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分子生物技术在中国动物育种中的应用

作者:康大夫 整理来源:广东养猪信息网时间:2008-07-17 08:43点击:

        农业是我国12亿(1997)~16(亿)(2015)人口赖以生存的基础.发展动物农业(畜牧业)对提高人民生活水平、保持社会安定团结具有重要的战略意义.根据英美等西方发达国家政府和国际粮农组织的预测,21世纪全球畜牧业的90%畜牧品种都将通过分子育种提供,而品种对整个牧业发展的首要关键.优良品种是发展畜牧业的基础,有了良种就能够在同样投入的条件下有更大的产生.八十年代以来,国际上的动物育种已进入了分子水平,朝着快速改变动物基因型的方向发展.我国要跟上这一科技形势,就要开展分子育种,也就是要研究畜禽遗传育种的分子生物学基础,为我国进入21世纪的畜牧业提供高产,优质高效发展的理论基础和高新科技.

  为达到这一目的,要解决的重大科学问题是:

  1.畜禽功能性基因组及重要经济性状(肉、蛋奶)的基因(QTL)定位研究:2.畜禽超高产育种的分子生物学基础研究;3畜禽遗传资源评价,保护和利用分子生物学基础研究。这些重大科学问题的阐明,将使我国动物分子遗传育种的理论和技术基本达到了同期国际先进水平。部分领域如高繁殖力、优良肉质、遗传资源的开发利用和新品种(系)选育,有望领先美英等发达国家;同时亦将促进其他相关学科(如动物繁殖学、动物、生理与营养学等)理论与技术的重大发展。

  2 基本情况 我国动物性食品的人均占有量要达到中等发达国家水平,那么我国目前养殖业的生产总量还必需翻一番,如果再考虑到21世纪我国人口增加到16亿所需的生产量,那就不仅是翻一番的问题,必须来一个巨大的发展。仅以肉、奶为例,根据联合国粮农组织1998年的统计年鉴表明,我国人均肉占有量少于50千克,奶占有量不足8千克,奶占有量达到120千克。如果在21世界我国人均肉和奶的占有量好使要达到中等发达国家现在的水平,那么意味着我国每年必须生产1。6亿吨肉和2亿吨奶,是我国目前肉生产总量的2。7倍,奶生产总量的22倍。要完成这个目标存在巨大困难,因为,[zl1](1)我国人口的增加使得未来我国人均粮食的占有量很难增加,也就是说未来我国仍不可能拿出更多的植物性粮食来支持养殖业的发展;②由于国际上植物性食品的生产均已由产量转向了质量,世界贸易粮食总量将基本保持稳定,我国不可能依赖世界贸易来满足国内人口增加和生活质量提高对粮食的需求。因此我国养殖业的巨大发展必须依赖于科技进步。更准确地说,就是要提高植物性食品转化为动物性食品的效率,而影响这个转化率的最关键因素就是品种。根据国际粮农组织和发达国家对养殖业生产作出的科学评估,品种的贡献率是35%~65%,平均为45%。随着动物基因组计划的研究进程,这个比例还将大幅度地增加。要解决未来我国养殖业的问题,关键是利用遗传工程革命性地改良和创造新品种,而要做到这一点,就必须加强对动物遗传育种的分子生物学基础研究。我国动物遗传育种,在群体水平上和国际上的差距不大,由于我国有资源优势,只要跟上国外的研究动态,结合我国国情深入育种实践,就能取得高水平的研究成果。如中国农业大学“节粮小型蛋鸡的选育”经专家鉴定和查新检索,这一成果目前处于国际领先地位。但从分子水平来看,由于需要投入大量的人力、物力、涉及人才培养和资金的问题,在未作大力度投入的情况下,研究工作只能零敲碎打,有经费就做,无经费就停。即使是这样,我国科学家亦在动物基因定位研究方面取得了一些拥有自己知识产权的突破性进展。例如在“太湖猪高繁殖力的遗传基础研究”课题(国家自然科学基金重点资助项目,1993~1996)取得了重要成果,筛选出两个影响产仔数l~1.5头的主效基因,即雌激素受体基因(ESR)和促卵泡素(FSH)β亚基基因,特别是(FSH)β亚基基因对猪产仔数的影响在国内外都是首次报导,引起了国际上动物科学界的极大关注。

  3 我国近年来取得的成就国际上动物基因组计划的前期研究工作开始于20世纪八十年代中期,发达国家基因组计划的启动时间是九十年代初,因而大规模的研究工作实际上是在九十年代初方开始的,并迅速取得了重要的成绩。我国是发展中国家,在有限资金的情况下,还是在九十年代初启动了水稻和人类基因组计划。在国家科技部、农业部、教育部和国家自然科学基金委,以及省。市等地方科技管理部门的支持下,也安排了一些与畜禽基因组有关的研究项目。我国科学家在资金和条件都十分困难的情况下,毅然地在九十年代初也开始了畜禽基因组计划的相关研究内容,在前沿探索工作中运用了我国特有的动物遗传资源,取得了相当多令国际科学界特别关注的学术成就。美国动物基因组计划首席科学家Schook教授曾说:“没有中国科学家与我们共同来研讨畜禽基因组计划,那么这种研讨绝对是不全面和缺乏特色的”。经过近10年的艰苦努力,取得比较突出的成绩有:

  3.1 构建了国际上第1张鸡随机扩增DNA多态标记(RAPD)遗传图谱(国家科委“八五”高新育种技术、北京市自然科学基金资助) 1991年我国科学家利用刚刚在国际上兴起的RAPD标记和以北京红鸡F2代设计构建的参考群为基础,经过2年工作,鸡参考群的规模达到380只,构建的遗传图谱上RAPD标记达到52个,覆盖了870cM(厘摩)的遗传长度,是当时国际第1张,也是最大的鸡RAPD遗传图谱(Ageneticlinkage map based on Beijing Red pedigree with RAPD markers in chichen,Animal Genetics,130~131,1993)

  3.2 精细定位了鸡性连锁矮小基因(dw,并在国际上首次克隆报道了该基因的DNA序列(国家自然科学基金、农业部“八五”重点攻关项目)鸡性连锁矮小基因早在50年代就已发现并对其进行了系统的孟德尔遗传方式和特性研究(Hntt等,1959),但对其分子遗传基础近半个世纪来却知之甚少。1993年开始,我国科学家利用限制性酶切片段长度多态性(RFLP的技术,依据候选基因定位(Candidate Gene Approach)思想,对正常鸡和性连锁矮小鸡的生长激素轴(Axis的全部基因座位进行了深入研究,发现性连锁矮小鸡的生长激素受体基因发生了突变。随后,通过染色体原位杂交也证实了生长激素受体基因位于鸡性染色体(2)长臂上。然后,克隆报道了鸡生长激素受体的基因组序列,通过测序精细定位,证明了性连锁矮小鸡生长激素受体基因编码受体蛋白胞内区的第10个外显子发生了1775个核苷酸的缺失突变,最终给鸡性连锁矮小基因的分子遗传基础研究有了明确的结论。国际动物基因定位研究先驱者Michel Georges和Leif Andersson在总结动物基因组作图十几年来研究成就“家畜基因组学的新纪元(Livestock Genomlcs Comes of Age)一文中指出,在国际上现已精细定位的5个畜禽重要单基因中,鸡性连锁矮小基因是其中之一。

  3.3 在国际上首次确定了促卵泡素β亚基基因(FSHβ)是控制猪产仔数的主效基因(国家自然科学基金重点项目、“863”青年科学基金)产仔数性状对养猪生产来说是十分重要的性状之一,世界著名动物遗传育种学家Chris HaLey估计,如果母猪的每胎产仔数能够提高1头,那么英国养猪业每年可净获7亿英镑的纯利,而整个欧共体则每年可获约20亿英镑的纯利(C.Haley等,1990)。 1993年始,我国科学家及其课题组在国家自然科学基金重点资助下,经过三年的努力,确定了我国特有地方品种二花脸太湖猪(世界上产仔数最高的品种)存在着产仔数主效基因。采用候选基因鉴定路线,精细确定了FSHβ基因是控制猪产仔数的主效基因,FSHβ基因型为BB的母猪与基因型为AA的母猪相比,总产仔数平均每胎可多产出l、5~2.0头,而活产仔数平均每胎则多产出1.0~1.5头。根据研究结果,我们设计了高产仔数基因座位的PCR基因诊断盒(kit),以适于在育种现场使用。目前优良基因型的诊断技术已申请了国际专利,并获得批准(国际专利号:6,291,174BI),其应用潜力可达数十亿人民币。

  3.4 首次利用我国二花脸太湖猪与外国商业猪种约克夏杂交构建了亚洲最大的资源群(国家自然科学基金重点项目。江苏省科委“九五”重点攻关项目)我国太湖猪中,二花脸不仅是世界产仔数最多的猪种,亦是世界上肉质优良的猪种之一,与大约克杂交产生的资源群在FZ代的生产性状有明显的表型分离。有86个数量和质量性状已被测定,是目前国际上最好的猪资源群之一,目前已有12个国家从事猪基因组计划研究的科学家希望我们提供资源群样本和进行全面合作的要求。

  3.5 证明了雌激素受体(ESR)基因是一种广泛存在的、控制猪产仔数的主效基因(国家自然科学基金重点资助项目)

   1994年美国依阿华大学Rothchild教授报道了雌激素受体基因是控制猪产仔的主效基因之一。这个发现主要是基于我国太湖猪中的梅山猪与大约克猪的杂交种群,因而推断优势基因只可能存在我国太湖猪种中。1995年,我国科学家也证实了雌激素受体基因的确调控猪产仔数,但优势基因不仅仅存在于我国太湖猪,而且在我国其他猪种如我国民猪、香猪以及外国著名商业品种长白猪、皮特兰、杜洛克猪也存在,只是基因频率很低。这个新的发现为有效快速地利用雌激素受体基因来改良猪产仔数性状奠定了重要基础,再次引起国际动物遗传育种学界注意。

   3.6 全面地对猪高温应激综合症(MHS)基因进行了研究并建立了分子诊断技术(国家自然科学基金、农业部“八五”重点攻关项目)

   猪高温应激综合症是造成我国养猪业损失最大的猪遗传性疾病,每年直接经济损失大约为6亿人民币。这种遗传病是隐性遗传,因此利用常规的选种方法(如氟烷测定等)几乎不可能将这种病根除出种群。经过国内外科学家的努力发现,猪高温应激综合症主要是由于兰诺丁受体基因突变造成。兰诺丁受体是肌肉细胞中钙离子通道的主要成分,该基因的突变导致兰诺丁受体功能丧失,钙离子的释放受阻,从而引起应缴综合症表型和个体死亡。我国地方品种,如我国太湖猪、民猪、香猪、耳猪等等,一直被科学界认为不存在高温应激综合症基因,但经过大量分子测检,实际上是存在的,只是频率很低,为利用我国猪优良遗传资源时应注意避免高温应激综合症基因污染提供了科学依据。我国科学家还创造性地建立了多种检测猪高温应激综合症的诊断技术,并且都在申请专利保护。毫无疑问,我国科学家在猪高温应激综合症分子遗传方面的研究工作,已经达到了国际先进水平。

   综上所述,我国科学家通过自己的辛勤工作和智慧,已经取得了许多国际水平的成就,有些还处于领先地位,在国际动物基因组计划研究领域中奠定自己应有的学术地位。但就总体水平而言,与美、英等发达国家相比,还有很大差距,特别是与我国养殖业发展的巨大需求来看,更是极不相称,因此加快我国自己的动物基因组计划研究迫在眉睫。

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