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大數據時代的豬育種——基因組選擇

【摘要】:
基因組選擇已成為當前豬遺傳評估的最新方法。相比于傳統BLUP( 最佳線性無偏預測)遺傳評估方法,GS方法的主要特點是利用全基因組遺傳標記信息替代系譜信息,進而實現對個體遺傳特質的準確預測,以輔助選種,提高育種效益。

  背景

韦德国际娱乐   基因組選擇(Genomic selection, GS)已成為當前豬遺傳評估的最新方法。相比于傳統BLUP(Best Linear Unbiased Prediction 最佳線性無偏預測)遺傳評估方法,GS方法的主要特點是利用全基因組遺傳標記信息替代系譜信息,進而實現對個體遺傳特質的準確預測,以輔助選種,提高育種效益。

傳統BLUP遺傳評估中每一頭豬僅有數條相關記錄,而實施GS時,每頭豬則需測定數萬甚至百萬個基因型數據,從數據量的角度而言,GS已成為豬育種走向大數據育種的重要途徑。因GS在諸多方面優于傳統育種方法而在多個畜禽育種領域得到大力的推廣。

韦德国际娱乐 為讓更多豬業同行深入了解GS技術及其發展潛力,筆者將首先基于經典育種場景下介紹GS如何用于豬育種現場,然后結合智慧豬場大數據應用背景及當前豬生產形勢,淺談GS的技術優勢和發展前景。

韦德国际娱乐   基因組選擇應用方案

韦德国际娱乐   準確來講,基因組選擇包含兩部分內容:基因組育種值預測和個體選擇,即個體遺傳評定和個體選擇。實踐中,又可以對全基因組信息的育種應用范疇從選種擴展到選配環節,即利用基因組信息進行個體選配。因此,全基因組信息在育種中的應用可以包含基因組選種和基因組選配兩個層面的工作。

通常,我們談論的是前者。實施基因組選擇從技術層面上講,需要具備以下幾方面的條件:

1)一定規模的育種群;

韦德国际娱乐 2)性能測定及記錄系統;

3)基因型檢測系統;

韦德国际娱乐 4)遺傳評估系統。

韦德国际娱乐 基因組選擇實施需首先在育種群中對部分或全部個體開展性能測定并進行基因型檢測,進而通過基因組遺傳評定系統對全部個體實施個體遺傳評定,以輔助選種。育種群中既有基因型又有表型的個體數量越多,最終選種的準確性越高。而性能記錄的準確度、基因組育種值的計算方法、候選個體與參考群之間的遺傳關系均會影響最終準確性。關于技術方面的相關問題有諸多研究報告,本文不再贅述。

韦德国际娱乐 基因組選擇常規實施時與豬育種生產現場的結合,目前主要體現在以下幾個環節:

1)韦德体育官网組織樣采集,通常可以安排在產房,小豬出生后直接進行組織樣采集。采集完畢的組織樣按批次送測基因型;

2)測定前選種,保育結束測定開始前,可根據反饋的基因組育種值,實施第一輪選種;

韦德国际娱乐 3)測定后選種,在性能測定結束后,根據新的測定成績重新進行遺傳評估,實施第二輪選種。一次采樣,兩輪選種均與基因組信息相關。

韦德国际娱乐 需要注意的是,此處僅介紹了基因組選擇常規應用時育種現場可能的變化,而在基因組選擇實施前期的參考群構建過程中,育種現場的操作與此處描述會有差別。值得肯定的是,在當前非洲豬瘟的特殊疫情下,為防范控制疫情,減少豬只流動,諸多韦德体育官网場都力求減少測定量,而基因組選擇在此過程中依然可實施第一輪選種,為特殊時期的豬遺傳改良提供有力的技術支持。

實施基因組選擇的經濟效益方面,以1000頭核心區母豬為例,傳統育種每窩測定1頭公豬,年測定2300頭,投入2300頭的測定成本及未閹割淘汰公豬的銷售損失。基因組選擇實施時,每窩基因型測定2頭公豬,則年基因型檢測4600頭,經過第一輪選種后選1000頭進行性能測定,則育種投入為4600頭基因型檢測費用、1000頭性能測定費用及未閹割淘汰公豬銷售損失。

相比之下,基因組選擇在減少性能測定數量及未閹割淘汰豬損失的同時,提升遺傳進展(約30%),增加韦德体育官网銷售數量。目前基因型檢測費用為約200元每樣本,而其他相關成本會有差異,各育種企業可根據實際情況進行測算。

以上介紹的是經典育種場景下的基因組選擇應用問題。需要指出的是,不同育種企業因育種基礎條件及需求有差別,針對每個企業的實際情況應制定個性化的基因組選擇實施方案,而且方案需隨著應用條件的變化而適時調整。

  大數據時代的豬育種

韦德国际娱乐   基于基因組大數據的基因組選擇育種不但在經典育種場景下能給豬育種帶來可期的效益,而且在智慧養殖的時代,能夠發揮更強大的作用,甚至突破傳統育種模式帶來更加可觀的育種收益。這種模式的突破可見示意圖1,總結其可能的變化將主要體現在以下幾個方面。

圖 1 傳統育種與大數據育種的模式示意圖

第一,通過基因組信息建立更廣泛的個體間遺傳聯系。傳統育種模式下,遺傳評定必須有系譜關聯才能將相關個體的數據整合。傳統生產體系不同層級間、不同核心育種群間,往往由于缺乏系譜關聯而無法共享數據。基因組育種由于采用全基因組遺傳標記追溯個體間親緣關系,大大降低了對系譜的依賴性。如商品群個體與純種群個體間往往缺少系譜關聯記錄,但可通過遺傳標記體現其遺傳關聯。因此,大數據育種中基因組信息的有效引入增大了在不同層級、不同品種、不同群體、不同環境中個體間數據共享、聯合評估的可行性。如通過對擴繁群、商品群個體實施基因型鑒定,它們的性能記錄便可通過基因組預測加速核心群純種個體的遺傳選育。

韦德国际娱乐 第二,通過豬業大數據獲取更精準的性能記錄。傳統生產模式下,通常僅在育種群因育種的需求而建立個體識別系統,進而獲得個體水平的性能記錄,而在商品群中通常沒有個體識別及個體水平的性能記錄。智慧養豬時代,可通過豬臉識別等更精準的個體自動識別技術在更多場景下自動獲得個體水平的精準記錄。理想狀況下,一頭豬從出生前至屠宰及消費后的相關詳細記錄均可關聯至個體,從而構建出豬產業大數據。而這些數據,均可為韦德体育官网選育提供直接的幫助。如商品豬在屠宰場的胴體性狀記錄,可通過基因組預測幫助核心群純種個體的遺傳評估。

第三,基于以上兩方面的特征,大數據時代育種目標的制定可以更加豐富和精準。基因組信息的引入建立了更廣范圍內不同個體間的遺傳關聯,而智慧養豬時代則使得個體水平的相關記錄量迅速增長,這為育種者制定多樣化的育種目標實施精準育種提供了堅實基礎。如我們當前純種群中選育百公斤體重日齡,而最終目標實則是讓商品群生長速度提高,在大數據育種中可直接將商品群目標體重日齡作為純種群育種目標性狀來選育,從而實現精準育種。以此類推,經典育種場景中僅在核心區內都難以實現的抗病、繁殖、屠宰等性狀遺傳改良,可變為豬群抗病力、擴繁群繁殖力、商品群屠宰性能等多元化的目標性狀,通過基因組選種和選配,真正實現精準育種。

 

  展望

  基因組選擇方法的技術優勢目前已得到豬業同行的認可,而在應用實施問題上,不同育種實體應依其育種工作基礎、技術條件等因素制定差異化的方案。現階段,雖然非洲豬瘟疫情對育種工作產生了一定的影響,但是基因組選擇通過早期選種可減少豬只測定,減少人員豬只交叉接觸,降低疫情防控風險。新技術既能加速遺傳改良,又能有助于育種場的非瘟疫情控制。不久的將來,伴隨著物聯網、人工智能等一系列新技術的應用,在豬業大數據及智慧豬場場景下,豬基因組選擇育種也必然發生新的變化,為加速豬群遺傳改良,為產業提質增效提供新的動力。

 

來源:《豬業》2019第4期

作者:張哲(博士),華南農業大學動物科學學院教授,博士生導師。