基因組選擇技術(shù)助力奶牛育好種

育種芯片是奶?；蚪M選擇育種的關(guān)鍵工具之一，育種芯片技術(shù)也是奶牛育種的“卡點(diǎn)”技術(shù)。有了基因組選擇技術(shù)，只要小牛一出生，就可以采集毛囊、血液或耳組織等，使用育種芯片進(jìn)行基因組檢測(cè)和基因組評(píng)估，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其育種價(jià)值，使種公牛的選育效率大大提高。

一張全基因組育種芯片上均勻分布著超12萬個(gè)基因位點(diǎn)，檢出率和檢測(cè)準(zhǔn)確率超99%，技術(shù)達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平……在奶?；蚪M選擇育種時(shí)代，覆蓋全基因組的高密度單核苷酸多態(tài)位點(diǎn)（SNP）及高通量檢測(cè)技術(shù)被稱為育種芯片技術(shù)。就在今年9月，我國(guó)荷斯坦?；蚪M選擇育種芯片正式發(fā)布，這意味著國(guó)產(chǎn)奶牛育種芯片自主攻關(guān)實(shí)現(xiàn)重要突破，這也是目前我國(guó)奶牛育種領(lǐng)域唯一擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行業(yè)專用育種芯片。

“此款育種芯片的廣泛應(yīng)用，對(duì)于提高我國(guó)荷斯坦?；蚪M選擇的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，進(jìn)一步完善奶牛種質(zhì)自主評(píng)價(jià)體系具有重要意義?！?0月8日，“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授孫東曉告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

育種芯片是奶?；蚪M選擇育種的關(guān)鍵工具之一

奶牛育種群體遺傳改良靠?jī)鼍珜?shí)現(xiàn)，而凍精來自優(yōu)秀種公牛，培育優(yōu)秀種公牛又依賴優(yōu)秀的種子母牛群。

荷斯坦牛是世界公認(rèn)產(chǎn)量最高、產(chǎn)奶經(jīng)濟(jì)性最高的奶牛品種，原產(chǎn)于荷蘭北部，其后代分布到荷蘭全國(guó)乃至法國(guó)北部及德國(guó)的荷斯坦省，后引入美國(guó)、加拿大等國(guó)家。但因其屬于單胎動(dòng)物，繁殖周期長(zhǎng)，因此全球均以“本品種純繁、持續(xù)改良”為荷斯坦牛群體遺傳改良的核心策略。

與豬、禽等繁殖能力強(qiáng)的動(dòng)物不同，牛的繁殖效率低、世代間隔長(zhǎng)。因此奶牛育種工作無法廣泛利用雜交和雜種優(yōu)勢(shì)，只能在原有品種群體基礎(chǔ)上，通過長(zhǎng)期系統(tǒng)性地本品種選育進(jìn)行群體遺傳改良。而隨著分子育種技術(shù)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域不斷取得重大進(jìn)展，奶牛分子育種技術(shù)目前已經(jīng)能夠通過基因測(cè)序技術(shù)對(duì)目的基因進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到選擇目標(biāo)性狀的目的。因此應(yīng)用分子育種技術(shù)，奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)不僅能夠獲得更高的育種值估計(jì)準(zhǔn)確度，還能夠大幅縮短育種周期，降低經(jīng)營(yíng)成本。

“育種芯片是奶?；蚪M選擇育種的關(guān)鍵工具之一，育種芯片技術(shù)也是奶牛育種的‘卡點(diǎn)’技術(shù)。奶牛的基因組選擇育種技術(shù)和傳統(tǒng)的育種技術(shù)相比，有較大的優(yōu)勢(shì)，能使種公牛培育周期由約6年縮短至約2年?！睂O東曉指出，有了基因組選擇技術(shù)，只要小牛一出生，就可以采集毛囊、血液或耳組織等，使用育種芯片進(jìn)行基因組檢測(cè)和基因組評(píng)估，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其育種價(jià)值，使種公牛的選育效率大大提高。

奶牛育種必須突破關(guān)鍵技術(shù)掣肘

行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)荷斯坦奶牛存欄量在600萬頭左右，每年凍精需求量超過800萬劑，但七成凍精來自進(jìn)口。在業(yè)內(nèi)看來，我國(guó)奶牛育種技術(shù)已與奶業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)現(xiàn)并跑，但在后代生產(chǎn)性能、基因檢測(cè)芯片、性控專利技術(shù)、奶牛育種資源群等方面仍存在短板。

“中國(guó)荷斯坦牛是通過引進(jìn)國(guó)外純種荷斯坦牛，經(jīng)過風(fēng)土馴化及其與中國(guó)本地黃牛級(jí)進(jìn)雜交，經(jīng)過長(zhǎng)期選育提高而形成的，特征特性表現(xiàn)一致、遺傳性能穩(wěn)定和適應(yīng)性強(qiáng)的大型乳用牛品種。1985年經(jīng)審定將其命名為‘中國(guó)黑白花奶?！?992年更名為‘中國(guó)荷斯坦?！??！睂O東曉說。

2009年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)奶牛育種團(tuán)隊(duì)開始探索我國(guó)奶?；蚪M選擇技術(shù)。2012年，團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了中國(guó)荷斯坦?；蚪M選擇技術(shù)平臺(tái)并在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，我國(guó)全面啟動(dòng)荷斯坦青年公?；蚪M評(píng)估工作。2016年，“中國(guó)荷斯坦?；蚪M選擇分子育種技術(shù)體系的建立與應(yīng)用”項(xiàng)目獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

雖然平臺(tái)建立了，但是奶?；蚪M檢測(cè)依然需要依賴國(guó)外，且檢測(cè)周期相對(duì)較長(zhǎng)，一定程度上影響了選育的穩(wěn)定性，也存在生物信息安全風(fēng)險(xiǎn)。欲善其事先利其器。種業(yè)振興，必須突破關(guān)鍵技術(shù)掣肘。

聯(lián)合攻關(guān)補(bǔ)齊國(guó)產(chǎn)奶牛育種短板

為了補(bǔ)齊國(guó)產(chǎn)奶牛育種芯片短板，2020年8月13日，北京奶牛中心與華智生物技術(shù)有限公司簽訂技術(shù)合作協(xié)議，聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)啟動(dòng)奶牛育種芯片自主設(shè)計(jì)開發(fā)攻關(guān)工作。

“奶牛育種芯片自主開發(fā)經(jīng)歷了一系列科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)、驗(yàn)證和反復(fù)論證?！睂O東曉說。

聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)基于中國(guó)荷斯坦牛群體挖掘驗(yàn)證了一大批效應(yīng)顯著的基因突變位點(diǎn)，將上述位點(diǎn)與遺傳缺陷位點(diǎn)、親子鑒定位點(diǎn)、其他多組學(xué)來源數(shù)據(jù)位點(diǎn)以及多款商業(yè)化育種芯片位點(diǎn)進(jìn)行整合，利用大樣本量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過多輪體系優(yōu)化與驗(yàn)證，于2021年4月完成了奶牛85K液相育種芯片自主開發(fā)，并通過專家論證。經(jīng)過6000頭荷斯坦牛樣本對(duì)比檢測(cè)驗(yàn)證，該款芯片在檢出率、分型準(zhǔn)確性、基因型填充準(zhǔn)確性等性能上與國(guó)際商業(yè)化育種芯片一致。

2022年以來，聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)將奶牛85K液相育種芯片擴(kuò)容升級(jí)為126K液相育種芯片，該款育種芯片不僅兼容現(xiàn)有參考群和多款商業(yè)化芯片位點(diǎn)信息，還提高了芯片數(shù)據(jù)填充準(zhǔn)確性及奶?；蚪M遺傳評(píng)估準(zhǔn)確性。首批盲樣檢測(cè)結(jié)果表明，126K液相育種芯片位點(diǎn)平均檢出率達(dá)99.5%，重復(fù)樣品檢測(cè)平均一致性達(dá)99.4%，性能良好，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2023年7月14日，奶牛126K液相育種芯片通過了專家論證。專家組一致認(rèn)為，該育種芯片設(shè)計(jì)科學(xué)合理，涵蓋120155個(gè)位點(diǎn)，SNP平均間距為22.13kb，分布均勻，包含自主挖掘、國(guó)際通用親子鑒定、遺傳缺陷以及相關(guān)重要已知功能位點(diǎn)，經(jīng)過檢測(cè)驗(yàn)證、盲樣復(fù)檢、多平臺(tái)對(duì)比、填充效果驗(yàn)證等多輪測(cè)試，驗(yàn)證程序完善。參照國(guó)際同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，該款芯片可用于奶?；蚪M選擇參考群體的構(gòu)建及種牛評(píng)價(jià)。芯片檢測(cè)平臺(tái)技術(shù)成熟，自動(dòng)化和自主化程度高，建議推廣使用。

華智生物技術(shù)有限公司副總裁王朝暉說，基于液相育種芯片構(gòu)建自主化高通量基因型檢測(cè)平臺(tái)，是奶?；蚪M選擇育種的重要技術(shù)支撐。此款126K液相育種芯片的廣泛應(yīng)用，將進(jìn)一步提升我國(guó)奶牛自主選育能力，助力奶牛種業(yè)振興。

該育種芯片是我國(guó)荷斯坦牛育種領(lǐng)域唯一可應(yīng)用于基因組選擇參考群體構(gòu)建及種牛評(píng)價(jià)的中高密度育種芯片。中國(guó)奶業(yè)協(xié)會(huì)育種專業(yè)委員會(huì)主任麻柱表示，奶牛育種自主創(chuàng)新聯(lián)盟將率先用上這款芯片，助力保障我國(guó)奶牛自主選育體系穩(wěn)定運(yùn)行。（馬愛平）