吴常信2015.4动物育种中数量性状选择方法进展(第十七次全国家禽学术讨论会.重庆)

1、吴常信中国农业大学动物科技学院2021年10月16日The Progress of Selection Methods on Quantitative Traits in Animal Breeding报告内容：1.数量性状遗传改良的群体层面，重点讨论杂种优势的利用；2.数量性状遗传改良的分子层面，重点讨论基因组选择。一、数量遗传学（quantitative genetics）1.概念 “是遗传学原理与统计学方法相结合，研究群体数量性状的遗传学分支科学。”l 遗传学l 统计学群体l 数量性状动物生产中需要改良的性状大多是数量性状。2.对数量性状认识的发展（1）以往的认识：l由多基因决定, 单个

2、基因的作用很小（微效基因）l微效基因具有相等的加性效应l由多基因控制的数量性状是一个整体，微效基因不能被单独识别。（2）现在的认识：l影响数量性状的不仅有微效基因，而且也有主效基因。l不仅有加性效应，而且也有显性效应和上位效应。l对控制数量性状的基因有的也能被单独识别，如QTL，QTG。（3）数量性状与复杂性状（complex trait)l两者都受多基因决定l复杂性状中可度量的性状为数量性状3.对动物育种认识的发展（1）育种是育成新品种。（2）育种是对家畜/禽进行遗传改良，提高种畜的种用价值。（3）育种是从遗传上改良畜种，并使其达到最大的经济效益。4.育种技术（1）育种的关键技术是选种（选择

3、），选种的关键是提高选择的准确性，使其无限地接近种畜的“真值”。（2）要对不同的畜种、不同的性状采用不同的选择方法比较育种学。（3）现代育种技术是以遗传学理论为指导，由计算机技术、生物技术、信息技术、系统工程以及育种学家创新思维的一个集合。二、群体层面的选择方法 （Selection methods on population level) ) 1.从表型值到育种值（1）值与方差 P=G+E VP=VG+VE (COVGE=0)（2）育种值 =bAP( P - ) (bAP : 育种值对表型值的回归系数）P2.遗传参数（1）重复力 re=(VG+VEg)/VP（2）遗传力 H2=VG/VP；h

4、2=VA/VP（3）遗传相关 rA=COVAxAy Ax Ay （4）群体亲缘相关（一项新的遗传参数 ） =0.5(n-1)+0.25n(d-1)/(dn-1)在1公畜群体中，d:母畜数； n：仔畜数当n很大时， =（d+1)/4d (近似式） 动物遗传学 吴常信主编（2009）_r遗传参数_r3.常用选种方法比较（1）根据个体和家系数据：l 个体选择l 家系选择l 家系内选择l 合并选择 在家禽育种中我们推荐个体选择结合家系选择。对遗传力低的性状，以家系成绩为主，结合个体成绩，如蛋禽；对遗传力高的性状，以个体成绩为主，结合家系成绩，如肉禽。（2）根据个体及其亲属数据： l个体（成绩）测验l同

5、胞测验l 系谱测验l 后裔测验 后裔测验延长了世代间隔。奶牛世代间隔长，可还是做后裔测验；家禽世代间隔短，但不做后裔测验。 为什么？选种方法（3）直接选择与间接选择 设 x 为需改进的目标性状，y 为所选择的辅助性状，则 y 性状的选择反应为 Ry，x 性状的相关选择反应为 CRx。 由公式CRx =bA(xy) Ry ，可推导出即，目标性状与辅助性状之间的遗传相关高，而且辅助性状的遗传力高于目标性状的遗传力，间接选择才有好的效果。)(xyAxyxxrhhRCR选种方法（4）多性状的选择选择指数 通过对可度量性状的综合选择（I），要求在经济上 达到最大的遗传改进（H） I = b1P1+ b2

6、P2 +bnPn H = w1G1 +W2G2+wnGn P b = G w b = P-1 G w选种方法（5）线性混合模型BLUP育种值 y= Xb+Zu+el 动物模型BLUP育种值 y = l 多性状的BLUP育种值设有两个性状1和2，则有 y1= X1b1+Z1a1+e1 y2= X2b2+Z2a2+e2 BLUP首先应用于奶牛育种并取得好的效果，那么家禽育种呢？。epabrjj 1选种方法（6）数量性状隐性有利基因的选择 一种新的选种方法*l 假设的提出l 假设的证明l 对同一性状的直接与间接选择l 参数估计l 数量性状隐性有利基因存在的简易检测方法l 应用动物遗传学 吴常信主编（

7、2009）选种方法4. 杂交与杂种优势利用育种过程：选择纯繁杂交再选择（1）纯繁的作用l固定优良性状l保存（品种）遗传资源l育成纯系或近交系（2）杂交的作用l杂交育种，育成新品种l利用杂种优势，应用配套技术生产商品畜禽 5.关于配套系育种几个问题的讨论（1）是群体水平的“基因聚合” 一些负遗传相关的性状很难在同一个品种（系）中兼顾，如蛋数与蛋重。配套系解决了这个问题。（2）是群体水平的“平衡育种” 在一定程度上能对需要改进的两个性状“取长补短”，如生长速度与肉质。（3）可有效地结合数量性状与质量性状育种 自别雌雄 制种控制（4）可根据市场需要组合不同性状l 青脚矮小隐性白羽与地方鸡种配套l d

8、w基因的应用 dw基因在蛋鸡、优质肉鸡中应用是成功的；在速生型肉鸡中还没有成功的例子，因为商品鸡中Dwdw基因型的公鸡比DwDw公鸡增重要慢5%-10%。（5）打破国外育种公司的垄断 （以北京白鸡育种为例）l“争气鸡”l 联合育种l“傻子才不向中国出口曾祖代”l 产生了一批我国自己的蛋鸡育种企业l 国产蛋鸡已占高产蛋鸡市场的“半壁江山” （6）配套系的血统更新l 某个系有明显缺点 本身性能退化，如产蛋，增重明显下降，死淘率上升；配套效果明显降低。l 引种考虑 和原来系在配套系中处于同样位置，如A、B、C、D；能明显改进原系的缺点。l方法 换某个系的全部或部分公鸡；如原系缺点严重，则全系淘汰。（

9、7）几个系配套效果好？ 二系配套 优点：杂种优势高， 产品一致性好 缺点：供种能力差， 不能提供种蛋 三系配套 优点 :l 能利用母本杂种优势；l F1一致性好。 缺点 :没有明显的缺点，但要求终端父本性能好，均匀度高。 四系配套 优点：l 可同时利用父本和母本的杂种优势；l 在鸡中，可建立“双自别”配套系。缺点 ：l 制种成本较高l 商品畜群的一致性较差 五系配套 从遗传育种上分析，没有优点；从商业上分析，有利于育种公司控制制种过程。 五系或更多的系配套在商品生产中没有实际意义。缺点：l 增加了遗传传递途径 l 增加了育种成本 l 降低了每个系的选择强度 l 降低了商品家畜（禽）的均匀度 （

10、8）配套系育种在不同畜种中应用分析 已广泛应用的：家禽、猪 有应用前景的：多数肉用家畜（改进肉质、提高母畜泌乳能力，增强抗逆性） 不适合应用的：乳牛l世代间隔长，配套系育种成本高l纯种选育已有好的效果（BLUP，GS）l杂种优势利用主要是引进种牛或冻精 三、分子层面的选择方法（Selection Methods on Molecule Level)1. 动物分子育种的概念“从分子水平上对动物进行遗传改良（genetic improvement）或育成新品种”，也叫 “分子设计（molecular design）育种”2.思路与实践（1）基因聚合（gene pyramiding） 希望把高产、优

11、质、高效、抗病、抗逆等有利性状的基因通过基因操作，尽可能多地聚合在一起。存在问题： 质量性状的基因聚合早就解决了；在没有找到目的基因之前，数量性状的基因聚合就是“无米之炊”。（2）平衡育种（balanced breeding） 统筹考虑高产、优质、高效、抗病、抗逆等有利性状，要求性状之间达到一个“最佳”的平衡点。存在问题： 群体水平的平衡育种早就解决了；分子水平的平衡育种仍在设计之中。你的态度是什么？（3）转基因（gene transfer；GM)育种 人们对转基因育种的态度:l 赞同l 反对l 怀疑l 无可奈何 对转基因育种的要求l 常规育种做不到的l 比常规育种快得多的l 产品对人和环境是

12、安全的 转基因育种的技术要点l 目标基因的获得l 获得基因的转入l 转入基因的表达l 表达基因的遗传 什么时候才能育出转基因动物品种？l 猪？牛？羊？鱼类？l 基因是纵向传递还是横向传递？l 成本？ 实验室研究 中试释放 安全评估 生产推广3.数量性状基因座（QTL）与标记辅助选择（MAS）（1）QTL and MAS标记辅助选种(MAS)中的标记是否就是QTL？严格地说，标记和QTL是有区别的，只有当标记和所标记的数量性状基因完全连锁时，标记才是该数量性状的QTL。为什么在家畜中被定位的QTL很多，但在生产中能用的又很少？的确被定位的QTL很多。（见下表）（从分子水平证明了决定数量性状的是多

13、基因！）QTL and MAS畜种畜种QTL总数总数性状性状数量数量性状性状类型类型QTL数量数量畜种畜种QTL总数总数性状性状数量数量性状性状类型类型QTL数量数量猪猪12604656肉质肉质5114鸡鸡4379306 生长代谢生长代谢2824 生长代谢生长代谢3426 疾病疾病599 解剖结构解剖结构1660 蛋蛋540 疾病疾病369 外形、行为外形、行为190 外形、行为外形、行为862 肉质肉质100 繁殖繁殖1173 其它其它126牛牛13145492产奶性状产奶性状4231羊羊791217 疾病相关疾病相关165 生长代谢生长代谢6114 羊毛羊毛39 疾病、健康疾病、健康143

14、3 生长与繁殖生长与繁殖 389 外形、行为外形、行为1367 肉质与泌乳肉质与泌乳 198表1 畜禽主要性状已定位的QTL数量数据来源：数据来源：NAGRPBioinformatics Coordination Program Contact: NAGRP Bioinformatics Project Team 2015年年4月月7日日表表2 已定位已定位QTL数量最多的几个性状数量最多的几个性状畜畜种种QTL总量总量性状性状数量数量QTL最多的三个性状（性状最多的三个性状（性状/QTL数量）数量）猪猪12604656Drip loss(滴水损失滴水损失)/1022Average daily

15、 gain (平均日增重平均日增重)/312Loin muscle area(眼肌面积眼肌面积)/260牛牛13145492Interval to first estrus after calving（产犊后至第一次发情间隔（产犊后至第一次发情间隔)/553Milk protein yield (乳蛋白量乳蛋白量)/461Milk fat yield(乳脂量乳脂量)/435鸡鸡4379306Abdominal fat weight(腹脂重腹脂重)/189Body weight(体重体重)/147Breast muscle (胸肌胸肌)/136羊羊791217 Haemonchus Contor

16、tus-related traits(捻转血矛线虫相关性状捻转血矛线虫相关性状)/39Fecal egg count (粪卵计数）粪卵计数）/19Aseasonal reproduction, milk yield 各各/15数据来源同表数据来源同表1.l所定位的QTL是染色体的一个区间，中间还可能涉及多个基因； lQTL或标记与性状的连锁程度不确定；l不同群体的遗传背景不一样，同一性状的QTL在不同群体中的分离、重组结果不同；lQTL定位的误差。 QTL定位中的问题在生产中能用的QTL不多的原因是： 关联分析的问题l QTL本身的问题；l 数量性状记录的准确性；l 样本大小。在畜牧生产中哪些

17、QTL有确定的生产意义？还是有一些基因，如：畜种畜种基因名称基因名称所在染色所在染色体体猪猪 牛牛 基因名称 所在染色体 l QTL (Quantitative Trait Loci)l QTG （Quantitative Trait Gene）lQTN (Quantitative Trait Nucleotides) 从核苷酸水平上来确认对数量性状真正起作用的基因位点（核苷酸序列多态位点）。lSNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) QTN的研究一般都要对候选的QTL作SNPs检测，或直接对候选基因作SNPs检测。（2 2） 从从 QTL 到到 QTG/Q

18、TN 几个概念家畜中目前有实用价值的QTG/QTN还很少l牛 DGAT1 (二脂酰甘油酰基转移酶1) 与产奶性状有关 （Grisart et al. 2002)l猪 IGF2 (胰岛素样生长因子II） 与生长发育有关 （Van-Laere et al. 2003)l绵羊 GDF8 （肌肉生长抑制素，Myostatin） 与肌肉和脂肪性状有关 (Clop et al. 2006)l牛ABCG2(ATP结合运转蛋白G2) 与产奶性状有关 (Hanne Gro Olsen et al. 2007) l鸡SLCO1B3(EVA-HP插入，绿壳蛋）（杨宁，邓学梅等2012） Genome-wide as

19、sociation study (GWAS)译成“全基因组关联研究”或“全基因组关联分析”这一研究最早从医学开始，提取对照组和病例组的DNA样品，进行全基因组的SNP芯片扫描，找出对照组及病例组中基因频率差异显著的SNP位点，则认为该位点与疾病（性状）存在关联。4. 4. GWAS 由于病例的样本大，case-control 的GWAS在医学领域几乎涉及各类疾病，如糖尿病、心血管病、免疫性疾病、癌症、皮肤病、精神性疾病、感染性疾病等，发表的论文数逐年上升。Published GWA Reports, 2005 2/2015Published GWA Reports, 2005 2/2015To

20、tal Number of PublicationsCalendar QuarterVisited on 09/04/2015影响人类身高的遗传变异 通过对通过对25万人的研究万人的研究 697个个SNPs 424个基因座个基因座 查清了影响人类身高查清了影响人类身高20%的遗传变异的遗传变异为什么GWAS研究会发展得这么快？由于：l人类基因组计划(HGP)的完成l人类基因组单体型图计划(HapMap)的完成lSNPs芯片和高通量的SNPs检测技术的完善l生物信息学的发展你认为GWAS在畜禽数量性状改进方面能有多大作用？ 会有作用，但难度远比医学中从某种疾病的“发病”与“健康”人群里得到GWA

21、S结果要困难得多。 GWAS可以找到原因基因，可做标记辅助选择，但还不能排出育种值的大小。5. GS 5. GS 基因组选择 （Genomic selection）全基因组范围内的标记辅助选择1）思路 在全基因组范围内用大量的SNPs标记或微卫星标记对所有QTL估计一个总的育种值，即把单个QTL的标记辅助选择“化零为整”。2）步骤 建立参考群体l 表型记录l 基因组标记分型l 通过数学模型估计出每个标记效应值 待选群体l对个体进行标记分型l累加每个标记效应值得到个体基因组育种值（GEBV）l根据每个个体基因组育种值进行排队。3）标记分型 利用覆盖整个基因组标记（主要是SNP标记）将染色体分成若干片段，即相邻的两个标记就是一个染色