基因检测与育种选种

自20世纪80年代以来，随着现代分子生物技术和信息技术的迅速发展，动物基因组计划和动物分子遗传学研究取得了大量的突破性成果，国际上的动物育种已逐渐进入分子水平，从传统的育种方法朝着快速改变动物基因型甚至是单倍体型的方向发展。动物分子育种的理论和技术得到了不断完善，可以预见分子育种在动物中的广泛应用，必将迎来了新的畜牧科技革命，对21世纪世界畜牧业产生巨大的影响。

1．分子育种的理论基础

遗传学从产生起经历了经典遗传学、群体遗传学、数量遗传学、分子遗传学，发展到现在的分子数量遗传学。孟德尔遗传学与数学相结合形成了群体遗传学，通过它来研究孟德尔群体的遗传结构及其变化，即群体基因频率和基因型频率的组成和变化。群体遗传学使孟德尔遗传学由家庭水平发展到了群体水平，而数量遗传学则是群体遗传学和统计学应用于数量性状的产物，是研究群体数量性状遗传与变异规律的科学。分子数量遗传学是分子遗传学与数量遗传学相结合诞生的一门新的交叉学科。分子育种就是以分子数量遗传学的理论和技术为基础发展起来的动物育种方法。

动物育种技术随着遗传学理论与技术的发展而不断进步，经历了从表型和表型值选种，基因型值或育种值选种，发展到目前以DNA分子遗传标记为基础的标记辅助选种、转基因技术和基因诊断试剂盒等的分子育种。

2．动物分子育种

动物分子育种(animal molecular breeding)是利用分子数量遗传学理论和技术来改良畜禽品种的一门新型学科，是传统的动物育种理论和方法的新发展。从目前发展现状来看，它应包括两方面内容：基因组育种(genomic breeding)和转基因育种(transgenic breeding)。其中，基因组育种是在基因组分析的基础上，通过DNA标记技术来对畜禽数量性状座位进行直接选择，或通过标记辅助导入有利基因，通过标记辅助淘汰（marker assisted culling,MAC）清除不利基因等，以达到更有效的改良畜禽的目的。转基因育种则是通过基因转移技术将外源基因导入某种动物的基因组上，育成转基因畜禽新品种（系），从而达到改良重要生产性状（如生长率、遗传抗性等）或非常规性育种性状（如生产人类药用蛋白、工业用酶等）的目标。

由于动物分子育种是直接在DNA水平上对性状的基因型或基因进行选择，因此其选种的准确性会大大提高，克服了传统动物育种方法的缺陷。按照常规育种方法要提高家畜的生产性能，如瘦肉率、产奶量、增重速度、饲料利用率等，人们往往需要进行多代杂交，选优交配，最后培育出高产、优质、人们期望的品种。然而，这种传统的方法存在着品种育成时间长、育成后再想引入新的遗传性状困难大等许多弊端，使带有新性状的品种可能同时也携带有害基因，杂交后有可能会降低原有性状。而分子育种能够克服传统杂交选择法的各种缺陷，具有高效、快速育种的特点，目前已显示出了越来越强大的生命力，必将成为动物遗传育种学科发展的方向和21世纪动物育种的主流。

2.1　基因组分析与动物分子育种

基因组分析是指对基因的结构和功能的分析，其主要内容是利用DNA重组技术精细的确定畜禽中控制重要经济性状座位（economic trait locus , ETL）在基因组上的遗传和物理位置，并且利用这些信息来对畜禽品种进行改良。其中最具应用前景的便是在构建遗传图谱的基础上，对畜禽的重要经济性状基因进行定位，寻找与数量性状座位(quantitative trait locus, QTL)紧密连锁的DNA标记，实施标记辅助选择，从而在DNA水平上对目标性状进行基因型选择，通过DNA多态性分析亲缘关系进行杂种优势预测，促进畜禽遗传改良的速度和效率。

2.1.1　数量性状主基因的检测与定位

研究表明影响数量性状的遗传变异既有数目众多的微效基因的共同作用，又有效应较大的一个或少数几个主基因的主导作用。例如猪应激综合征（PSS），或称恶性高温综合征（MHS），是猪应激或药物诱导性遗传缺陷，受常染色体单座位隐性基因（MHSn）控制，呈不完全隐性遗传。利用基因定位技术，证实了PSS座位是位于第６号常染色体上的兰尼定受体基因突变造成。兰尼定受体结构与功能的改变，导致猪应激时骨胳肌钙离子非正常释放而引起PSS的发生（Fujii等，1991）。依据以上原理设计的PSS基因诊断盒已在猪育种中应用，来监测和淘汰有害基因。一些主基因，如猪的氟烷敏感基因（HAL）、牛的双肌（double muscling）基因、鸡的矮小基因（dwarf gene）等均已得到国内外学者的普遍公认，并已开始在育种实践中应用。

基因定位（gene mapping）是指准确地确定控制表型性状的基因在基因组上的位置，包括确定基因在连锁群上相对位置的遗传定位（genetic mapping）和确定基因在染色体上具体位置的物理定位（physical mapping）。在已构建的遗传图谱基础上，根据资源家系（resource family）及其表型性状的记录，通过连锁分析或区间定位分析，即可判断出某个表型性状的基因位于基因组上的位置。其中，QTL或ETL的检测与定位对于畜禽育种改良具有更为重要的意义。目前，QTL或ETL定位方面的研究进展较快，一些显著影响畜禽经济性状的染色体区段或新的QTL已被陆续报道。虽然畜禽基因定位已取得了丰硕的成果，但目前已经定位的基因只占基因总数的极少部分，QTL的定位难以满足应用的要求，用于标记辅助选择的QTL数目更是相当有限；对于已经定位的基因，其定位的精度也有待进一步提高，与实际应用还有不小的距离。因此，进一步改进和完善基因定位的方法，提高基因定位的精度，缩小基因定位的区域范围是今后基因定位努力的方向之一。

2.1.2　标记辅助选择

标记辅助选择（marker assisted selection）就是用DNA水平的选择来代替以表型为基础的选择。利用DNA标记辅助选种是一个很诱人的领域，将给传统的育种研究带来革命性的变化，这也是分子育种的一个重要方面。随着分子遗传学理论和技术突飞猛进的发展，对分子遗传标记、QTL图谱分析的研究正不断深入。目前，畜禽遗传图谱的构建已取得较大进展，使得利用一个或一群标记以区分不同个体QTL的有利基因型正在逐步成为现实。由于标记辅助选择不受环境的影响，且无性别的限制，因而允许进行早期选种，可缩短世代间隔，提高选择强度，从而提高选种的效率和选种的准确性。目前许多研究都集中在各种DNA分子标记与主要经济性状之间的关系上，如影响猪产仔数的雌激素受体（ESR）基因的QTL研究，该座位在中国梅山猪合成系中可以控制1.5头总产仔数和1头活产仔数；PIC公司在育种方案中，已经应用MAS对含有ESR基因的群体中进行ESR的选种，

2.2　转基因育种

动物转基因技术是将外源基因整合到动物受体体细胞染色体上，并在受体动物体内稳定表达出相应的生物学表型而采用的一类综合技术，包括转基因的重组子构建技术、重组子导入动物体内的转化技术、转基因在受体动物染色体上稳定整合及可控性表达技术等。转基因动物的产生标志着人们可成功应用转基因技术，避开物种间杂交不育的生殖隔离，进行基因交流，打破物种界限，突破亲缘关系的限制，培育出自然界和常规育种难以产生的具特别优良性状的动物品种；可以改变常规育种需要进行多代杂交，所需时间长的缺点，加快育种进程。

转基因动物育种可以充分利用所有可能的遗传变异，从而极大地提高畜禽遗传改良的幅度和速度，同时还可根据人们的需求创造出一些非常规的畜牧产品。因此转基因动物技术在20世纪80年代初诞生时起，它就在改良畜禽生产性状、提高畜禽抗病力以及利用转基因畜禽生产非常规畜牧产品（如人药用蛋白和工业用酶）等方面显示了广阔的应用前景。

2.2.1　转基因技术改良重要经济性状

早在1982年Palmiter等人就用转基因技术将用小鼠金属硫蛋白（MT）启动子与大鼠生长激素基因构建的融合基因转入到小鼠体内，创造了整合并表达大鼠生长激素的转基因“超级鼠”。其目标就在于试图培育生长速度快的动物品种。后来人们通过外源基因的导入，加快了畜禽生长速度、提高了产肉（奶、蛋）量、改善其胴体成分、提高饲料利用率和缩短生长周期等。例如，1987年，Pinkert和Pursel等分别用带有金属硫蛋白基因启动子的牛生长激素融合基因通过显微注射法，获得8头可表达牛生长激素的转基因猪。这种猪体大，日增重增加，饲料转化率提高。后来，人们试图用转基因动物技术培育具有各种优良性状的动物品种，如转基因猪、羊、牛、鸡、兔、鱼、鼠等。随着这种新技术的不断改进和完善，将会彻底改变过去在家畜育种过程中只能在同种或亲缘关系很近的物种间进行杂交，或靠发生率极低的自然突变来进行选种，通过多代杂交才能生产出具某种优良性状的纯合体新品种的缓慢、落后的育种途径，还可以拓展家畜新的用途，为畜牧业持续、高效发展提供技术力量。

2.2.2　非常规性转基因育种

非常规性转基因育种是指通过将人类药用蛋白基因或工业用酶基因导入畜禽基因组，使目的基因在血液循环系统或乳腺中表达，从而使畜禽生产非常规性畜牧产品。畜禽成为了高效生产药用蛋白或工业用酶的化工厂，因此称为动物生物反应器（animal bioreactor）。例如利用转基因猪可以生产人类血红蛋白或作器官移植用的人类脏器，但更多的研究是集中在利用牛羊的乳腺来表达生产人类药用蛋白，这就是所谓的动物乳腺生物反应器（mammary bioreactor）。Alexander等将人α-抗胰蛋白酶 (hAT)基因转移入奶山羊并在乳腺获高效表达，乳汁中hAT的含量为１g/Ｌ～５g/Ｌ。Swanson等培育了转人血红蛋白基因猪，并且利用常规离心层析法从转基因猪血红蛋白中分离出了人血红蛋白，经检测发现，它与天然的人血红蛋白的性质完全相同。动物生物反应器的出现，是畜牧业的一场革命，具有深远重大的意义。这场革命使畜牧业过程成为了工业过程，使畜牧业产品成为了工业产品。

2.2.3　抗病育种

将特定病毒基因组中的某些编码片段作为目的基因导入畜禽基因组，如果该基因能够在宿主基因组中表达，那么转基因动物对该病毒的感染应具有一定的抵抗能力。早在20世纪60年代，人们就发现具有Mx等位基因的小鼠对A型及B型流感具有天然的抵抗力。Carber等将克隆的小鼠Mx基因的有义链和反义链插入禽反转录病毒载体中，并以之转染鸡胚胎成纤维细胞(CEF)。结果表明，插入有义链反转录病毒载体转染的CEF对人流感病毒、禽流感病毒的感染具有抵抗作用。

现在研究较多的是，Visna病毒的衣壳蛋白基因、流感病毒MX基因、干扰素、核酸基因等。目前的基因工程技术可以将两个或多个抗病毒基因克隆至同一载体中，将这样的多重抗病毒基因导入动物体，能使不同病毒功能基因协同作用。另外，将反义核酸与中和性单抗可变区基因融合，既有核酸水平的抗病毒作用，又有蛋白质水平的作用。尽管抗病毒转基因动物新品系的出现还有待时日，但有理由相信，随着胚胎学、分子生物学和基因工程等技术的不断进步，抗病毒感染育种研究将不断深入并取得进展。

但是，要在动物育种中真正应用转基因动物技术，培育出具有一定规模的转基因畜禽品种（系），并不是短时间内可以完成的。主要原因有：外源基因整合率低，转基因固定及转基因的稳定遗传问题尚未解决，难以控制转基因在宿主基因组中的行为、基因的表达频率和表达水平，对畜禽许多重要基因的结构和功能及其表达的调控机制等尚未完全清楚等。近年来，随着发展起来的基因剔除（gene knock out）、基因打靶（gene targeting）、酵母人工染色体技术等转基因技术的不断进步，转基因的定点整合、整合率和稳定遗传等问题将会逐步得到解决，从而在畜禽育种中发挥越来越大的作用。

3．动物分子育种的研究现状

20世纪80年代末，美国、欧盟、日本等发达国家的政府和大型育种公司就预计，21世纪商品化生产的畜禽品种都可能要通过分子育种技术来改良，以增强品种的国际竞争力，提高动物生产的经济效益。于是，欧盟（英、法、德等16个国家）在1990年、美国在1991年、日本在1992年纷纷启动了各自的“动物基因组研究计划”。1993年分子育种中的关键技术趋于成熟，优良性状的基因诊断盒开始涌现。1995年，困扰世界养猪业近半个多世纪的、造成直接经济损失达20亿美元的猪应激综合征（PSS）遗传病基因被用ＤＮＡ诊断技术淘汰出核心群，这是使用传统育种技术一个世纪也难以做到的事情。1996年全球最大的猪育种集团PIC公司（控制了英美种猪的70%）总裁宣称，他们开始启用分子育种技术培育“21世纪最优种猪”。PIC采用科研与生产相结合的方法对种猪进行改良。在传统的育种方法中，加入分子遗传信息，加速了PIC种猪的遗传进展。

利用转基因技术，在猪的育种中，美国伊利诺斯大学研究出一种带牛生长激素的转基因猪，这种猪生长快，基因转入猪获得成功，所得到的转基因猪在血液中表达了人的血红蛋白。经检测发现，它与天然的人的血红蛋白性质完全相同。由此可见，在不远的将来，人们就可以用转基因动物生产血红蛋白来辅助输血。在奶牛和奶羊上，目前转基因的主要途径是改变乳的成分、提高产乳量和生长速度。例如牛奶中奶酪的产量与牛奶中κ-酪蛋白的含量直接相关，转入一个超量表达的κ-酪蛋白基因能够增加酪蛋白的产量。还有一种转基因山羊，在乳中可产生具有抗癌作用的复合单克隆抗体，利用这种转基因山羊可极大地降低生产这种复杂分子的成本。由于家畜许多性状如育性、生长速度、产奶量等都受激素调节，所以，很多转基因动物转的是能提高激素水平的基因。由于人类医学的需要，转入人类蛋白基因，生产药用蛋白也是转基因动物研究的一个重要方面。从以上的研究进展可见，转基因动物育种技术的进步，不仅可提高畜牧业的生产效率，还可拓展家畜的用途，为畜牧业持续、高效的发展提供技术力量。

此外，动物分子育种也涉及到动物遗传资源的保护。动物的保种是一项长期的工作，种群是否发生遗传变化很难在短时间内发现，对保种的效果也很难作出科学的结论。随着分子标记的不断涌现，广泛应用于育种工作中即标记辅助保种，利用与目标基因有紧密连锁的DNA分子标记对目标基因在保种过程中的分离和重组进行跟踪，通过有意识的选留而加以保护，使之不因遗传漂变而丢失。这使动物的保种深入到DNA分子水平，提高了保种的精确性和效果，也使保种和选育工作能更好地结合。