现代猪育种新技术和应用策略

【摘要】生物技术的发展对猪育种的影响是广泛和深远的，对猪重要经济性状的QTL检测与定位、标记辅助选择、标记辅助导入、杂种优势预测和利用等，在目前猪育种中已呈现出良好的应用前景。从国际猪育种发展趋势可以看到，猪遗传育种研究已进入一个新的阶段，需要在个体基因型大规模识别基础上，综合利用个体和亲属各种表型和基因型信息进行个体遗传评估，利用一些优良个体通过人工授精实现跨场间使用，建立场间遗传联系、实现资源共享的区域性联合育种，有条件的大型种猪企业将成为龙头种猪育种公司。我国已加入WTO，需要充分利用宝贵猪种遗传资源，明确未来的猪育种目标，快速培育适合我国国情、具有特点的新品系和配套系，在激烈的国际种猪市场竞争中保持我国养猪大国的一席之地。

   【关键词】 猪育种、生物技术、分子遗传、联合育种
   

    21世纪将是生物科学的黄金发展时期，以人基因组测序结束进入后基因组时代和体细胞克隆为标志，已经向人类展示了生物技术的魅力，人类将最终解读生命奥秘的天书。随着包括生物技术在内的相关科学技术发展，对猪遗传育种也产生了深远的影响，将导致从猪育种目标、选择性状、遗传评估方法和整个繁育体系的变化，能够更加高效率地按照人类意志定向改变猪生产类型、提高生产效率。
    从20世纪90年代起，分子遗传标记研究迅速发展，2000年人类基因组框架图构建完成，大大带动了猪基因组计划研究的进展。随着与猪重要经济性状相关的一些主基因及数量性状位点（QTL）的发现和定位，猪育种开始进入分子育种与常规育种技术融合使用的新时期。目前最有应用价值的方法就是分子标记辅助育种，即将现代分子育种与遗传评估相结合，提高育种效率。
    迄今为止猪育种的主要方法仍然是数量遗传学方法，基础是数量性状方差组分估计和育种值估计，主效基因和QTL的提出是对数量遗传学的重大发展，通过主效基因和QTL的检测，运用适当的遗传评估模型结合标记信息进行基因型选择，提高选种的准确性。将现代分子遗传学技术与传统数量遗传学结合在一起，形成了分子数量遗传学这一交*学科，以它为理论基础的分子育种（Molecular Breeding）成为新世纪猪育种的重要方法，以基因组分析和转基因动物技术为基础的分子育种将在猪遗传育种中发挥越来越大的作用。分子育种将是未来动物育种的重要方法，但数量遗传学方法在相当长的时期内仍是动物育种的主要方法，分子育种需要依*数量遗传学方法才能充分发挥作用。

    一、猪育种目标
    在20世纪猪的育种目标经历了从脂肪型到瘦肉型的转变，从纯种培育到专门化品系和配套系培育的转变。育种目标考虑的两个主要方面：一是提高种群生产性能的遗传潜力，二是如何最大可能地实现这些遗传潜力。从降低养猪生产成本、提高产品数量和质量的商业角度考虑，目前猪育种的主要目标仍是提高生长速度、繁殖性能、产肉量及适应性。
    近年来随着对人类需求的变化、猪育种的进展、以及相关技术的进步，实际的猪育种目标也不断地变化。以国际上一些大育种公司为例，在1990年以前的猪育种目标主要考虑三个性状，即瘦肉率（在总目标中占的比例为48%）、饲料效率（37%）和生长速度（15%），能够实现的年度选择强度为1.0。在1991～1995年期间除考虑这三个性状外，纳入了产仔数，相对比重调整为35%、30%、16%和19%，实现的年度选择强度提高到1.14。到1996～2000年期间又增加了肉质性状，相应比例更新为20%、15%、20%、40%和5%，实现的年度选择强度增加到1.2。在此基础上，现在的育种目标（2000～2005年）中又考虑了抗病力，并且将相对比例调整为20%、12%、20%、32%、10%和6%，预计可以实现的年度选择强度将大幅度提高到1.6。
    这种育种目标的改变除反映了市场需求和育种进展变化外，也表明随着技术的进步，对猪育种方向的人为控制更加有效，能够在育种目标中同时考虑的性状越来越全面，选择的进展加快。特别是随着猪基因组计划的进展，才有可能将肉质和抗病力等常规选择比较困难的性状纳入到育种目标之中，并且占到越来越重要的地位，同时可以保持较高的选择强度。
    在确定育种目标后，需要从实际出发考虑实现这些目标需要选择的性状，从理论上要求直接实施选择的性状应该与育种目标尽量保持一致或有较高的遗传相关，并且要能够广泛、简便、低成本地度量，以降低总育种成本、提高选择强度。现代技术的进步为我们提高了更加广泛的选择性状，最为明显的变化是从传统的体尺度量、同胞性能测定到A超活体背膘厚测定、ACM个体饲喂自动记录系统，大大提高了目标性状选择的准确性和效率。目前直接测定活体眼肌面积和背膘厚的B超扫描测定，以及与繁殖性能、肉质和抗病力相关的基因检测，为实现更加全面和完善的育种目标奠定了基础。
    我国已加入WTO，养猪业将直接面对国际种猪市场的激烈竞争，在我国规模化瘦肉型种猪繁育体系中，洋三元杂种商品肉猪占绝对优势，养猪生产市场经济发展迅速，但育种速度远远赶不上市场对猪肉要求的变化速度。不难想象，在现有瘦肉型猪繁育体系中，我国现有的种猪质量一直落后于大多数养猪先进国家，不可避免地出现世界上最庞大的养猪生产规模支撑的是*引种来维持繁育体系，整个养猪生产受制于他人的尴尬局面。面对这一状况，迫使我们必须寻求适合我国国情、在国际种猪市场占有一席之地的特色种猪品系和繁育体系。与国外养猪先进国家相比，在种猪质量、饲料原料、疾病控制和环境治理成本等方面我国对不具备优势，仅有的人力成本优势也由于管理和生产效率的缺陷而不具备明显的优势。因此能够占有的优势只剩下丰富的种猪资源，所拥有的高繁殖性能、良好的肉质和适应性。
    随着人们生活水平的提高，我国猪洋三元杂种猪的发展是否会重蹈白羽肉鸡在我国发展的情况还不明显，但总体发展趋势是难以更改的，有准备的种猪企业在未来的竞争中将占据有利的地位。如PIC公司目前大力加强建设多元化基因库作为应变的资本，在全球范围内收集不同类型的种猪资源，基因库由许多不同生产性能的基因型群体或专门化品系组成，遗传基础丰富。不同品系由不同的基因组成，在毛色、肉质、生长、胴体、繁殖、抗病等方面各有所长。在国际种猪市场供过于求的激烈竞争形势下，不断创造新的优质猪、特色肉具有广阔的前途，基因库原始材料越丰富多样，选择余地越大，应变能力越强。
    因此，未来的猪育种目标将突破目前有限目标的限制，利用个体全基因组信息，可以全方位地考虑从生长性能、繁殖性能到肉质、抗病力等，可以通过各种专门化品系、优化杂交繁育体系等手段实现总的育种目标。

    二、猪重要经济性状基因和DNA标记
    在20世纪末期，动物遗传育种研究最活跃的领域是重要经济性状的基因定位和遗传标记筛选，国际上大规模的畜禽基因作图规划始于1990年左右。欧洲猪基因组计划（PiGMaP）1990年正式启动，1991年美国启动了国家动物基因组计划，日本1992年启动了动物基因组计划，中国落后了近十年。其主要目标是寻找重要经济性状位点（ETL）或与之连锁的DNA标记，并用于分子标记辅助育种。目前美国基因组计划已在猪连锁图谱上构建了近3000个标记，大多数是微卫星标记，而不是功能基因。如Rothschild（1998）报道猪遗传连锁图上的基因和标记共约1800个，其中仅250个是基因。这些基因图谱已经为大规模分离和定位影响重要经济性状的基因奠定了很好的基础，目前研究的重点转向比较基因组学和功能性基因组的研究。人类基因组最新研究表明整个染色体上大约有30多亿个碱基对，而基因数目约有3万个左右，大大低于原来估计的结果，比较基因组学认为动物基因组中的基因数量也不会超过严重偏离这一结果。然而，在这有限的基因中哪些是与主要经济性状相关，这是目前动物遗传育种研究的重点，也是国际上基因知识产权争夺的焦点。
    要准确定位重要经济性状必须要有大量的DNA分子遗传标记，研究表明理想的遗传标记应具备以下基本条件：① 等显性，便于区分杂合子与纯合子；② 遗传标记能在两个性别任何年龄段检测到，有利于对限性性状及早期选择；③ 遗传标记具有个体特异性，能够区分家系内遗传变异；④ 具有多态性。随着猪基因组研究的进展，实验室研究结果向实用转化的速度加快，特别是商业化育种公司的介入，大大缩短了新基因和标记定位到实用检测技术体系建立和应用的时间差。
    早在1994年，Andersson等应用基因组分析，检测到在猪4号染色体上存在对背膘厚和腹脂率有显著效应的QTL遗传标记，其效应达到总表型方差的17%和18%左右。Knott等（1997）和Walling等（1998）的研究进一步证实在4号染色体上存在对脂肪沉积有显著影响的QTL，此外在1号、6号、7号等染色体存在与瘦肉生长相关的QTL标记。Rothschild（1998）总结已发现的猪QTL标记情况如下：生长速度和背膘厚位于第4、6、7、13染色体，肉质位于第4、7染色体，产仔数位于第8染色体，抗病性状位于第6、7染色体。到目前为止的研究结果表明，猪重要经济性状的QTL标记超过这一范围。
    以PIC公司为例，到2001年初在猪育种中已经达到实用化的DNA标记有10个，其中生长性能和疾病各1个、肉质和产仔数各4个；近期可实用化的标记有28个，其中生长性能11个、疾病1个、肉质14个、产仔数2个；目前正在开发的标记有44个，其中生长性能12个、疾病5个、肉质18个、产仔数9个。
    为了在未来猪育种中保持其领先地位，PIC投入巨额资金委托国际一流大学研究机构，进行猪主要经济性状和DNA标记的开发，并以PIC marq?对其所有的DNA检测技术进行注册。其中：LS1、LS2、LS4和LS6是用于PIC母系选择窝产数的基因标记；Hal-1843?是猪应激敏感基因标记，在PIC品系中除L64系外已利用该标记剔除了全部的氟烷应激基因；MQ1和MQ9是控制肉质性状的RN（酸肉）基因标记，在PIC的L26和L27系中应用，MQ30是影响猪肉pH值的一个新的肉质标记基因；CC3是一个白毛基因标记，用于PIC的L19系，培育纯合的白杜洛克；PT1是影响食欲的一个很有价值的DNA标记，已在大多PIC品系选育中应用；DR2是与抗大肠杆菌F18引起水肿病的一个抗病力基因标记，在PIC大多品系中都表现出多态，它是由PIC资助在美国和瑞士联合开发的抗大肠杆菌F18基因（FUT1 M307）DNA标记DR2，该标记的隐性纯合个体具有抵抗能力，大肠杆菌F18不能在猪肠壁上附着，从而控制仔猪发生腹泻或下痢，提高仔猪育成率，在试验猪群中，这种隐性纯合子100%健康，易感组6%健康、74%发病、20%死亡。
    从目前已定位的猪重要经济性状的QTL或基因标记的试验结果分析，利用这些分子标记信息是可以提高猪育种效率的，其影响主要有两方面：一是为种猪选择提供了相关基因型的直接信息，提高育种值的估计准确性；二是大大扩展了选择信息，每一个标记实际上都相当于育种目标性状的辅助选择性状，它不仅可以在个体出生即可提供选择信息，而且不受性别等的限制，能够通过父母亲的基因型进行可*的预测。从这一意义上来说，未来的猪育种离开分子遗传技术是不可想象的。

    三、猪分子育种技术
    目前具有实用价值的分子育种技术主要有两个类：① 标记辅助选择（Marker Assisted Selection — MAS）是目前研究最多的方法，它是将现代分子生物学技术与常规育种方法相结合，借助分子标记选择某一位点基因改变该位点基因频率的过程，也称分子辅助选择。其效率主要取决于位点间存在的连锁不平衡；② 标记辅助导入（Marker Assisted Introgression — MAI）是通过遗传标记将某一特定基因从一个品种导入另一个品种，与传统的导入杂交改良品种缺陷的方法不同，不是简单的将两个品种杂交后通过连续世代的回交，逐步消除不需要的外源基因，达到一定程度后进行横交固定。利用MAI技术在两品种杂交后，每次回交前先根据标记信息选出携带有目的基因的个体用于回交，可大大提高基因导入的效率。
    在育种方案中利用分子遗传标记信息可以直接对基因和遗传标记进行选择：① 通过大量的基础研究发现控制主要经济性状（产仔数、肉质、生长速度、抗病力等）的基因和遗传标记，在证实其效应基础上，建立一套独特的测试和利用系统，用于实际的育种。自20世纪80年代开始，随着分子遗传学的飞速发展，利用与重要经济性状密切相关的大量分子标记进行辅助育种成为可能，新出现的标记辅助选择方法就是将现代生物技术与常规数量遗传选择方法相结合，借助分子遗传标记来选择数量性状的基因型，使之能够同时利用标记位点信息和数量性状本身的表型值信息，更准确地估计动物个体的育种值，进而提高选择效率，加速遗传进展。随着理论和技术的不断完善，MAS已显示出巨大的应用潜力。
    可以认为，MAS将是未来猪育种的强有力手段。与常规选择方法相比，MAS具有明显的优势：① 可以直接依据基因型信息进行选择，提高了选种的准确性和时效性；② 可以进行早期选择，从而可节省种猪的测定费用；③ 可在任何年龄、任何性别和在活体上取得所需的标记信息用于选择，从而扩大了候选群体规模，提高了选择强度，可降低世代间隔，加快遗传进展；④ 对于用常规选择方法效果不好的低遗传力性状，可以通过增加基因型信息提高选择效果；⑤ 从性状整体看，通过MAS在内的分子育种技术，有可能培育出集难以兼有的几种优良性状（如产仔数多、生长快、背膘薄等）于一体的新合成系。此外，MAS选择不受环境影响，并且能够开发新的辅助选择性状，通过基因型检测快速淘汰隐性不利基因（杂合子）携带者。
    实施MAS育种方案的主要方式有三种：① 合并选择：同时利用标记信息、表型信息和系谱信息对个体进行遗传评估，达到提高个体遗传评估的准确性；② 两阶段选择：先利用标记信息进行选择，选择具有理想基因型的个体参加性能测定，再根据性能测定结果用BLUP法进行遗传评估，达到减少性能测定所需成本；③ 早期选择：利用标记信息和系谱信息对个体进行早期选种，达到缩短世代间隔。
    研究表明，利用标记辅助选择对猪平均日增重和繁殖性能的遗传改良效率可以提高8～38%，胴体性状提高可达到64%。理论上通过不同数量DNA标记检测可以得到的遗传改良潜力，瘦肉率提高5～10%需要相应的标记数量为3～5个，产仔数3～5头需3～8个标记，日增重1200～1500g需4～7个标记，体重130～150kg需5～8个标记，肌间脂肪2～2.5倍需3～6个标记。
    标记与重要经济性状的连锁不平衡是MAS的基础，当原始的连锁不平衡很大时，选择有关的标记位点比直接选择性状更有利，特别是在排除稀有的有害隐性基因方面，如氟烷敏感基因。此外，在猪育种实践中MAS也为限性性状提供了新的选择途径，如可以在仔猪出生后对公母猪同时检测雌激素受体基因（ESR）、促卵泡素β亚基因（FSHβ）等进行早期选择，可大大提高猪产仔数选择效率，降低种猪培育成本；在肉质选择方面，对酸肉基因（RN）的检测，可以减少屠宰测定直接进行种猪活体肉质选择。
    分子育种技术为揭开杂种优势之谜提供了新的研究途径，理论上杂种优势取决于杂交亲本群体的质量，亲本群体间的遗传差异、亲本间配合力的大小、科学合理的杂交方式等遗传因素，也受到营养、饲料、环境和卫生等环境因素的影响。随着分子遗传学技术的飞速发展，从分子水平分析杂种优势机理和预测杂种优势已成为可能，利用微卫星DNA标记，以及基因差异分析技术，如消减杂交、DNA芯片和mRNA差异显示等，特别是DNA芯片技术可以快速检测品种间、个体间、细胞间的DNA差异表达基因功能，可以为大规模猪配套系优化提供分子遗传信息，提高配套系筛选的效率。
    利用分子育种技术也为人们长期以来试图开展的猪抗病育种带来了希望。随着对猪生产性能的选择程度越来越高，大大降低了猪整体适应性，各种疾病问题增加，据估计，美国每年由于猪病付出的费用超过15亿美元，几种主要疾病对PIC公司及其生产者每年带来的损失分别为PRRSv约1.3亿、M. hyo约1.1亿、APP约8千万美元等。猪群在高度集约化饲养中，造成繁殖、呼吸和运动系统等一系列疾病的原因非常复杂，对任何一种特定疾病的抗病力育种效果都不明显。Guelph大学的一项研究表明，对长白猪6个世代高、低免疫反应的BLUP选择，免疫反应效果差异明显。随着人类基因组计划和猪基因组研究的进展，人们看到了对抗病力选择的希望。目前已发现的与猪疾病有关的主基因或遗传标记有猪应激综合症RYRI基因、E. coli F4受体基因、SLA基因等。利用这些基因或标记进行抗病力选择，可以降低和淘汰群体中对疾病敏感的基因，从具有抗病力的品系中导入抗性基因等。如PIC公司利用DR2标记基因对大肠杆菌表面抗原受体进行选择，取得了令人满意的效果。
    分子标记辅助导入可以利用标记信息在群体中实现快速导入某一特定基因的目的。比利时成功地利用分子标记辅助导入将抗应激的氟烷阴性基因导入到皮特兰猪中。另一个成功例子是PIC公司在商业化瘦肉型猪繁育体系中导入中国梅山猪的高繁殖性能基因。Rothschild（1996）报道在猪1号染色体上的雌激素受体基因（ESR）与梅山猪合成系和大白猪产仔数有关，携带优势基因（BB和BA）的个体比其它个体（AA）母猪相比平均每窝多产仔0.5头，同时ESR基因对其它主要经济性能没有显著影响。因此，在PIC育种方案中利用该基因通过标记辅助选择提高群体中优势基因的频率，在不含有优势基因的品系中利用标记辅助基因导入和标记辅助选择快速导入并提高其频率。

    四、猪分子育种与遗传评估技术结合的联合育种
    进入21世纪的基因组学时代，尽管人们可以逐渐从分子水平了解数量性状遗传变异，但数量遗传学在动物育种中将继续发挥其主导作用，仍需要用数量遗传学方法进行包括分子遗传信息在内的各种表型和基因型信息的统计分析，如QTL检测与定位、标记辅助选择、标记辅助导入、杂种优势预测和利用等。通过候选基因、基因组扫描、多位点诊断、高密度基因型检测、微阵列和DNA芯片等基因检测技术和分子标记辅助选择，实施分子育种与常规育种相结合，是21世纪猪遗传改良不可缺少的手段。
    近20年来，猪育种方法的一个重要变化是传统的选择指数方法逐渐被更灵活、准确的BLUP（最优线性无偏预测）方法替代，一些国家开始把这一方法应用于猪的遗传评估，大大提高了遗传改良的速度，目前已成为国际上猪育种的常规方法，其中一个重要的原因就是猪人工授精技术的广泛应用。如加拿大自1985年开始应用BLUP法以来，背膘厚的改良速度提高了50%，达100kg体重日龄的改良速度提高100%～200%。BLUP育种值估计方法之所以能够提高选种的准确性是由于具有以下主要优点：① 充分利用了所有亲属的信息；② 可校正固定环境效应，更有效地消除由环境造成的偏差；③ 能考虑不同群体、不同世代的遗传差异；④ 可校正选配造成的偏差；⑤ 当利用个体的多项记录时，可将由于淘汰造成的偏差降低到最低。
    在=EN-US>BLUP模型中不仅能够应用各种亲属的表型信息，而且可以方便地将有关分子遗传信息添加到模型中，提高种猪遗传评估的准确性。高效率的猪育种方案要求在明确的育种目标基础上，充分利用来自性能测定和基因型检测两个方面的信息进行遗传评估。在我国现有种猪生产状况下，建立区域性联合育种系统，是充分利用现有种猪资源，开展猪分子育种切实可行的育种组织方式。通过集团化核心群组建，应用BLUP和人工授精技术，把单一群体联合起来形成一个大的核心群，充分发挥分子育种与遗传评估结合的优势，实现快速的猪育种改良。以Cotswold公司为例，它从1986年开始组建母系集团式核心群，基本采用人工授精，实现了快速遗传改良，通过基因检测技术将氟烷基因从群体中剔除，减少的瘦肉量差不多保持在0.5%以内，纯系的肉色改进了40%。
    未来猪育种的方向将是猪生长性能、肉品质量、健康和繁殖效率的综合提高，主要的关键技术包括主效基因和DNA标记的高通量诊断将成为选择的主要信息来源，在此基础上的全基因组扫描与BLUP结合的分子育种，并利用分子遗传信息进行杂交优势预测和杂交组合筛选，采用包括人工授精在内的繁殖技术和克隆技术大规模应用提高优良种猪的利用率，养猪业将形成以育种公司为龙头、以联合育种为纽带的高效繁育生产体系。现代猪育种技术已将育种改良速度提高到新的水平，其技术难度正随着分子遗传学技术的进步而下降，决定猪育种的关键矛盾将逐步转向基因资源的占有量。到目前为止，人类定向创造基因的前景仍不明确，但只要拥有丰富基因资源，从资源库中定向提取、并快速导入商业化生产系统却是逐步变为现实。在这一意义上来说，我国未来的猪育种是具有相当优势的，重要的是必须把握有利时机，作好资源、技术和组织等方面的准备，从长远利益考虑，充分利用现代育种技术尽快将资源优势转变为商品猪生产体系中的技术经济优势。

来源：福建种猪信息网