肉牛遗传育种与繁殖技术发展趋势

杨武才，昝林森*，孙秀柱

(1. 西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100；2．国家肉牛改良中心，陕西 杨凌 712100)

我国肉牛产业起步较晚，起点低，科技含量低，以致肉牛产业明显落后于发达国家，甚至低于世界平均水平，在国际市场上缺乏竞争力，严重制约了我国现代肉牛业的发展。目前，支撑我国肉牛业生产的主导品种仍然是肉用性能欠佳的地方黄牛品种，改良牛的覆盖率不到30%。集约化养殖水平低，只有40%，粗放式饲养管理现象比较普遍，组织化程度低，现有的良种潜力并没有充分发挥出来。在我国，60%以上的肉牛良种依赖进口。因此，加快肉牛遗传育种与繁殖技术的研发，提高产业化能力，对保障我国肉牛产业的健康、快速发展具有重要意义。

1 肉牛遗传育种发展趋势

随着分子生物学和基因组学等新兴学科的飞速发展，动物育种计划和动物分子遗传学研究取得了大量的突破性成果，动物育种从传统的育种方法朝着快速改变动物基因型的分子水平方向发展，分子育种已逐渐成为肉牛育种的趋势和主流。

1.1 传统育种与分子细胞工程育种相结合成为定向培育肉牛新品种的重要途径

传统育种方法将数量遗传学原理应用于育种实践，通过采用杂交改良、品系选育等技术，对肉牛品种进行不断改良和杂种优势利用。几十年来，利用引进的西门塔尔、夏洛来、安格斯、利木赞等品种，与地方黄牛品种杂交培育了一批新品种，包括中国西门塔尔牛、新疆褐牛、三河牛等兼用品种和夏南牛、延黄牛、辽育白牛等专用肉牛品种。这些品种在生长速度、饲料转化效率、胴体重等方面比地方牛种都有显著提高。随着现代生物技术的发展，传统育种方法缺陷日益明显，特别对繁殖性状、胴体性状、抗病性状等低遗传力性状，传统育种方法不能取得显著的遗传进展，肉牛遗传改良进人了“育种平台阶段”。

随着现代生物技术和基因组学的迅猛发展，肉牛重要经济性状基因得到精细定位、克隆及功能验证，分子标记辅助育种技术的研究不断深入，这些为肉牛育种提高了新的思路与方法，显示出其强大的生命力，并逐渐成为肉牛育种的趋势和主流。传统的育种方法通过与各种现代生物技术(如转基因技术、克隆动物技术、胚胎工程技术等)综合运用，极大加速了肉牛遗传改良进程，肉牛育种进入传统育种方法与现代分子细胞工程技术有机结合的新阶段[1]。此外，随着牛基因组测序工作的完成，SNP芯片、甲基化芯片、miRNA芯片、表达谱芯片等各种芯片相继问世，产生了如基因组选择、全基因组关联分析、系统生物学分析等一些新的理论和方法，加快了数量性状遗传机理研究的步伐，将对肉牛育种实践产生革命性的变化[2-3]。

1.2 地方牛品种优异基因资源挖掘及其功能基因组研究是育种的基础

我国固有地方牛品种中蕴藏着丰富的有益基因，其中抗逆性、耐粗性及肉脂品质等是最具特色和国际竞争力的经济性状[4]。如何将蕴藏于我国地方牛品种资源中的有益基因挖掘出来，使潜在优势变为现实优势，从而提高我国种业国际竞争力，是目前迫切需要解决的科学问题。因此，在分子和基因组水平开展固有地方牛品种优异基因资源发掘研究，对重要性状的基因或主效基因进行克隆、测序与定位，通过表达序列标 签 (EST) 、 DNA芯片技术、蛋白质组 (Proteome) 技术和生物信息学 (Bioinformatics) 技术等在基因组水平上系统、全面地分析基因功能，不仅可以获得肉牛最基本的生物遗传信息与自主知识产权的功能性新基因，而且能极大推动我国地方牛品种基因资源研究和肉牛遗传改良进程[5]。

1.3 新型分子标记开发与应用成为发展育种新技术的重要方向

目前，发现的任何一种分子标记均不能满足作为理想的遗传标记的所有要求，但可以预见，随着高通量、低成本和高精度DNA 测序新技术的发展，将为开发新型分子标记(cSSR、SNP等)提供更多宝贵资源，分子标记将会展示更广阔的应用前景[2,6]。这类分子标记来源于基因序列，能对基因进行直接选择，且数目多、适于高通量检测[5]。此外，由于动物品种间基因序列的保守性，获得的标记可在品种间相互通用，从而极大促进分子育种与比较基因组学的有机结合。因此，新型分子标记开发与应用是发展育种新技术的重要方向。

1.4 现代化育种技术共享平台建设成为肉牛育种发展的重要支撑

与发达国家现代化、规模化、集约化的研究中心或基地相比，我国肉牛育种分散型、作坊式的研究导致研究内容简单重复、力量过于分散，有限的资源得不到合理优化配置，研究广度和深度十分有限，难以取得突破性重大成果，已无法适应日趋激烈的国际竞争。因此，急需建立集分子育种、标记开发、技术集成、转基因研究等于一体的国家级肉牛育种研究科研平台，为全国肉牛育种研究提供一流的技术共享平台[5,7]。

1.5 完善肉牛育种技术体系是肉牛高效育种的根基

肉牛的选育必须依靠完善的育种技术体系，其包括数据收集系统、遗传评估系统、性能测定站等。与发达国家相比，我国数据收集系统和性能测定站的建立尚属空白，同时也没有相应的数据收集标准，在这样的育种技术体系基础上根本不可能选育出优良种牛或证明其优良种牛优异性[8]。因此，我国必须借鉴国外育种机构在组织成立、技术集成与服务等方面经验，同时结合中国特色建立起有效的育种机构，与我国肉牛产业紧密结合[9]，为中国肉牛产业打造坚实的基础。

2 肉牛繁育技术的发展趋势

20世纪人工授精、胚胎移植、发情控制等技术的应用，对肉牛遗传改良产生巨大影响，但越来越不能满足现代肉牛业发展的需求。随着现代生物技术和基因组学的迅猛发展，肉牛全基因组的遗传信息将会得以阐明，以配子与胚胎工程、基因工程为主体的高新繁育技术将成为肉牛繁育的主要手段[10]，胚胎移植、体外胚胎生产、转基因动物生产等高新技术的产业化将是现代肉牛业发展的趋势和主流。

2.1 体外胚胎生产工厂化

即体外受精。迄今为止，通过体外受精技术我国成功获得了包括牛、猪、绵羊、山羊等试管家畜，但目前体外受精获得胚胎其比率和质量与体内胚胎存在较大差距[11]，牛体外受精囊胚发育率不及40%[12]，经过冷冻保存、解冻并移植后的妊娠率则更低[13]。近几年来，随着对牛体外早期胚胎发育基因组变化、表观遗传修饰及能量代谢机理等认识的不断深入，我国在牛卵母细胞体外成熟、体外受精和受精卵的体外培养及冷冻保存技术等研究方面已取得了巨大进展[14-15]。但进一步改进体外培养系统，提高体外培养卵母细胞成熟质量、受精率及受精胚的桑椹胚、囊胚发育率与质量，为体外胚胎生产工厂化奠定基础，仍将是今后研究重点[16]。

2.2 胚胎移植产业化

胚胎移植是另一个行之有效的繁殖技术，旨在增加母畜的繁殖率，扩大优秀公母畜基因在群体中传播。另外，胚胎移植作为生物技术如生产转基因动物的重要手段，应用于各种家养动物。胚胎移植在牛上的广泛应用得益于非手术采卵和非手术移植技术的突破。超数排卵技术是牛胚胎移植是否有经济效益的另一重要环节。经典的超数排卵技术总有10%～15%的母牛超排失败。近年来对母牛卵泡发育波的研究发现，当卵巢上无主导卵泡时，或将其去除后，超数排卵即可获得更多的可移植胚胎，大大提高了胚胎移植的经济效益。牛繁殖技术的另一技术突破是胚胎体外生产体系的建立。体外生产胚胎已经被应用于胚胎移植业，与母牛活体取卵一道，大大加强了体外生产胚胎的实用性。胚胎的冷冻保存也有所突破。已发现乙二醇等小分子物质具有抗冻作用，其进入胚胎细胞的速度大大快于甘油，使胚胎解冻后可直接移植到母畜子宫，大大简化了过去的繁琐步骤。

目前，胚胎移植过程中大部分技术已接近成熟并正在开发中，超数排卵、胚胎性别鉴定、胚胎分割技术、胚胎冷冻保存是当前研究的重点和热点。随着活体采卵、体外受精等技术的进一步提高及体外培养系统的进一步完善，体外生产胚胎的商业化应用会进一步提高[17]，胚胎移植将进入产业化时代。

2.3 性别控制技术

目前，肉牛性别控制研究的热点主要集中在流式细胞分离法和胚胎性别的分子生物学鉴定上[18]。PCR方法灵敏度高，但易污染，且需对胚胎进行分割移植，因此很难在肉牛生产中大规模推广应用[19]；流式细胞仪法是目前肉牛生产中进行性别控制的主要方法，但因分离速度慢、成本高等问题而影响其在生产中的应用，怎样减少分离过程中离心造成的精子损伤及提高分离后性控精液的受胎率是目前研究热点，在建立一种高效、快捷、准确、低损伤、经济的免疫学分离精子的新方法之前将仍是性别控制的主要方法[19-21]。随着功能基因组学、蛋白组学、表观遗传学、生物信息学等领域的快速发展，动物性别决定的新途径、新理论将得到进一步认识，必将探索出更加高效、快键、准确、经济的性别控制新方法，然后结合人工授精、胚胎切割、胚胎移植、体细胞克隆等繁殖操作技术，大量提高与性别密切相关的生产性能[22]，如产肉性能等，有力地促进肉牛产业的迅速发展。

2.4 转基因技术

转基因技术的诞生使肉牛定向育种成为可能，有望大幅度提高肉牛生产性能。利用转基因技术能显著提高动物抗病性能和生产性能，已培育出抗疯牛病、抗乳房炎、转赖氨酸、转人溶菌酶等转基因牛新品种[23]，且已有研究表明转基因牛肉与普通在牛肉主要营养成分和食用安全性方面并无差异[24]。从目前的发展趋势看，转基因研究和应用将是动物育种领域最活跃、最有实际应用价值的方向之一[25]，随着其在动物品种改良中的应用研究不断深入，它将给肉牛品种改良等领域带来革命性的变化。

2.5 克隆技术

目前为止，虽然动物克隆技术还存在一些机制不明确和一定的技术缺陷，但是动物克隆在畜牧业、动物保护等领域都已经并且将会有非常广阔的应用[26]。利用克隆技术，结合胚胎移植等已经成熟的生物技术，不仅可以节约大量生产种牛的时间和费用，还可以对优质高产肉牛进行快速扩群。研究表明，克隆肉牛的肉质与自然交配生产的后代之间并没有什么不同，完全可以放心食用[24,27-28]。我们相信，随着克隆技术不断发展与完善，克隆技术将是肉牛育种方面最具潜力的方法之一[26]。

2.6 遗传标记开发

目前，发现的任何一种分子标记均不能满足作为理想遗传标记的所有要求，能真正应用于遗传育种的标志还十分有限[29]。在遗传标志的开发上，以提升肉牛繁殖力性状的遗传标志最具应用价值，利用已知功能或与繁殖有关基因多态型作为研究目标来开发繁殖力性状遗传标志，成为今后研发工作的重点。

3 展 望

随着现代生物技术的迅速发展和繁育技术研究的不断深入与产业化，肉牛育种已从传统的育种方法朝着快速改变动物基因型方向发展，育种技术与一系列高新繁育技术的结合与应用，将对肉牛传统育种工作产生革命性作用，逐步改变传统肉牛业的生产和发展模式，是今后发展高效、优质肉牛业的必然趋势和方向。

参考文献：

[1] 陈 宏. 现代生物技术与动物育种[J]. 黄牛杂志, 2000, 26 (4): 1-5.

[2] 刘向萍, 朱云芬, 王桂朝.“全基因组”时代的动物遗传育种研究[J]. 中国家禽, 2011, 33(11): 7-10.

[3] 赵敬贤, 张路培, 高会江, 等.全基因组DNA甲基化图谱及其在动物遗传育种中的研究进展[J]. 生物技术通报, 2013(9): 47-52.

[4] 盛志廉. 家畜保种必须挖掘、评估、保护、利用全面进行[J]．中国畜禽种业，2006(8)：7-8.

[5] 屈小平, 宁美艳, 武 琳, 等. 动物遗传育种方法研究进展[J]. 家畜生态学报, 2012, 33(1): 81-85.

[6] 刘向萍, 朱云芬, 王桂朝.“全基因组”时代的动物遗传育种研究[J]. 中国家禽, 2011, 33(11): 7-10.

[7] 张立凡, 连林生, 鲁绍雄. 生物信息学在动物遗传育种中的应用[J]. 畜牧与兽医, 2004, 36(7): 42-44.

[8] 许尚忠, 李俊雅. 利用本地资源优势发展肉牛养殖业--我国肉牛遗传改良现状及发展策略[J]. 农村养殖/技术, 2010, 18: 7.

[9] 王雅春, 陈幼春, 张 沅. 从中国黄牛的历史谈现代黄牛的选育[J]. 中国牛业科学, 2012, 38(3): 1-4.

[10] 张嘉保. 21世纪我国家畜繁育技术的发展趋势与展望[J]. 黑龙江动物繁殖, 1999, 7(4): 35-43.

[11] 亓美玉. 牛卵母细胞体外受精及热应激条件下IGF-I对其影响的研究[D]. 黑龙江哈尔滨：东北农业大学, 2011.

[12] 胡勇林. 牛体外受精技术体系的优化研究[D].陕西杨凌：西北农林科技大学, 2008.

[13] 毛晓霞, 岳文斌. 哺乳动物体外受精的研究进展[J]. 山西农业, 2006(17): 18-20.

[14] 佟桂芝, 韩永胜, 丁昕颖. 幼畜胚胎体外生产技术研究进展[J]. 中国畜牧兽医, 2009, 36 (3): 116-119.

[15] 白莉雅, 肖 遥, 张华林, 等. 表观遗传学在动物繁育上的应用研究[J]. 中国奶牛, 2010(9): 19-22.

[16] 王 英. 繁殖生物技术在家畜育种中的应用[J]. 中国畜禽种业, 2012(9): 48.

[17] 宫昌海, 王惠娥. 新型繁殖技术在动物育种上的应用[J]. 畜牧与饲料科学, 2011, 32(2)：59-60.

[18] Garner D L, Seidel G E Jr. History of commercializing sexed semen for cattle[J]. Theriogenology, 2008, 69:886-895.

[19] Seidel G E Jr. Sexing mammalian sperm - Where do we go from here[J].J Reprod Dev, 2012, 58(5): 505-509.

[20] Blecher S R, Howie R, Li S,et al. A new approach to immunological sexing of sperm[J]. Theriogenology, 1999, 52:1 309-1 321.

[21] Sang L, Yang W C, Han L,et al. An immunological method to screen sex-specific proteins of bovine sperm[J]. J Dairy Sci, 2011, 94: 2 060-2 070.

[22] 杨 海, 胡建宏, 李青旺. 哺乳动物性别决定与性别控制研究进展[J]. 广东农业科学, 2012(18): 144-147.

[23] 李昌庆, 苏 瑛. 转基因技术在动物育种中的研究进展[J]. 广东农业科学, 2010(4): 186-188.

[24] Liu S, Li C X, Feng X L,et al. Safety assessment of meat from transgenic cattle by 90-day feeding study in rats[J]. Food Chem Toxicol, 2013, 57:314-321.

[25] 何晓芳, 潘雪男, 刘洪云,等.转基因育种现状和前景[J]. 国外畜牧学, 2012, 32(9): 67-68.

[26] 盛鹏程, 苗向阳, 朱瑞良. 哺乳动物克隆的现状与研究进展[J]. 科技导报, 2010, 28 (13): 105-110.

[27] Tian X C, Kubota C, Sakashita K,et al. Meat and milk compositions of bovine clones[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2005, 102(18):6 261-6 266.

[28] Heyman Y, Chavatte-Palmer P, Fromentin G, et al. Quality and safety of bovine clones and their products[J]. Animal, 2007, 1(7):963-972.

[29] 谭景和, 罗明久, 吴延光. 动物繁殖技术应用进展[J]. 山东畜牧兽医, 2008(3):1-4.