毛皮动物育种软件应用现状与展望

武晓宇 聂子涵 孙 锴 樊 攀 刘志平

(东北林业大学野生动物与自然保护地学院，哈尔滨，150040)

我国珍贵毛皮动物养殖始于20世纪50年代，主要包括狐(Vulpes)、貂(Mustelavison)、貉(Nyctereutesprocyonoides)3大物种。在饲养范围与规模上赶超芬兰、丹麦和美国等主要养殖国，虽已成为毛皮动物饲养大国，但却非强国[1]。我国毛皮动物行业存在品种落后、种源退化、重复引种等问题，所产皮张质量同国外相比还有差距，价格仅为国外同类产品的40%—70%[2]。传统育种方式已无法满足当今国际毛皮行业快速发展的需求，育种软件的研发与应用为行业发展带来更加广阔的空间。

软件研发一般要经历需求分析、功能设计、程序编码等流程，育种软件即通过某一程序语言设计出以遗传学理论、生产经验为依据的各种应用模块，使育种方法得到更好运用。从数据资料管理、简单数值计算、遗传评估、计算机模拟、专家系统、再到网络技术的应用，动物育种软件的应用方面日渐多样化。目前，畜禽领域的研究相对成熟，而毛皮动物领域尚为缺乏。本文结合毛皮动物自身特点和畜禽领域先进经验，就毛皮动物育种软件的应用予以论证和分析，以期能为育种软件在毛皮动物中的应用提供参考。

1 动物育种软件的应用现状

1.1 育种资料管理

数据库技术是计算机存储资料和处理数据的核心，1969年美国IBM公司研发了层次模型数据库管理系统IMS，是数据库发展史上迈出的第一步。20世纪70年代初，E.F.Codd提出关系数据库模型概念，当时在理论和实践方面都得到了显著发展[3]，并提出用于操控关系表数据的DSL/Alpha语言，后来IBM公司创建了DSL/Alpha简化版本，最终命名为SQL[4]。数据库技术的应用更好地保护了动物遗传资源，且便于育种中运用大量繁殖资料进行遗传评估等统计分析工作。

1.1.1 遗传资源管理

遗传资源又称种质资源，丰富全面的遗传资源储备，是培育高品质、适应性强、满足人类需求品种的物质基础[5]。在养殖业不断追求生产性能和经济效益的大环境下，一些具有优良特性的地方品种资源数正在减少，个别品种已处于濒危或濒临灭绝状态[6]，为维护畜牧业持续发展，遗传资源管理变得尤为重要。

遗传资源数据库可保存并检索大量资源品种常规描述、定性、定量和分子信息等[7]，联合国粮农组织开发和维护的家畜多样性信息系统(DAD-IS)记录约8 800个品种资源信息，是世界上迄今为止家畜遗传资源信息量最大的数据库[8]。苏胜彦等[7]建立的畜禽种质资源数据库和霍蔚然等[9]研发的中国鸭遗传资源信息系统，有较完整的快速查询功能，为遗传资源的保护和持续利用提供重要依据。

毛皮动物方面，中国农业科学院特产研究所杨福合主持建成国内首个完善特种经济动物种质资源数据库和信息检索系统，也是目前世界上最大的特种经济动物基因库，涵盖特种经济动物种质资源509个品种(类型)，补充了国内外研究空白[10]。

1.1.2 数据资料管理

数据库技术的应用取代了动物育种中工作量大、内容繁杂、难以查询及保存的手工记录方式，便于育种资料的存储、分析、归纳和检索。现有的数据管理系统多是以二维表的形式组织各种数据的关系型数据库，表与表之间存在复杂关联性，可准确提取所需信息。

Belanche等[11]研究如何运用Eskardillo软件改善农场管理，Eskardillo能详细记录生产繁殖等相关资料外，还能显著提高山羊产奶量。刘宗萌[12]和杨朝武等[13]分别研发了家禽育种数据库软件和优质肉鸡育种信息智能化管理与分析系统，使育种信息的采集、管理和分析更加精准化、智能化。

毛皮动物中，芬兰的Sampo种兽计算及育种软件最具代表性，可辅助养殖者填写动物ID卡片、储存并更新最新繁殖数据，及时掌握变化动态[14-15]。聂春雨等[16-17]建立的狐狸和水貂两套养殖场生产管理信息系统，同样具有储存、修改和查询等功能。

1.2 遗传评估系统

遗传评估系统已被广泛用于遗传参数与育种值估计、近交分析、亲缘关系计算等方面，软件的应用提高了动物育种的准确性和效率，指导选种选配、品系培育等工作，加速动物育种进程。

遗传参数估计是动物育种基础工作之一，是制订育种计划、了解数量性状遗传机制等不可或缺的，也是估计育种值所必需的。估计育种值是种用动物选择最主要的依据，育种值准确性直接关系畜群遗传进展[18]。根据动物性能测定进行个体育种值的估计，再进一步评价其种用价值是现代遗传育种理论和实践的重要内容[19]。估计育种值的方法中，20世纪50年代初由美国学者Henderson提出的BLUP法(最佳线性无偏差估计法)应用最广泛，但由于计算工具限制，其应用推迟20年，1973年他系统地阐述了BLUP法的理论和应用。BLUP法普及前，选择指数法较为常用，但其实际应用与理论预期效果相差可能较大，应用十分复杂。70年代后，BLUP法成功用于种公牛选种，此后又普遍用于猪、羊、马等领域[20]。

Rutten等[21]提出能预测传统家畜选择反应和近交率的SelAction软件。后有研究证明基因组预测可加强育种结果准确性，但当时没有实现该理论的软件。Su等[22]填补了这一空白，在SelAction基础上提出一个扩展计算机程序，可用于养殖者育种方案的比较替代和包括基因组信息的育种计划的投资决策。雒鸣峰等[23]研发的BLUP、VCCE软件和唐臻钦[24]建立的AMBLUP、SMBLUP软件，基本满足了BLUP法的使用需求。此外，用于育种值估计软件还有DMU[25]、GBS[26]、PEST、MTEBV等。

除学术研究外，英国VSN International公司开发的ASReml线性模型分析软件，基本能解决GBLUP方法在基因组选择应用中的所有问题，在分子育种领域潜力巨大。美国S&S Programming公司建立的Herdsman软件，能进行纯种猪和杂交品种猪遗传评估[19]。南京丰顿科技股份有限公司、南京科群公司分别研发的奶牛等动物遗传评估与服务平台和家畜育种数据分析软件，助力动物养殖业现代化发展。

毛皮动物中，Sampo软件运用BLUP模型计算动物个体自身育种值和后代育种值等遗传指数[27]，还可确认母兽和预留种兽ID不重复、排除交配者间的近亲关系[28]。丹麦Mor Winmink系统根据水貂系谱和主要生产性能记录等，可估计育种值、防止近交。郭春来[29]构建的狐繁育系统与韦冰等[30-31]研发的狐狸养殖信息管理系统、银狐核心群育种管理系统，均能杜绝近交，保障毛皮质量。

1.3 计算机模拟研究

计算机模拟技术帮助理解复杂的遗传进程，根据自主需求设计研究范围与参数，可获得几百、几千种虚拟育种结果和方案，预测未来育种和保种效果。解决了可能配种组合数量较多的困难，不受时间、空间限制，减少成本投入，并有效避免了选择和近交对遗传进展、育种值准确性的影响。

1.3.1 育种方案研究

借助计算机仿真育种过程，通过改变育种中所涉及的各项参数，比较不同育种方案效果，从而优化育种方案[32]。

20世纪70年代日本学者利用模拟程序，获得使奶牛年产奶量达遗传进展最优化的育种制度[33]。在Hoban等[34]的概述中，涉及了模拟技术在估计亲缘系数、基因组选择等动物育种方面的应用。Faux等[35]研制的AlphaSim软件，具有高度仿真灵活性，运用模拟技术制定、优化育种策略。徐凌洋等[36]设计开发了聚合模拟育种统计分析方法和相应软件，指导杂交育种方案和选择策略。王景霖[37]利用OMSim(1.0)软件模拟3种基因组育种值估计方法对两个性状在不同SNP标记密度、不同群体规模下的育种值准确度、选择持续性的影响。Lu等[38]运用模拟技术比较性状遗传力、QTL方差对标记辅助BLUP选择效果的影响。

1.3.2 保种进程研究

计算机模拟技术在动物保种进程的研究主要围绕影响群体遗传结构的几大因素进行。

吴克亮等[39]运用Monte Carlo模拟程序建立多种基因效应模型，研究选择、群体有效含量、性状遗传力水平等多参数组合对保种效果的影响。芒来[40]建立数学模型分析畜禽保种群体遗传结构变化规律，并利用Monte Carlo模拟程序验证模型的正确性和可行性。Gómez-Romano等[41]建立计算机模拟程序研究不同SNP标记密度、群体规模条件下保种群遗传多样性的效果。鲁云风等[42]依据微卫星标记特点并运用群体遗传学知识，自行编写模拟程序，为畜禽保种群体遗传多样性最大化方案的制订提供依据。

随着科技发展与创新，计算机模拟已成为野生物种保护与管理的重要工具[43]，用于野生动物保护方案的制订。专家认为人工参与野生动物繁育有益于物种保护，能缓解野生动物濒危灭绝的危机[44]。计算机模拟技术若用于毛皮动物领域，将有助于加速育种和保种进程，实现优质毛皮品种的培育和保护。

1.4 育种专家系统

专家系统多以某领域专家的理论知识和实践经验为依据，使计算机尽可能模拟人类专家给予决策支持。近年来专家系统成功用于多领域之中，更侧重实际应用发展。专家系统需定时更新专业知识和生产经验，不断强化并完善其推理机制。

国内外畜禽养殖业专家系统的研究多集中于牛、羊领域，Hochman等[45]研发肉牛养殖专家系统后，Hochman等[46]又与他人合作开发X-Breed系统，利用黑板架构集成肉牛育种知识系统，在实际生产中应用效果更好、针对性更强。Pellerin等[47]开发的LAIT XPERT VACHES系统，可用于奶牛生产、繁殖等方面的计算，还可研究生产中所存在问题的原因。王申康[48]建立的生物遗传育种专家系统，根据专家经验和遗传规律组成遗传智能模型，可模拟杂交育种过程，减少试验一些低劣组合的人力、物力，协助选配。杨国锋[49]建立了现代肉羊生产专家系统，可进行遗传育种、繁殖等模块咨询，具有使用快捷和可靠性强等优点。

专家系统在特种经济动物领域中的研究成果还不显著，现有小型专家系统用于经济动物识别，但并不成熟。

1.5 网络信息的传递与共享

网络技术在畜牧业的应用加快了信息利用率、共享率和反馈效率，更具时效性、全面性和规范性，推动畜牧业信息化进程，为畜牧业发展升级和经济效益提高带来新动力。

美国畜牧信息数据库系统，信息能通过网络及时传送，各地政府、研究所、大学和企业等都可随时随地查询[50]。韩静[51]建立的黑龙江省红星农场畜牧管理信息系统和杨亮等[52]开发的山黑猪繁殖数据网络数据库平台，通过网络数据库技术实现信息共享和数据库动态更新，提高了繁育效率和遗传进展。杨亮等[53]建立的规模化奶牛场数字化网络管理平台，可对生产数据进行管理、挖掘和分析，更利于管理者作出科学决策。

联合育种已成为世界畜牧业发达国家的共同经验[54-56]，是现代育种发展的必然趋势。通过种畜(尤其是种公畜)跨场、跨地区乃至全国性联合遗传评估，共享优秀遗传资源[57]，可加快动物群体遗传改良、提高育种效益[58]。美国种猪登记协会(NSR)通过种猪性能测定和遗传评估系统(STAGES)进行联合育种，所有评估信息可直接在网站获取[59]。钱蓉等[60]构建基于Web的猪育种管理系统，具有专家评估功能和猪性状优良库，促进了场内种猪选育和区域联合育种。山东、上海、河北、广西等地建立省级种猪遗传评估信息平台，推动了区域内生猪联合育种，已取得不错成效[59]。

在毛皮动物中，中国农业科学院特产研究所吴琼等[61]研发的特种经济动物品种资源数据库信息共享网络和余溢[62]建立的辽宁貂狐貉养殖及野生动物养殖数据库，运用网络数据库的共享性、及时性，为养殖者提供便利。“狐联网”是国内首个专门服务狐、貂、貉养殖业的综合性信息互联网平台，提供快捷、权威、全面的信息化服务，提高了行业运作效率。

芬兰曾提出类似联合育种的概念——狐场联营，通过合作经营充分利用优质种公兽，节约育种成本，且共用种公兽的饲养场间有基因关联，具有相同遗传资源的子代数量大幅增加，子代评估准确性提高，加快选育进程[63]。韦冰等[30-31]基于.NET开发的狐狸养殖信息管理系统和银狐核心群育种管理系统实现了狐养殖信息网络管理，为联合育种的发展奠定基础。近几年，图强林业局和东北农业大学动物生命学院合作，对“高寒型大兴安岭北极蓝狐”联合育种工作进行探索。

2 毛皮动物育种软件的应用对策与展望

在我国，毛皮动物养殖是一个自发的无序产业，从业者多数为广大农牧民。起步晚、综合型技术人才匮乏是现实，加之养殖者对先进技术的认知偏差，目前使用软件育种似乎并不现实，但就未来集约化、现代化的发展趋势而言，必须作出改变，否则将面临淘汰。

2.1 对策

与毛皮动物养殖发达国家相比，我国在使用计算机技术的研发与应用方面还存在一定差距，多数毛皮动物育种软件所涉及的主要功能集中于数据存储、管理和简单统计分析等方面，而育种数据的智能化分析、应用及网络共享等相对欠缺，因此不能满足毛皮动物养殖规模化生产的需求。针对我国以上现实情况，为使育种软件尽快在毛皮动物中得到切实的应用，其研发与应用需着重以下几方面：

第一，跟踪、引进、借鉴国外先进技术。

第二，增加科技投入，注重人才培养，提高养殖者科学素质，普及计算机与网络应用技术。

第三，鼓励、加强有针对性的育种软件开发与应用，尤其在育种数据的智能化分析、应用及网络共享等领域，跟上时代发展的步伐。

2.2 未来展望

毛皮动物由于其生物学特性，决定了与家畜家禽有许多不同之处，如：每年只繁殖1次且在固定的季节(春季)；自发地一次性排卵(狐、貉)和相继的假妊娠、刺激性排卵(水貂)等；在产品方面除了生长主要考虑的是毛皮质量(皮张尺码，毛长度、密度、色泽等)。这些要素许多与遗传相关，在育种软件开发时必须考虑在内，需要逐步建立新的更适用于毛皮动物特性的遗传评估系统。

随着分子生物学研究的不断深入和发展，今后在数据库系统的研究方面，应注重基因组数据库、核酸数据库、蛋白质序列数据库等分子生物学数据库的开发与应用，使大量的生物信息得以储存、分析与运用，不断扩增保护毛皮动物品种资源的途径和方法，为超级品种的培育提供扎实的信息基础。

相对于育种周期长、饲养成本高的毛皮动物而言，计算机模拟技术有必要作为未来育种研究中的重要内容之一，这不仅能促进育种计划的优化和优良品种资源的保护，还能节约经费。

专家系统作为人工智能领域的研究热点，未来的发展空间难以估计，结合毛皮动物自身特点的育种专家系统的研发与应用可为毛皮动物养殖业的生产管理带来许多便利，如给出育种方案、优化育种方法、缩短育种周期、节约育种经费等。

网络信息技术作为新兴热点，其应用使毛皮动物养殖业的发展更加趋向市场化、信息化，今后还需深入开发满足实际需求的信息服务功能，并不断加强网络信息平台的构建。充分发挥互联网在生产要素配置中的优化和集成作用，将互联网的创新成果与特种经济动物行业深度融合[64]。未来毛皮行业的可持续发展，必将结合网络信息技术，朝着共享育种资源、开展协作育种、实现合作共赢方向迈进。

3 结语

随着社会发展和对高品质毛皮的需求，毛皮行业的竞争会愈发激烈，若想在国际市场上占据一席之地，必须要学会接纳并运用先进技术。育种软件的应用既能提高育种工作的准确性、可靠性，又能促进品种生产性能的提升，当前育种软件已在世界范围内被广泛的应用于畜禽饲养领域，对毛皮动物而言，除了借鉴畜禽的经验外，还需加大力度开发适用于自身的育种软件。2018年我国成立了国家特种经济动物科技创新联盟，为促进毛皮产业的深入发展凝聚了更具优势的科研力量和更加先进的核心科技资源。相信在未来的毛皮动物养殖领域，育种软件的应用，将有助于解决我国种源依赖进口、皮张质量差等难题，使毛皮动物养殖业逐步走向科学化、简单化、全民化的可持续发展道路。