董林松，談 成，吳珍芳，吳 丹，蔡更元*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510642；2.溫氏食品集團(tuán)股份有限公司，廣東新興 527400）

中國是養(yǎng)豬大國，生豬生產(chǎn)和豬肉消費(fèi)都位居世界第一。然而相較于一些發(fā)達(dá)國家，中國的生豬生產(chǎn)成績并不理想。中國的母豬年斷奶仔豬數(shù)（PSY）僅為16～18 頭，比歐美國家低10 頭左右[1]，其原因與種豬質(zhì)量、營養(yǎng)飼料、疾病防控和飼養(yǎng)管理等方面有關(guān)，其中種豬質(zhì)量是最關(guān)鍵的一個因素，約占養(yǎng)豬增產(chǎn)貢獻(xiàn)率的40%。因此，對種豬性能進(jìn)行遺傳改良是提高中國養(yǎng)豬業(yè)成績的重要手段，而對母系豬繁殖性狀的改良是提高PSY 的首要考慮因素。因此，有必要探討母系豬繁殖性狀的育種策略，對節(jié)約生產(chǎn)成本、提高母豬繁殖效率和經(jīng)濟(jì)效益都具有重要意義。

1 母豬的繁殖性狀特點(diǎn)

母系豬指的是繁殖力較高、生產(chǎn)商品豬時其后代用作終端母本作為或其雜交后代作為終端母本的母豬品種（系），通常是指大白和長白豬。母系豬主要有產(chǎn)仔多、母性好、生長和肉品質(zhì)較為優(yōu)秀（如長速較快、瘦肉率較高）等特點(diǎn)，通常是將繁殖性狀當(dāng)作首選性狀，再結(jié)合生長速度、飼料轉(zhuǎn)化效率和背膘厚度等性狀來進(jìn)行綜合選擇。父系豬主要考慮生長和肉品質(zhì)性狀，通常不考慮繁殖性狀，因此母系豬與父系豬選育的最大區(qū)別就在于如何對繁殖性狀進(jìn)行選育。相對于生長性狀，繁殖性狀的選育存在兩大困難：一是遺傳力較低，通常認(rèn)為不超過0.1（表1），使用傳統(tǒng)方法很難獲得較高的育種值（Estimated Breeding Value，EBV）估計準(zhǔn)確性；二是繁殖性狀為限性性狀，公豬無產(chǎn)仔能力但卻攜帶產(chǎn)仔基因，為提高公豬的選擇準(zhǔn)確性需要進(jìn)行后裔測定。盡管后裔測定可以獲得很高的EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性[2]，但該方式會導(dǎo)致世代間隔過長。雖然母豬可以通過自身產(chǎn)仔數(shù)據(jù)來預(yù)測EBV，但僅憑單胎的產(chǎn)仔數(shù)據(jù)很難獲得準(zhǔn)確的EBV 預(yù)測結(jié)果，而采用多胎產(chǎn)仔記錄來提高選擇準(zhǔn)確性同樣會導(dǎo)致世代間隔過長而無法加快遺傳進(jìn)展。因此，傳統(tǒng)的育種方法雖然對生長性狀有較好的選育效果，但對繁殖性狀的選擇效果較差，需要考慮采用更先進(jìn)的育種技術(shù)。

表1 母豬各個繁殖性狀的遺傳力估計值

2 基因組選擇

目前常規(guī)的EBV 預(yù)測方法以最佳線性無偏預(yù)測（Best Linear Unbiased Prediction，BLUP） 為 主， 由Henderson 等[6]于20 世紀(jì)70 年代提出并隨計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速被推廣應(yīng)用。BLUP 方法考慮了多個固定效應(yīng)，并充分利用系譜信息做到對EBV 的無偏預(yù)測。然而，親屬間的關(guān)系是根據(jù)系譜通過概率進(jìn)行推斷，同樣存在2 個潛在的問題：一是系譜記錄的準(zhǔn)確與否，如果系譜記錄不夠準(zhǔn)確，通過系譜推斷個體間關(guān)系對預(yù)測EBV 可能起到相反的效果；二是即使系譜記錄準(zhǔn)確無誤，等位基因在世代傳遞中的差異也無法捕獲到，因此無法很好地預(yù)測個體育種值中包含的孟德爾抽樣誤差項[7]。解決上述問題的根本方法是獲取個體的基因型信息，通過基因型來推斷個體之間的親緣關(guān)系。由于繁殖性狀是數(shù)量性狀，由眾多的微效基因共同影響，因此為了能夠準(zhǔn)確地預(yù)測EBV，需要使用高密度的標(biāo)記來捕獲足夠的遺傳方差。這種通過全基因組的標(biāo)記信息來預(yù)測基因組育種值（Genomic Estimated Breeding Values，GEBV）的方法被稱為基因組選擇（Genomic Selection，GS）或基因組預(yù)測（Genomic Prediction，GP），最早由Meuwissen 等[8]于2001 年提出。由于GS 可以為奶牛業(yè)帶來巨大利潤[9]，同時隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，該方法逐漸被重視并加以利用。

2.1 GS 的優(yōu)勢 GS 的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：①提高選種的準(zhǔn)確性。由于GS 可以更準(zhǔn)確地捕獲EBV中所包含的孟德爾抽樣誤差項，所以相對于傳統(tǒng)育種，GS 可以獲得更高的GEBV 預(yù)測準(zhǔn)確性。例如，全同胞在沒有測定記錄時，通過常規(guī)BLUP 方法預(yù)測的EBV 是相同的，而通過GS 方法就可以預(yù)測出不同的GEBV。已有研究證明，通過GS 預(yù)測母豬產(chǎn)仔數(shù)GEBV 比常規(guī)BLUP 方法準(zhǔn)確性更高[2,5]。②降低群體近交增量[7]。利用系譜是通過概率推算個體間親緣關(guān)系，難免會產(chǎn)生一些誤差，而GS 直接利用標(biāo)記基因型進(jìn)行推斷，可靠性更高，可以有效降低群體近交發(fā)生的概率。③可以進(jìn)行早期選擇[9]。有些性狀（如公豬精液品質(zhì)和母豬產(chǎn)仔數(shù)）的記錄需要種豬長到一定階段才可以。若對產(chǎn)仔性狀的選擇要等到母豬有了產(chǎn)仔記錄或公豬有了后裔測定記錄之后進(jìn)行都不太現(xiàn)實(shí)，而GS 可以在公（母）豬出生后不久進(jìn)行，極大地縮短世代間隔，加快遺傳進(jìn)展。此外，淘汰的小公豬由于提前去勢，避免了未去勢公豬肉質(zhì)口感上的劣勢導(dǎo)致的價格降低，因此還可以帶來額外的收益。④有助于對難以活體度量的性狀進(jìn)行選擇[10]。如抗病力和肌肉品質(zhì)等性狀不適合在候選個體上進(jìn)行活體度量，而GS 方法只需進(jìn)行少量身體組織采樣即可預(yù)測GEBV，大大降低了對候選個體的傷害，更適用于這些性狀的選育。

如上所述，由于繁殖性狀的遺傳力較低且為限性性狀，即使母豬有性能表現(xiàn)也通常要長到12 月齡之后，因此GS 非常適用于對繁殖性狀進(jìn)行選育。盡管GS 也可以提高生長性狀的GEBV 預(yù)測準(zhǔn)確性，但其額外的收益要遠(yuǎn)低于繁殖性狀。

2.2 影響GEBV 準(zhǔn)確性的因素 GEBV 預(yù)測準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到選種的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響到遺傳進(jìn)展。Daetwyler 等[11]對影響GEBV 預(yù)測準(zhǔn)確性的因素進(jìn)行了分析：

其中，r（g＾,g）為預(yù)測準(zhǔn)確性，N 為參考群大小，h2為性狀的狹義遺傳力，M 為影響性狀的有效染色體片段，這里可認(rèn)為是數(shù)量性狀基因座（Quantitative Trait Loci，QTL）數(shù)量。參考群越大和性狀遺傳力越高，GEBV 預(yù)測準(zhǔn)確性越高；而QTL 數(shù)量越多，GEBV 準(zhǔn)確性反而越低。此外，GEBV 預(yù)測 的準(zhǔn)確性還受到預(yù)測方法、標(biāo)記數(shù)量、參考群體代表性和實(shí)驗(yàn)操作誤差等因素的影響。GS 預(yù)測方法主要包括各種基因組BLUP（Genomic BLUP，GBLUP）[8,12]和貝葉斯[8,13-15]等方法，不同方法在計算時間、先驗(yàn)假設(shè)和預(yù)測準(zhǔn)確性上各有優(yōu)缺點(diǎn)，但目前較為常用的是能夠?qū)⑾底V和基因組數(shù)據(jù)結(jié)合分析的一步GBLUP 法（single-step GBLUP，ssGBLUP）[16-17]，該方法擴(kuò)大了可利用的信息范圍，從而獲得較高的GEBV 預(yù)測準(zhǔn)確性。單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）標(biāo)記數(shù)量通常達(dá)到50 000 以上就可以滿足GS 需求，在種豬上這種級別的SNP 數(shù)據(jù)不論是芯片[18]還是簡化基因組測序[19]技術(shù)都可以達(dá)到。參考群體代表性是指參考群體與候選群體的親緣關(guān)系，關(guān)系越近代表性越強(qiáng)，預(yù)測的準(zhǔn)確性也越高。

然而，GS 育種也有缺點(diǎn)，如基因型分型成本昂貴。除了改進(jìn)基因型分型方法之外，也可以通過控制參考群的個體數(shù)量來降低成本。從公式（1）可發(fā)現(xiàn)，參考群大小可以依據(jù)遺傳力的高低進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，假設(shè)其他條件均不變的情況下，當(dāng)性狀遺傳力為0.1 時使用10 000個體構(gòu)建的參考群，與遺傳力為0.4 時使用2 500 個體構(gòu)建的參考群所獲得的GEBV 預(yù)測準(zhǔn)確性是完全相同的，但后者在參考群體的基因型分型費(fèi)用只達(dá)前者的25%。因此，若能夠提高或變相提高性狀的遺傳力，則可以減少參考群的個體數(shù)量，從而降低GS 育種成本。

3 繁殖性狀GS 育種策略

本文以母豬產(chǎn)仔數(shù)性狀為例進(jìn)行說明，也可以用于其他繁殖性狀，如母豬泌乳力和斷奶至配種間隔天數(shù)等。如何構(gòu)建一個優(yōu)秀的參考群體是GS 育種成功的關(guān)鍵。母豬產(chǎn)仔數(shù)的遺傳力較低，為提高GEBV 預(yù)測的準(zhǔn)確性，根據(jù)公式（1）可以選擇加大群體測定數(shù)量，但同時會增加成本，因此不考慮采用此策略。由于母豬可以進(jìn)行多胎產(chǎn)仔，此時可以通過記錄多胎數(shù)據(jù)來變相提高性狀的“遺傳力”。

3.1 提高母豬的“遺傳力” 綜合以往研究報道[3-5]，這里假設(shè)母豬產(chǎn)仔數(shù)的狹義遺傳力為0.1，重復(fù)力為0.15，通過母豬單胎次產(chǎn)仔記錄來預(yù)測產(chǎn)仔數(shù)EBV 的準(zhǔn)確性為性狀遺傳力的平方根[20]，即31.6%；對于連續(xù)有多胎記錄的母豬，EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性（r）可通過如下公式獲得[20]：

其中，k 為有記錄的產(chǎn)仔次數(shù)，re為產(chǎn)仔數(shù)重復(fù)力，h 為遺傳力的平方根。根據(jù)公式，母豬有連續(xù)1 胎，2胎，......，直到8 胎產(chǎn)仔記錄的EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性分別為31.6%、41.7%、48.0%、52.5%、55.9%、58.6%、60.7%和62.5%。由此可知，當(dāng)母豬有連續(xù)5 胎的產(chǎn)仔記錄時，其EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性達(dá)到55.9%，相當(dāng)于遺傳力為0.31 的性狀通過單次表型記錄預(yù)測EBV 的效果，基本等價于豬生長速度的表型選擇效果。

3.2 提高公豬的“遺傳力” 雖然公豬不產(chǎn)仔，卻攜帶有產(chǎn)仔基因，因此優(yōu)秀的公豬可以將優(yōu)秀基因傳遞給子代。由于公豬往往與多個母豬交配而產(chǎn)下較多的后代，因此每頭公豬的女兒被留種的數(shù)量通常比較多。如果通過女兒的產(chǎn)仔記錄來反映該公豬的產(chǎn)仔潛力（即后裔測定），將會獲得一個很高的EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性。借助于奶牛GS 的經(jīng)驗(yàn)[9]，可以考慮將有女兒生產(chǎn)記錄的公豬作為參考群體來進(jìn)行GS 育種。通過后裔測定對公豬的EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性可通過如下公式計算[20]：

可以看出，公豬EBV 的預(yù)測準(zhǔn)確性受到性狀的遺傳力（h2）、重復(fù)力（re）、女兒的測定數(shù)量（n）、有記錄的產(chǎn)仔次數(shù)（k）和后代間親緣關(guān)系（rAO）等因素的影響。根據(jù)上述公式推算，不同的女兒測定數(shù)量和產(chǎn)仔記錄次數(shù)下的公豬EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性見表2，可以看出，公豬產(chǎn)仔數(shù)EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性隨著女兒測定數(shù)量和記錄的產(chǎn)仔次數(shù)增加而上升。但當(dāng)有連續(xù)5 胎以上記錄時，隨胎次記錄的增加，EBV 準(zhǔn)確性上升幅度較慢，并且育種場為加快遺傳進(jìn)展通常會及時淘汰超過6 胎的母豬。假設(shè)公豬有20 個女兒，且每個女兒有5 胎的產(chǎn)仔數(shù)記錄，女兒之間的親緣相關(guān)系數(shù)為0.25（即半同胞），該公豬的EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性很高（79.3%），相當(dāng)于遺傳力為0.63 的性狀通過單次表型記錄預(yù)測EBV 的效果；即使女兒親緣系數(shù)為0.5（即全同胞），EBV 準(zhǔn)確性也可達(dá)到62.7%，相當(dāng)于遺傳力為0.39 的性狀單次表型記錄獲得的EBV 預(yù)測效果，況且場內(nèi)通常不會出現(xiàn)同一頭公豬所有女兒都是全同胞的現(xiàn)象。因此，利用女兒產(chǎn)仔記錄來預(yù)測公豬的產(chǎn)仔數(shù)EBV，相當(dāng)于變相提高了公豬產(chǎn)仔數(shù)性狀的“遺傳力”。

表2 不同女兒測定數(shù)量和產(chǎn)仔次數(shù)記錄下的公豬產(chǎn)仔數(shù)EBV 預(yù)測準(zhǔn)確性

3.3 參考群體構(gòu)建方案 根據(jù)上述結(jié)果，通過預(yù)測生產(chǎn)公豬和有多胎記錄的母豬產(chǎn)仔數(shù)EBV 可以變相提高性狀的“遺傳力”，在同等條件下就可以減少參考群個體的數(shù)量。因此，為節(jié)省基因型分型成本，可考慮使用核心育種場的公豬構(gòu)建參考群體。對年齡較大的生產(chǎn)公豬進(jìn)行DNA 樣本采集，對年輕公豬也可以進(jìn)行DNA 采樣，但由于后裔測定數(shù)量不夠可暫時不加入?yún)⒖既骸Ｍㄟ^后裔測定記錄預(yù)測出每頭公豬的EBV，而將來這個EBV則可作為觀測值加入到基因組預(yù)測模型中。

在大部分育種場中，由于大齡公豬往往已經(jīng)被淘汰且沒有留下DNA 樣品，而場內(nèi)公豬數(shù)量過少通常達(dá)不到建群規(guī)模，因此用來建群的更有可能是有多胎記錄的母豬，例如可以利用有5 胎以上產(chǎn)仔記錄的母豬來構(gòu)建參考群。圖1 為作者設(shè)計的以母豬作為參考群進(jìn)行繁殖性狀GS 育種的示意圖。在實(shí)際應(yīng)用中，由于有多次測量記錄，可以考慮使用重復(fù)力模型進(jìn)行候選個體的GEBV 預(yù)測。但需要注意的是，如果母豬已經(jīng)用于預(yù)測父親的EBV 并且該父親已經(jīng)在預(yù)測模型中，該母豬不應(yīng)再次出現(xiàn)在模型中，否則會出現(xiàn)同一個體重復(fù)參與估計的問題而降低GEBV 預(yù)測準(zhǔn)確性。

圖1 母系豬繁殖性狀GS 策略示意圖

在上述GS 參考群體構(gòu)建方案中，詳細(xì)完整的性能記錄是十分必要的，同時若使用公豬建群需要有準(zhǔn)確的系譜記錄，完整的系譜也是ssGBLUP 能夠準(zhǔn)確預(yù)測GEBV 的前提。此外，GS 還需要對參考群個體進(jìn)行DNA 采樣。原則上，使用公豬建群的效果要好于母豬，但由于國內(nèi)絕大多數(shù)豬場都沒有提前對淘汰公豬的DNA 樣品進(jìn)行保留，導(dǎo)致可利用的公豬數(shù)量過少，因此不得已只能使用母豬構(gòu)建參考群體，這是我國育種工作需要改進(jìn)的一個方面。以芬蘭[21]為例，盡管養(yǎng)豬規(guī)模并不大，但從20 世紀(jì)90 年代開始就已經(jīng)保存了所有生產(chǎn)公豬的毛發(fā)用于DNA 提取，可以順利開展GS 研究。因此，原始樣本和數(shù)據(jù)的積累工作，不論是對常規(guī)育種還是基因組育種都是必不可少的環(huán)節(jié)。

4 小 結(jié)

隨著高通量測序技術(shù)的飛速發(fā)展，種豬選育工作必然會進(jìn)入基因組育種時代。GS 育種的關(guān)鍵核心就是一個有代表性的參考群體，針對不同物種和性狀的特點(diǎn)應(yīng)有特定的育種策略。上述母系豬繁殖性狀的GS 策略有助于將有限的參考群體發(fā)揮出更大的功效，有益于提高GEBV 預(yù)測準(zhǔn)確性、加快遺傳進(jìn)展和節(jié)省育種成本。