奶牛人工育种技术（任亮张廷青应用基因组检测技术可否提高奶牛群体繁殖力）

飞鹤奶牛养殖集团繁育经理 任亮 博士

张廷青 博士

叙述本文前，有几点需要向奋战在第一线的广大同道们解释清楚，旨在使大家不会感到混淆并能够透彻理解本文要点。

A. 如何理解本文反复提到的奶牛繁殖力性状？

奶牛繁殖力性状是遗传学术语，其本质含义是指自然状态下奶牛繁育犊牛的能力。这种能力会受到外界环境因素影响；但不可否认，这种能力的高低亦在一定程度与奶牛个体内在的遗传变异即基因组变异密切相关；应用基因组检测技术就是力图探索并定位这种相关性。同道们不妨简单地观察分析自己周围女性群体，相信大家总能发见某些极易妊娠和生育，而某些相对并不顺利。

B. 如何理解生产实践中常用的奶牛繁殖效率概念？

奶牛繁殖效率是畜牧经济学术语，其本质含义是指单位时间内的繁殖力表现，如每年产1犊，产后首次21日妊娠率等；外界环境因素和人为干预因素对奶牛繁殖效率的影响远高于遗传因素，如我们所熟悉的同期排卵技术。

C. 如何理解遗传因素对奶牛繁殖效率的影响？

简言之，遗传因素对奶牛繁殖效率的影响在一般情形下不会超过40%，正如同道们先前一致的共识：我们不可能仅仅只是单纯依赖日粮配方、或改善舒适度、或提高健康水平来包打天下而显著提高奶牛群体整体经济效益。同样，应用先进的基因组检测技术，其最大的优势莫过于能够有的放矢精准地加速奶牛群体遗传育种改良进展，我们切忌过度崇拜或迷信“基因决定论”。

D. 如何理解细化奶牛繁殖力性状？

同道们应该非常熟悉奶牛总育种值（TPI），它是由奶牛个体多个独立性状予以不同权重值计算而得。我们也可将奶牛繁殖力性状类比奶牛总育种值，进一步细化为多个独立可度量性状，如产后子宫炎、产后卵巢功能复苏、发情表现、产后首次发情配种情期受胎率、胚胎早期死亡、流产等等，并在将来予以不同权重值而计算出奶牛繁殖力总育种值。需要引起同道们特别注意的是：本文论述的观点纯一色来自西方杰出的奶牛遗传学家，但这些奶牛遗传学家并无奶牛养殖和临床实践经验与基本常识，故对其结论不宜全盘接受，应留有余地。例如，如果发生胚胎早期死亡率高，可否完全归咎于遗传因素呢？是否可以考虑系牛病毒性腹泻（BVD）致病微生物或其它因素作祟呢？

以下我们开始叙述本文。

1.现代奶牛养殖业奶牛繁殖力性状目前存在什么问题？

近几十年来，一言以蔽之，奶牛养殖业始终面临着奶牛繁殖力性状欠佳的挑战。“抓奶先抓配”，这是养牛人的口头禅。毋庸置言，繁殖力性状差会致泌乳牛群中处于高峰期泌乳牛头数比例减少（参见表1），情期受胎率降低，并且减缓遗传改良进展。繁殖力下降也会使奶牛群体淘汰率上升和空怀天数延长；同时，这些问题亦会导致奶牛在下一个泌乳期内增加死淘风险。奶牛繁殖力性状下降趋势业已存在多年，浅在的表面原因似乎缘于不排卵发病率较高、受精率较低，以及胚胎存活力较差所致。但是，内在深层因素则普遍认为造成这些状况是由于片面追求高产而迫使奶牛生理发生逆向改变；同时，并未提供相匹配的最舒适饲养憩息环境和最佳营养配方。此外，也与奶牛群体规模增加、发情表现减弱和某些遗传因素相关。最后，荷斯坦奶牛群体平均近交系数超过6.1%，亦存在一定程度的近交危害。

表1.不同繁殖力性状对泌乳牛群各泌乳阶段泌乳牛头数占比影响

2.现代奶牛养殖业理想的奶牛繁殖力性状究竟是什么？

这实际是老生常谈，即：

1) 产后无生殖系统疾患；

2) 卵巢功能复苏顺利和及时；

3) 发情表现明显；

4) 容易配种受孕；

5) 胚胎早期死亡率低；

6) 流产率低；

7) 死产率低；

8) 分娩顺利；

9) 落地犊牛健康；

10) 产犊间隔365-395日。

实际在上世纪60年代就已经发现奶牛繁殖力性状下降这一问题，但当时并未引起足够重视。那时奶牛群体遗传育种改良性状的重点是提升奶产量性状并且确实获得了巨大成功；目前奶牛群体奶产量性状仍以每年提高1-2%的速度递增。不过，实施片面追求奶产量性状的遗传育种改良选择方案也同时无意识地夹选进了一些不理想的性状，进而导致若干负面影响，如行为、生理和免疫诸方面出现的问题。尽管奶产量性状与繁殖力性状可能呈负相关，但依然有可能藉助遗传育种改良选择时兼顾这两项性状而获取同步改善，目前业已积累足够证据这是可行的。始自2003年，即将女儿受胎率性状整合进公牛遗传评估系统，结果表明：自那时起，虽然奶产量性状增加速度并无明显放缓迹象，但繁殖力性状却在逐渐提高。

3.改进奶牛繁殖力性状有无捷径？

回答是否定的。动物遗传学家早已揭发，繁殖力性状本身受多因素影响包括外界环境因素，因此很难确定遗传因素对繁殖力性状的影响程度究竟如何；并且繁殖力性状亦受体内若干微小影响基因共同操控。此外，由于繁殖力性状遗传力较低，故拟藉助传统遗传育种改良手段来提高奶牛繁殖力性状无疑困难重重，这业已为既往的大量实践观察所验证。从生物学角度来看，影响繁殖力性状的遗传变异可能直接参与生殖生理过程。然而，遗传因素也可能在一定程度上决定影响奶牛繁殖力性状的其它相关性状表现，如维持围产期适当体况、采食量和充足免疫应答潜力等，从而保证产后健康状况良好并能及早再次妊娠。毫无疑问，实施繁殖力性状遗传育种改良方案时会遇到种种困难，例如：收集可靠数据耗资巨大、验证时间漫长以及偏倚表型的误导，如统计未返情率、女儿受胎率等。除了这些限制因素，某些同繁殖力性状毫不相关因素，如繁殖管理策略和自愿等待期长短差异也一直影响着准确评估奶牛繁殖力性状。

4.可否藉助基因组检测技术提高奶牛繁殖力性状？

回答是有极大可能。虽然既往研究业已显示繁殖力性状遗传力较低，但是目前评估繁殖力性状采用比较更客观的细化性状指标，如：产后至首次排卵间隔时间、无排卵和胚胎早期死亡等，发现这些细化性状的遗传力从中到高不等，介于0.15-0.4之间。就繁殖障碍而言，产后子宫炎性状和胎衣不下性状的遗传力评估接近0.2。另外，女儿受胎率性状受遗传变异因素影响也非常明显，公牛之间可致女儿空怀天数相差甚至高达29天。随着基因组检测技术成本逐渐降低，解读个体DNA和利用单核苷酸多态性（SNP）标记分析对奶牛进行遗传评估日渐流行。当初生犊牛落地时，就可利用基因组检测技术来评估其育种值。由于缩短了世代间隔，因而可以减少验证公牛生产成本和加速遗传进展。目前，北美几家商业化基因组检测技术公司已经运行多年，不仅承担大量科研任务，同时也对广大奶牛场提供这类技术服务。与传统遗传一样，基因组选择也扩展到了与多个经济效益相关的性状，以及某些较特殊的与疾病相关性状。眼下美国奶牛育种委员会（CDCB）可以提供间接的健康性状预测，最近研究数据表明，可藉助这些性状进行遗传育种改良选择而降低某些疾病的发病率。大量奶牛群体健康记录数据已成功地用于确定个体之间存在的遗传变异，包括常见疾病的易感性，如胎衣不下、产后子宫炎、真胃移位、酮病、肢蹄病和乳房炎等。

5.基因组检测技术都分析哪些繁殖力性状的细化性状？

目前美国基因组检测技术分析评估的繁殖力细化性状包括：女儿受胎率、公牛易产性、女儿易产性、公牛死产率、女儿死产率、育成牛情期受胎率和成母牛情期受胎率等。与此同时，正在全力探索与繁殖力新性状相关的基因组变异。得益于此，已成功绘就出与奶牛繁殖力性状变异相关的多个基因组区域图谱。新近，又进一步用数千个SNP标记进行全基因组关联研究（GWAS），更促进了相关区域的解析和候选基因的发现。有趣的是，应用基因标记技术可以确定许多繁殖力细化性状，包括排卵率、情期受胎率、女儿受胎率、未返情率、发情表现强度等。此外，基因变异也已被确定与妊娠期长短、难产、死产和产后繁殖力性状相关。再有，基因组检测技术还可以定位影响繁殖力性状的隐性致死基因。例如，五个与奶牛繁殖力性状相关的隐性缺陷基因可以通过检测单倍型来确认，其群体发生频率较高，但从未发见纯合子。这些致死隐性缺陷基因可能降低奶牛群体情期受胎率、造成流产或死产。如前所述，繁殖力性状的某些相关细化性状，如产后卵巢功能复苏性状，具有中等遗传力。有趣的是，产后卵巢功能复苏越快，则越容易表现发情且越容易怀孕。因此，将影响繁殖力总表型性状进一步细化为若干单一具体可度量性状，无疑有益于做有的放矢精准遗传育种改良选择。比如，可将产犊间隔性状细化为多个与繁殖过程相关环节：产后至首次正常发情周期恢复的间隔时间、发情表现、情期受胎率、流产率以及妊娠期长短等。目前，推进繁殖力性状基因组选择的一个主要目标是收集大量且准确的与相应基因型相关的表型数据，并结合起来进行广泛评估繁殖力性状与这些性状的直接关联性，这些关联性状包括产后子宫炎、产后卵巢功能复苏、发情表现、情期受胎率和流产率等。众所周知，获得生产实践中的准确可靠数据并非易事，故而可尝试利用DHI资源和奶牛场牛群管理软件贮存的大量生产记录信息。最后，对低遗传力性状的遗传育种改良选择方案可以整合某些新型先进繁殖技术，如体外受精和胚胎移植，藉以较快增加奶牛群体优异母本数量而促进遗传育种改良；这些技术较传统繁育手段可以提高10-20%的遗传育种改良进展。

6.西方学者在这方面都做了哪些努力？

新进，美国多家研究机构共同组成联合攻关小组，并获得5年研究资金赞助，用于探索与奶牛繁殖力性状相关的基因组变异；总体目标是依据客观且直接测量的荷斯坦奶牛繁殖力性状相关数据，来建立基因型和表现型的繁殖力性状数据库，进而探索两者之间的相互关系。继之，藉助全基因组检测技术分析来鉴定与繁殖力性状显著相关的SNPS和单倍型，并将这些信息整合为奶牛繁殖力性状基因组育种值，应用于提高奶牛繁殖力性状的遗传育种改良选择。据此，联合攻关小组检测了大量牛群（来自美国7个州的12000个体，代表不同管理模式和环境条件），即从分娩开始，对这些奶牛每周检测一次，直至妊娠；评估这些奶牛的产后子宫炎、围产期代谢状态、产后卵巢功能复苏、发情周期和表现、情期受胎率和胚胎早期死亡与流产等。初步分析结果表明，总体而言，奶牛群体中71%的产后牛在产后50天左右卵巢功能复苏；产后首次发情配种情期受胎率为32.8%，产后二次发情配种情期受胎率为33.7%；确定妊娠后32天至60天之间，首次发情配种和二次发情配种早期胚胎死亡率分别为10%和8.7%。另外，分娩牛群19.7%产后牛在305日泌乳期期间被淘汰；4%产后牛在这期间死亡。联合攻关小组利用这个群体数据，开发出一项繁殖力性状指数（Reproductive Index; RI）），用以预估产后首次发情配种情期受胎率。这项繁殖力性状指数参考了逻辑回归模型，其中包括了具有遗传因素的奶牛水平变量，如疾病、无排卵、体况评分、奶产量等。有趣的是，当应用这项指数将整个母牛群体分别划分为低繁殖力性状组、中繁殖力性状组和高繁殖力性状组时，随后收集到的各组奶牛群体繁殖力性状实际数据与原先预估值呈一致性。继而，联合攻关小组应用繁殖力性状指数将奶牛群体再按高繁殖力性状妊娠牛（850头母牛）和低繁殖力性状空怀牛（1750头母牛）排序，并随后进行DNA分析。全基因组分析的初步结果表明，这很有可能揭示与繁殖力性状高低相关的某些基因组变异。此外，联合攻关小组亦藉分析二元变量，如子宫疾病、无排卵、发情表现、情期受胎率、胚胎早期死亡和流产等，以及连续变量，如基于繁殖力性状指数的妊娠预测概率和情期受胎率，来评估繁殖力性状的基因组变异，旨在提供最佳预测精确性。还有，联合攻关小组的初步分析也评估了遗传力和遗传标记对于繁殖力性状指数的效应。之前也有报道，促进奶牛繁殖力性状和健康性状变异的相关染色体区域基因存在着若干显著标记。与此同时，还对多性状之间存在的因果关系进行了探讨，如胎衣不下、产后子宫炎、临床子宫内膜炎、产后50天卵巢功能复苏、首次发情配种情期受胎率，以及泌乳早期蹄病发病率等。最终，使用这些显著标记的模型需经进一步检验和验证。这种大规模的评估将会与目前所选择的性状结合起来进一步完善奶牛基因组选择。

7.我们应该记住本文哪些要点？

现代奶牛养殖生产体系中做好繁殖工作是极其重要的一环。目前在不同养殖生产体系下，奶牛繁殖力性状下降趋势非常明显。虽然繁殖力性状受外界环境因素影响较大，但有证据表明，与繁殖力性状相关的基因型变异为扭转奶牛繁殖力性状下降趋势提供了遗传育种改良选择的可能性；具体实例就是，当将女儿受胎率性状整合到公牛评估体系，奶牛繁殖力性状就已经开始逐渐改善。目前，西方杰出奶牛遗传学家正全力以赴收集大量与相应基因型相关的繁殖力性状表型准确可靠数据，同时大规模评估各类繁殖因子对繁殖力性状的直接影响，如产后子宫炎、产后卵巢功能复苏、发情表现、情期受胎率、胚胎早期死亡和流产等。随着基因组检测分析成本日趋降低，接受基因组检测的奶牛数量将会不断增加。如果足够多的标记与繁殖力性状变异的因果关系被确定，则分子育种值将能对任何相关性状进行评估，从而可对奶牛群体的该性状进行广泛筛选。

我们下期讨论：“如何将奶牛基因组检测技术、精液类型选择和淘汰方案合理结合起来而最大限度提高奶牛场经济效益？”