猪育种技术的发展与展望

猪育种理论研究的深入和科学育种技术的不断进步,猪的选种培育已由开始的根据猪表型体况选择,发展到育种值估计、基因型选育和分子育种,猪的育种现已形成一套相对完整的遗传理论体系和选育方案。借助现代生物繁殖技术、现代分子生物技术和先进的计算机信息技术等多种猪育种新技术,能有效利用此前众多的研究成果,使育种精确性和育种效率得到很大的提高,使猪的品种改良迈向新的台阶。

数量遗传学理论在过去的动物育种实践中起到了非常重要的作用。生物技术的应用,特别是精液的冷冻保存技术和体外受精技术,大大提高了畜群的整体遗传水平和育种效…
数量遗传学理论在过去的动物育种实践中起到了非常重要的作用。生物技术的应用,特别是精液的冷冻保存技术和体外受精技术,大大提高了畜群的整体遗传水平和育种效益。分子遗传学的发展使得通过标记辅助选择
直接对基因型进行选择成为可能,动物分子育种正逐步成为21
世纪动物育种的主要方法之一。生物信息学与动物遗传育种的结合,极大地推动了分子育种的发展,成为现代育种不可或缺的部分,尤其是在目前的高通量测序技术中发挥了举足轻重的重要作用。此外,一些先进的检测技术也加快了猪育种工作的进程。
1 数量遗传学与猪育种
数量遗传学是遗传学原理与统计学方法相结合,研究群体数量性状的一门科学,在动物育种实践中起着主导作用。数量遗传学原理应用于育种实践,是在选择时通过提高群体中有利基因的频率,降低不利或有害基因的频率,进而使群体的生产性能得到大幅度提高。它通过提高遗传参数和育种值估计准确性来提高畜禽整体生产性能。数量遗传学包括3
大核心:重复率、遗传力和遗传相关。借助遗传参数可以从表型值估计推断育种值,从而定量化地做出育种决策。
通过数量遗传学的方法与理论开展猪的育种工作,主要包括两个部分的内容:一是猪的遗传参数估计,二是猪的遗传评定。
从统计学上讲,遗传参数的估计可归结为方差或协方差组分估计。目前,随着统计算法的不断更新,遗传参数的估计变得越来越准确。
遗传评定即评估畜禽种用价值的高低,是畜禽育种工作的中心任务。畜禽种用价值的高低是用育种值来衡量的。用于育种值估计的方法概括起来主要有:选择指数法、群体比较法和混合线性模型法。其中混合线性模型法既可以估计模型的固定效应,得到其最佳线性无偏估计值,又能预测随机的遗传效应,得到最佳线性无偏预测值,因此,估计的育种值准确性大大提高。
2 现代动物育种新技术与猪育种
现代分子生物技术的发展,给动物育种带来了新的活力。通过各种现代生物技术的综合应用,结合传统的育种方法,可大大加快育种进展。
2.1 繁殖新技术与猪育种 2.1.1 精液的冷冻保存技术
精液冷冻保存技术,可以使不同国家、地区的优良种公猪的精液便于交流,能将精子存活时间延长至多年,而且通过人工授精技术能大幅度提高优良种公猪的利用率,使优良种公猪获得大量的后代,从而扩大其在畜群遗传改良中的作用。此外,利用精液长期冷冻保存技术,可以更经济可靠地实现家畜遗传资源的保存。而胚胎的冷冻保存和胚胎移植在猪上使用得较少。
2.1.2 人工授精技术
人工授精技术与精液的冷冻保存技术是相互配合的。运用体外授精器械将冷冻保存的精液输入适配母猪的生殖道内,可以做到大规模统一时间的集体配种,而且可以做到精液的公猪来源清楚可控,方便集约化种猪场实施育种工作。
2.2 分子技术与猪育种 2.2.1 分子遗传标记技术 2.2.1.1
基因定位和构建基因图谱

动物基因定位是基因组育种的基石。基因定位的目的是为了研究有重要经济价值的基因。前提是构建能覆盖整个基因组的高分辨完整基因图谱。包括遗传图谱和物理图谱,进而弄清基因组全部核甘酸顺序。遗传图谱表明了种系细胞在减数分裂时基因座位之间发生重组的效率。从而标记出基因间的距离和连锁情况。物理图谱则表明了基因座位在染色体上的具体位置。基因定位的方法目前以家系分析、体细胞杂交和原位杂交为主。
2.2.1.2 数量性状主效基因分析
畜禽中绝大多数有经济意义的性状都是受多基因控制并呈现连续分布的数量性状,蕴藏于基因组DNA
中丰富的遗传标记可以将标记位点和数量性状位点相联系。数量性状主效基因的分析方法有2
种,一是连锁分析,即利用多DNA
标记对参考分离群个体作连锁分析定位;二是候选基因鉴定,即根据生理生化理论鉴别某种功能基因对某数量性状的遗传效应,筛选出对该数量性状有影响的基因和分子标记,并估计其效应值。
2.2.1.3 标记辅助选择 与众多的生长性状相比,猪中已定位的QTL
非常有限,短期内无法了解控制性状的机理,通过与QTL 连锁的DNA
标记评估个体的生产潜力是大多数情况下的育种模式,称为标记辅助选择。MAS
不仅可在生命的早期开始,不必再等待生产性状完全表现,而且突破了限制性状从单性别选择的局限,对于破坏性试验选择的性状,如屠体、抗体性状也不必做昂贵的屠宰和疾病应激试验。因此缩短了世代间隔,提高了选择强度,增加了选择的准确性。
2.2.1.4 杂交优势预测
一般而言,杂交优势与亲本品系间的遗传距离在多数情况下呈正相关,用 DNA
分子标记测定个体及亲本品系间的遗传距离,能辅助选择品系及个体间的杂交优势。部分研究已对此予以证实。刘荣宗等利用20
个RAPD标记测定猪的 4
个组合亲本间遗传距离,检测结果与以往的研究结果一致,反映了各亲本组合的真实遗传关系。但也有研究表明,一些亲缘关系远的组合中遗传与杂交优势的座位在不同组合存在差异,其程度与杂交优势有关基因的连锁关系在不同基因组合中的表现亦不尽相同。因此尚需研究大量的杂交组合,以了解其表现机理,才能有效用于育种实践。
2.2.2 DNA 甲基化 在以往的众多研究中可以得知DNA
甲基化对基因的表达具有重要的调控作用。近几年来随着对于DNA
甲基化研究技术的不断发展,人们对于DNA
甲基化的研究取得了突飞猛进的进展。但是从目前的研究现状来看DNA
甲基化研究集中于医学领域尤其是与人类相关的各种疾病。在中国的期刊网络数据库中约有99%
的DNA 甲基化来自肿瘤疾病的研究并且多集中在对于某一个基因的DNA
甲基化研究上,而来自基因组水平的研究资料很少。因此从全基因组水平深入研究DNA
甲基化在畜禽生命活动中的作用具有重要的生物学意义。
Yang等使用荧光标记的甲基敏感扩增片段多态性方法对莱芜猪不同组织及不同品种猪肌肉组织甲基化程度进行检验,并且通过对不同品种肌肉组织和甲基化程度进行统计检测分析来看在各个品种间的甲基化程度差异显着。通过数据分析发现各品种肌肉组织
DNA
甲基化程度与各品种肌间脂肪含量间不具有相关性。虽然现在没有相关研究证实DNA
甲基化与动物的各种生产性状、屠宰性状有密切联系,但通过已知的信息可以推断出DNA
甲基化可能与动物的遗传育种息息相关,尤其是杂种优势现象。在植物中已经通过对玉米杂交种及其亲本DNA
甲基化比例的研究发现基因组表达活性与DNA
甲基化存在显着负相关。由此认为杂交种DNA
甲基化程度降低可能与杂种优势形成有关。现在已经开始有研究将DNA
甲基化与动物的各种生长及屠宰性状之间进行相关性分析,只是尚未得出具体的结论且现有的研究成果尚不足以阐明DNA
甲基化与杂种优势的具体关系。亲子代间甲基化各种差异类型与杂种优势的关系还有待于进一步的相关研究。
2.2.3 转基因技术与猪育种
转基因育种是指通过转基因的方法,将外源的基因整合到猪的基因组中或者将猪自身的基因敲除或沉默,借此来定向改变猪的性状,以转基因材料进行的育种。转基因技术作为育种技术的优点在于:不但可以打破物种界限导入其他物种的优良基因,也可以通过对物种内现有基因组的“精细手术”,获得依靠自然选择与人工选择无法获得的新基因组合。目前,转基因技术主要用作生物工程手段,作为分子育种技术尚处于探索阶段。但随着国家转基因重大专项的实施,转基因技术将会成为家畜分子育种的重要内容。转基因技术已成功运用于猪,获得了一些转基因猪。1985
年,Hammer
等通过显微注射的方法,将由小鼠MT-1启动子驱动的人生长激素基因注射到猪、羊和兔卵细胞的原核中,该融合基因成功地整合到了猪和兔的基因组上并能正常表达。
我国的转基因猪也已取得了重要成果:1989
年,中国农业大学陈永福与湖北省农科院生物技术研究所合作,将猪生长激素基因转入湖北白猪中,显着提高了生长速度与饲料利用率;湖北省畜牧所与中国农科院兰州兽医所合作,将抗猪瘟病毒基因导入猪中,获得了抗猪瘟的转基因猪;2000
年,郑新民、魏庆信等用显微注射的方法,生产出来能够合成人血清蛋白的转基因猪;2006
年底,东北农业大学刘忠华教授带领的团队研制出中国首只转基因“荧光猪”;2008
年,中国农科院北京畜牧兽医研究所李奎教授等人,继美国之后培育出了转FAT-1
基因的保健猪。这些转基因材料一旦经过生物安全评价就可以作为育种素材进行新品种的培育。目前,我国转基因生物新品种重大专项的启动将进一步推动转基因猪的研究进程。
2.3 生物信息学与猪育种 2.3.1 建立与猪良种繁育相关的基因组数据库
可根据不同物种间的进化距离和功能基因的同源性,比较容易地找到与猪经济性状相关的基因,在此基础上利用相关的DNA
标记,开展分子育种,从而加快育种的进程和速度,按照人们的愿望加以改造。由于猪的经济性状大多都是由微效多基因控制的,在此基础上又存在着主效基因,所以,我们可以利用序列的对比和同源分析,在已有的生物数据库中寻找与猪经济性状相关的主效基因的同源序列区和同源基因,并对其进行定位,从而建立起与猪良种繁育相关的基因组数据库,并以此来改良猪品种。另外,在非编码区域,可在各个基因片段序列的基础上,结合分子遗传标记,对主效基因各个基因片段基因型的差异、等位基因从亲代传递到子代的具体途径和未知信息进行早期检测,从而准确地鉴定出个体间的基因差异可从个体表型、形成原因进行细分,可更有效地分析遗传模型,提高猪遗传评定的准确性及效率。
2.3.2 猪功能组的研究
随着各种畜禽的基因组测序的进行,大量相关的序列数据将会呈现出来,根据“序列一结构一功能”的决定顺序,且在基因组的研究方案中多序列的分析使探究功能的过程有了质的飞跃,所以可对猪基因组序列进行同源识别、序列联配、特征片段检测、建立数据模型、功能位点确定及预测其可能的结构等方法来揭示对应的功能。目前,已在核酸层次上运用DNA
芯片技术和在蛋白质层次上运用二维凝胶电泳及测序质谱技术来进行大规模基因功能表达图谱的建立和分析,从而完善猪功能组的研究。
2.3.3 进一步认识调节猪生长发育的各种机制和途径
由于在不同组织中表达基因的数目差别是很大的,且同一组织在不同的个体生长发育阶段表达基因的种类、数量也是不同的。基因与基因之间、基因与蛋白质之间是一个动态系统的有机组成部分。在不同的生长、发育、分化、疾病等状态中,不同的组织器官内,基因间存在着复杂的相互作用关系,构成一个复杂的时空网络。可通过基因组图谱的分析、同源比较、分子建模或利用DNA
微芯片技术对畜禽生长发育的不同阶段、不同生理状态下有不同表达的基因进行研究,另外,还可从基因组DNA
测序数据中确定编码区,从而进一步揭示调节猪生长发育的各种调控机制和作用途径。
2.3.4 比较基因组学的应用 因为DNA
序列上的差异反映了物种亲缘关系的远近程度,所以完整基因组间的比较研究可在猪的性状选择、筛选杂交组合以及预测杂种优势等方面得到应用。另外,通过比较不同物种基因中DNA
或氨基酸序列的异同可以研究猪的分子进化,同时也可对处于不同进化阶段动物物种的基因组结构和功能进行比较分析,从而弄清猪基因的起源和进化、结构和功能的演变,发现其间的亲缘关系,为猪育种提供科学的参考依据。
2.3.5 建立猪的种质资源数据库
保种的实质是保存现有的畜禽资源的基因库,它的主要任务是要稳定种群的基因频率。由于保种是保存一个品种的完整的基因组,所以可利用生物信息学的方式进行猪各个种群基因组的检测、发掘新的特色基因和建立特色基因文库,在宏观上可建立地理信息系统,而在具体方式上可考虑建立猪种质资源数据库,进一步使保种科学化与合理化,为猪的育种工作提供更多的遗传素材。
2.4 超声波技术与猪育种
测量技术在猪育种中的作用众所周知,其方法的改进和技术的发展往往能推动猪育种的快速发展。最着名的例子是20
世纪60
年代猪屠宰后测量背膘厚度的办法被活体超声波扫描取代,使活体间接选择瘦肉率成为可能,从而带来了巨大的遗传进展和经济效益。几十年来,
超声波技术的发展和应用使得猪的育种工作发生了巨大的变化,取得了惊人的成绩。目前许多国家都开始将超声波的活体测量结果作为判断依据,运用于猪胴体性状和某些肉质性状的遗传改良。
2.4.1 超声波在猪育种中的应用
超声波设备最初应用于人类医学领域,主要分为A 型机和 B
型机。Wild首次作了超声应用的相关报道,认为超声技术具有无损、刺激性小的特点可用于活体动物肌肉和脂肪组织的定量研究。随后在1956—1957
年间,超声仪便已用于测量牛和猪活体的皮下脂肪。目前,猪的育种中A
型机一般用来估计给出的解剖部位的脂肪和肌肉厚度,由于它能降低猪在测定时的应激,从而取代了手术式探尺的测定,但在较深的组织的测定上有其不足。B
型机可以测定不同密度的各种特异性组织,现在用来估计背膘厚度、背最长肌的肌肉厚度、肌肉面积和肌肉周长等。由于它能非常精确地实时给出动物组织图像,称实时超声,实时超声波技术为传统猪的选育工作提供了一种新的方法,它允许在猪活体上进行无损测定,而且花费较小。目前其测量精度可达到
1.5 mm,所需时间仅为1 ~ 2
s。现在常用来进行猪活体的背膘厚、眼肌深度、眼肌面积的测定。 2.4.2
超声用于猪活体膘厚和眼肌面积的测定

测定活体膘厚和眼肌面积,在猪育种工作中是很重要的,在猪的遗传育种和性能鉴定上作为2
项重要的指标参数而深受重视。超声技术测定猪活体的背膘厚度和眼肌厚度或面积已广泛应用于遗传改良。Wilson
和Gresham 等利用B 超测定猪活体的背膘厚,取得了很好的效果。 2.4.3
超声用于猪活体肌内脂肪的估测

实时超声波活体预测家畜的肌内脂肪含量在国内外也在研究之中,但目前在这方面的研究主要集中在牛上。而实时超声波活体预测种猪的肌内脂肪的研究报道主要来至国外,其方法也大都借鉴预测牛肌内脂肪的方法。超声波用于猪肌内脂肪含量的选择计划,最初是1998
年在美国爱荷华州立大学的贝尔斯兰蒂纪念种猪场开始的,他们通过采用实时超声仪采集杜洛克猪的超声图象来估测肌内脂肪含量,以此为依据进行选择,经过3
个世代的选择后,共屠宰217 头对照系和182
头选择系,结果表明选择系猪比对照系猪的IMF 要高,分别为3.94%
和3.40%,选择系该性状的平均育种值比对照系高
0.83%,取得了较好的效果。此后,这方面的研究才逐步发展起来。Newcom
等的研究结果表明,运用实时超声估测活体猪肌内脂肪含量是可行的。 3
展望
由于多个物种的测序完成和 SNP
芯片的出现,一种新的选择方法——全基因组选择在
2001年被提出。全基因组选择是指使用覆盖全基因组上的标记来进行选择,与之前的
MAS
相比,不依赖于对性状影响较大的标记的数目,并能对多个性状进行同时选择,提高了选择的准确性。通常,全基因组选择的方法有两步,首先是通过对资源群体进行全基因组的
SNP
芯片扫描和各个性状表型值的测定统计,估计出基因组不同组分对目标性状的影响程度,并构建出育种值的预测模型;然后根据育种群体中多SNP、单倍型、单倍型域、染色体区段等综合构成的全基因组基因型信息进行估计,得到个体的基因组估计育种值,然后依据GEBV
进行选种。由于全基因组选择利用的信息量最大,选择的准确性将极大地提升,这将是今后猪分子育种的主要发展方向。
将数量遗传学的方法和现代动物育种新技术相结合,运用先进的检测技术,将极大地促进猪育种工作的开展,使育种效果得到显着提高。

数量遗传学理论在过去的动物育种实践中起到了非常重要的作用。生物技术的应用,特别是精液的冷冻保存技术和体外受精技术,大大提高了畜群的整体遗传水平和育种效益。分子遗传学的发展使得通过标记辅助选择
直接对基因型进行选择成为可能,动物分子育种正逐步成为21
世纪动物育种的主要方法之一。生物信息学与动物遗传育种的结合,极大地推动了分子育种的发展,成为现代育种不可或缺的部分,尤其是在目前的高通量测序技术中发挥了举足轻重的重要作用。此外,一些先进的检测技术也加快了猪育种工作的进程。

1、分子育种技术

1 数量遗传学与猪育种

分子遗传学和分子数量遗传学是现代分子育种技术发展的基础,其很大程度上加快了猪育种进度。20世纪80年代以来,分子生物学、分子遗传学理论研究的深入,使以DNA分子标记为核心的各种分子生物技术得到了空前的发展。分子育种上取得的成绩,让人们看到分子育种技术将是未来猪育种主要的发展趋势。分子育种技术的运用,对于加快猪种改良,生产出更为绿色、安全、健康的猪肉产品影响深远。

数量遗传学是遗传学原理与统计学方法相结合,研究群体数量性状的一门科学,在动物育种实践中起着主导作用。数量遗传学原理应用于育种实践,是在选择时通过提高群体中有利基因的频率,降低不利或有害基因的频率,进而使群体的生产性能得到大幅度提高。它通过提高遗传参数和育种值估计准确性来提高畜禽整体生产性能。数量遗传学包括3
大核心:重复率、遗传力和遗传相关。借助遗传参数可以从表型值估计推断育种值,从而定量化地做出育种决策。

1.1 猪基因图谱构建

通过数量遗传学的方法与理论开展猪的育种工作,主要包括两个部分的内容:一是猪的遗传参数估计,二是猪的遗传评定。

基因定位是基因组育种的基础,是研究猪重要经济价值基因的重要技术。完成基因定位的前提条件是要构建能覆盖整个基因组的高分辨完整基因的遗传图谱、物理图谱,从而明晰整个基因组的所有核甘酸顺序。构建猪基因图谱资金投入较高,多肽性信息和精确度都较低,无形中增加了猪育种成本和降低了育种精度。我国在20世纪末启动了家猪基因组计划,成功构建了猪的基因图谱,近年来基因定位研究成果显著,使猪基因图谱日益丰满,给猪育种进行数量性状位点(QTL)连锁分析奠定了基础。

从统计学上讲,遗传参数的估计可归结为方差或协方差组分估计。目前,随着统计算法的不断更新,遗传参数的估计变得越来越准确。

1.2 经济性状主效基因分析

遗传评定即评估畜禽种用价值的高低,是畜禽育种工作的中心任务。畜禽种用价值的高低是用育种值来衡量的。用于育种值估计的方法概括起来主要有:选择指数法、群体比较法和混合线性模型法。其中混合线性模型法既可以估计模型的固定效应,得到其最佳线性无偏估计值,又能预测随机的遗传效应,得到最佳线性无偏预测值,因此,估计的育种值准确性大大提高。

猪大部分具有有经济价值的性状都是受微效多基因控制并呈现连续性变异分布的数量性状,单个基因位点的变化不能使表型有明显的改善,其主效基因对于性状的表达起着关键性作用,对控制性状的主效基因分析是猪育种过程中的重要步骤。猪数量性状在遗传上表现的较为复杂,其表现型亦难以准确鉴定,这造成了基因定位与实际猪育种的脱节。采用数量性状主效基因连锁分析和候选基因鉴定,利用DNA标记对参考分离群个体作连锁分析定位以及根据生理生化理论鉴别某种功能基因对某数量性状的遗传效应,筛选出对该数量性状有影响的基因和分子标记,从而估计出其效应值,这为猪育种提供了有效的理论支持。

2 现代动物育种新技术与猪育种

1.3 分子标记辅助选择

现代分子生物技术的发展,给动物育种带来了新的活力。通过各种现代生物技术的综合应用,结合传统的育种方法,可大大加快育种进展。

分子标记辅助选择(MAS)就是利用传统常规育种与现代分子生物技术相结合的方式,对特定主效基因或数量性状基因座位在遗传标记辅助下区分其基因型,并在此基础上应用于猪的育种实践过程中。在猪育种选择中,对遗传力较低、测量花费较高、在发育早期表型值难以测定的性状,可采用分子标记辅助选择。此种选择方法,环境对其影响较弱,而且没有性别以及年龄的要求,故而可进行早期选择,缩短世代间隔,提高选择强度,进而提高猪育种选择效率和准确性。

2.1 繁殖新技术与猪育种

1.4 性状杂种优势预测

2.1.1 精液的冷冻保存技术

杂种优势作为一种现象存在已久,在我国古人就利用杂种优势原理育成了骡子。随着时间的推移,杂种优势得到了广泛的应用,杂种优势的利用是提高家畜生产水平的一个重要手段,而对杂种优势的预测则是利用杂种优势的关键环节。传统的杂种优势预测方法耗费的人力、物力、财力较高,使其利用受到了限制。科技大发展的快速发展,遗传距离分析逐渐进入育种工作者的视野,为此杂种优势预测发展进入了新的阶段。杂种优势预测过程复杂,需要考虑基因和环境的影响,在计算遗传距离时,应扩大遗传标记范围,将有助于提高猪杂种优势预测效率。

精液冷冻保存技术,可以使不同国家、地区的优良种公猪的精液便于交流,能将精子存活时间延长至多年,而且通过人工授精技术能大幅度提高优良种公猪的利用率,使优良种公猪获得大量的后代,从而扩大其在畜群遗传改良中的作用。此外,利用精液长期冷冻保存技术,可以更经济可靠地实现家畜遗传资源的保存。而胚胎的冷冻保存和胚胎移植在猪上使用得较少。

1.5 DNA甲基化

2.1.2 人工授精技术

DNA甲基化对基因的表达具有重要的调控作用。现还没有相关研究证实DNA甲基化与猪的各种生产性状、屠宰性状有密切联系,通过已知的信息可以推断出DNA甲基化可能与猪的遗传育种密切相关,尤其是杂种优势现象。现在已开始有研究将DNA甲基化与动物的各种生长及屠宰性状之间进行相关性分析,只是尚未得出具体的结论且现有的研究成果尚不足以阐明DNA甲基化与杂种优势的具体关系,为此DNA甲基化在猪育种上还处于探索阶段,距离实际的应用还需一段时日。

人工授精技术与精液的冷冻保存技术是相互配合的。运用体外授精器械将冷冻保存的精液输入适配母猪的生殖道内,可以做到大规模统一时间的集体配种,而且可以做到精液的公猪来源清楚可控,方便集约化种猪场实施育种工作。

1.6 基因组选择

2.2 分子技术与猪育种

分子标记辅助选择(MAS)的发展,其弊端逐渐显露,为了避免其带来的不良影响,基因组选择技术逐渐被人们所利用。目前基因组选择在猪育种中应用仍处于初始阶段,它具有加快猪遗传改良速率的潜在能力,尤其是当常规BLUP选择困难的性状,这种优势表现得更加明显。随着高通量测序技术与芯片技术的日益成熟,基因组选择将会在不久的将来在猪育种产业中真正实施。

2.2.1 分子遗传标记技术

1.7 克隆猪技术

2.2.1.1 基因定位和构建基因图谱

克隆羊多莉的诞生证明了已分化的动物细胞仍具有全能性。在适宜的条件下,基因组通过重新组织就可发育成新的个体,这对于发育生物学、遗传学理论的深入发展产生重大影响。实际生产猪育种中运用克隆技术还处于初期阶段,目前成规模的应用克隆猪的是广东省和北京市两地广东温氏集团,现有克隆猪数量已近百头用于改良种猪质量,北京市畜牧兽医总站在两年间成功克隆出头种公猪并利用人工授精技术来扩大优秀公猪的种用价值。克隆技术成本较高、成功率低、而且克隆出的动物易出现早衰、但在猪育种上所蕴含的潜力巨大。

动物基因定位是基因组育种的基石。基因定位的目的是为了研究有重要经济价值的基因。前提是构建能覆盖整个基因组的高分辨完整基因图谱。包括遗传图谱和物理图谱,进而弄清基因组全部核甘酸顺序。遗传图谱表明了种系细胞在减数分裂时基因座位之间发生重组的效率。从而标记出基因间的距离和连锁情况。物理图谱则表明了基因座位在染色体上的具体位置。基因定位的方法目前以家系分析、体细胞杂交和原位杂交为主。

1.8 转基因技术

2.2.1.2 数量性状主效基因分析

转基因育种是将外源基因导入猪受精卵内组成一个新的融合基因,使其在猪体内整合并表达,借此来定向改变猪的性状表达。现猪育种中可转移与生长有直接关系的基因、与抗病有关的基因、在乳腺表达的基因、在血液表达的等基因。转基因猪育种可克服生殖隔离的障碍,在较短时期内培育出利用常规育种方法不能育成的猪品种,从而加快猪品种改良进程,提高选择效率。同时其技术要求高、生产成本高、转化效率低、转基因猪出现不育以及死亡率高、难以传代也致使其无法大规模生产。同时转基因猪携带有外源基因进入生态系统,是否对生态基因库造成污染,威胁人体及环境安全尚处于研究探索阶段。

畜禽中绝大多数有经济意义的性状都是受多基因控制并呈现连续分布的数量性状,蕴藏于基因组DNA
中丰富的遗传标记可以将标记位点和数量性状位点相联系。数量性状主效基因的分析方法有2
种,一是连锁分析,即利用多DNA
标记对参考分离群个体作连锁分析定位;二是候选基因鉴定,即根据生理生化理论鉴别某种功能基因对某数量性状的遗传效应,筛选出对该数量性状有影响的基因和分子标记,并估计其效应值。

1.9 多基因聚合

2.2.1.3 标记辅助选择

多基因聚合育种是在不同基因型个体间的杂交,再在分离世代中通过分子标记选择多个目标基因座上均为优良纯合基因型的个体,从而选出性状表现优良的个体,实现优良基因聚合的一种育种方法。多基因聚合在植物育种中已经取得成功,而在猪育种中还没有其成功的报道,植物成功的案例可为我们为猪育种提供很多有益经验。现代多种科学技术的发展,未来在猪育种中利用各种优良基因的聚合,选育出优质猪品种将会成为现实。

与众多的生长性状相比,猪中已定位的QTL
非常有限,短期内无法了解控制性状的机理,通过与QTL 连锁的DNA
标记评估个体的生产潜力是大多数情况下的育种模式,称为标记辅助选择。MAS
不仅可在生命的早期开始,不必再等待生产性状完全表现,而且突破了限制性状从单性别选择的局限,对于破坏性试验选择的性状,如屠体、抗体性状也不必做昂贵的屠宰和疾病应激试验。因此缩短了世代间隔,提高了选择强度,增加了选择的准确性。

2、繁殖育种技术

2.2.1.4 杂交优势预测

2.1 精液的冷冻保存

一般而言,杂交优势与亲本品系间的遗传距离在多数情况下呈正相关,用 DNA
分子标记测定个体及亲本品系间的遗传距离,能辅助选择品系及个体间的杂交优势。部分研究已对此予以证实。刘荣宗等利用20
个RAPD(随机扩增多态性DNA)标记测定猪的 4
个组合亲本间遗传距离,检测结果与以往的研究结果一致,反映了各亲本组合的真实遗传关系。但也有研究表明,一些亲缘关系远的组合中遗传与杂交优势的座位在不同组合存在差异,其程度与杂交优势有关基因的连锁关系在不同基因组合中的表现亦不尽相同。因此尚需研究大量的杂交组合,以了解其表现机理,才能有效用于育种实践。

精液冷冻保存技术的发现,使不同地域,不同国度的品种优良的种公猪的精液之间的交流变得方便。同时精子保存时间的延长,配套利用人工授精技术大幅度提高了优良种公猪精子利用率,从而获得了数量可观的种公猪后代,扩大了其在猪在畜群遗传改良中的作用。冷冻保存的猪精液解冻条件苛刻,其受胎率和产活仔数都要低于本交和鲜精,一直制约着猪精液冷冻保存的推广,全世界范围内对其在猪上的应用率普遍偏低,各种新的人工授精技术的发展以及在猪上的应用,给猪的精液冷冻保存发展带来了曙光。

2.2.2 DNA 甲基化

2.2 人工授精

在以往的众多研究中可以得知DNA
甲基化对基因的表达具有重要的调控作用。近几年来随着对于DNA
甲基化研究技术的不断发展,人们对于DNA
甲基化的研究取得了突飞猛进的进展。但是从目前的研究现状来看DNA
甲基化研究集中于医学领域尤其是与人类相关的各种疾病。在中国的期刊网络数据库中约有99%
的DNA 甲基化来自肿瘤疾病的研究并且多集中在对于某一个基因的DNA
甲基化研究上,而来自基因组水平的研究资料很少。因此从全基因组水平深入研究DNA
甲基化在畜禽生命活动中的作用具有重要的生物学意义。

人工授精技术与精液的冷冻保存技术是相互配合,相互辅助配套使用的。利用人工授精器械将精液输入适配母猪的生殖道内,可实现大规模数量的适配母猪个体在特定时间里面统一配种,便于现代化猪育种场的管理,降低育种成本。而且单头优良种公猪提供的精液可供配超过本交数百倍的母猪,有效提高了猪精液的使用效率,充分发挥了优秀种公猪的效能,使得优良种猪遗传基因的遗传扩大,提高了其后代的生产性能,加速了猪品种的改良步伐。现代规模化养猪场均采用人工授精技术,子宫颈后、子宫深部和腹腔镜等新的授精方式的发展,提高了母猪受胎率和繁殖率,非常适合商业化育种,未来应用前景广阔。

Yang等使用荧光标记的甲基敏感扩增片段多态性方法(F-MSAP
方法)对莱芜猪不同组织及不同品种猪肌肉组织甲基化程度进行检验,并且通过对不同品种肌肉组织和甲基化程度进行统计检测分析来看在各个品种间的甲基化程度差异显著。通过数据分析发现各品种肌肉组织
DNA
甲基化程度与各品种肌间脂肪含量间不具有相关性。虽然现在没有相关研究证实DNA
甲基化与动物的各种生产性状、屠宰性状有密切联系,但通过已知的信息可以推断出DNA
甲基化可能与动物的遗传育种息息相关,尤其是杂种优势现象。在植物中已经通过对玉米杂交种及其亲本DNA
甲基化比例的研究发现基因组表达活性与DNA
甲基化存在显著负相关。由此认为杂交种DNA
甲基化程度降低可能与杂种优势形成有关。现在已经开始有研究将DNA
甲基化与动物的各种生长及屠宰性状之间进行相关性分析,只是尚未得出具体的结论且现有的研究成果尚不足以阐明DNA
甲基化与杂种优势的具体关系。亲子代间甲基化各种差异类型与杂种优势的关系还有待于进一步的相关研究。

2.3 性别控制

2.2.3 转基因技术与猪育种

现代猪育种生产中用到的性别控制技术主要是受精前性别控制和受精后性别控制。前者是通过体外精子分离技术,使带有特定性染色体的精子(精子X或Y)与卵子受精而产生,从而控制后代的性别。后者则是对受精后的胚胎进行性别鉴定,已达到控制猪只性别的目的。性别控制的应用可有效减少猪性连锁遗传病的发病率,也可按照育种要求配套系种猪场里母系多产母猪、父系多产公猪,这极大的加快了猪育种过程中对特定性别猪选择的进程,这对猪育种极具重要意义。

转基因育种是指通过转基因的方法,将外源的基因整合到猪的基因组中或者将猪自身的基因敲除或沉默,借此来定向改变猪的性状,以转基因材料进行的育种。转基因技术作为育种技术的优点在于:不但可以打破物种界限导入其他物种的优良基因,也可以通过对物种内现有基因组的“精细手术”,获得依靠自然选择与人工选择无法获得的新基因组合。目前,转基因技术主要用作生物工程手段,作为分子育种技术尚处于探索阶段。但随着国家转基因重大专项的实施,转基因技术将会成为家畜分子育种的重要内容。转基因技术已成功运用于猪,获得了一些转基因猪。1985
年,Hammer
等通过显微注射的方法,将由小鼠MT-1启动子驱动的人生长激素基因注射到猪、羊和兔卵细胞的原核中,该融合基因成功地整合到了猪和兔的基因组上并能正常表达。

3、计算机育种技术

我国的转基因猪也已取得了重要成果:1989
年,中国农业大学陈永福与湖北省农科院生物技术研究所合作,将猪生长激素基因转入湖北白猪中,显著提高了生长速度与饲料利用率;湖北省畜牧所与中国农科院兰州兽医所合作,将抗猪瘟病毒基因导入猪中,获得了抗猪瘟的转基因猪;2000
年,郑新民、魏庆信等用显微注射的方法,生产出来能够合成人血清蛋白的转基因猪;2006
年底,东北农业大学刘忠华教授带领的团队研制出中国首只转基因“荧光猪”;2008
年,中国农科院北京畜牧兽医研究所李奎教授等人,继美国之后培育出了转FAT-1
基因的保健猪。这些转基因材料一旦经过生物安全评价就可以作为育种素材进行新品种的培育。目前,我国转基因生物新品种重大专项的启动将进一步推动转基因猪的研究进程。

养猪业已逐渐离不开计算机技术的支持,计算机与信息技术的结合使现代遗传学理论得以用于猪育种中。计算机网络技术的运用实现了种猪性能测定数据和遗传评估结果的及时可靠的传递,不同地域已不再是全国性联合育种的障碍,实现了特别是种公猪的跨场选择和优秀猪遗传资源的共享。大量的测定数据是现代猪育种的核心,先进的统计分析方法得以应用到猪育种中,使猪育种资源得到最佳配制,促进猪育种快速进步。

2.3 生物信息学与猪育种

3.1 遗传评估

2.3.1 建立与猪良种繁育相关的基因组数据库

选种环节是猪育种工作中的重要部分,正确的选种要基于对猪遗传素质的准确评定。畜禽遗传评估的理论和方法在过去的几十年中取得了快速的发展,尤其是在奶牛的育种中得到了很好的运用,现经过多年的发展,奶牛上的育种评估方法已成为猪遗传评估的标准方法,并且在猪育种中取得了很好的成效。猪的遗传评估可在任何时候进行,只是在不同时间,由于信息源与量的不同,会使评估结果出现一定的差异性。

可根据不同物种间的进化距离和功能基因的同源性,比较容易地找到与猪经济性状相关的基因,在此基础上利用相关的DNA
标记,开展分子育种,从而加快育种的进程和速度,按照人们的愿望加以改造。由于猪的经济性状大多都是由微效多基因控制的,在此基础上又存在着主效基因,所以,我们可以利用序列的对比和同源分析,在已有的生物数据库中寻找与猪经济性状相关的主效基因的同源序列区和同源基因,并对其进行定位,从而建立起与猪良种繁育相关的基因组数据库,并以此来改良猪品种。另外,在非编码区域,可在各个基因片段序列的基础上,结合分子遗传标记,对主效基因各个基因片段基因型的差异、等位基因从亲代传递到子代的具体途径和未知信息进行早期检测,从而准确地鉴定出个体间的基因差异可从个体表型、形成原因进行细分,可更有效地分析遗传模型,提高猪遗传评定的准确性及效率。

3.2 育种值估计

2.3.2 猪功能组的研究

个体育种值估计是猪育种工作中的核心内容之一,科学的选择可以获得最大的遗传进展,但是育种值不能够直接度量的到,只能利用统计分析方法,通过表型值和个体间的亲属关系来对育种值进行估计。猪的育种过程中,各种生产数据收集的都是表型值,育种值选种要比表型值选种更具有说服力,这是因为育种值中即没有不遗传的环境效应,也没有可以遗传但不易固定的显性和上位效应,它反映的是可以遗传而且能够被固定的基因加性效应部分。未来世界会呈现多元化发展态势,猪育种值估计也要与时俱进,综合利用系谱、表型和遗传标记信息进行更为准确的估计,为猪育种科学的更好发展,也为我国养猪业的崛起提供强有力的工具。

随着各种畜禽的基因组测序的进行,大量相关的序列数据将会呈现出来,根据“序列一结构一功能”的决定顺序,且在基因组的研究方案中多序列的分析使探究功能的过程有了质的飞跃,所以可对猪基因组序列进行同源识别、序列联配、特征片段检测、建立数据模型、功能位点确定及预测其可能的结构等方法来揭示对应的功能。目前,已在核酸层次上运用DNA
芯片技术和在蛋白质层次上运用二维凝胶电泳及测序质谱技术来进行大规模基因功能表达图谱的建立和分析,从而完善猪功能组的研究。

3.3 计算机图象分析

2.3.3 进一步认识调节猪生长发育的各种机制和途径

计算机图象分析系统和图文数据库的建立,使育种数据、种质资源、形态特征、生态环境等与猪育种有关的数和形联系起来,从群体行为到染色体组型都可以通过图象进行充分地观察和度量,从而可以从宏观和微观两方面提高育种效果。在猪的育种生产中,利用计算机图像分析B超活体测定的背部厚度以及眼肌面积,其测定可不必等屠宰后进行测定,降低了测定费用,加大了选择强度,提高了选种的准确性,采用核磁共振及计算机图像技术,可在活体上测量系水力、肌内脂肪含量等肉质性状,加快这些性状的遗传改良。

由于在不同组织中表达基因的数目差别是很大的,且同一组织在不同的个体生长发育阶段表达基因的种类、数量也是不同的。基因与基因之间、基因与蛋白质之间是一个动态系统的有机组成部分。在不同的生长、发育、分化、疾病等状态中,不同的组织器官内,基因间存在着复杂的相互作用关系,构成一个复杂的时空网络。可通过基因组图谱的分析、同源比较、分子建模或利用DNA
微芯片技术对畜禽生长发育的不同阶段、不同生理状态下有不同表达的基因进行研究,另外,还可从基因组DNA
测序数据中确定编码区,从而进一步揭示调节猪生长发育的各种调控机制和作用途径。

4、生物信息育种技术

2.3.4 比较基因组学的应用

4.1 猪基因组数据库

因为DNA
序列上的差异反映了物种亲缘关系的远近程度,所以完整基因组间的比较研究可在猪的性状选择、筛选杂交组合以及预测杂种优势等方面得到应用。另外,通过比较不同物种基因中DNA
或氨基酸序列的异同可以研究猪的分子进化,同时也可对处于不同进化阶段动物物种的基因组结构和功能进行比较分析,从而弄清猪基因的起源和进化、结构和功能的演变,发现其间的亲缘关系,为猪育种提供科学的参考依据。

猪的经济性状大多都是由微效多基因控制的数量性状,除微效多基因还存在着控制性状的主效基因。由于不同物种间的进化距离和功能基因具有同源性,可以利用序列的对比和同源分析,在现有的生物数据库中寻找与猪经济性状相关的主效基因的同源序列区和同源基因,并对其进行检测、定位以及挖掘,从而建立特色基因文库,这可为猪的育种工作提供更多的遗传素材资源。建立起来的猪基因组数据库,可以用来改良猪品种,开展猪分子育种,加快猪育种的进程。

2.3.5 建立猪的种质资源数据库

4.2 基因组比较

保种的实质是保存现有的畜禽资源的基因库,它的主要任务是要稳定种群的基因频率。由于保种是保存一个品种的完整的基因组,所以可利用生物信息学的方式进行猪各个种群基因组的检测、发掘新的特色基因和建立特色基因文库,在宏观上可建立地理信息系统,而在具体方式上可考虑建立猪种质资源数据库,进一步使保种科学化与合理化,为猪的育种工作提供更多的遗传素材。

基因序列上的差别可反映物种间亲缘关系的远近程度,故而完整基因组间的比对研究可为猪在性状选择、筛选最优杂交组合以及杂种优势预测等诸多方面提供帮助。另外还可以比较不同猪种基因中DNA或氨基酸序列的差异性以及不同进化阶段猪种的基因组结构和功能的差别,进而来研究猪的分子进化,搞清楚猪基因的起源和进化、结构和功能的演变过程,发现其之间的亲缘关系,为猪育种提供科学的参考依据和理论基础。

2.4 超声波技术与猪育种

5、系统工程育种技术

测量技术在猪育种中的作用众所周知,其方法的改进和技术的发展往往能推动猪育种的快速发展。最著名的例子是20
世纪60
年代猪屠宰后测量背膘厚度的办法被活体超声波扫描取代,使活体间接选择瘦肉率成为可能,从而带来了巨大的遗传进展和经济效益。几十年来,
超声波技术的发展和应用使得猪的育种工作发生了巨大的变化,取得了惊人的成绩。目前许多国家都开始将超声波的活体测量结果作为判断依据,运用于猪胴体性状和某些肉质性状的遗传改良。

现代科学技术的发展,呈现出既高度分化又高度综合的两种明显趋势。一方面是已有学科不断分化越分越细,新学科、新领域不断产生;另一方面是不同学科、不同领域之间相互交叉、结合与融合,向综合性整体化的方向发展,这两者是相辅相成、相互促进的。最佳猪育种方案的产生就是数量遗传学与系统工程相结合的结果。在猪的育种方案优化过程中,要以生物学和经济学实现目标为出发点,以猪的繁殖生产力、生长发育状况、屠宰胴体肉品质等为目标改良性状,加之考虑核心群的规模、猪群结构、猪种利用年限、选择方法、饲养工艺等影响因子。经过对性状边际效益的计算以及各目标性状经济权重的分析,利用数学模型进行投入产出分析计算,最后确定既能加快育种进程,又能实现最大的经济效益的育种方案。猪育种是一个复杂的过程,其需运用到多方面的知识,系统工程育种是其发展过程中的必然选择,各种技术间的相互协助,相互弥补、相互融合,才能好育种,育好种,是实现其猪种改良目标的重要技术。

2.4.1 超声波在猪育种中的应用

6、小结

超声波设备最初应用于人类医学领域,主要分为A 型机和 B
型机。Wild首次作了超声应用的相关报道,认为超声技术具有无损、刺激性小的特点可用于活体动物肌肉和脂肪组织的定量研究。随后在1956—1957
年间,超声仪便已用于测量牛和猪活体的皮下脂肪。目前,猪的育种中A
型机一般用来估计给出的解剖部位的脂肪和肌肉厚度,由于它能降低猪在测定时的应激,从而取代了手术式探尺的测定,但在较深的组织的测定上有其不足。B
型机可以测定不同密度的各种特异性组织,现在用来估计背膘厚度、背最长肌的肌肉厚度、肌肉面积和肌肉周长等。由于它能非常精确地实时给出动物组织图像,称实时超声,实时超声波技术为传统猪的选育工作提供了一种新的方法,它允许在猪活体上进行无损测定,而且花费较小。目前其测量精度可达到
1.5 mm,所需时间仅为1 ~ 2
s。现在常用来进行猪活体的背膘厚、眼肌深度、眼肌面积的测定。

传统育种需要周期长、耗费的人力、物力、财力大,从而制约了育种进程,现代育种技术为猪加快猪的育种进程提供了一个非常好的平台。无论是选择传统的表型选择,还是选择利用分子育种,计算机育种、生物信息育种、繁殖育种、系统工程育种,其都有自身的局限性。科学技术发展迅猛的今天,各种学科技术的交融,利用单育种技术难以完成浩繁复杂的猪育种工作,各种技术的相互辅助、相互配合、相互融合成为育种工作的趋势。未来综合提高猪的生产性能、肉产品品质、促进健康环保养殖、节能高效养殖将成为猪育种的方向,分子育种将会是育种的主要手段。目前建立的猪基因组生物信息数据库将成为育种的主要遗传资源来源,利用较为发达的分子生物技术,通过分子标记、检测、筛选、预测等过程,从而优化选择出最佳的育种方案。猪育种技术的日渐成熟,其应用难度和成本也逐渐降低,多种技术的综合应用将会使猪育种发展到一个新的高度。现如今人们在基因层面以及相关方面不断的探索,丰富基因遗传资源的研究深入,其可为育种工作提供高效的便捷条件。我国猪种资源得天独厚,猪育种有很强的后发优势,猪育种工作应立足于长远,充分把握时代发展的有利时机,整合优势资源,利用育种新技术结合传统育种方法,挖掘猪种遗传资源优势,培育出符合时代要求的猪新品种。

2.4.2 超声用于猪活体膘厚和眼肌面积的测定

测定活体膘厚和眼肌面积,在猪育种工作中是很重要的,在猪的遗传育种和性能鉴定上作为2
项重要的指标参数而深受重视。超声技术测定猪活体的背膘厚度和眼肌厚度或面积已广泛应用于遗传改良。Wilson
和Gresham 等利用B 超测定猪活体的背膘厚,取得了很好的效果。

2.4.3 超声用于猪活体肌内脂肪的估测

实时超声波活体预测家畜的肌内脂肪含量在国内外也在研究之中,但目前在这方面的研究主要集中在牛上。而实时超声波活体预测种猪的肌内脂肪的研究报道主要来至国外,其方法也大都借鉴预测牛肌内脂肪的方法。超声波用于猪肌内脂肪含量的选择计划,最初是1998
年在美国爱荷华州立大学的贝尔斯兰蒂纪念种猪场开始的,他们通过采用实时超声仪采集杜洛克猪的超声图象来估测肌内脂肪含量,以此为依据进行选择,经过3
个世代的选择后,共屠宰217 头对照系和182
头选择系,结果表明选择系猪比对照系猪的IMF 要高,分别为3.94%
和3.40%,选择系该性状的平均育种值比对照系高
0.83%,取得了较好的效果。此后,这方面的研究才逐步发展起来。Newcom
等的研究结果表明,运用实时超声估测活体猪肌内脂肪含量是可行的。

3 展望

由于多个物种的测序完成和 SNP
芯片(单核苷酸多态性芯片)的出现,一种新的选择方法——全基因组选择在
2001年被提出。全基因组选择是指使用覆盖全基因组上的标记来进行选择,与之前的
MAS
相比,不依赖于对性状影响较大的标记的数目,并能对多个性状进行同时选择,提高了选择的准确性。通常,全基因组选择的方法有两步,首先是通过对资源群体进行全基因组的
SNP
芯片扫描和各个性状表型值的测定统计,估计出基因组不同组分对目标性状的影响程度,并构建出育种值的预测模型;然后根据育种群体中多SNP、单倍型、单倍型域、染色体区段等综合构成的全基因组基因型信息进行估计,得到个体的基因组估计育种值,然后依据GEBV
进行选种。由于全基因组选择利用的信息量最大,选择的准确性将极大地提升,这将是今后猪分子育种的主要发展方向。

将数量遗传学的方法和现代动物育种新技术相结合,运用先进的检测技术,将极大地促进猪育种工作的开展,使育种效果得到显著提高。

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