美国动物育种规划及其对中国的启示

颜志辉，冯 涛，王爱玲，赵静娟，串丽敏，郑怀国*

（1.北京市农林科学院农业信息与经济研究所，北京 100097；2.北京市农林科学院畜牧兽医研究所，北京 100097）

畜禽良种是畜牧业发展的基础，美国的动物育种研究和育种产业处于全球领先地位。美国制定战略规划引导国内科学界、产业界思考动物育种领域未来的主要发展方向以及面临的主要科学问题，并制定中长期目标和实施策略；同时通过国际合作对其他国家的研究起到影响和带动作用。从该角度来讲，美国的动物育种发展规划不仅影响本国动物种业的发展，也对全球动物种业的发展产生深远影响。正如美国农业部（USDA）国家食品和农业研究所副主任Parag Chitnis在“USDA动物基因组到表型蓝图2018—2027研讨会”上指出，规划蓝图不是预测未来，而是为未来指明方向，新的规划蓝图应该是首创的，通过制定动物基因组计划蓝图可以引导其他国家如中国、欧洲等一起在相关研究领域上投入资金和人力。笔者系统分析了USDA及其下属主要农业研究机构（USDA Agricultural Research Service，ARS）的规划文件及其相关文件，以期为中国的畜禽育种发展提供借鉴。

1 美国动物育种的相关规划

1.1 《动物生产行动计划2018—2022》 USDA ARS于1996年开始实施国家计划以组织其研究项目，动物生产行动计划始于彼时，它引领美国动物生产相关研究工作，为消费者提供充足的、有竞争力的、高品质的动物产品，同时确保国内粮食安全，并提高动物生产的效率和竞争力、环境可持续性，保护动物遗传资源。《动物生产行动计划（2013—2018）》中，动物育种的目的是通过充分理解、掌握并有效利用动物遗传和基因组资源实现动物的遗传改良，具体包括发展生物信息学和基因组大小定量技术以及相应手段和工具、进行基因组学和宏基因组学研究、研究功能基因组作用通路及其相互作用、保存动物遗传资源、制定和实施基因改造的遗传改良计划、提升动物的基因改造和基因工程技术水平等内容。

《动物生产行动计划（2018—2022）》大体框架在延续上一个五年计划基础上稍作延伸，如在动物遗传资源保护的基础上，进一步挖掘动物遗传资源的遗传特征[1]。该行动计划包含以下与动物育种相关的一般策略和具体行动：

1）提高生产效率，同时提高不同生产系统的动物福利和繁殖效率。随着奶牛产奶量增加其受孕率降低、猪的季节性不孕需要特别关注。对于繁殖效率和生产效率这一对矛盾的生物学机制知之甚少，最近在奶牛和其他畜种基因组的研究将有助于全面分析控制生产效率和生殖效率的基因，从而加深对这些问题的理解。

2）挖掘和有效利用动物的遗传和基因组资源。在复杂性状功能基因组特征揭示及其相互作用的研究中，转录组学、蛋白质组学和代谢组学研究有助于揭示动物的基因型和表型之间的联系，通过阐明这些组学遗传效应及其与不同性状的相互作用进而发挥遗传学和基因组学研究的价值，利用测序和复杂基因组注释以及高分辨率的基因图谱将表型变异与基因型联系起来。基因组资源的有效利用需要发展基因组学和宏基因组学研究中的生物信息学和其他分析技术，随着生物技术的发展，遗传多样性和基因注释参考序列、高通量蛋白质组学和代谢组学等技术在提高基因组研究分析能力的同时，也产生了大量数据，迫切需要生物信息学研究手段和工具对这些数据进行深入挖掘。过去几十年普遍采用种内或品系内近亲繁殖以提高动物的生产性能，因此维持动物种群的遗传多样性至关重要。利用基因组工具制定和实施基因改良计划，将遗传评价项目中现有的性状扩展到所有动物上，并应包括营养利用效率、繁殖能力和寿命、产品产量和质量、动物行为、健康、抗病性和抗应激能力等特征。改进动物遗传修饰和基因工程技术，包括同一物种内基因、不同物种的同源基因、不同物种的独立基因以及人工设计合成基因等途径。

1.2 《USDA ARS战略规划 2018—2020》 ARS战略规划主要描述其负责的国家研究计划，并描述了该机构在4个主要战略性目标领域的规划和活动。在其上一个规划文件《USDA ARS战略规划2012—2017年》中战略目标4提到，ARS动物生产和保护国家研究计划的使命是提供科学的信息和工具，帮助支持美国畜牧业在世界贸易中继续保持竞争优势，保障国内所需的畜禽产品供应，并为全球粮食安全做出贡献。其中与动物育种紧密相关的内容包括保护和利用动物遗传资源以及相关的遗传和基因组数据库，并开发强大的生物信息学工具；开发用于改进动物生产系统的信息、工具和技术，保障畜牧业的竞争力以及健康、可持续发展，为人民提供丰富、安全、廉价的畜禽产品[2]。

《USDA ARS战略规划 2018—2020》总体框架仍延续其上一个五年规划内容，具体包括：

1）识别动物生产与动物生长中生理、营养利用、生殖生理、健康和福利相关性状潜在遗传和/或生理机制，并利用这些信息提高动物的生产效率。

2）发展基因组学基础设施和工具，以有效识别基因、功能以及与环境因素的相互作用，开发适用于动物基因组改进的方案。

3）进一步识别动物重要性状的种质特征，并继续增加国家动物种质库中种质资源的存储量，以保持生物多样性[3]。

1.3 《USDA动物基因组学研究蓝图2008—2017》《USDA动物基因组学研究蓝图2008—2017》是由USDA的Ronnie Green和Muquarrab Qureshi牵头成立的USDA动物基因组学战略规划团队于2007年9月完成的首个动物基因组研究蓝图，其2018—2027版动物基因组学研究蓝图目前正在制定中。

美国通过动物改良极大地提高优质、低价和安全畜禽产品的供应能力，这很大程度上得益于USDA在数量遗传学和动物分子生物学研究中的投入以及这些新技术在生产中的迅速推广。通过加大在动物基因组技术领域的投入，促进了基因发现、基因组测序以及生物医学领域新技术在畜牧业的应用，使畜牧业在基因组革命中占据一席之地。虽然数量遗传学在提高肉、蛋、奶生产效率方面取得了巨大进步，但要满足人们对多种畜禽产品的需求仍需进一步提高生产效率[4]。

1.3.1 动物育种技术应用 动物基因组学研究的目标是利用基础科学提高动物生产水平。基因组信息与动物育种和动物生产管理结合将在短期内产生效果，如更准确和快速的动物遗传改良率、更好的动物适应性、利用基因组技术实现亲缘关系的快速鉴定等。动物基因组学研究有利于独特动物种质资源的保存，保障生物多样性，其影响更为深远。由于数量遗传学在美国动物育种计划中的广泛应用以及基因组信息更快速地被挖掘，基因组学研究的应用首先体现在动物改良、管理和生物安全领域。USDA支持的动物基因组学研究、培训和推广工作将向畜牧生产者提供以下技术：

1）全基因组的动物育种导致选育成本和世代间隔显著降低。探索高密度单核苷酸多态性（SNP）图谱与物种内单倍型信息结合的可能性，以使重要性状的“全基因组选择”用于动物育种。这种方法可加快遗传改良，同时减少育种过程中后代检测成本。此外，SNP标记可用于监测整个基因组中一个以上（多个）性状的选择，从而获得精确的遗传改良。

2）将表型与基因组数据结合用于预测遗传价值。为了充分利用基因组信息的遗传改良能力，需要将数量遗传学理论和平台与基因组数据结合在一起，并加强软件研究和开发，以整合所有形式的基因组信息，建立大规模的遗传评估系统。基于基因组动物改良过程的关键步骤是开发用于记录复杂和难以测量性状表型的标准化系统。

3）将基因组数据整合到大规模的遗传评估程序中，并使用基因组信息来设计精准化配对系统。基因组信息将用于预测复杂性状的遗传值，由此产生的工具也将用于精确配对系统的设计。基因组的精准信息纳入配对系统设计可使近交的累积效应最小化，可预测的配对将优化使用非加性遗传变异的特征，其中杂交优势尤为重要。表观遗传效应结合基因组数据可取得更好的效果。

4）优化动物生产管理制度。基因组信息也将为精准动物生产管理系统的发展提供基础。利用动物基因型信息可为动物精确地选择最适的生产环境，改善动物福利。例如，一些肉牛和奶牛的基因型可能更适合草场放牧系统，而不适合舍饲系统。饲养方案和防疫计划也可以根据动物的基因型进行匹配设计，从而提高生产效率，并获取较好的经济效益。

5）基因组进行亲缘关系鉴定和身份验证（可追溯性）。开发用于动物个体鉴定和亲缘关系鉴定的高通量基因分型系统将对畜牧业产生直接的影响。高通量SNP基因分型系统有望商业化服务于大多数畜禽企业。利用基因组技术可为动物溯源提供一种快速、经济和简单的识别手段，从而提高食品安全性。

1.3.2 动物育种基础研究 基因组技术用于动物改良、生产管理和生物安全之前，必须填补对动物基因结构和功能理解的关键空白。动物基因结构和功能相关新知识的快速地发现需要跨学科合作，利用最先进的设备、技术和方法，包括系统生物学和比较基因组学。系统生物学将所有的生物组成及其相互作用结合起来分析，这将促进基因和调控元件功能的识别和确定。比较基因组学是利用从已完成的基因组序列获得的信息来解析畜禽基因组知识的重要工具。在物种间高度保守的DNA序列可能是重要的功能基因或调控因子。由于短时间内不太可能对所有重要畜禽的基因组测序，利用比较基因组学可以推测相关物种之间的遗传信息。在短期内推进基础科学研究的优先顺序：

1）鉴定调控畜禽重要性状的基因和基因产物。在畜禽基因组学中的研究已经发现了大量数量性状基因位点（QTL）的基因组区域，用于各种重要经济性状的研究。比较基因组学将是发现跨物种保守基因以及物种内可能引起物种特异性和表型变异基因的重要工具。此外，利用蛋白质组学和代谢组学研究方法识别调节畜禽生产性状的新蛋白质也值得关注。

2）研究系统生物学范畴调节畜禽重要经济性状相关基因的机制。虽然已经掌握了调节个体基因的机制，但仍需要研究在动物系统内调节基因表达的许多基本机制。使用DNA芯片、微阵列或下一代测序技术研究不同组织、动物群体和环境条件下基因的表达谱，可以鉴定新基因并研究其时空表达。进一步优化基因敲除（如RNA干扰）或基因插入技术在动物中的应用。

3）研究基因和遗传变异影响表型和表型变异的机制。需要阐明复杂性状的上位效应、与环境的相互作用以及其对表型的影响。开发明确、标准化的动物表型描述或知识本体，尤其是难以测量的表型。开发高效、系统和全面的表型筛选程序和工具以更好地进行实验室之间的比较。动物种内和种间单倍型的鉴定将增强性状的映射，并最终鉴定这些引起表型变异的基因突变。

1.3.3 动物育种基础设施 动物育种基础设施主要指先进的基因组工具和资源，以及训练有素的技术人员。动物基因组学中基础设施的优先顺序：

1）开发基因型与表型相结合阐明不同畜禽复杂性状的基因组工具，这些工具包括全面且高分辨率的基因组图谱、组装和注释的基因组序列。

2）整合各个动物物种的基因组、表型和实验信息的国家级综合数据库、统计和生物信息学工具。为有效利用动物基因组学中所产生的资源，需要设计、构建和维护大型综合数据库以及将这些数据库中的信息集成到各种统计和生物信息学工具中。

3）动物遗传资源群体表型研究集中存储且可供研究团体使用。集中存储设施需要具有足够的技术专长以保存独特的实验动物种群，收集这些动物的基因型和表型信息，并使该群体能够用于农业和生物医学研究。重点是动物种群的常见性状以及复杂、难以测量性状（如饲料效率、抗病性、动物福利、产品质量和环境适应性）表型测量方法的开发和研究。

4）关于动物基因组学的教育和培训。教育培训中应特别强调将数量遗传学、基因组学、免疫学、营养学、生理学、生物化学、细胞生物学、发育生物学、生态学、工程学、物理学、数学和计算机科学与动物科学结合，以帮助年轻一代研究人员在跨学科团队工作。全球培养动物基因组学领域专业人才的高等院校数量正在迅速减少，如果这种趋势无法逆转，美国很可能在数量遗传学、统计学和计算生物学综合领域面临失去培养新兴科学家的能力。

1.4 《USDA研究教育和经济行动计划（2014版）》《USDA研究教育和经济行动计划（REE）》旨在指导和帮助协调整个部门的研究活动，它进一步划定了USDA与农业科学和教育有关的创新研究重点。2012年USDA首次制定REE行动计划，并于2014年进行了修订。REE每年形成1个年度报告，总结其年度工作进展及成就。

REE行动计划中的增强农业生产可持续发展战略目标中提到动物遗传、遗传资源生物技术是与畜禽育种紧密相关的战略规划之一[5]。

1.4.1 战略目标 利用基因组科学产生新的基础知识提高动物生产的可持续性和生产效率。通过保存、挖掘及有效地利用生物遗传多样性，进行生物技术风险收益评估研究，准确、科学地通知监管机构，支持产品开发并促进消费者认可，并向卫生及公共服务部、食品药品监督管理局、国务院和美国联邦航空局提供有关信息。

1.4.2 行动计划 增强目标动物的遗传资源和基因组学数据库的研究能力，并扩大动物种质收集的能力，以增加新的实验性基因组/遗传库存。开发和推广农业基因产品、生产技术，基于特定的环境和社会经济价值提高生产能力、生产效率、产品质量、动物健康和动物福利。开发和应用遗传、基因组技术和序列信息，以加速动物育种进程，提高动物生产、繁殖性能和畜禽产品质量。进一步研究基因型与表型的关系，以及在不同环境中DNA序列信息转化为具有生物学特性分子的过程，这将实现基于预测育种值的目标育种。开发具有最佳营养含量的畜禽新品种/品系，以增强人类健康为重要特征，比如改进动物脂肪酸的组成。开发用于分析复杂基因组的工具，包括开发和支持相互关联的数据库，使研究人员能够生成和利用动植物基因组结构和功能的新知识，以支持动物的遗传改良。鉴定基因产物，挖掘畜禽产品产量和质量的分子机制。开发和利用有效的方法来保护动物资源遗传多样性，并利用遗传多样性开发具有新性状和特性的动物品种，如研究动物抵御疾病以及适应极端环境的机制。开发和实施新的分子和基因组技术策略，如增加对高通量基因分型和表型技术的使用以加速动物育种，包括适用于野外的表型分类、数据自动获取及分析工具。支持协调大规模的表型数据获取、遥感数据的获取、数据集成、分析和建模。对具有新表型和基因型的特殊遗传资源进行性状分析。增加数据管理、集成、可视化、分析和建模的工具和网络基础设施研发。授权农民使用新一代的遗传和基因组技术和工具以及遗传和基因组资源。

2 中美动物育种规划对比分析

2.1 美国动物育种规划布局 美国关于动物育种的多个规划文件均围绕动物育种领域的关键问题，且各有侧重，在重要的研究方向上存在不同程度的继承和延伸。经过梳理和概括，总结出以下几个主要方向：

1）基础研究主要集中在动物基因结构和功能注释，以及基因、遗传变异对表型和表型变异的影响及其机制研究。

2）利用动物基因结构和功能研究结果进行精准育种。利用动物基因型信息为动物精确地选择最适的生产环境，挖掘动物的生产潜力；开发能够提供符合人类营养需要的动物性产品的畜禽新品种/品系；结合表型的基因组数据预测遗传价值；利用高通量基因分型和表型技术加速动物育种进程；开发基因编辑新技术和基因组改造技术，以提高育种研发的速度和效率。

3）基因组研究工具、数据库以及生物信息工具平台的开发。开发将基因型与表型有机联系以阐明不同畜禽复杂性状遗传技术的基因组工具，包括全面且高分辨率的基因组图谱、组装和注释的基因组序列；整合各个动物物种的基因组、表型和实验信息的国家级综合数据库，并开发统计和生物信息学工具。

4）加强动物种质资源库建设。扩充动物种质资源库，增强动物种质资源包括基因组、组织、细胞、精液、胚胎等多种遗传资源形式收集的能力，以增加新的实验性基因组/遗传库存，提高动物种质资源多样性以及优良种质资源的利用效率。

2.2 中国动物育种规划布局 农业部制定实施了《中国奶牛群体遗传改良计划（2008—2020年）》、《全国生猪遗传改良计划（2009—2020年）》和《全国肉牛遗传改良计划（2011—2025年）》、《全国肉羊遗传改良计划（2015—2025）》等，从核心种畜禽场遴选、性能测定及登记、遗传评估与优秀冻精推广等方面制定了发展计划[6-9]，对于动物育种研究的规划布局方面涉及不多。

国家自然基金委员会在2017年10月召开的“动物优良种质创制的关键理论和技术”双清论坛上规划了未来5～10年动物育种领域主要科学问题和资助重点，包括中国地方特色畜禽的肉品质、繁殖性能、生长速度、抗性等种质特性精准鉴定及其遗传基础研究，动物活体表型高通量智能精准鉴定的基础理论及方法技术研究，利用分子设计育种与生育信息学结合的优良种畜禽定向创制及高效扩繁理论与技术，畜禽基因组DNA功能元件解释及利用Hi-C、ChIA-PET等技术解析基因组空间构象对基因表达调控和重要经济性状的影响机制研究，影响畜禽重要经济性状的肠道菌群组成及其与宿主基因组互作的基础研究[10]。

3 启示与借鉴

综上分析，美国动物育种领域的战略规划和研究布局切合生产需求，规划内容详实且具有较好的连贯性，其制定程序充分利用专家智慧，反复论证，这些都值得中国参考和借鉴。

3.1 动物育种规划主体框架具有延续性 美国动物育种相关规划文件在主要构成内容上具有较好的延续性，能够围绕动物育种主要科学问题进行持续性的资助，这也使得其相关研究具有系统性。中国关于动物育种领域规划在动物育种领域主要内容需要进一步具体和细化，进一步明确主要研究领域和研究问题，并持续地予以资助。

3.2 规划制定充分利用专家智慧 美国动物育种领域规划文件的形成是领域专家群体智慧的结晶，其提出的发展方向和研究路径具有较高的权威性和科学性。在规划制定过程中首先制定一个初步框架，然后组织专家召开研讨会，根据领域主题设定几个讨论组，组内专家经过充分讨论之后，概括总结出该主题未来发展方向、主要科学问题、方法路径等，最后各个主题汇总形成领域内规划文本，广泛征求意见并修订后形成规划文件，从上至下，再从下至上的规划制定方法既保证了问题的全面性，也保证了目标的聚焦性。中国国家自然基金委在凝练未来5～10年动物育种领域主要科学问题时采用了领域专家研讨的方法，然而更多倾向于为基金管理提供支撑，尚未上升到国家规划性文件的层次，畜牧业管理部门有必要针对不同畜种发展现状制定更为详尽的针对性发展战略规划。

3.3 加强动物育种研究方法和工具的开发 美国动物育种研究规划中对研究方法、数据库构建、分析工具的开发等特别重视，能够针对动物育种研究中遇到的问题开发出原创性的工具、方法，并与企业合作研制出商品化分析工具产品，这一点特别值得学习和借鉴。中国的动物育种研究规划和项目资助重点是利用应用已有方法工具开展拓展性研究，对动物育种研究方法和工具开发的重视程度有待加强。

3.4 动物育种人才的培养 美国动物育种领域已经意识到下一代育种人才的缺乏，尤其是充分掌握各种组学技术、生物信息分析、工程学、计算机科学等多学科知识的动物育种人才的缺乏，并在人才培养方面提出了应对措施。中国动物育种领域主要包括动物科学、分子生物学以及部分生物信息学人才，应加强对多学科交叉的新一代动物育种人才的培养，提高中国动物育种人才的研究技术水平和国际竞争力。