群。”国际业界公认，培育优秀种公牛对奶牛遗传改良的贡献率达75%。长期以来，我国的种公牛主要依赖从国外引进，传统育种方法周期长、效率低，难以改变落后状况。不过传统的奶牛育种体系以公牛后裔测定为核心，虽然成效显著，但世代间隔长、育种成本高。进入21世纪以来，基于基因组高密度标记信息的基因组选择技术（简称GS）成为动物育种领域的研究热点。利用该技术，可实现青年公牛早期准确选择，而不必通过后裔测定，从而大幅度缩短世代间隔，加快群体遗传进展，并显著降低育种成本。自2009年以来，世界主要奶业发达国家，包括美国、加拿大、澳大利亚等国，陆续将基因组选择技术全面应用于奶牛育种，给奶牛育种带来了革命性的变化。“这项新的育种技术正使全球奶牛育种发生重大变革，几乎所有奶业发达国家都已应用，加快了其遗传改良速度。”孙东晓说。基因组选择分子育种技术为我国奶牛育种赶上国际水平提供了机遇。“我国必须自己研发中国的基因组选择技术平台，完善群体遗传改良技术体系。”孙东晓告诉记者，“在这世界奶牛育种技术变革时代，应该抓住机遇，尽快研发我国奶牛基因组选择分子育种技术体系，增强自主培育优秀种公牛的能力，提高群体遗传改良的效率，缩小与发达国家的差距，实现我国奶业的跨越式发展。”创新！用母牛构建基因组参考群一定规模的参考群体是实施基因组选择的前提。与国外用验证公牛构建参考群不同，项目团队提出了用母牛构建参考群的新思路。据了解，为了充分发挥优秀种公牛在群体遗传改良中的作用，奶牛发达国家一般选用优秀验证公牛的冻精，在牛群中实施以获得优秀种公牛后代为目的的“计划选配”；通过后裔测定选择优秀种公牛，在育种群和生产群中全面地使用“验证公牛”，使母牛群的遗传水平不断提高。“用母牛构建参考群是因为我国具有足够遗传评估准确性的验证公牛数量太少，不足以构建参考群。如果完全照搬国外的做法，则在我国奶牛中无法应用基因组选择技术。”孙东晓说。项目团队从2006年开始组建中国荷斯坦牛基因组选择参考群体，经过持续扩充，建立了由6000头母牛以及400头验证公牛组成的参考群。“所有这些牛均具有完整清晰的系谱、质量较高的表型记录和高密度SNP芯片基因型数据。”孙东晓说，“大规模、高质量的参考群为开展基因组选择奠定了基础。”经过多年的研究，项目团队掌握了基因组选择关键技术，构建了我国唯一的奶牛基因组选择参考群，对每头牛测定了高密度SNP标记基因型和产奶、健康、体型、繁殖等34个性状的表型。项目团队提出了基因组育种值估计的一系列新方法（TA-BLUP、BayesTA、BayesTB和BayesTC），显著提高了其估计准确性。据了解，基因组育种值估计的主流方法是GBLUP和贝叶斯方法，它们在计算速度和估计准确性方面各有优势。基于此，项目团队提出了GBLUP的改进方法TA-BLUP。模拟及真实数据分析都表明，TA-BLUP方法的准确性在各种情况下均高于GBLUP方法。同时，与贝叶斯方法相比，有效地降低了计算时间，适用于大规模高频率遗传评估的需求。“研究结果表明，这样的参考群是可行的，所获得的选择准确性与大部分国家的选择准确性相当。”孙东晓说，“这些方法的创新为高水平的基因组选择提供了技术支撑。”据孙东晓介绍，2010年，在波兰召开的QTL-MAS国际会议上，各国研究人员用相同数据对不同方法进行比较，中国团队用新方法获得第一的好成绩，当时就引起了震动。“长期的实践证明了用母牛不仅可行，而且有利于降低估计偏差和扩大参考群规模。”孙东晓自豪地说，“如今，国外的一些国家也借鉴我们的思路，开始用母牛构建参考群或在原公牛群体中加入母牛。”同时，为降低基因组选择的育种成本，项目团队提出了低密度芯片的设计和实施策略及基因型填充策略，丰富和完善了基因组选择的理论和方法。此外，结合我国奶牛育种实际情况，首次提出了用于中国荷斯坦牛综合性能评价的基因组性能指数GCPI，用于青年公牛的基因组遗传评估，经此评估选出的优秀青年公牛可直接作为种公牛使用。我国是最早建立基因组选择技术体系的国家之一“项目的实施使我国成为国际上最早建立基因组选择技术体系的国家之一，并达到发达国家水平。”孙东晓说。经专家论证，这项成果被农业部指定为中国荷斯坦青年公牛遗传评估的唯一方法，2012年起在我国全面应用。据统计，2012—2015连续4年，项目团队对全国26个公牛站的青年公牛进行了基因组遗传评估，选出930头优秀青年公牛（占全国良种公牛的40%）在全国推广应用，至少获得了348.75万头优良后代母牛。“研究成果显著提高了青年公牛的选种准确性，提高了良种补贴种公牛的遗传质量，促进了全国奶牛群体生产性能的提高。”孙东晓说。据介绍，通过基因组选择技术的实施，给我国奶牛育种带来了显著成效。我国公牛选择准确性显著提高，对于主要性状基因组遗传评估的准确性达到0.67—0.80，与常规系谱指数相比，准确性提高了12%—25%，与我国过去的公牛后裔测定相比，准确性提高了12%—17%。大幅度缩短了公牛的世代间隔，由于青年公牛经基因组遗传评估后即可投入使用，世代间隔由常规育种的6.25年缩短到1.75年，缩短4.5年。加快了群体遗传进展，由于选择准确性的提高和世代间隔的缩短，我国荷斯坦牛每年平均遗传进展由0.24个遗传标准差提高到0.49个遗传标准差。提高了我国奶牛育种效益，由于遗传进展的加快和育种成本的下降，据中国农科院农经所测算，该成果自推广以来，经济效益达21.869亿元，间接经济效益64.26亿元。“如今，我国牛群产奶水平显著提高，从2010年的4500公斤，增长到2015年的7500公斤，而北京则达到9000公斤，接近北美平均水平。”