利用基因组选择加快陕西肉羊遗传育种进展的可行性

2021-03-28张宏兴王鹏飞赵永攀

畜牧兽医杂志 2021年6期

张宏兴,王鹏飞 ,赵永攀

(1.陕西省宝鸡市畜牧兽医中心，陕西宝鸡 721000；2.陕西省泾阳县畜牧产业服务中心；3.陕西省畜牧产业试验示范中心)

1 陕西省肉羊产业现状

陕西是全国重要的养羊省份之一，羊产业发展历史悠久，群众素有养羊的传统和习惯。全省羊品种资源丰富，古老的同羊、滩羊品种闻名全国，同羊在唐朝就因其质优味美被作为宫廷贡品，滩羊以肉质细嫩、胆固醇含量低、膻味小而享誉全国。新中国成立后培育的陕北细毛羊、陕北白绒山羊更是一个小品种成就了一个大产业。羊产业为繁荣农村经济、增加农民收入、保障居民“菜篮子”供应发挥了重要作用。近年来，随着人民生活水平提高，羊肉消费需求加大，养殖效益持续增长，肉羊产业已成为新时期畜牧业的朝阳产业。

1.1 生产规模

据统计，2019年全省羊存栏815.1万只，其中山羊存栏676.5万只，占羊仔存栏总数的83%，奶山羊存栏131万只、占山羊存栏总数的19.4%；全省绵羊存栏138.6万只，占羊仔存栏总数的17%。全年羊仔出栏589.3万只。

1.2 产品产量

2019年全省羊肉产量9.25万t，占肉类总产的8.5%；羊奶产量51.9万t，占奶类总产的32%；羊毛产量6 091 t，其中山羊毛产量3 128 t，绵羊毛产量2 963 t；山羊绒产量1 438 t。

1.3 区域布局

从陕北、关中、陕南三大区域板块羊仔分布特点来看，2019年，陕北地区羊仔存栏占全省的69.1%，品种主要以绒山羊和绵羊为主；关中地区羊仔存栏占全省的18.8%，主要以关中奶山羊为主；陕南地区羊仔存栏占全省的12.1%，品种主要以陕南白山羊为主，少量布尔山羊和其它山羊品种为补充。

良种是肉羊产业发展最根本的基础。目前，澳大利亚、新西兰、美国等发达国家肉羊生产品种已基本实现专用化，肉羊生产主要以肉用绵羊为主，品种以萨福克、道赛特、杜泊等为主，而我省羊产业长期以来以毛绒生产为主，肉羊主产区的陕北还主要以绒肉兼用的白绒山羊为主，近几年也开始引进了一些肉用绵羊、山羊专用品种，如萨福克、杜泊、陶赛特、小尾寒羊、布尔山羊等国内外著名肉羊良种。但由于推广速度慢，肉羊专用主导品种尚未形成。当前，肉羊产业已进入以良种化为先导、规模化生产为手段、一二三产业加快融合的高质量发展阶段，加快良种化进程已经刻不容缓。

2 提高育种遗传进展的理论基础

育种遗传进展的估计值等于每个世代的选择反应除以世代间隔，目前大型羊场及育种场很多已经开始引进胚胎工程技术，可以缩短世代间隔，提高良种母羊繁殖率。而选择反应的大小直接与可利用的遗传变异(即加性遗传标准差)、选择强度和育种值估计的准确度三个因素成正比。

提高选择强度需要在大群体的前提下，增加测定个体的数量。目前，陕西从事肉羊良种繁育的养殖企业100多家，种群规模近20万只，先后建立了省级白绒山羊、布尔山羊、肉绵羊等良种繁育中心，陕西黑萨牧业肉羊繁育场已跻身国家核心育种场行列，特别是近年来湖羊引种扩繁势头迅猛，肉羊良种群体规模不断扩大，加之这些企业均有参与遗传育种的意愿。如果能够提高企业育种积极性，将会极大加快我省乃至全国的育种进程。企业重视投入产出，因此性状获得的难度、遗传进展、资金投入，都决定了企业是否能够持续投资育种。

直接引进高产品种进行杂交育种或者建立配套系，是提高遗传变异的重要手段。产羔数是肉用性能的关键因素，一只母羊年产两羔以上才能实现盈利，这也是陕西省肉羊发展的瓶颈。用高繁殖力的湖羊或小尾寒羊作为母本，国外肉羊作为父本的杂交育种模式可以充分聚合二者优势。如鲁中肉羊是以湖羊为母本，白头杜泊羊为父本育成的品种。陕西省很多企业已经开始大规模引进湖羊等高繁品种，榆林上河集团、甘肃中盛集团分别在榆阳区建立了15万只和10万只湖羊养殖基地，陕西八福肉羊公司正在定边县建设万只湖羊基地，延安城投集团、农投公司、正和进出口公司也在投资建设湖羊基地，目前陕北地区湖羊存栏已达18万只以上。湖羊是蒙古羊中著名的多羔品种，常年发情，产羔率高达250%。但是湖羊体型小，产肉少，需要进一步选育。山羊育种策略偏向于本品种选育，以陕西省著名的陕北白绒山羊为例，作为历经30年选育形成的绒肉兼用型品种，其羊绒细度品质好，肉质鲜美，市场价格较高，仅在陕西榆林市存栏就超过500万只。但目前繁殖率偏低，其大多数个体一年一胎，产羔率仅为105.8%。本团队2021年春在陕北调研结果显示，榆林地区的养殖户的养殖观念已经有很大进步，加强营养调控，主动进行种源交流，双羔率有所提高。

育种值准确度对于低遗传力表型选择有重要意义。肉羊的体型属于中等遗传力表型，养殖场通过表型选育模式也可以获得一定遗传进展。而繁殖力是低遗传力表型，遗传力仅为0.1左右，且在母羊中获得该表型的测量年限长、在种公羊中无法直接进行该表型测定，因此单纯基于母羊偶发的多羔表型进行选育，不能排除是否由营养因素和其他偶然因素导致，难以进行大规模的本品种选育来提高平均繁殖力。所以研究者们希望从探寻繁殖力的分子机制和筛选相关基因的因果突变入手，以利用分子育种技术提高绵羊和山羊繁殖力。

3 基因组选择育种的优势和挑战

基因组选择(Genomic selection, GS)基于畜禽基因型和表型的相关性，利用基因型估计种畜的育种价值，其典型优势是可以不依赖系谱记录和表型信息进行个体选择，从而开展早期选择，大幅度缩短世代间隔，提高遗传进展，降低农业动物的育种成本。此外，对于传统育种受限的性状，如低遗传力和难以测量的性状，基因组选择也更加具有优势。

基因组选择的核心思想是基于畜禽全基因组高密度SNP 遗传标记的芯片技术，通过构建相应统计方法估计畜禽个体全基因组估计育种值。高密度SNP检测的主流技术是SNP芯片。SNP 芯片分型具有高效、廉价和准确度高等优点，早已成为家畜基因分型的标准手段。目前芯片技术在不断更新，成本不断下降。检测成本与芯片探针数量相关，>600Kb的高密度的全基因组SNP检测加分析成本仍然几百元至千元。这个价格难以在产业上大量检测，限制了选择强度的提高和育种进程。

在全基因组变异功能未知的前提下，芯片设计的原则是在基因组上平均分布，只有位点密度较高才能覆盖到所有可能的区域。如果能够从海量变异中筛选少量有较大遗传效应的位点，就可以达到减价增效的目的。更重要的是，充分解析位点的遗传效应可以提高选择准确度，直接加快遗传进展。所以对已知功能基因及突变有针对性的设计检测位点，可以大大降低检测成本，增加检测的个体数，提高选择强度也可以增加预测准确率。

4 已知羊繁殖相关主效基因及检测方法

以羊繁殖为例，目前已经有一些已知基因和突变可以直接用于选育。如绵羊骨形成蛋白受体1B(Bonemorphogenetic protein receptor type-1B，BMPR1B，亦称FecB)。1919年，澳大利亚的B.Seear从中毛型美利奴羊群中选出一只高繁殖力母羊并把它的后代组成一个分离群，到1959年形成了平均产羔1.94只的多胎Booroola美利奴高产群。到1982年，研究者认为该群体的高产性状来自于导致排卵率和产羔数显著升高的主效基因突变，杂合突变可使雌性平均产羔数增加0.9～1.2个，纯合突变可以增加产羔数1.1～1.7个，而在雄性中不改变任何性状，该突变被命名为FecBB。终于在2001年，新西兰学者Wilson证明FecBB是TGF-β通路中的BMPR1B基因上的错义突变(Q249R)，翻译后位于该受体蛋白二聚化的关键结构域，可造成其受体功能部分失活。对于已知因果突变的主效基因的筛选可以以最低成本获得最大效益。鲁中肉羊中，单点FecB的选择可以显著提高产羔数。FecBB在湖羊中也趋近固定，如果在陕西省开展的湖羊杂交育种中筛选该位点将会获得较大进展。FecBB是一个单点突变，可以实现低成本大规模检测。如竞争性等位基因特异性PCR(Kompetitive Allele Specific PCR，KASP)。KASP是基于荧光信号与引物末端碱基的特异性匹配，对SNPs和特定位点上的InDels进行精准的双等位基因判断。适合更少位点的检测，无需固定投入，每位点成本可以达到低于一元。

研究中发现的更多功能基因是以群体遗传相关基因或实验验证功能基因形式报道的。在绵羊中已报道的繁殖相关功能基因包括:生长分化因子9(growth and differentiation factor 9，GDF9)；骨形态发生蛋白15(Bone morphogenetic proteins 15，BMP15)；促性腺素释放素受体，(Gonadotrophin releasing hormone receptor，GnRHR)；促性腺激素释放激素，(Gonadotropin releasing hormone，GnRH)又被称为促黄体释放激素(luteinizing hormone-releasing hormone，LHRH)；肿瘤转移抑制基因KiSS-1(KiSS-1 metastasis suppressor，KISS1)；促卵泡素(follicle stimulating hormone subunit beta,FSHB)等。这些基因也对绵羊的内分泌，卵泡发育，排卵等有重要作用，和繁殖力有直接关系。但是这些基因的致因突变有的还不清楚。山羊的繁殖力相关基因也处于相当的研究水平。如山羊群体遗传学研究表明，BMPR1B、 BMP15和GDF9在山羊中也是多羔的关键基因。如高繁的孟加拉黑山羊中有与绵羊相同的FecBB突变，且频率较高(0.57)，野生型、杂合型、纯合型突变的产羔率分别为2.7、3.04和3.11。对若干个高繁和低繁山羊品种的比较研究中，发现BMPR1B有数个新的错义突变频率差异显著。

对于部分已知的基因和位点也可以有针对性的设计探针，提高选择效率。每个基因需要设计数个至数十个位点保证检测效率，适合使用中等数量位点分型检测策略。如液相芯片基于靶向捕获技术，该技术的全称是基于靶向测序基因型分型技术 (Genotyping By Target Sequencing，GBTS)。其原理是针对目标位点进行深度重测序，以实现对基因组任意位置、任意长度区域的精确捕获。可针对目标位点或区域设计探针或引物，通过这些探针或者引物的集合，可以实现对目标物种特定DNA 区段的捕获、建库、测序、分型等工作。可以同时检测多种变异类型。目前50K的液相芯片已经低至两百多元每个体，可以用于核心群体的检测，计算综合育种值，进行选育。