美国和加拿大奶牛育种中的基因组选择方法

美国和加拿大奶牛育种中的基因组选择方法

近年来，由于生物测量技术及其信息和应用的快速发展，各组选择方法在奶牛繁殖中取得了革命成果。基因组选择可以允许育种者提前选择那些获得优越染色体片段的种畜,因此可加快和提高遗传改良的速度及效率,降低后裔测定的成本,甚至最终取代整个后裔测定方法。单核苷酸多态性(SingleNucleotidePolymorphism,SNP)标记可以高密度覆盖整个基因组,并且可以用较低价格获取。基于SNP基因组遗传评估可以在获得动物DNA时计算,允许在种畜生命早期对两个性别的动物进行基因型选择。ZhangandSmith(1992)曾经用计算机模拟比较基因组育种值与常规育种值合并选择与仅用常规选择的遗传进展,证明了合并选择的优越性。在奶牛育种中应用基因组选择最近已经开始。北美(美国及加拿大)于15年前建立了统一的公牛冷冻精液遗传物质(DNA)集中储存系统,2008年,美加科学家对公牛进行了统一DNA基因组测定和基因组统计遗传分析。北美在奶牛遗传评估研究合作已有多年的历史,如过去10年来在全球奶牛遗传评估统计方法和数据资源方面的成功合作。经过美加科学家近年的努力,基因组选择已在奶牛育种中达到实用阶段。美国农业部将于2009年1月,加拿大奶牛网络将于2009年4月正式开始在官方正式颁布奶牛遗传评估(育种值)中包括DNA分子水平信息处理的资料。1估计育种值principation公牛的冷冻精液技术已有60多年的历史,优秀种公牛一生可以产生近百万支冷冻精液供配种之用,其对畜羣遗传改良贡献大大超过母牛。但是传统方法公牛的生产性能只有经过后裔测定女儿的生产性能才能得到评估,需要6～7年的等待时间。当在后裔测定女的头数达到75～100头时,该公牛育种值的可靠性约90%。在后裔测定女儿的生产性能资料获得之前,后备小公牛的育种值只能由系谱资料来估计,即双亲育种值的平均数(parentaverage)。其可靠性(准确度)不足40%。后备小母牛在本身生产性能的资料获得之前,其育种值也只能由双亲平均数来估算。(见表1)传统的育种值是根据奶牛的生产性能性状、体型外貌性状及健康性状的表型值和系谱的资料,运用BLUP(最佳线性无偏预测)统计模型计算的。美国农业部颁布的育种值的表达方式为预测传递力(PredictedTransmittingAbilities,PTAs),而加拿大和其他大多数奶牛国家育种值采用表达方式是估计育种值(EstimatedBreedingValues,EBVs)。两者的关系为:由于公牛冷冻精液的全球化广泛使用和商业化的需求,国际公牛组织(INTERBULL)于1983年成立,并于1996年起采用加拿大GUELPH大学Schaeffer教授研发的多性状跨国遗传评估方法(Multiple-traitAcrossCountryEvaluation,MACE)对参加国的公牛进行全球公牛遗传评估。于是每头验证公牛除了基于所在本国女儿的资料所得到的估计育种值外,还有根据其他国家女儿的资料或者根据遗传相关预测所得到的全球遗传评估的估计育种值(MACE)。2基于snp的经济性状遗传模拟单核苷酸多态性(SingleNucleotidePolymorphism,SNP)的芯片多位点一次测定技术和价格的突破是近年来分子遗传学在应用上的一大进步。位于美国加州圣地亚哥的Illumina生物技术公司是世界上最大的SNP基因型测定和芯片开发公司之一。Illumina公司和与美国农业部的牛功能基因组实验室合作为奶牛基因组测定联合开发了可以测定58000个SNP基因型的芯片(BovineSNP50TMBeadChip,已知为“5万”芯片),该芯片的SNP是从大约600000个SNP中筛选出来的。这些SNP均匀地分布在牛的30条染色体上。在所测定的58000个SNP中,有大约40000(38416)个对于荷斯坦奶牛经济性状的遗传变异有预测效果。基因组遗传评估育种值研究分析和应用过程可以分成三个步骤:第一步:将现有的遗传评估育种值结果和38416个SNP标记测定结果进行比较和相关分析。也就是将育种值高的和他们相应的DNA基因型进行比较,同时将育种值低的和他们的基因型进行比较,以便鉴定和建立SNP标记和QTL(QuantitativeTraitLoci)的相关关系。于是对于每个性状在每个SNP位点的遗传效应有了估计值,具体方法涉及到庞大的基因组相关矩阵的建立和复杂的计算程序,该方法已经被美国农业部的科学家VanRaden解决。美国农业部将已经获得后裔鉴定结果的3576头荷斯坦公牛的每个经济性状和上述38416个SNP进行了相关分析,建立了基因组预测模型。加拿大采用1560头在2008年8月拥有官方正式颁布育种值的公牛与上述38416个SNP标记进行了相关分析,为主要经济性状建立了基因组预测模型。第二步:将第一步建立的相关关系的基因组预测模型应用于所有进行基因测定的个体,包括后备小公牛、后备母牛、生产母牛以及后测公牛,根据它们的基因组基因型为它们计算出“直接基因组值”(DirectGenomicValue,DGV)。也就是把每个个体,每个性状在每个SNP位点的遗传效应的估计值累加起来,成为单一的直接基因组总和预测值。第三步:最后一步将新近计算的DGV与现有的用传统方法由表型值估测的育种值用选择指数的方法合并起来,成为新的育种值估计值。ZhangandSmith(1992)曾经采用选择指数(回归系数)对来源于基因组的育种值和传统育种值进行合并。美国农业部的方法包括采用将不同来源的育种值用其可靠性进行合并形成新的育种值供官方颁布。3经济性状的可靠性为了验证新型基因组育种值的可靠性,美国农业部和加拿大奶牛网络的科学家联手采用北美3576头1999年以前出生的公牛2003年8月官方颁布育种值的资料与上述38416个SNP标记建立了新型基因组预测模型。结合2008年的资料,为1759头1999年到2002年出生的公牛的2008年4月的女儿离差(育种值的另一种表达方式)进行了预测和验证分析。标记基因的效应采用线性正态分布和非线性分布估测。经济性状包括5个生产性状(泌乳量、乳脂肪量、乳脂率、乳蛋白量、乳蛋白率),5个适应性状和16个体型外貌性状以及净价值指数(由生产性状、适应性状及体型外貌构成的综合选择指数)。按照文献,由选择指数合并产生的双亲平均数由以下三部分组成:1)直接基因组预测值;2)由基因型测定的亲本按照传统相关矩阵所计算的双亲平均数;3)官方颁布的2003双亲平均数。每头公牛用一个由可靠性组成的3×3对称矩阵V对上述三部分进行合并。该矩阵的对角线上为相应三部分可靠性(V11,V22,V33),非对称线上的元素为:选择指数的系数则由C′V-1算出,C′为[V11,V22V33]。具体细节可以参考文献。性染色体的遗传。按照文献,公牛的X染色体统统遗传给了他的女儿,但是他的儿子却没有得到。儿子的X染色体来自他的母亲。因此公牛的基因组预测传递力(PTA)有两个版本:儿子的PTA没有X染色体上605个遗传标记效应,而女儿的PTA包括了所有遗传标记的效应。母牛的PTA也有两个版本:母牛的儿子的X染色体的效应将加倍,因为她的孙女将得到50%的X染色体效应而不是像常染色体那样预期的25%。母牛的女儿则得到50%的X染色体效应值。X染色体上鉴定的SNP较少,间距大约为常染色体的3倍。上述27个经济性状,由基因组预测育种值与传统育种值合并产生的基因组双亲平均数对2008年4月的育种值的回归的结果显著增加了其决定系数R2(P<0.0001)。总计平均R2(37%)比传统R2(19%)提高18%。增加最大值来自乳脂率、乳蛋白率、乳脂肪量以及乳房深度。R2分别高达63%,58%及46%;分别比传统平均数高出38%,30%及28%,详见文献。最大标记基因效应来自乳脂率Bostaurusautosome(BTA)14标记代表acylCoA:diacylglycerolacyltransferase1基因。其他几个已知主效有影响的标记基因对乳蛋白率和其他经济性状效应都可以看到。大部分其它性状的标记基因效应都均衡地分布在所有30条染色体上,仅有个别片段有较大效应。这一结果再次证明数量性状多基因无穷位点模型及传统数量遗传理论的正确性。尽管经历多世代的高强度选择,这些基因不会轻易纯合,遗传变异将保证遗传改进可以持续相当长的时间和更多的世代。由基因组预测育种值与传统育种值合并产生的基因组双亲平均数的可靠性分析表明非线性平均可靠性为50%,比官方2003年颁布的双亲平均数的平均可靠性(27%)增加23%。遗传力低的性状的可靠性增加幅度较大。所增加的可靠性相当于11头女儿后裔测定的结果。对于已经获得后裔测定结果的公牛来讲,可靠性所增加的幅度较小,详见参考文献。加拿大的研究表明,基因组资料与现有育种值合并后造成可靠性不同程度增加。对于可靠性最低的后备小公、母牛的育种值双亲平均数,增加的幅度也最大(15%～20%)。对于有第一个泌乳期资料的青年母牛,增加的幅度为10%～20%。对于已经获得第一批女儿的验证公牛,所增加的幅度不大。但是对于畜羣寿命和繁殖力等一类遗传力低的性状,增加的幅度较大(5%～7%),详见文献。4是中国自身发展的需要新技术对中国科技进步的影响往往是革命性的。采用最新的技术可以一步到位,省掉中间发展过程。验证公牛系统的建立投资大,见效慢。中国奶牛种公牛后裔测定的系统的建立起步低,头数少,母牛生产记录不完善,举步维艰,与国外相比差距大。而中国现在大量使用的正是国外引进未经验证的小公牛,其改良效果不稳定。基因组选择对中国奶牛育种的意义在于,可以利用这一技术,在引进国外小公牛的同时,加强基因组选择,大大改进中国奶牛遗传选择的准确性,从而加速中国奶牛遗传改良的世代间隔和改良速度。与此同时,基因组育种值的出现,是发达国家科学家多年来采用分子技术和常规技术同步发展相结合的产物。中国近年来对分子技术发展比较重视并取得了很大成就。另一方面,对常规技术的发展却相应重视不足。因此中国自己基因组育种值的发展还有待于奶牛生产的记录系统、体型外貌评分及健康性状等基