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      肉牛遺傳育種與繁殖技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

      2013-04-16 08:16:12楊武才昝林森孫秀柱
      家畜生態(tài)學(xué)報(bào) 2013年12期
      關(guān)鍵詞:肉牛胚胎遺傳

      楊武才,昝林森*,孫秀柱

      (1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.國(guó)家肉牛改良中心,陜西 楊凌 712100)

      我國(guó)肉牛產(chǎn)業(yè)起步較晚,起點(diǎn)低,科技含量低,以致肉牛產(chǎn)業(yè)明顯落后于發(fā)達(dá)國(guó)家,甚至低于世界平均水平,在國(guó)際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力,嚴(yán)重制約了我國(guó)現(xiàn)代肉牛業(yè)的發(fā)展。目前,支撐我國(guó)肉牛業(yè)生產(chǎn)的主導(dǎo)品種仍然是肉用性能欠佳的地方黃牛品種,改良牛的覆蓋率不到30%。集約化養(yǎng)殖水平低,只有40%,粗放式飼養(yǎng)管理現(xiàn)象比較普遍,組織化程度低,現(xiàn)有的良種潛力并沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。在我國(guó),60%以上的肉牛良種依賴(lài)進(jìn)口。因此,加快肉牛遺傳育種與繁殖技術(shù)的研發(fā),提高產(chǎn)業(yè)化能力,對(duì)保障我國(guó)肉牛產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展具有重要意義。

      1 肉牛遺傳育種發(fā)展趨勢(shì)

      隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)等新興學(xué)科的飛速發(fā)展,動(dòng)物育種計(jì)劃和動(dòng)物分子遺傳學(xué)研究取得了大量的突破性成果,動(dòng)物育種從傳統(tǒng)的育種方法朝著快速改變動(dòng)物基因型的分子水平方向發(fā)展,分子育種已逐漸成為肉牛育種的趨勢(shì)和主流。

      1.1 傳統(tǒng)育種與分子細(xì)胞工程育種相結(jié)合成為定向培育肉牛新品種的重要途徑

      傳統(tǒng)育種方法將數(shù)量遺傳學(xué)原理應(yīng)用于育種實(shí)踐,通過(guò)采用雜交改良、品系選育等技術(shù),對(duì)肉牛品種進(jìn)行不斷改良和雜種優(yōu)勢(shì)利用。幾十年來(lái),利用引進(jìn)的西門(mén)塔爾、夏洛來(lái)、安格斯、利木贊等品種,與地方黃牛品種雜交培育了一批新品種,包括中國(guó)西門(mén)塔爾牛、新疆褐牛、三河牛等兼用品種和夏南牛、延黃牛、遼育白牛等專(zhuān)用肉牛品種。這些品種在生長(zhǎng)速度、飼料轉(zhuǎn)化效率、胴體重等方面比地方牛種都有顯著提高。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)育種方法缺陷日益明顯,特別對(duì)繁殖性狀、胴體性狀、抗病性狀等低遺傳力性狀,傳統(tǒng)育種方法不能取得顯著的遺傳進(jìn)展,肉牛遺傳改良進(jìn)人了“育種平臺(tái)階段”。

      隨著現(xiàn)代生物技術(shù)和基因組學(xué)的迅猛發(fā)展,肉牛重要經(jīng)濟(jì)性狀基因得到精細(xì)定位、克隆及功能驗(yàn)證,分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)的研究不斷深入,這些為肉牛育種提高了新的思路與方法,顯示出其強(qiáng)大的生命力,并逐漸成為肉牛育種的趨勢(shì)和主流。傳統(tǒng)的育種方法通過(guò)與各種現(xiàn)代生物技術(shù)(如轉(zhuǎn)基因技術(shù)、克隆動(dòng)物技術(shù)、胚胎工程技術(shù)等)綜合運(yùn)用,極大加速了肉牛遺傳改良進(jìn)程,肉牛育種進(jìn)入傳統(tǒng)育種方法與現(xiàn)代分子細(xì)胞工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新階段[1]。此外,隨著?;蚪M測(cè)序工作的完成,SNP芯片、甲基化芯片、miRNA芯片、表達(dá)譜芯片等各種芯片相繼問(wèn)世,產(chǎn)生了如基因組選擇、全基因組關(guān)聯(lián)分析、系統(tǒng)生物學(xué)分析等一些新的理論和方法,加快了數(shù)量性狀遺傳機(jī)理研究的步伐,將對(duì)肉牛育種實(shí)踐產(chǎn)生革命性的變化[2-3]。

      1.2 地方牛品種優(yōu)異基因資源挖掘及其功能基因組研究是育種的基礎(chǔ)

      我國(guó)固有地方牛品種中蘊(yùn)藏著豐富的有益基因,其中抗逆性、耐粗性及肉脂品質(zhì)等是最具特色和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的經(jīng)濟(jì)性狀[4]。如何將蘊(yùn)藏于我國(guó)地方牛品種資源中的有益基因挖掘出來(lái),使?jié)撛趦?yōu)勢(shì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì),從而提高我國(guó)種業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,是目前迫切需要解決的科學(xué)問(wèn)題。因此,在分子和基因組水平開(kāi)展固有地方牛品種優(yōu)異基因資源發(fā)掘研究,對(duì)重要性狀的基因或主效基因進(jìn)行克隆、測(cè)序與定位,通過(guò)表達(dá)序列標(biāo) 簽 (EST) 、 DNA芯片技術(shù)、蛋白質(zhì)組 (Proteome) 技術(shù)和生物信息學(xué) (Bioinformatics) 技術(shù)等在基因組水平上系統(tǒng)、全面地分析基因功能,不僅可以獲得肉牛最基本的生物遺傳信息與自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功能性新基因,而且能極大推動(dòng)我國(guó)地方牛品種基因資源研究和肉牛遺傳改良進(jìn)程[5]。

      1.3 新型分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)與應(yīng)用成為發(fā)展育種新技術(shù)的重要方向

      目前,發(fā)現(xiàn)的任何一種分子標(biāo)記均不能滿(mǎn)足作為理想的遺傳標(biāo)記的所有要求,但可以預(yù)見(jiàn),隨著高通量、低成本和高精度DNA 測(cè)序新技術(shù)的發(fā)展,將為開(kāi)發(fā)新型分子標(biāo)記(cSSR、SNP等)提供更多寶貴資源,分子標(biāo)記將會(huì)展示更廣闊的應(yīng)用前景[2,6]。這類(lèi)分子標(biāo)記來(lái)源于基因序列,能對(duì)基因進(jìn)行直接選擇,且數(shù)目多、適于高通量檢測(cè)[5]。此外,由于動(dòng)物品種間基因序列的保守性,獲得的標(biāo)記可在品種間相互通用,從而極大促進(jìn)分子育種與比較基因組學(xué)的有機(jī)結(jié)合。因此,新型分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是發(fā)展育種新技術(shù)的重要方向。

      1.4 現(xiàn)代化育種技術(shù)共享平臺(tái)建設(shè)成為肉牛育種發(fā)展的重要支撐

      與發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)代化、規(guī)?;?、集約化的研究中心或基地相比,我國(guó)肉牛育種分散型、作坊式的研究導(dǎo)致研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)單重復(fù)、力量過(guò)于分散,有限的資源得不到合理優(yōu)化配置,研究廣度和深度十分有限,難以取得突破性重大成果,已無(wú)法適應(yīng)日趨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。因此,急需建立集分子育種、標(biāo)記開(kāi)發(fā)、技術(shù)集成、轉(zhuǎn)基因研究等于一體的國(guó)家級(jí)肉牛育種研究科研平臺(tái),為全國(guó)肉牛育種研究提供一流的技術(shù)共享平臺(tái)[5,7]。

      1.5 完善肉牛育種技術(shù)體系是肉牛高效育種的根基

      肉牛的選育必須依靠完善的育種技術(shù)體系,其包括數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、遺傳評(píng)估系統(tǒng)、性能測(cè)定站等。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和性能測(cè)定站的建立尚屬空白,同時(shí)也沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)收集標(biāo)準(zhǔn),在這樣的育種技術(shù)體系基礎(chǔ)上根本不可能選育出優(yōu)良種?;蜃C明其優(yōu)良種牛優(yōu)異性[8]。因此,我國(guó)必須借鑒國(guó)外育種機(jī)構(gòu)在組織成立、技術(shù)集成與服務(wù)等方面經(jīng)驗(yàn),同時(shí)結(jié)合中國(guó)特色建立起有效的育種機(jī)構(gòu),與我國(guó)肉牛產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合[9],為中國(guó)肉牛產(chǎn)業(yè)打造堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

      2 肉牛繁育技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

      20世紀(jì)人工授精、胚胎移植、發(fā)情控制等技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)肉牛遺傳改良產(chǎn)生巨大影響,但越來(lái)越不能滿(mǎn)足現(xiàn)代肉牛業(yè)發(fā)展的需求。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)和基因組學(xué)的迅猛發(fā)展,肉牛全基因組的遺傳信息將會(huì)得以闡明,以配子與胚胎工程、基因工程為主體的高新繁育技術(shù)將成為肉牛繁育的主要手段[10],胚胎移植、體外胚胎生產(chǎn)、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)等高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化將是現(xiàn)代肉牛業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和主流。

      2.1 體外胚胎生產(chǎn)工廠化

      即體外受精。迄今為止,通過(guò)體外受精技術(shù)我國(guó)成功獲得了包括牛、豬、綿羊、山羊等試管家畜,但目前體外受精獲得胚胎其比率和質(zhì)量與體內(nèi)胚胎存在較大差距[11],牛體外受精囊胚發(fā)育率不及40%[12],經(jīng)過(guò)冷凍保存、解凍并移植后的妊娠率則更低[13]。近幾年來(lái),隨著對(duì)牛體外早期胚胎發(fā)育基因組變化、表觀遺傳修飾及能量代謝機(jī)理等認(rèn)識(shí)的不斷深入,我國(guó)在牛卵母細(xì)胞體外成熟、體外受精和受精卵的體外培養(yǎng)及冷凍保存技術(shù)等研究方面已取得了巨大進(jìn)展[14-15]。但進(jìn)一步改進(jìn)體外培養(yǎng)系統(tǒng),提高體外培養(yǎng)卵母細(xì)胞成熟質(zhì)量、受精率及受精胚的桑椹胚、囊胚發(fā)育率與質(zhì)量,為體外胚胎生產(chǎn)工廠化奠定基礎(chǔ),仍將是今后研究重點(diǎn)[16]。

      2.2 胚胎移植產(chǎn)業(yè)化

      胚胎移植是另一個(gè)行之有效的繁殖技術(shù),旨在增加母畜的繁殖率,擴(kuò)大優(yōu)秀公母畜基因在群體中傳播。另外,胚胎移植作為生物技術(shù)如生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的重要手段,應(yīng)用于各種家養(yǎng)動(dòng)物。胚胎移植在牛上的廣泛應(yīng)用得益于非手術(shù)采卵和非手術(shù)移植技術(shù)的突破。超數(shù)排卵技術(shù)是牛胚胎移植是否有經(jīng)濟(jì)效益的另一重要環(huán)節(jié)。經(jīng)典的超數(shù)排卵技術(shù)總有10%~15%的母牛超排失敗。近年來(lái)對(duì)母牛卵泡發(fā)育波的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)卵巢上無(wú)主導(dǎo)卵泡時(shí),或?qū)⑵淙コ?,超?shù)排卵即可獲得更多的可移植胚胎,大大提高了胚胎移植的經(jīng)濟(jì)效益。牛繁殖技術(shù)的另一技術(shù)突破是胚胎體外生產(chǎn)體系的建立。體外生產(chǎn)胚胎已經(jīng)被應(yīng)用于胚胎移植業(yè),與母?;铙w取卵一道,大大加強(qiáng)了體外生產(chǎn)胚胎的實(shí)用性。胚胎的冷凍保存也有所突破。已發(fā)現(xiàn)乙二醇等小分子物質(zhì)具有抗凍作用,其進(jìn)入胚胎細(xì)胞的速度大大快于甘油,使胚胎解凍后可直接移植到母畜子宮,大大簡(jiǎn)化了過(guò)去的繁瑣步驟。

      目前,胚胎移植過(guò)程中大部分技術(shù)已接近成熟并正在開(kāi)發(fā)中,超數(shù)排卵、胚胎性別鑒定、胚胎分割技術(shù)、胚胎冷凍保存是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。隨著活體采卵、體外受精等技術(shù)的進(jìn)一步提高及體外培養(yǎng)系統(tǒng)的進(jìn)一步完善,體外生產(chǎn)胚胎的商業(yè)化應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步提高[17],胚胎移植將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化時(shí)代。

      2.3 性別控制技術(shù)

      目前,肉牛性別控制研究的熱點(diǎn)主要集中在流式細(xì)胞分離法和胚胎性別的分子生物學(xué)鑒定上[18]。PCR方法靈敏度高,但易污染,且需對(duì)胚胎進(jìn)行分割移植,因此很難在肉牛生產(chǎn)中大規(guī)模推廣應(yīng)用[19];流式細(xì)胞儀法是目前肉牛生產(chǎn)中進(jìn)行性別控制的主要方法,但因分離速度慢、成本高等問(wèn)題而影響其在生產(chǎn)中的應(yīng)用,怎樣減少分離過(guò)程中離心造成的精子損傷及提高分離后性控精液的受胎率是目前研究熱點(diǎn),在建立一種高效、快捷、準(zhǔn)確、低損傷、經(jīng)濟(jì)的免疫學(xué)分離精子的新方法之前將仍是性別控制的主要方法[19-21]。隨著功能基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、表觀遺傳學(xué)、生物信息學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展,動(dòng)物性別決定的新途徑、新理論將得到進(jìn)一步認(rèn)識(shí),必將探索出更加高效、快鍵、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的性別控制新方法,然后結(jié)合人工授精、胚胎切割、胚胎移植、體細(xì)胞克隆等繁殖操作技術(shù),大量提高與性別密切相關(guān)的生產(chǎn)性能[22],如產(chǎn)肉性能等,有力地促進(jìn)肉牛產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

      2.4 轉(zhuǎn)基因技術(shù)

      轉(zhuǎn)基因技術(shù)的誕生使肉牛定向育種成為可能,有望大幅度提高肉牛生產(chǎn)性能。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)能顯著提高動(dòng)物抗病性能和生產(chǎn)性能,已培育出抗瘋牛病、抗乳房炎、轉(zhuǎn)賴(lài)氨酸、轉(zhuǎn)人溶菌酶等轉(zhuǎn)基因牛新品種[23],且已有研究表明轉(zhuǎn)基因牛肉與普通在牛肉主要營(yíng)養(yǎng)成分和食用安全性方面并無(wú)差異[24]。從目前的發(fā)展趨勢(shì)看,轉(zhuǎn)基因研究和應(yīng)用將是動(dòng)物育種領(lǐng)域最活躍、最有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的方向之一[25],隨著其在動(dòng)物品種改良中的應(yīng)用研究不斷深入,它將給肉牛品種改良等領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化。

      2.5 克隆技術(shù)

      目前為止,雖然動(dòng)物克隆技術(shù)還存在一些機(jī)制不明確和一定的技術(shù)缺陷,但是動(dòng)物克隆在畜牧業(yè)、動(dòng)物保護(hù)等領(lǐng)域都已經(jīng)并且將會(huì)有非常廣闊的應(yīng)用[26]。利用克隆技術(shù),結(jié)合胚胎移植等已經(jīng)成熟的生物技術(shù),不僅可以節(jié)約大量生產(chǎn)種牛的時(shí)間和費(fèi)用,還可以對(duì)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)肉牛進(jìn)行快速擴(kuò)群。研究表明,克隆肉牛的肉質(zhì)與自然交配生產(chǎn)的后代之間并沒(méi)有什么不同,完全可以放心食用[24,27-28]。我們相信,隨著克隆技術(shù)不斷發(fā)展與完善,克隆技術(shù)將是肉牛育種方面最具潛力的方法之一[26]。

      2.6 遺傳標(biāo)記開(kāi)發(fā)

      目前,發(fā)現(xiàn)的任何一種分子標(biāo)記均不能滿(mǎn)足作為理想遺傳標(biāo)記的所有要求,能真正應(yīng)用于遺傳育種的標(biāo)志還十分有限[29]。在遺傳標(biāo)志的開(kāi)發(fā)上,以提升肉牛繁殖力性狀的遺傳標(biāo)志最具應(yīng)用價(jià)值,利用已知功能或與繁殖有關(guān)基因多態(tài)型作為研究目標(biāo)來(lái)開(kāi)發(fā)繁殖力性狀遺傳標(biāo)志,成為今后研發(fā)工作的重點(diǎn)。

      3 展 望

      隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的迅速發(fā)展和繁育技術(shù)研究的不斷深入與產(chǎn)業(yè)化,肉牛育種已從傳統(tǒng)的育種方法朝著快速改變動(dòng)物基因型方向發(fā)展,育種技術(shù)與一系列高新繁育技術(shù)的結(jié)合與應(yīng)用,將對(duì)肉牛傳統(tǒng)育種工作產(chǎn)生革命性作用,逐步改變傳統(tǒng)肉牛業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展模式,是今后發(fā)展高效、優(yōu)質(zhì)肉牛業(yè)的必然趨勢(shì)和方向。

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