美國和加拿大奶牛育種中的基因組選擇方法

美國和加拿大奶牛育種中的基因組選擇方法

近年來，由于生物測量技術及其信息和應用的快速發(fā)展，各組選擇方法在奶牛繁殖中取得了革命成果。基因組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,降低后裔測定的成本,甚至最終取代整個后裔測定方法。單核苷酸多態(tài)性(SingleNucleotidePolymorphism,SNP)標記可以高密度覆蓋整個基因組,并且可以用較低價格獲取。基于SNP基因組遺傳評估可以在獲得動物DNA時計算,允許在種畜生命早期對兩個性別的動物進行基因型選擇。ZhangandSmith(1992)曾經(jīng)用計算機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)選擇的遺傳進展,證明了合并選擇的優(yōu)越性。在奶牛育種中應用基因組選擇最近已經(jīng)開始。北美(美國及加拿大)于15年前建立了統(tǒng)一的公牛冷凍精液遺傳物質(DNA)集中儲存系統(tǒng),2008年,美加科學家對公牛進行了統(tǒng)一DNA基因組測定和基因組統(tǒng)計遺傳分析。北美在奶牛遺傳評估研究合作已有多年的歷史,如過去10年來在全球奶牛遺傳評估統(tǒng)計方法和數(shù)據(jù)資源方面的成功合作。經(jīng)過美加科學家近年的努力,基因組選擇已在奶牛育種中達到實用階段。美國農業(yè)部將于2009年1月,加拿大奶牛網(wǎng)絡將于2009年4月正式開始在官方正式頒布奶牛遺傳評估(育種值)中包括DNA分子水平信息處理的資料。1估計育種值principation公牛的冷凍精液技術已有60多年的歷史,優(yōu)秀種公牛一生可以產生近百萬支冷凍精液供配種之用,其對畜羣遺傳改良貢獻大大超過母牛。但是傳統(tǒng)方法公牛的生產性能只有經(jīng)過后裔測定女兒的生產性能才能得到評估,需要6～7年的等待時間。當在后裔測定女的頭數(shù)達到75～100頭時,該公牛育種值的可靠性約90%。在后裔測定女兒的生產性能資料獲得之前,后備小公牛的育種值只能由系譜資料來估計,即雙親育種值的平均數(shù)(parentaverage)。其可靠性(準確度)不足40%。后備小母牛在本身生產性能的資料獲得之前,其育種值也只能由雙親平均數(shù)來估算。(見表1)傳統(tǒng)的育種值是根據(jù)奶牛的生產性能性狀、體型外貌性狀及健康性狀的表型值和系譜的資料,運用BLUP(最佳線性無偏預測)統(tǒng)計模型計算的。美國農業(yè)部頒布的育種值的表達方式為預測傳遞力(PredictedTransmittingAbilities,PTAs),而加拿大和其他大多數(shù)奶牛國家育種值采用表達方式是估計育種值(EstimatedBreedingValues,EBVs)。兩者的關系為:由于公牛冷凍精液的全球化廣泛使用和商業(yè)化的需求,國際公牛組織(INTERBULL)于1983年成立,并于1996年起采用加拿大GUELPH大學Schaeffer教授研發(fā)的多性狀跨國遺傳評估方法(Multiple-traitAcrossCountryEvaluation,MACE)對參加國的公牛進行全球公牛遺傳評估。于是每頭驗證公牛除了基于所在本國女兒的資料所得到的估計育種值外,還有根據(jù)其他國家女兒的資料或者根據(jù)遺傳相關預測所得到的全球遺傳評估的估計育種值(MACE)。2基于snp的經(jīng)濟性狀遺傳模擬單核苷酸多態(tài)性(SingleNucleotidePolymorphism,SNP)的芯片多位點一次測定技術和價格的突破是近年來分子遺傳學在應用上的一大進步。位于美國加州圣地亞哥的Illumina生物技術公司是世界上最大的SNP基因型測定和芯片開發(fā)公司之一。Illumina公司和與美國農業(yè)部的牛功能基因組實驗室合作為奶牛基因組測定聯(lián)合開發(fā)了可以測定58000個SNP基因型的芯片(BovineSNP50TMBeadChip,已知為“5萬”芯片),該芯片的SNP是從大約600000個SNP中篩選出來的。這些SNP均勻地分布在牛的30條染色體上。在所測定的58000個SNP中,有大約40000(38416)個對于荷斯坦奶牛經(jīng)濟性狀的遺傳變異有預測效果?；蚪M遺傳評估育種值研究分析和應用過程可以分成三個步驟:第一步:將現(xiàn)有的遺傳評估育種值結果和38416個SNP標記測定結果進行比較和相關分析。也就是將育種值高的和他們相應的DNA基因型進行比較,同時將育種值低的和他們的基因型進行比較,以便鑒定和建立SNP標記和QTL(QuantitativeTraitLoci)的相關關系。于是對于每個性狀在每個SNP位點的遺傳效應有了估計值,具體方法涉及到龐大的基因組相關矩陣的建立和復雜的計算程序,該方法已經(jīng)被美國農業(yè)部的科學家VanRaden解決。美國農業(yè)部將已經(jīng)獲得后裔鑒定結果的3576頭荷斯坦公牛的每個經(jīng)濟性狀和上述38416個SNP進行了相關分析,建立了基因組預測模型。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SNP標記進行了相關分析,為主要經(jīng)濟性狀建立了基因組預測模型。第二步:將第一步建立的相關關系的基因組預測模型應用于所有進行基因測定的個體,包括后備小公牛、后備母牛、生產母牛以及后測公牛,根據(jù)它們的基因組基因型為它們計算出“直接基因組值”(DirectGenomicValue,DGV)。也就是把每個個體,每個性狀在每個SNP位點的遺傳效應的估計值累加起來,成為單一的直接基因組總和預測值。第三步:最后一步將新近計算的DGV與現(xiàn)有的用傳統(tǒng)方法由表型值估測的育種值用選擇指數(shù)的方法合并起來,成為新的育種值估計值。ZhangandSmith(1992)曾經(jīng)采用選擇指數(shù)(回歸系數(shù))對來源于基因組的育種值和傳統(tǒng)育種值進行合并。美國農業(yè)部的方法包括采用將不同來源的育種值用其可靠性進行合并形成新的育種值供官方頒布。3經(jīng)濟性狀的可靠性為了驗證新型基因組育種值的可靠性,美國農業(yè)部和加拿大奶牛網(wǎng)絡的科學家聯(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SNP標記建立了新型基因組預測模型。結合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方式)進行了預測和驗證分析。標記基因的效應采用線性正態(tài)分布和非線性分布估測。經(jīng)濟性狀包括5個生產性狀(泌乳量、乳脂肪量、乳脂率、乳蛋白量、乳蛋白率),5個適應性狀和16個體型外貌性狀以及凈價值指數(shù)(由生產性狀、適應性狀及體型外貌構成的綜合選擇指數(shù))。按照文獻,由選擇指數(shù)合并產生的雙親平均數(shù)由以下三部分組成:1)直接基因組預測值;2)由基因型測定的親本按照傳統(tǒng)相關矩陣所計算的雙親平均數(shù);3)官方頒布的2003雙親平均數(shù)。每頭公牛用一個由可靠性組成的3×3對稱矩陣V對上述三部分進行合并。該矩陣的對角線上為相應三部分可靠性(V11,V22,V33),非對稱線上的元素為:選擇指數(shù)的系數(shù)則由C′V-1算出,C′為[V11,V22V33]。具體細節(jié)可以參考文獻。性染色體的遺傳。按照文獻,公牛的X染色體統(tǒng)統(tǒng)遺傳給了他的女兒,但是他的兒子卻沒有得到。兒子的X染色體來自他的母親。因此公牛的基因組預測傳遞力(PTA)有兩個版本:兒子的PTA沒有X染色體上605個遺傳標記效應,而女兒的PTA包括了所有遺傳標記的效應。母牛的PTA也有兩個版本:母牛的兒子的X染色體的效應將加倍,因為她的孫女將得到50%的X染色體效應而不是像常染色體那樣預期的25%。母牛的女兒則得到50%的X染色體效應值。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個經(jīng)濟性狀,由基因組預測育種值與傳統(tǒng)育種值合并產生的基因組雙親平均數(shù)對2008年4月的育種值的回歸的結果顯著增加了其決定系數(shù)R2(P<0.0001)?？傆嬈骄鵕2(37%)比傳統(tǒng)R2(19%)提高18%。增加最大值來自乳脂率、乳蛋白率、乳脂肪量以及乳房深度。R2分別高達63%,58%及46%;分別比傳統(tǒng)平均數(shù)高出38%,30%及28%,詳見文獻。最大標記基因效應來自乳脂率Bostaurusautosome(BTA)14標記代表acylCoA:diacylglycerolacyltransferase1基因。其他幾個已知主效有影響的標記基因對乳蛋白率和其他經(jīng)濟性狀效應都可以看到。大部分其它性狀的標記基因效應都均衡地分布在所有30條染色體上,僅有個別片段有較大效應。這一結果再次證明數(shù)量性狀多基因無窮位點模型及傳統(tǒng)數(shù)量遺傳理論的正確性。盡管經(jīng)歷多世代的高強度選擇,這些基因不會輕易純合,遺傳變異將保證遺傳改進可以持續(xù)相當長的時間和更多的世代。由基因組預測育種值與傳統(tǒng)育種值合并產生的基因組雙親平均數(shù)的可靠性分析表明非線性平均可靠性為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于11頭女兒后裔測定的結果。對于已經(jīng)獲得后裔測定結果的公牛來講,可靠性所增加的幅度較小,詳見參考文獻。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%)。對于有第一個泌乳期資料的青年母牛,增加的幅度為10%～20%。對于已經(jīng)獲得第一批女兒的驗證公牛,所增加的幅度不大。但是對于畜羣壽命和繁殖力等一類遺傳力低的性狀,增加的幅度較大(5%～7%),詳見文獻。4是中國自身發(fā)展的需要新技術對中國科技進步的影響往往是革命性的。采用最新的技術可以一步到位,省掉中間發(fā)展過程。驗證公牛系統(tǒng)的建立投資大,見效慢。中國奶牛種公牛后裔測定的系統(tǒng)的建立起步低,頭數(shù)少,母牛生產記錄不完善,舉步維艱,與國外相比差距大。而中國現(xiàn)在大量使用的正是國外引進未經(jīng)驗證的小公牛,其改良效果不穩(wěn)定?；蚪M選擇對中國奶牛育種的意義在于,可以利用這一技術,在引進國外小公牛的同時,加強基因組選擇,大大改進中國奶牛遺傳選擇的準確性,從而加速中國奶牛遺傳改良的世代間隔和改良速度。與此同時,基因組育種值的出現(xiàn),是發(fā)達國家科學家多年來采用分子技術和常規(guī)技術同步發(fā)展相結合的產物。中國近年來對分子技術發(fā)展比較重視并取得了很大成就。另一方面,對常規(guī)技術的發(fā)展卻相應重視不足。因此中國自己基因組育種值的發(fā)展還有待于奶牛生產的記錄系統(tǒng)、體型外貌評分及健康性狀等基