武曉宇 聶子涵 孫 鍇 樊 攀 劉志平

(東北林業(yè)大學(xué)野生動物與自然保護地學(xué)院，哈爾濱，150040)

我國珍貴毛皮動物養(yǎng)殖始于20世紀(jì)50年代，主要包括狐(Vulpes)、貂(Mustelavison)、貉(Nyctereutesprocyonoides)3大物種。在飼養(yǎng)范圍與規(guī)模上趕超芬蘭、丹麥和美國等主要養(yǎng)殖國，雖已成為毛皮動物飼養(yǎng)大國，但卻非強國[1]。我國毛皮動物行業(yè)存在品種落后、種源退化、重復(fù)引種等問題，所產(chǎn)皮張質(zhì)量同國外相比還有差距，價格僅為國外同類產(chǎn)品的40%—70%[2]。傳統(tǒng)育種方式已無法滿足當(dāng)今國際毛皮行業(yè)快速發(fā)展的需求，育種軟件的研發(fā)與應(yīng)用為行業(yè)發(fā)展帶來更加廣闊的空間。

軟件研發(fā)一般要經(jīng)歷需求分析、功能設(shè)計、程序編碼等流程，育種軟件即通過某一程序語言設(shè)計出以遺傳學(xué)理論、生產(chǎn)經(jīng)驗為依據(jù)的各種應(yīng)用模塊，使育種方法得到更好運用。從數(shù)據(jù)資料管理、簡單數(shù)值計算、遺傳評估、計算機模擬、專家系統(tǒng)、再到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，動物育種軟件的應(yīng)用方面日漸多樣化。目前，畜禽領(lǐng)域的研究相對成熟，而毛皮動物領(lǐng)域尚為缺乏。本文結(jié)合毛皮動物自身特點和畜禽領(lǐng)域先進經(jīng)驗，就毛皮動物育種軟件的應(yīng)用予以論證和分析，以期能為育種軟件在毛皮動物中的應(yīng)用提供參考。

1 動物育種軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 育種資料管理

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是計算機存儲資料和處理數(shù)據(jù)的核心，1969年美國IBM公司研發(fā)了層次模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)IMS，是數(shù)據(jù)庫發(fā)展史上邁出的第一步。20世紀(jì)70年代初，E.F.Codd提出關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型概念，當(dāng)時在理論和實踐方面都得到了顯著發(fā)展[3]，并提出用于操控關(guān)系表數(shù)據(jù)的DSL/Alpha語言，后來IBM公司創(chuàng)建了DSL/Alpha簡化版本，最終命名為SQL[4]。數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用更好地保護了動物遺傳資源，且便于育種中運用大量繁殖資料進行遺傳評估等統(tǒng)計分析工作。

1.1.1 遺傳資源管理

遺傳資源又稱種質(zhì)資源，豐富全面的遺傳資源儲備，是培育高品質(zhì)、適應(yīng)性強、滿足人類需求品種的物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。在養(yǎng)殖業(yè)不斷追求生產(chǎn)性能和經(jīng)濟效益的大環(huán)境下，一些具有優(yōu)良特性的地方品種資源數(shù)正在減少，個別品種已處于瀕危或瀕臨滅絕狀態(tài)[6]，為維護畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展，遺傳資源管理變得尤為重要。

遺傳資源數(shù)據(jù)庫可保存并檢索大量資源品種常規(guī)描述、定性、定量和分子信息等[7]，聯(lián)合國糧農(nóng)組織開發(fā)和維護的家畜多樣性信息系統(tǒng)(DAD-IS)記錄約8 800個品種資源信息，是世界上迄今為止家畜遺傳資源信息量最大的數(shù)據(jù)庫[8]。蘇勝彥等[7]建立的畜禽種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫和霍蔚然等[9]研發(fā)的中國鴨遺傳資源信息系統(tǒng)，有較完整的快速查詢功能，為遺傳資源的保護和持續(xù)利用提供重要依據(jù)。

毛皮動物方面，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所楊福合主持建成國內(nèi)首個完善特種經(jīng)濟動物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫和信息檢索系統(tǒng)，也是目前世界上最大的特種經(jīng)濟動物基因庫，涵蓋特種經(jīng)濟動物種質(zhì)資源509個品種(類型)，補充了國內(nèi)外研究空白[10]。

1.1.2 數(shù)據(jù)資料管理

數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用取代了動物育種中工作量大、內(nèi)容繁雜、難以查詢及保存的手工記錄方式，便于育種資料的存儲、分析、歸納和檢索?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)多是以二維表的形式組織各種數(shù)據(jù)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，表與表之間存在復(fù)雜關(guān)聯(lián)性，可準(zhǔn)確提取所需信息。

Belanche等[11]研究如何運用Eskardillo軟件改善農(nóng)場管理，Eskardillo能詳細(xì)記錄生產(chǎn)繁殖等相關(guān)資料外，還能顯著提高山羊產(chǎn)奶量。劉宗萌[12]和楊朝武等[13]分別研發(fā)了家禽育種數(shù)據(jù)庫軟件和優(yōu)質(zhì)肉雞育種信息智能化管理與分析系統(tǒng)，使育種信息的采集、管理和分析更加精準(zhǔn)化、智能化。

毛皮動物中，芬蘭的Sampo種獸計算及育種軟件最具代表性，可輔助養(yǎng)殖者填寫動物ID卡片、儲存并更新最新繁殖數(shù)據(jù)，及時掌握變化動態(tài)[14-15]。聶春雨等[16-17]建立的狐貍和水貂兩套養(yǎng)殖場生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，同樣具有儲存、修改和查詢等功能。

1.2 遺傳評估系統(tǒng)

遺傳評估系統(tǒng)已被廣泛用于遺傳參數(shù)與育種值估計、近交分析、親緣關(guān)系計算等方面，軟件的應(yīng)用提高了動物育種的準(zhǔn)確性和效率，指導(dǎo)選種選配、品系培育等工作，加速動物育種進程。

遺傳參數(shù)估計是動物育種基礎(chǔ)工作之一，是制訂育種計劃、了解數(shù)量性狀遺傳機制等不可或缺的，也是估計育種值所必需的。估計育種值是種用動物選擇最主要的依據(jù)，育種值準(zhǔn)確性直接關(guān)系畜群遺傳進展[18]。根據(jù)動物性能測定進行個體育種值的估計，再進一步評價其種用價值是現(xiàn)代遺傳育種理論和實踐的重要內(nèi)容[19]。估計育種值的方法中，20世紀(jì)50年代初由美國學(xué)者Henderson提出的BLUP法(最佳線性無偏差估計法)應(yīng)用最廣泛，但由于計算工具限制，其應(yīng)用推遲20年，1973年他系統(tǒng)地闡述了BLUP法的理論和應(yīng)用。BLUP法普及前，選擇指數(shù)法較為常用，但其實際應(yīng)用與理論預(yù)期效果相差可能較大，應(yīng)用十分復(fù)雜。70年代后，BLUP法成功用于種公牛選種，此后又普遍用于豬、羊、馬等領(lǐng)域[20]。

Rutten等[21]提出能預(yù)測傳統(tǒng)家畜選擇反應(yīng)和近交率的SelAction軟件。后有研究證明基因組預(yù)測可加強育種結(jié)果準(zhǔn)確性，但當(dāng)時沒有實現(xiàn)該理論的軟件。Su等[22]填補了這一空白，在SelAction基礎(chǔ)上提出一個擴展計算機程序，可用于養(yǎng)殖者育種方案的比較替代和包括基因組信息的育種計劃的投資決策。雒鳴峰等[23]研發(fā)的BLUP、VCCE軟件和唐臻欽[24]建立的AMBLUP、SMBLUP軟件，基本滿足了BLUP法的使用需求。此外，用于育種值估計軟件還有DMU[25]、GBS[26]、PEST、MTEBV等。

除學(xué)術(shù)研究外，英國VSN International公司開發(fā)的ASReml線性模型分析軟件，基本能解決GBLUP方法在基因組選擇應(yīng)用中的所有問題，在分子育種領(lǐng)域潛力巨大。美國S&S Programming公司建立的Herdsman軟件，能進行純種豬和雜交品種豬遺傳評估[19]。南京豐頓科技股份有限公司、南京科群公司分別研發(fā)的奶牛等動物遺傳評估與服務(wù)平臺和家畜育種數(shù)據(jù)分析軟件，助力動物養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

毛皮動物中，Sampo軟件運用BLUP模型計算動物個體自身育種值和后代育種值等遺傳指數(shù)[27]，還可確認(rèn)母獸和預(yù)留種獸ID不重復(fù)、排除交配者間的近親關(guān)系[28]。丹麥Mor Winmink系統(tǒng)根據(jù)水貂系譜和主要生產(chǎn)性能記錄等，可估計育種值、防止近交。郭春來[29]構(gòu)建的狐繁育系統(tǒng)與韋冰等[30-31]研發(fā)的狐貍養(yǎng)殖信息管理系統(tǒng)、銀狐核心群育種管理系統(tǒng)，均能杜絕近交，保障毛皮質(zhì)量。

1.3 計算機模擬研究

計算機模擬技術(shù)幫助理解復(fù)雜的遺傳進程，根據(jù)自主需求設(shè)計研究范圍與參數(shù)，可獲得幾百、幾千種虛擬育種結(jié)果和方案，預(yù)測未來育種和保種效果。解決了可能配種組合數(shù)量較多的困難，不受時間、空間限制，減少成本投入，并有效避免了選擇和近交對遺傳進展、育種值準(zhǔn)確性的影響。

1.3.1 育種方案研究

借助計算機仿真育種過程，通過改變育種中所涉及的各項參數(shù)，比較不同育種方案效果，從而優(yōu)化育種方案[32]。

20世紀(jì)70年代日本學(xué)者利用模擬程序，獲得使奶牛年產(chǎn)奶量達遺傳進展最優(yōu)化的育種制度[33]。在Hoban等[34]的概述中，涉及了模擬技術(shù)在估計親緣系數(shù)、基因組選擇等動物育種方面的應(yīng)用。Faux等[35]研制的AlphaSim軟件，具有高度仿真靈活性，運用模擬技術(shù)制定、優(yōu)化育種策略。徐凌洋等[36]設(shè)計開發(fā)了聚合模擬育種統(tǒng)計分析方法和相應(yīng)軟件，指導(dǎo)雜交育種方案和選擇策略。王景霖[37]利用OMSim(1.0)軟件模擬3種基因組育種值估計方法對兩個性狀在不同SNP標(biāo)記密度、不同群體規(guī)模下的育種值準(zhǔn)確度、選擇持續(xù)性的影響。Lu等[38]運用模擬技術(shù)比較性狀遺傳力、QTL方差對標(biāo)記輔助BLUP選擇效果的影響。

1.3.2 保種進程研究

計算機模擬技術(shù)在動物保種進程的研究主要圍繞影響群體遺傳結(jié)構(gòu)的幾大因素進行。

吳克亮等[39]運用Monte Carlo模擬程序建立多種基因效應(yīng)模型，研究選擇、群體有效含量、性狀遺傳力水平等多參數(shù)組合對保種效果的影響。芒來[40]建立數(shù)學(xué)模型分析畜禽保種群體遺傳結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，并利用Monte Carlo模擬程序驗證模型的正確性和可行性。Gómez-Romano等[41]建立計算機模擬程序研究不同SNP標(biāo)記密度、群體規(guī)模條件下保種群遺傳多樣性的效果。魯云風(fēng)等[42]依據(jù)微衛(wèi)星標(biāo)記特點并運用群體遺傳學(xué)知識，自行編寫模擬程序，為畜禽保種群體遺傳多樣性最大化方案的制訂提供依據(jù)。

隨著科技發(fā)展與創(chuàng)新，計算機模擬已成為野生物種保護與管理的重要工具[43]，用于野生動物保護方案的制訂。專家認(rèn)為人工參與野生動物繁育有益于物種保護，能緩解野生動物瀕危滅絕的危機[44]。計算機模擬技術(shù)若用于毛皮動物領(lǐng)域，將有助于加速育種和保種進程，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)毛皮品種的培育和保護。

1.4 育種專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)多以某領(lǐng)域?qū)＜业睦碚撝R和實踐經(jīng)驗為依據(jù)，使計算機盡可能模擬人類專家給予決策支持。近年來專家系統(tǒng)成功用于多領(lǐng)域之中，更側(cè)重實際應(yīng)用發(fā)展。專家系統(tǒng)需定時更新專業(yè)知識和生產(chǎn)經(jīng)驗，不斷強化并完善其推理機制。

國內(nèi)外畜禽養(yǎng)殖業(yè)專家系統(tǒng)的研究多集中于牛、羊領(lǐng)域，Hochman等[45]研發(fā)肉牛養(yǎng)殖專家系統(tǒng)后，Hochman等[46]又與他人合作開發(fā)X-Breed系統(tǒng)，利用黑板架構(gòu)集成肉牛育種知識系統(tǒng)，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用效果更好、針對性更強。Pellerin等[47]開發(fā)的LAIT XPERT VACHES系統(tǒng)，可用于奶牛生產(chǎn)、繁殖等方面的計算，還可研究生產(chǎn)中所存在問題的原因。王申康[48]建立的生物遺傳育種專家系統(tǒng)，根據(jù)專家經(jīng)驗和遺傳規(guī)律組成遺傳智能模型，可模擬雜交育種過程，減少試驗一些低劣組合的人力、物力，協(xié)助選配。楊國鋒[49]建立了現(xiàn)代肉羊生產(chǎn)專家系統(tǒng)，可進行遺傳育種、繁殖等模塊咨詢，具有使用快捷和可靠性強等優(yōu)點。

專家系統(tǒng)在特種經(jīng)濟動物領(lǐng)域中的研究成果還不顯著，現(xiàn)有小型專家系統(tǒng)用于經(jīng)濟動物識別，但并不成熟。

1.5 網(wǎng)絡(luò)信息的傳遞與共享

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在畜牧業(yè)的應(yīng)用加快了信息利用率、共享率和反饋效率，更具時效性、全面性和規(guī)范性，推動畜牧業(yè)信息化進程，為畜牧業(yè)發(fā)展升級和經(jīng)濟效益提高帶來新動力。

美國畜牧信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，信息能通過網(wǎng)絡(luò)及時傳送，各地政府、研究所、大學(xué)和企業(yè)等都可隨時隨地查詢[50]。韓靜[51]建立的黑龍江省紅星農(nóng)場畜牧管理信息系統(tǒng)和楊亮等[52]開發(fā)的山黑豬繁殖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫平臺，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)信息共享和數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新，提高了繁育效率和遺傳進展。楊亮等[53]建立的規(guī)?；膛鰯?shù)字化網(wǎng)絡(luò)管理平臺，可對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行管理、挖掘和分析，更利于管理者作出科學(xué)決策。

聯(lián)合育種已成為世界畜牧業(yè)發(fā)達國家的共同經(jīng)驗[54-56]，是現(xiàn)代育種發(fā)展的必然趨勢。通過種畜(尤其是種公畜)跨場、跨地區(qū)乃至全國性聯(lián)合遺傳評估，共享優(yōu)秀遺傳資源[57]，可加快動物群體遺傳改良、提高育種效益[58]。美國種豬登記協(xié)會(NSR)通過種豬性能測定和遺傳評估系統(tǒng)(STAGES)進行聯(lián)合育種，所有評估信息可直接在網(wǎng)站獲取[59]。錢蓉等[60]構(gòu)建基于Web的豬育種管理系統(tǒng)，具有專家評估功能和豬性狀優(yōu)良庫，促進了場內(nèi)種豬選育和區(qū)域聯(lián)合育種。山東、上海、河北、廣西等地建立省級種豬遺傳評估信息平臺，推動了區(qū)域內(nèi)生豬聯(lián)合育種，已取得不錯成效[59]。

在毛皮動物中，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所吳瓊等[61]研發(fā)的特種經(jīng)濟動物品種資源數(shù)據(jù)庫信息共享網(wǎng)絡(luò)和余溢[62]建立的遼寧貂狐貉養(yǎng)殖及野生動物養(yǎng)殖數(shù)據(jù)庫，運用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享性、及時性，為養(yǎng)殖者提供便利?！昂?lián)網(wǎng)”是國內(nèi)首個專門服務(wù)狐、貂、貉養(yǎng)殖業(yè)的綜合性信息互聯(lián)網(wǎng)平臺，提供快捷、權(quán)威、全面的信息化服務(wù)，提高了行業(yè)運作效率。

芬蘭曾提出類似聯(lián)合育種的概念——狐場聯(lián)營，通過合作經(jīng)營充分利用優(yōu)質(zhì)種公獸，節(jié)約育種成本，且共用種公獸的飼養(yǎng)場間有基因關(guān)聯(lián)，具有相同遺傳資源的子代數(shù)量大幅增加，子代評估準(zhǔn)確性提高，加快選育進程[63]。韋冰等[30-31]基于.NET開發(fā)的狐貍養(yǎng)殖信息管理系統(tǒng)和銀狐核心群育種管理系統(tǒng)實現(xiàn)了狐養(yǎng)殖信息網(wǎng)絡(luò)管理，為聯(lián)合育種的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。近幾年，圖強林業(yè)局和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物生命學(xué)院合作，對“高寒型大興安嶺北極藍狐”聯(lián)合育種工作進行探索。

2 毛皮動物育種軟件的應(yīng)用對策與展望

在我國，毛皮動物養(yǎng)殖是一個自發(fā)的無序產(chǎn)業(yè)，從業(yè)者多數(shù)為廣大農(nóng)牧民。起步晚、綜合型技術(shù)人才匱乏是現(xiàn)實，加之養(yǎng)殖者對先進技術(shù)的認(rèn)知偏差，目前使用軟件育種似乎并不現(xiàn)實，但就未來集約化、現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢而言，必須作出改變，否則將面臨淘汰。

2.1 對策

與毛皮動物養(yǎng)殖發(fā)達國家相比，我國在使用計算機技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用方面還存在一定差距，多數(shù)毛皮動物育種軟件所涉及的主要功能集中于數(shù)據(jù)存儲、管理和簡單統(tǒng)計分析等方面，而育種數(shù)據(jù)的智能化分析、應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)共享等相對欠缺，因此不能滿足毛皮動物養(yǎng)殖規(guī)?；a(chǎn)的需求。針對我國以上現(xiàn)實情況，為使育種軟件盡快在毛皮動物中得到切實的應(yīng)用，其研發(fā)與應(yīng)用需著重以下幾方面：

第一，跟蹤、引進、借鑒國外先進技術(shù)。

第二，增加科技投入，注重人才培養(yǎng)，提高養(yǎng)殖者科學(xué)素質(zhì)，普及計算機與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)。

第三，鼓勵、加強有針對性的育種軟件開發(fā)與應(yīng)用，尤其在育種數(shù)據(jù)的智能化分析、應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)共享等領(lǐng)域，跟上時代發(fā)展的步伐。

2.2 未來展望

毛皮動物由于其生物學(xué)特性，決定了與家畜家禽有許多不同之處，如：每年只繁殖1次且在固定的季節(jié)(春季)；自發(fā)地一次性排卵(狐、貉)和相繼的假妊娠、刺激性排卵(水貂)等；在產(chǎn)品方面除了生長主要考慮的是毛皮質(zhì)量(皮張尺碼，毛長度、密度、色澤等)。這些要素許多與遺傳相關(guān)，在育種軟件開發(fā)時必須考慮在內(nèi)，需要逐步建立新的更適用于毛皮動物特性的遺傳評估系統(tǒng)。

隨著分子生物學(xué)研究的不斷深入和發(fā)展，今后在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究方面，應(yīng)注重基因組數(shù)據(jù)庫、核酸數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫等分子生物學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與應(yīng)用，使大量的生物信息得以儲存、分析與運用，不斷擴增保護毛皮動物品種資源的途徑和方法，為超級品種的培育提供扎實的信息基礎(chǔ)。

相對于育種周期長、飼養(yǎng)成本高的毛皮動物而言，計算機模擬技術(shù)有必要作為未來育種研究中的重要內(nèi)容之一，這不僅能促進育種計劃的優(yōu)化和優(yōu)良品種資源的保護，還能節(jié)約經(jīng)費。

專家系統(tǒng)作為人工智能領(lǐng)域的研究熱點，未來的發(fā)展空間難以估計，結(jié)合毛皮動物自身特點的育種專家系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用可為毛皮動物養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)管理帶來許多便利，如給出育種方案、優(yōu)化育種方法、縮短育種周期、節(jié)約育種經(jīng)費等。

網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)作為新興熱點，其應(yīng)用使毛皮動物養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展更加趨向市場化、信息化，今后還需深入開發(fā)滿足實際需求的信息服務(wù)功能，并不斷加強網(wǎng)絡(luò)信息平臺的構(gòu)建。充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)要素配置中的優(yōu)化和集成作用，將互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果與特種經(jīng)濟動物行業(yè)深度融合[64]。未來毛皮行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必將結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，朝著共享育種資源、開展協(xié)作育種、實現(xiàn)合作共贏方向邁進。

3 結(jié)語

隨著社會發(fā)展和對高品質(zhì)毛皮的需求，毛皮行業(yè)的競爭會愈發(fā)激烈，若想在國際市場上占據(jù)一席之地，必須要學(xué)會接納并運用先進技術(shù)。育種軟件的應(yīng)用既能提高育種工作的準(zhǔn)確性、可靠性，又能促進品種生產(chǎn)性能的提升，當(dāng)前育種軟件已在世界范圍內(nèi)被廣泛的應(yīng)用于畜禽飼養(yǎng)領(lǐng)域，對毛皮動物而言，除了借鑒畜禽的經(jīng)驗外，還需加大力度開發(fā)適用于自身的育種軟件。2018年我國成立了國家特種經(jīng)濟動物科技創(chuàng)新聯(lián)盟，為促進毛皮產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展凝聚了更具優(yōu)勢的科研力量和更加先進的核心科技資源。相信在未來的毛皮動物養(yǎng)殖領(lǐng)域，育種軟件的應(yīng)用，將有助于解決我國種源依賴進口、皮張質(zhì)量差等難題，使毛皮動物養(yǎng)殖業(yè)逐步走向科學(xué)化、簡單化、全民化的可持續(xù)發(fā)展道路。