美國(guó)和加拿大奶牛育種中的基因組選擇方法

美國(guó)和加拿大奶牛育種中的基因組選擇方法

近年來(lái)，由于生物測(cè)量技術(shù)及其信息和應(yīng)用的快速發(fā)展，各組選擇方法在奶牛繁殖中取得了革命成果?；蚪M選擇可以允許育種者提前選擇那些獲得優(yōu)越染色體片段的種畜,因此可加快和提高遺傳改良的速度及效率,降低后裔測(cè)定的成本,甚至最終取代整個(gè)后裔測(cè)定方法。單核苷酸多態(tài)性(SingleNucleotidePolymorphism,SNP)標(biāo)記可以高密度覆蓋整個(gè)基因組,并且可以用較低價(jià)格獲取?；赟NP基因組遺傳評(píng)估可以在獲得動(dòng)物DNA時(shí)計(jì)算,允許在種畜生命早期對(duì)兩個(gè)性別的動(dòng)物進(jìn)行基因型選擇。ZhangandSmith(1992)曾經(jīng)用計(jì)算機(jī)模擬比較基因組育種值與常規(guī)育種值合并選擇與僅用常規(guī)選擇的遺傳進(jìn)展,證明了合并選擇的優(yōu)越性。在奶牛育種中應(yīng)用基因組選擇最近已經(jīng)開(kāi)始。北美(美國(guó)及加拿大)于15年前建立了統(tǒng)一的公牛冷凍精液遺傳物質(zhì)(DNA)集中儲(chǔ)存系統(tǒng),2008年,美加科學(xué)家對(duì)公牛進(jìn)行了統(tǒng)一DNA基因組測(cè)定和基因組統(tǒng)計(jì)遺傳分析。北美在奶牛遺傳評(píng)估研究合作已有多年的歷史,如過(guò)去10年來(lái)在全球奶牛遺傳評(píng)估統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)據(jù)資源方面的成功合作。經(jīng)過(guò)美加科學(xué)家近年的努力,基因組選擇已在奶牛育種中達(dá)到實(shí)用階段。美國(guó)農(nóng)業(yè)部將于2009年1月,加拿大奶牛網(wǎng)絡(luò)將于2009年4月正式開(kāi)始在官方正式頒布奶牛遺傳評(píng)估(育種值)中包括DNA分子水平信息處理的資料。1估計(jì)育種值principation公牛的冷凍精液技術(shù)已有60多年的歷史,優(yōu)秀種公牛一生可以產(chǎn)生近百萬(wàn)支冷凍精液供配種之用,其對(duì)畜羣遺傳改良貢獻(xiàn)大大超過(guò)母牛。但是傳統(tǒng)方法公牛的生產(chǎn)性能只有經(jīng)過(guò)后裔測(cè)定女兒的生產(chǎn)性能才能得到評(píng)估,需要6～7年的等待時(shí)間。當(dāng)在后裔測(cè)定女的頭數(shù)達(dá)到75～100頭時(shí),該公牛育種值的可靠性約90%。在后裔測(cè)定女兒的生產(chǎn)性能資料獲得之前,后備小公牛的育種值只能由系譜資料來(lái)估計(jì),即雙親育種值的平均數(shù)(parentaverage)。其可靠性(準(zhǔn)確度)不足40%。后備小母牛在本身生產(chǎn)性能的資料獲得之前,其育種值也只能由雙親平均數(shù)來(lái)估算。(見(jiàn)表1)傳統(tǒng)的育種值是根據(jù)奶牛的生產(chǎn)性能性狀、體型外貌性狀及健康性狀的表型值和系譜的資料,運(yùn)用BLUP(最佳線(xiàn)性無(wú)偏預(yù)測(cè))統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算的。美國(guó)農(nóng)業(yè)部頒布的育種值的表達(dá)方式為預(yù)測(cè)傳遞力(PredictedTransmittingAbilities,PTAs),而加拿大和其他大多數(shù)奶牛國(guó)家育種值采用表達(dá)方式是估計(jì)育種值(EstimatedBreedingValues,EBVs)。兩者的關(guān)系為:由于公牛冷凍精液的全球化廣泛使用和商業(yè)化的需求,國(guó)際公牛組織(INTERBULL)于1983年成立,并于1996年起采用加拿大GUELPH大學(xué)Schaeffer教授研發(fā)的多性狀跨國(guó)遺傳評(píng)估方法(Multiple-traitAcrossCountryEvaluation,MACE)對(duì)參加國(guó)的公牛進(jìn)行全球公牛遺傳評(píng)估。于是每頭驗(yàn)證公牛除了基于所在本國(guó)女兒的資料所得到的估計(jì)育種值外,還有根據(jù)其他國(guó)家女兒的資料或者根據(jù)遺傳相關(guān)預(yù)測(cè)所得到的全球遺傳評(píng)估的估計(jì)育種值(MACE)。2基于snp的經(jīng)濟(jì)性狀遺傳模擬單核苷酸多態(tài)性(SingleNucleotidePolymorphism,SNP)的芯片多位點(diǎn)一次測(cè)定技術(shù)和價(jià)格的突破是近年來(lái)分子遺傳學(xué)在應(yīng)用上的一大進(jìn)步。位于美國(guó)加州圣地亞哥的Illumina生物技術(shù)公司是世界上最大的SNP基因型測(cè)定和芯片開(kāi)發(fā)公司之一。Illumina公司和與美國(guó)農(nóng)業(yè)部的牛功能基因組實(shí)驗(yàn)室合作為奶牛基因組測(cè)定聯(lián)合開(kāi)發(fā)了可以測(cè)定58000個(gè)SNP基因型的芯片(BovineSNP50TMBeadChip,已知為“5萬(wàn)”芯片),該芯片的SNP是從大約600000個(gè)SNP中篩選出來(lái)的。這些SNP均勻地分布在牛的30條染色體上。在所測(cè)定的58000個(gè)SNP中,有大約40000(38416)個(gè)對(duì)于荷斯坦奶牛經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳變異有預(yù)測(cè)效果?；蚪M遺傳評(píng)估育種值研究分析和應(yīng)用過(guò)程可以分成三個(gè)步驟:第一步:將現(xiàn)有的遺傳評(píng)估育種值結(jié)果和38416個(gè)SNP標(biāo)記測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較和相關(guān)分析。也就是將育種值高的和他們相應(yīng)的DNA基因型進(jìn)行比較,同時(shí)將育種值低的和他們的基因型進(jìn)行比較,以便鑒定和建立SNP標(biāo)記和QTL(QuantitativeTraitLoci)的相關(guān)關(guān)系。于是對(duì)于每個(gè)性狀在每個(gè)SNP位點(diǎn)的遺傳效應(yīng)有了估計(jì)值,具體方法涉及到龐大的基因組相關(guān)矩陣的建立和復(fù)雜的計(jì)算程序,該方法已經(jīng)被美國(guó)農(nóng)業(yè)部的科學(xué)家VanRaden解決。美國(guó)農(nóng)業(yè)部將已經(jīng)獲得后裔鑒定結(jié)果的3576頭荷斯坦公牛的每個(gè)經(jīng)濟(jì)性狀和上述38416個(gè)SNP進(jìn)行了相關(guān)分析,建立了基因組預(yù)測(cè)模型。加拿大采用1560頭在2008年8月?lián)碛泄俜秸筋C布育種值的公牛與上述38416個(gè)SNP標(biāo)記進(jìn)行了相關(guān)分析,為主要經(jīng)濟(jì)性狀建立了基因組預(yù)測(cè)模型。第二步:將第一步建立的相關(guān)關(guān)系的基因組預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于所有進(jìn)行基因測(cè)定的個(gè)體,包括后備小公牛、后備母牛、生產(chǎn)母牛以及后測(cè)公牛,根據(jù)它們的基因組基因型為它們計(jì)算出“直接基因組值”(DirectGenomicValue,DGV)。也就是把每個(gè)個(gè)體,每個(gè)性狀在每個(gè)SNP位點(diǎn)的遺傳效應(yīng)的估計(jì)值累加起來(lái),成為單一的直接基因組總和預(yù)測(cè)值。第三步:最后一步將新近計(jì)算的DGV與現(xiàn)有的用傳統(tǒng)方法由表型值估測(cè)的育種值用選擇指數(shù)的方法合并起來(lái),成為新的育種值估計(jì)值。ZhangandSmith(1992)曾經(jīng)采用選擇指數(shù)(回歸系數(shù))對(duì)來(lái)源于基因組的育種值和傳統(tǒng)育種值進(jìn)行合并。美國(guó)農(nóng)業(yè)部的方法包括采用將不同來(lái)源的育種值用其可靠性進(jìn)行合并形成新的育種值供官方頒布。3經(jīng)濟(jì)性狀的可靠性為了驗(yàn)證新型基因組育種值的可靠性,美國(guó)農(nóng)業(yè)部和加拿大奶牛網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)家聯(lián)手采用北美3576頭1999年以前出生的公牛2003年8月官方頒布育種值的資料與上述38416個(gè)SNP標(biāo)記建立了新型基因組預(yù)測(cè)模型。結(jié)合2008年的資料,為1759頭1999年到2002年出生的公牛的2008年4月的女兒離差(育種值的另一種表達(dá)方式)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和驗(yàn)證分析。標(biāo)記基因的效應(yīng)采用線(xiàn)性正態(tài)分布和非線(xiàn)性分布估測(cè)。經(jīng)濟(jì)性狀包括5個(gè)生產(chǎn)性狀(泌乳量、乳脂肪量、乳脂率、乳蛋白量、乳蛋白率),5個(gè)適應(yīng)性狀和16個(gè)體型外貌性狀以及凈價(jià)值指數(shù)(由生產(chǎn)性狀、適應(yīng)性狀及體型外貌構(gòu)成的綜合選擇指數(shù))。按照文獻(xiàn),由選擇指數(shù)合并產(chǎn)生的雙親平均數(shù)由以下三部分組成:1)直接基因組預(yù)測(cè)值;2)由基因型測(cè)定的親本按照傳統(tǒng)相關(guān)矩陣所計(jì)算的雙親平均數(shù);3)官方頒布的2003雙親平均數(shù)。每頭公牛用一個(gè)由可靠性組成的3×3對(duì)稱(chēng)矩陣V對(duì)上述三部分進(jìn)行合并。該矩陣的對(duì)角線(xiàn)上為相應(yīng)三部分可靠性(V11,V22,V33),非對(duì)稱(chēng)線(xiàn)上的元素為:選擇指數(shù)的系數(shù)則由C′V-1算出,C′為[V11,V22V33]。具體細(xì)節(jié)可以參考文獻(xiàn)。性染色體的遺傳。按照文獻(xiàn),公牛的X染色體統(tǒng)統(tǒng)遺傳給了他的女兒,但是他的兒子卻沒(méi)有得到。兒子的X染色體來(lái)自他的母親。因此公牛的基因組預(yù)測(cè)傳遞力(PTA)有兩個(gè)版本:兒子的PTA沒(méi)有X染色體上605個(gè)遺傳標(biāo)記效應(yīng),而女兒的PTA包括了所有遺傳標(biāo)記的效應(yīng)。母牛的PTA也有兩個(gè)版本:母牛的兒子的X染色體的效應(yīng)將加倍,因?yàn)樗膶O女將得到50%的X染色體效應(yīng)而不是像常染色體那樣預(yù)期的25%。母牛的女兒則得到50%的X染色體效應(yīng)值。X染色體上鑒定的SNP較少,間距大約為常染色體的3倍。上述27個(gè)經(jīng)濟(jì)性狀,由基因組預(yù)測(cè)育種值與傳統(tǒng)育種值合并產(chǎn)生的基因組雙親平均數(shù)對(duì)2008年4月的育種值的回歸的結(jié)果顯著增加了其決定系數(shù)R2(P<0.0001)?？傆?jì)平均R2(37%)比傳統(tǒng)R2(19%)提高18%。增加最大值來(lái)自乳脂率、乳蛋白率、乳脂肪量以及乳房深度。R2分別高達(dá)63%,58%及46%;分別比傳統(tǒng)平均數(shù)高出38%,30%及28%,詳見(jiàn)文獻(xiàn)。最大標(biāo)記基因效應(yīng)來(lái)自乳脂率Bostaurusautosome(BTA)14標(biāo)記代表acylCoA:diacylglycerolacyltransferase1基因。其他幾個(gè)已知主效有影響的標(biāo)記基因?qū)θ榈鞍茁屎推渌?jīng)濟(jì)性狀效應(yīng)都可以看到。大部分其它性狀的標(biāo)記基因效應(yīng)都均衡地分布在所有30條染色體上,僅有個(gè)別片段有較大效應(yīng)。這一結(jié)果再次證明數(shù)量性狀多基因無(wú)窮位點(diǎn)模型及傳統(tǒng)數(shù)量遺傳理論的正確性。盡管經(jīng)歷多世代的高強(qiáng)度選擇,這些基因不會(huì)輕易純合,遺傳變異將保證遺傳改進(jìn)可以持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間和更多的世代。由基因組預(yù)測(cè)育種值與傳統(tǒng)育種值合并產(chǎn)生的基因組雙親平均數(shù)的可靠性分析表明非線(xiàn)性平均可靠性為50%,比官方2003年頒布的雙親平均數(shù)的平均可靠性(27%)增加23%。遺傳力低的性狀的可靠性增加幅度較大。所增加的可靠性相當(dāng)于11頭女兒后裔測(cè)定的結(jié)果。對(duì)于已經(jīng)獲得后裔測(cè)定結(jié)果的公牛來(lái)講,可靠性所增加的幅度較小,詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)。加拿大的研究表明,基因組資料與現(xiàn)有育種值合并后造成可靠性不同程度增加。對(duì)于可靠性最低的后備小公、母牛的育種值雙親平均數(shù),增加的幅度也最大(15%～20%)。對(duì)于有第一個(gè)泌乳期資料的青年母牛,增加的幅度為10%～20%。對(duì)于已經(jīng)獲得第一批女兒的驗(yàn)證公牛,所增加的幅度不大。但是對(duì)于畜羣壽命和繁殖力等一類(lèi)遺傳力低的性狀,增加的幅度較大(5%～7%),詳見(jiàn)文獻(xiàn)。4是中國(guó)自身發(fā)展的需要新技術(shù)對(duì)中國(guó)科技進(jìn)步的影響往往是革命性的。采用最新的技術(shù)可以一步到位,省掉中間發(fā)展過(guò)程。驗(yàn)證公牛系統(tǒng)的建立投資大,見(jiàn)效慢。中國(guó)奶牛種公牛后裔測(cè)定的系統(tǒng)的建立起步低,頭數(shù)少,母牛生產(chǎn)記錄不完善,舉步維艱,與國(guó)外相比差距大。而中國(guó)現(xiàn)在大量使用的正是國(guó)外引進(jìn)未經(jīng)驗(yàn)證的小公牛,其改良效果不穩(wěn)定。基因組選擇對(duì)中國(guó)奶牛育種的意義在于,可以利用這一技術(shù),在引進(jìn)國(guó)外小公牛的同時(shí),加強(qiáng)基因組選擇,大大改進(jìn)中國(guó)奶牛遺傳選擇的準(zhǔn)確性,從而加速中國(guó)奶牛遺傳改良的世代間隔和改良速度。與此同時(shí),基因組育種值的出現(xiàn),是發(fā)達(dá)國(guó)家科學(xué)家多年來(lái)采用分子技術(shù)和常規(guī)技術(shù)同步發(fā)展相結(jié)合的產(chǎn)物。中國(guó)近年來(lái)對(duì)分子技術(shù)發(fā)展比較重視并取得了很大成就。另一方面,對(duì)常規(guī)技術(shù)的發(fā)展卻相應(yīng)重視不足。因此中國(guó)自己基因組育種值的發(fā)展還有待于奶牛生產(chǎn)的記錄系統(tǒng)、體型外貌評(píng)分及健康性狀等基