基因组选择分子育种技术：一头种公牛诞生的背后
QTL-MAS国际会议-TA-BLUP结果排名
荷斯坦公牛
张沅教授
张勤教授
针对我国奶牛育种的落后状况、我国奶业由数量增长型向质量效益型转型的迫切需求，瞄准现代动物基因组学技术的发展趋势及其在奶牛育种中的巨大应用价值，历时19年，对奶牛基因组选择分子育种技术体系开展了系统全面的研究……
近年来，获得北京市科学技术奖2项，国家授权发明专利15项、软件著作权14项，发表学术论文103余篇，其中SCI收录68余篇。整体技术水平达到国际先进，部分达到国际领先。
这就是中国农业大学动物科技学院教授张勤、张沅及其团队。2017年1月9日，团队成果“中国荷斯坦牛基因组选择分子育种技术体系的建立与应用”获得了2016年度国家科学技术进步奖二等奖。近日，《中国科学报》记者对此进行了专访。
选育优秀种公牛是关键
奶业是农业乃至国民经济的重要组成部分。荷斯坦牛是世界范围内的主要奶牛品种，作为奶业生产的主要贡献者，荷斯坦牛的培育历史十分悠久，且足迹已遍布世界多国。
“不同国家对荷斯坦牛的育种目标侧重点不同。北美侧重奶单产高，欧洲侧重乳脂、乳蛋白含量高，有的地区希望奶牛抗病性好，还有的地区希望乳肉兼用。”项目主持人、中国农业大学动物科技学院教授张勤告诉记者，各国培育出了各具本土特色的荷斯坦牛。
新中国成立以来，我国奶业得到了快速发展。经过多年持续选育，培育了我国自己的奶牛品种——中国荷斯坦牛，在目前我国饲养的近1400万头奶牛中，80%以上属中国荷斯坦牛。
尽管中国荷斯坦牛品种有了较大改进，但与发达国家相比，仍有很大差距。“就产量而言，2010年美国、加拿大等国的奶牛单产9000~10000千克，我国平均单产4500千克，其中北京、上海等地单产约7500千克。”张勤说。
国际业界公认，遗传育种对奶牛生产水平的贡献率在50%以上。“我国奶业生产水平与发达国家有较大差距，根本原因是我国奶牛群体的遗传水平低，依靠传统的育种技术难以改变这种状况。”项目主要完成者之一、中国农业大学动物科技学院教授张沅表示。
中国荷斯坦牛群体遗传改良效率不高，自主选育优秀种公牛的能力不强，对引进国外种公牛有较大的依赖性。目前的育种工作主要是在现有的优良品种中系统地开展选育工作，实现群体的持续遗传改良。
而在以人工授精为主导技术的奶牛繁育体系中，一头种公牛每年可承担一万头以上母牛的配种，可以说，选育优秀种公牛是奶牛育种的核心工作。
在传统的奶牛育种中，优秀种公牛需要经过后裔测定进行选择，尽管其选择准确性高，但这种方法的弊端在于选择周期长、育种成本高、效率较低。
“判断一头青年公牛是否可以作为种公牛，要看它的女儿产奶成绩。需要先配种，等后代母牛出生，再等它长大、配种、产犊并进入泌乳期，观测其产奶情况，如此一来大约需要5~6年时间。”张勤说道，青年公牛闲置饲养五六年，成本高，效率低下，越来越不适应日益发展的产业需求。
基因组选择技术是核心
通过育种实现群体遗传改良是提高奶业生产水平和效率的关键。以基因组选择为核心的分子育种技术则为之提供了机遇。
21世纪以来，基于基因组高密度标记信息的基因组选择技术（GS）成为动物育种领域的研究热点。张勤表示，利用该技术，可实现青年公牛早期准确选择，而不必通过后裔测定，从而大幅度缩短世代间隔，加快群体遗传进展，并显著降低育种成本。
自2009年始，欧美主要发达国家就将基因组选择技术全面应用于奶牛育种中。国内也在相当时间里开展了这项工作。
张勤、张沅领衔的科研团队系统开展了奶牛基因组选择分子育种技术研究，取得了一系列重要创新性研究成果，建立了完善的技术体系，并大规模产业化应用。
该团队创建了具有自主知识产权的中国荷斯坦牛基因组选择技术平台，提升了我国奶牛遗传评估的整体技术水平。构建了我国唯一的奶牛基因组选择参考群，该群体由6000头母牛和400头验证公牛组成，对每头牛测定了高密度SNP标记基因型和产奶、健康、体型、繁殖等34个性状的表型；研发了TA-BLUP、BayesTCπ等基因组育种值预测新方法以及利用低密度芯片进行基因组育种值预测的优化策略；开发了对海量基因组数据快速处理和基因组育种值计算平台。
发掘了一批奶牛重要经济性状功能基因，为提高基因组选择准确性提供了重要基因信息。率先在我国奶牛群体中利用高密度SNP标记进行了产奶、健康、体型和繁殖性状的大规模全基因组关联分析，并利用多种组学技术发掘了71个与这些性状显著关联的候选基因，首次在国际上报道了PTK2、EEF1D、UGDH、GPIHBP1、PDE9A、HAL、SAA2等影响产奶性状的重要功能基因，并证实了DGAT1和GHR基因对中国荷斯坦牛产奶性状具有显著遗传效应。
研发了奶牛遗传缺陷和亲子关系的分子鉴定技术，建立了我国荷斯坦种公牛遗传缺陷及亲子关系监控体系。研发了CVM、BLAD、DUMPS、CTLN、BS等5种奶牛主要遗传缺陷的基因诊断技术和利用微卫星或SNP标记进行亲子关系的鉴定技术，完善了奶牛分子育种技术，填补了国内空白。
产业化应用效益佳
“每个国家都有自己的奶牛基因组选择参考群。国外通行的做法是用种公牛构建参考群体，但在我国这样的公牛数量太少，不足以构建参考群体，因此，基于我国奶牛育种的实际情况，我们团队构建了以母牛为主的参考群。”张勤告诉记者，所获得的选择准确性与大部分国家用公牛作为参考群所获得的选择准确性相当，而且无偏性更好。目前，国外也在参照这一方式，逐渐把母牛加入其中。
项目完成者之一、中国农业大学动物科技学院教授孙东晓还记得2010年QTL-MAS国际会议上，组委会提供基因组数据，由各国科研工作者“华山论剑”，用各自的方法进行评估处理，团队研发的TA-BLUP基因组育种值预测新方法无偏性和准确性均列第一。
张勤、张沅领衔的科研团队将基因组选择技术平台创建、奶牛重要性状功能基因挖掘、奶牛主要遗传缺陷诊断和亲子关系分子鉴定等成果进行技术集成，建立符合我国奶牛育种实际情况的、以基因组选择为核心的分子育种技术体系。该体系成为我国荷斯坦青年公牛遗传评估的唯一方法。
团队首次提出中国荷斯坦牛综合遗传评估的基因组性能指数（GCPI），研发了以基因组选择为核心的综合性分子育种方案，并在全国实施。“这一指数并不是简单的各项相加，而是综合考虑其权重大小。”张勤补充道。
基因组选择分子育种技术被农业部指定为我国荷斯坦青年公牛的遗传评估方法，自2012年起在全国所有种公牛站推广应用，四年间选择了930头优秀青年公牛在全国使用，至少可获得232.5万头优良后代母牛，大幅提高群体遗传改良速率和生产效益。
公牛选择准确性达到0.67~0.80，较常规选择技术提高了22%；公牛世代间隔由常规育种的6.25年缩短到1.75年；年遗传进展达到0.49遗传标准差，较常规选择技术提高一倍，每头母牛的年产奶量提高225千克；成果应用以来已获经济效益13.35亿元，预计未来5年还将产生经济效益96.12亿元。
下一步，团队希望不断扩大优化参考群，在方法上更加完善，评估的性状也要扩大，在应用范围上更广适。
张沅表示，在世界奶牛育种技术变革时代，抓住机遇，研发我国奶牛基因组选择分子育种技术体系，有利于增强自主培育优秀种公牛的能力，提高群体遗传改良的效率，缩小与发达国家的差距，实现我国奶业的跨越式发展。
