基因组选择技术助力奶牛育好种

本文转自：科技日报

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育种芯片是奶牛基因组选择育种的关键工具之一，育种芯片技术也是奶牛育种的“卡点”技术。有了基因组选择技术，只要小牛一出生，就可以采集毛囊、血液或耳组织等，使用育种芯片进行基因组检测和基因组评估，准确预测其育种价值，使种公牛的选育效率大大提高。

◎本报记者 马爱平

一张全基因组育种芯片上均匀分布着超12万个基因位点，检出率和检测准确率超99%，技术达国际先进水平……在奶牛基因组选择育种时代，覆盖全基因组的高密度单核苷酸多态位点（SNP）及高通量检测技术被称为育种芯片技术。就在今年9月，我国荷斯坦牛基因组选择育种芯片正式发布，这意味着国产奶牛育种芯片自主攻关实现重要突破，这也是目前我国奶牛育种领域唯一拥有自主知识产权的行业专用育种芯片。

“此款育种芯片的广泛应用，对于提高我国荷斯坦牛基因组选择的准确性和时效性，进一步完善奶牛种质自主评价体系具有重要意义。”10月8日，“十四五”国家重点研发计划项目首席科学家、中国农业大学教授孙东晓告诉科技日报记者。

育种芯片是奶牛基因组选择育种的关键工具之一

奶牛育种群体遗传改良靠冻精实现，而冻精来自优秀种公牛，培育优秀种公牛又依赖优秀的种子母牛群。

荷斯坦牛是世界公认产量最高、产奶经济性最高的奶牛品种，原产于荷兰北部，其后代分布到荷兰全国乃至法国北部及德国的荷斯坦省，后引入美国、加拿大等国家。但因其属于单胎动物，繁殖周期长，因此全球均以“本品种纯繁、持续改良”为荷斯坦牛群体遗传改良的核心策略。

与猪、禽等繁殖能力强的动物不同，牛的繁殖效率低、世代间隔长。因此奶牛育种工作无法广泛利用杂交和杂种优势，只能在原有品种群体基础上，通过长期系统性地本品种选育进行群体遗传改良。而随着分子育种技术在基础研究领域不断取得重大进展，奶牛分子育种技术目前已经能够通过基因测序技术对目的基因进行检测，达到选择目标性状的目的。因此应用分子育种技术，奶牛养殖场不仅能够获得更高的育种值估计准确度，还能够大幅缩短育种周期，降低经营成本。

“育种芯片是奶牛基因组选择育种的关键工具之一，育种芯片技术也是奶牛育种的‘卡点’技术。奶牛的基因组选择育种技术和传统的育种技术相比，有较大的优势，能使种公牛培育周期由约6年缩短至约2年。”孙东晓指出，有了基因组选择技术，只要小牛一出生，就可以采集毛囊、血液或耳组织等，使用育种芯片进行基因组检测和基因组评估，准确预测其育种价值，使种公牛的选育效率大大提高。

奶牛育种必须突破关键技术掣肘

行业数据显示，我国荷斯坦奶牛存栏量在600万头左右，每年冻精需求量超过800万剂，但七成冻精来自进口。在业内看来，我国奶牛育种技术已与奶业发达国家实现并跑，但在后代生产性能、基因检测芯片、性控专利技术、奶牛育种资源群等方面仍存在短板。

“中国荷斯坦牛是通过引进国外纯种荷斯坦牛，经过风土驯化及其与中国本地黄牛级进杂交，经过长期选育提高而形成的，特征特性表现一致、遗传性能稳定和适应性强的大型乳用牛品种。1985年经审定将其命名为‘中国黑白花奶牛’，1992年更名为‘中国荷斯坦牛’。”孙东晓说。

2009年，中国农业大学奶牛育种团队开始探索我国奶牛基因组选择技术。2012年，团队成功构建了中国荷斯坦牛基因组选择技术平台并在全国范围内推广应用，我国全面启动荷斯坦青年公牛基因组评估工作。2016年，“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”项目获国家科技进步二等奖。

虽然平台建立了，但是奶牛基因组检测依然需要依赖国外，且检测周期相对较长，一定程度上影响了选育的稳定性，也存在生物信息安全风险。欲善其事先利其器。种业振兴，必须突破关键技术掣肘。

联合攻关补齐国产奶牛育种短板

为了补齐国产奶牛育种芯片短板，2020年8月13日，北京奶牛中心与华智生物技术有限公司签订技术合作协议，联合中国农业大学启动奶牛育种芯片自主设计开发攻关工作。

“奶牛育种芯片自主开发经历了一系列科学、严谨的设计、验证和反复论证。”孙东晓说。

联合攻关团队基于中国荷斯坦牛群体挖掘验证了一大批效应显著的基因突变位点，将上述位点与遗传缺陷位点、亲子鉴定位点、其他多组学来源数据位点以及多款商业化育种芯片位点进行整合，利用大样本量检测实验，通过多轮体系优化与验证，于2021年4月完成了奶牛85K液相育种芯片自主开发，并通过专家论证。经过6000头荷斯坦牛样本对比检测验证，该款芯片在检出率、分型准确性、基因型填充准确性等性能上与国际商业化育种芯片一致。

2022年以来，联合攻关团队将奶牛85K液相育种芯片扩容升级为126K液相育种芯片，该款育种芯片不仅兼容现有参考群和多款商业化芯片位点信息，还提高了芯片数据填充准确性及奶牛基因组遗传评估准确性。首批盲样检测结果表明，126K液相育种芯片位点平均检出率达99.5%，重复样品检测平均一致性达99.4%，性能良好，达到国际先进水平。

2023年7月14日，奶牛126K液相育种芯片通过了专家论证。专家组一致认为，该育种芯片设计科学合理，涵盖120155个位点，SNP平均间距为22.13kb，分布均匀，包含自主挖掘、国际通用亲子鉴定、遗传缺陷以及相关重要已知功能位点，经过检测验证、盲样复检、多平台对比、填充效果验证等多轮测试，验证程序完善。参照国际同类产品标准，该款芯片可用于奶牛基因组选择参考群体的构建及种牛评价。芯片检测平台技术成熟，自动化和自主化程度高，建议推广使用。

华智生物技术有限公司副总裁王朝晖说，基于液相育种芯片构建自主化高通量基因型检测平台，是奶牛基因组选择育种的重要技术支撑。此款126K液相育种芯片的广泛应用，将进一步提升我国奶牛自主选育能力，助力奶牛种业振兴。

该育种芯片是我国荷斯坦牛育种领域唯一可应用于基因组选择参考群体构建及种牛评价的中高密度育种芯片。中国奶业协会育种专业委员会主任麻柱表示，奶牛育种自主创新联盟将率先用上这款芯片，助力保障我国奶牛自主选育体系稳定运行。