【GS课堂】传统育种与基因组育种相结合提高育种效率

来源: 发表日期:2018-07-27 浏览量:214

  这是最好的时代也是最坏的时代,技术的飞速发展让我们看到了未来无限的可能,同时也让我们显得如此不安不知所措。几个世纪以来,人类都为了有更多的选择而奋斗,而现在的我们却时常因为选择太多而困惑。如何选择和坚持实际上就是对育种工作最好诠释;就像真理在荒谬被证实以前,都只是暗室里的装饰,只有眼前亮起来了以后才有机会彰显它真正的价值。


  基因组选育作为当代众多先进技术之一,也将选择的问题摆在了中国育种工作者的面前。那么小编今天就结合四川农大朱砺老师在康普森农业基因组选择技术培训班的授课内容,来和大家好好聊聊这个问题。



01

全基因组选择到底是什么?



  基因组选择技术并不是什么理论玄学,它是常规育种手段结合分子技术发展来的。


  基因组选择(Genomic Selection, GS)就是利用基因组的遗传标记信息计算育种值用于选种的方法。它就是全基因组范围上的标记辅助选择,是传统MAS的升级版。虽然算法和模型的原理比较复杂,但并不是什么神秘莫测的高深技术,将基因组选择技术与传统育种技术结合可以大大提高育种的效率。


  GS选择的技术可以从以下几个方面,提高每个世代选育的遗传进展:


  (1)可以捕获所有的遗传变异,提高选择准确率;

  (2)可早期准确遗传评估,缩短世代间隔;

  (3)可对低h2 、限性和难以度量的性状进行选择,降低测定成本;

  (4)降低群体的近交增量,防止近交衰退。


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  从上面两张图我们就可以看出,GS选育是一种经实际生产验证过切实可行的技术;而且它来源于传统育种技术——根正苗红,并不是对现有育种体系的革命而是改良与升级。


  从GS技术在生产中的使用历史,我们可以发现这个技术并不是一蹴而就的成为现今育种界的宠儿。从2001年理论的提出,到后来生产端的使用,这个过程每一步都包含着几代育种人的心血与智慧。SNP检测工具、适合生产端使用的GS算法及模型在这个技术体系中尤为重要。俗话说,工欲善其事,必先利其器。由康普森生物联合国内众多一流高校育种团队开发的中芯一号、CAU Porcine 50K、京芯一号、凤芯一号等多款中国自主知识产权的育种芯片,正是保证国内GS育种能够顺利开展的利器。


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  在方法方面,现在生产最常用到是SSGBLUP模型,又叫一步法BLUP。



02

基因组选择如何和传统育种体系结合提高现有育种效率



  根据GS选育技术的特性,可以从以下四个方面提升育种效率:


  ▷促进选育目标性状的改变

  ▷优化性能测定方案

  ▷提高遗传评估的准确性

  ▷促进区域性联合育种



2.1 促进选育目标性状的改变



  育种目标的制定是一个育种企业的重中之重,它是核心群进行选育的主要依据,决定了一个企业整体的发展方向。因此,育种目标需要企业随着市场的改变进行合理的调整。当前,相对单一的育种目标是造成国内整体育种水平不如国外的重要原因之一。


  国内采用统一的育种目标及主选性状,比较单一,企业间缺乏差异性。


  ▷主选性状:


  1.猪达100kg(85-135kg)活体重的日龄


  2.猪达100kg活体重时的活体背膘厚


  ▷辅助性状:


  1.一些胴体性状和肉质性状(同胞测定)


  2.繁殖性状(场内测定)


  ▷选育性状的要求:遗传力中等偏高,并能够进行活体度量


  ▷成果:获得巨大遗传进展,使国内商品猪的性能(生长速度、产肉率等)持续提高。这在近年来的母猪存栏数据中有明显的体现。在存栏母猪数据持续下降的情况下,商品猪的产量保持着相对恒定。


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  但是,对于多元化的市场需求来说,这种统一育种目标的育种策略,弊端也很明显。


  ▷弊端


  1.性能测定时间持续长,难以进行早期选择;


  2.选育目标和育种模型单一,随着统一育种方案的持续运用,育种的边际效益逐渐降低并趋于消失;


  3.种猪产品缺乏差异化,难以形成多元化特色,难以满足不同市场的需求!


  对于上述问题,我们应该及时审视市场需求的变化并参考国外主流育种企业最新的育种目标,来调整自己的育种目标及选育策略:


  加拿大种猪育种目标的变化:


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  丹育种猪育种目标的变化:


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  建议:


  可以在未来的育种目标中加入更多性状


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  新的育种目标是否可行,关键在于使用的育种技术是否能解决相应的问题,不然企业就会落入进退两难的尬尴地步。从现有的研究手段来看,常规育种技术并不能胜任这个任务。


  在这个情况下,GS选育就成为帮助企业打破这个僵局的重要技术。这也是为什么近年来越来越多的国外企业开始采用GS技术选育的原因。



2.2优化性能测定方案



  每个育种工作者都清楚,无论常规育种还是分子育种,性能测定都是育种工作的根本。性能测定工作的落后也是造成中国虽然拥有13万头种猪的核心群体,但却无法选育出世界级优良种猪的重要原因。


  ▷我国现在种猪场性能测定的现状为


  1.测定规模普遍较小:国内一般采用每窝一公两母的测定标准,而国外通常都是全群测定;


  2.早期销售与性能测定间矛盾突出:我国种猪市场有购买断奶小猪的传统,造成了测定结束的种猪因为个体较大而难以销售。有企业统计,由于这种原因企业平均每测定一头种猪要损失300-500元,这也是导致很多企业不愿意进行大规模后备种猪性能测定的一个原因;


  3.普遍先留种,后测定:违反了选育应该先测定后留种的原则,使得很多优秀的基因在测定前就已经被遗漏;


  4.测定数据缺乏准确性和及时性:测定过程中数据造假、不准确等情况严重,缺乏有效监督机制;


  5.测定数据并没有真正运用于选育:主要是用于应付相应的检查和申报项目、津贴等。


  针对上述情况,如果要使用GS选择技术,就需要完善我们现有的性状测定流程及标准,并且逐步改变市场中一些错误的观念。


  1 每头种猪都应该有完善的系谱资料 、性能测定和遗传评估数据记录; 


  2 建立“按指数销售,优质优价”的种猪价格体系;


  Eg: 学习PIC的每点指数价值策略(VOIP)


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  由于GS不但可以准确评估个体的育种值,而且可以通过基因组亲缘关系对全胞对个体进行差异化估计,我们可以学习奶牛上的GS排名定价的模式,使GEBV可以作为客户针对性买猪,企业差异性定价的重要标准。


  3 改变购买小猪的习惯,种猪应该购买性能测定结束后,经遗传评估选择指数高,种用性能优良的大猪。


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  4 种猪场每个代次/年度比较核心种猪群平均指数,坚持以高指数的个体替换原有种猪,群体才有遗传进展。



2.3 提高遗传评估的准确性



  遗传评估的准确性是衡量一个育种技术好坏的关键因素,它能直接影响每个世代的遗传进展大小、选择强度等方面。


  ▷我国现在育种场遗传评估的现状为:


  1.很多育种企业并没有使用BLUP进行选育,很多还在使用选择指数、表型值选育的方法,准确性很低;


  2.使用BLUP选育的企业,通常采用统一或者软件默认的动物BLUP模型进行选育,并没有根据自身实际的情况进行调整;而且也没有满足BLUP法使用的一些前提条件,致使方法优秀但是效果不尽如意。


  BLUP法成功的前提条件为:


  ●所用的表型信息真实可靠,系谱资料正确完整;


  ●所用的模型是真实模型;


  ●模型中的随机效应方差组分或方差组分的比值已知。


  现实生产中,上述前提条件往往难以满足,从而严重影响了遗传评估的准确性。


  3.忽略了群体间遗传参数独特性的问题。无论选择使用全国畜牧总站提供的通用参数还是直接使用国外引种企业给的参数,都忽略了群体本身的特性及选育造成的遗传参数不断变化的问题,导致育种效果较差。而国外育种发达国家则非常注重及时更新群体遗传参数。


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  4.BLUP方法本身的问题。由于BLUP方法是基于系谱数据构建的育种群体遗传关系并不是个体间真实的情况从而无法考虑个体间的差异性,使得整体的遗传评估准确度下降,如下图所示: 


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  ▷针对上述的问题,基于SSGBLUP的GS选育进行了相应的优化


  SSGBLUP作为基因组选育最常用的模型,很好的将常规育种和基因组选育相结合。


  1、简单:所有效应在一个模型中就可以进行准确的评估;


  2、一个模型同时利用了表型、系谱和基因组的信息,评估的准确性更高。



  和BLUP只利用系谱信息A来构建个体之间的关系矩阵不同,SSGBLUP使用了系谱A和基因组G两者的信息来进行关系矩阵H的构建,更加准确的展示了个体之间的差异,大大提升了遗传评估的准确性。


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2.4 促进区域性联合育种



  联合育种这个在国外育种体系发挥重要作用的策略,其实在我国进行本地化的过程中遇到了诸多问题,效果并不理想。但是GS选育的实施,给区域化的联合育种带来了可能。


  我们在实施GS选育的初期,最大的问题就是庞大的参考群体的建立(参考群体表型及系谱信息、基因分型数据),特别是作为终端父本的杜洛克群体,对任何一家中小育种企业来说,在金钱还有时间成本两个方面都存在不小的问题。


  一方面,参考群体需要准确的系谱资料和表型测定数据,而且还需要进行基因芯片的检测,单个企业进行这项工作经济压力较大;


  另一方面,由于GS参考群体和候选群体遗传联系的强弱,会影响GEBV准确性,所以单个或者少数企业通过三到四个世代的时间建立参考群体再开始选育效率太低。


而区域性联合或者联盟的形式进行GS联合选育就能够较好的解决上述问题


  1.使育种群的遗传进展最大化;


  2.使育种群体的近交系数最小化。


  当然说着实际操作过程中,还是有很多问题。


  ▷比如国内的联合育种中存在的一些问题


  a)场内的情况


  ●系谱记录错误,无法有效追溯;引种/组建基础群时只注重群体数量,忽略了独立血缘;


  ----导致遗传基础窄,容易近交


  ●相对封闭群体,缺乏/难以准确选配


  ----群体近交系数的上升难以控制


  b)场间的情况


  ●场间遗传交流缺乏,并且多数无法追踪


  ----场间关联率低,不能联合育种,育种效率低下


  针对这些问题,打算进行GS联合选育的企业可以通过以下手段来提高联合GS选育的效果:


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  1.加强区域性种公猪站建设:促进优秀公猪的跨场使用;


  2.加强场间遗传交流:当公共公猪在一个场的后代数达到15%就可以实现3%的场间关联率;


  3.强化中心测定站作用:通过共同环境建立场间联系,提高场间关联;


  4.完善系谱建设:对于国外引进种猪,要让国外系谱适应国内记录系统;对于缺失/记录错误的系谱,利用基因组技术修正和完善。


  小结:


  万事开头难,GS在我国的应用的初期一定会出现各种各样的问题比如朱砺老师提到的参考群、联合选育、性能测定等问题,有问题并不可怕有很多问题还是之前常规选育的遗留问题,我们应当及时进行解决。


  从时代的发展来看,分子育种技术一定是今后的主流,现在的关键在于当代育种企业、专家和像康普森生物这样的科技类公司如何精诚合作克服选择和坚持过程中遇到的问题。


   “道在日新,艺亦须日新,新者生机也,不新则死。”—徐悲鸿


  小编以徐大师的名句作为这篇文章的结束语。康普森已经做出了选择,在分子育种的道路上期待与您同行!


  文章内容来源:四川农业大学朱砺教授——以传统育种与基因组选择结合提高育种效率,再次感谢朱老师的分享。


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