肉牛遗传育种技术领域相关研究进展

周振勇 李红波 张杨* 闫向民 李娜 袁理星 崔繁荣 叶治兵

（1，新疆畜牧科学院畜牧研究所 830057；2，新疆肉牛工程技术研究中心 830057）

牛是人们日常生活重要的食物来源，随着世界人口的增长与经济发展，肉类生产与消费结构逐步改善。牛及其相关产品的贸易越来越广泛而深入，自20世纪70年代以来，随着全球经济一体化进程的加快，世界范围内的经贸往来、技术与文化交流日益密切。随着科技进步，养殖业的生产技术水平显著提高，主要家畜品种的选育技术明显加快，育种技术与资源和技术的商业化推广促进了优良种畜资源与遗传物质的全球流动，商业化育种企业凭借其资金、技术人才优势，不断研发生物高新技术，并实现产业化。牛遗传育种技术与产业化水平对肉牛业与奶牛业发展起良种支撑作用，相关研究统计，良种对产业的贡献率约占整体权重的40%。中国牛存栏量在世界排名第一，牛肉产量排世界第三，国内外统计数据与学者研究表明，我国牛种资源丰富，但整体生产力水平相对较低，除个别地方良种外，普遍存在体型小、产肉量低的特点。为提高我国养牛业的整体水平，自上世纪中叶以来，我国部分省区引进国外良种牛加快黄牛改良，先后培育了一批兼用牛种，极大改善了本地牛外貌与体型结构，生产性能也随着遗传改良与技术的进步有了一定提高，生产方式与生产模式也随着经济发展需要不断改善。人工授精、胚胎移植等技术在生产中实现了产业化，为牛良种繁育奠定了坚实的基础。但与发达国家相比，我国肉牛选育改良工作起步时间较晚，基础相对薄弱。进入90年代以来，以分子生物技术为重要工具的遗传改良加快了牛的育种，结合生物信息学技术与信息网络建设，借助计算机实现了广大范围、更加精确的计算，信息处理能力不断提高。常规育种和分子育种均取得了长足发展，人们选择的准确性也在不断提高，促进牛繁育工作的快速开展。为紧跟国际学术前沿技术，提高生产力水平与综合效益，本文在查阅相关数据库的基础上总结了2018年度遗传育种繁殖领域的部分内容，以期为加快肉牛遗传育种领域相关技术升级与生产技术管理决策奠定基础。

1 繁殖方面

人工授精技术仍是牛群繁育共性关键技术，在以人工授精技术（AI）为主的牛育种工作中，发情检测和AI 定时仍是一个挑战。国际上相关学者开展了提高精子质量、活力方面的精液冷冻保存与固定精子逐渐释放技术，延长AI 后精子的寿命，使精子在较长的一段时间内可用，可使AI 的发生时间提前，提高繁育能力与效率[1]。精原干细胞 (SSCs) 是精子发生的基础，本年内相关研究表明，家畜精原干细胞移植可提高受赠者内源生殖系睾丸再生精子的能力[2]，这一能力可在畜牧生产中作为一种提高遗传增益的育种工具加以利用。科学家在育种技术中通过使用基因同源的单卵双生子，为了增加单卵双胞胎的产量，用体外产生的胚胎适应二分法增加单卵双胞胎的产量增强了双胞胎产生效率，以期望获得更好的生长性能和胴体性状，提高育种潜力[3]。

2 育种方面

一是基因组学通过将基因组预测纳入传统的遗传评估来提高肉牛遗传改良计划的效率。随着基因组选择的实施，全球肉牛奶牛养殖业在过去一年中发生了巨大变化。在肉牛育种中发挥了作用基于精细QTL 作图的预测SNP 结合高密度基因型信息标记与识别[4]，通过信息技术将基因组图谱与表型表现联系起来，优化并增加选择强度，提高选择的准确性、缩短世代间隔，结合基因工程与胚胎移植技术，为生物工程与生殖技术在肉牛业的应用创造新的机遇或可极大的影响肉牛育种结构。二是通过遗传选择使牛的免疫和健康水平得到提高，在哺乳动物中，免疫系统由几千个基因 (占基因组的8%～9%) 调控。识别和有选择地繁殖具有优良免疫应答能力的家畜可减少疾病的发生，改善相关产品特性，增加农场盈利能力，科学家使用免疫应答技术开展牛免疫应答响应的分类，挖掘不同水平应答综合生产效益，分高中低免疫应答水平，研究探讨母牛育种价值遗传估计，或将更有益于肉牛业生产[5]。“组学”技术方面取得的进展正在推动一场牲畜选择和育种实践的革命。有学者研究探讨全基因组亚硫酸亚铁测序用于家畜DNA 甲基化分析的技术，专家评价认为表观遗传机制，包括DNA 甲基化是哺乳动物基因表达调控的重要决定因素[6]。

3 技术整合与生产应用方面

牛胴体相关性状、大理石花纹评分等经济性状肉牛生产有直接重要影响，研究者注重肉质相关性状与数据的挖掘、整理利用，采用遗传学方法研究遗传参数，并估计优良个体种畜的育种值，促使遗传育种研究的范围更加广泛，研究水平进一步深入，提高了遗传评估的综合性与准确性，同时借助遗传学方法与计算机技术，数据处理能力与选择的准确性不断提高，本年内国际相关学者研究表明，基于遗传评价的生产经济性状选择在生产中发挥的作用越来越大，国际肉牛相关育种组织数据表明，以品种协会为主体的网络信息化平台促进了国际间生产数据的交流共享与管理信息可追溯性，包括牛群、农场、出生年份和生长性状、胴体数据等信息的数据库日益丰富，利用多种算法开展目标性状的遗传评估，遗传参数的动态变化调整加快受益于多维度数据收集整理与生物信息学算法的优化与科学评价。肌内脂肪是肉牛选择策略中考虑的肉质性状之一，科学家使用单性状动物模型 (最佳线性无偏预测和基因组最佳线性无偏预测) 从基因组和家系信息中估计育种值[7]，整体评价为基因组信息将比系谱信息更有益。机器学习方法已经应用于全基因组关联研究中，用于候选基因的鉴定、上位检测、基因网络通路分析和表型值的基因组预测。科学家已开始利用snp 的子集构建基因组关系矩阵 (GRMs)，用于估算基因组育种值(GEBVs)。研究探索随机森林 (RF）、梯度增强机 (Gradient boost machine，GBM) 和极差梯度增强法 (Extreme Gradient boost，XgBoost) 这3 种机器学习方法在识别SNP 标记子子集以预测育种价值方面的应用并评价了3 种机器学习方法的在基因组预测精度上的优劣[8]。科学家开展了基于种内和杂交训练肉牛分子育种价值比较，并着力研发和评估跨品种基因组预测技术方法，提高在一个品种中训练并用于预测不同品种的遗传优势的基因组预测器的效果。基因组选择已成为牛育种的标准工具[9]。

4 展望

随着国际贸易的竞争力加剧，我国肉牛遗传育种规划方案的稳步实施，肉牛遗传育种技术水平与基础设施的日益完善，产品需求的多元化可能导致评价方法多样性，立足我国牛种资源与遗传的多样性，通过高新生物技术的方法促进遗传与育种的高效结合，采用数据信息的共享与联合育种的实施可能加快肉牛商业化育种与相关技术服务的提高，改善和提高整个行业的科技水平与技术市场的资源要素配置，促进产业技术与经济的发展。