近交衰退对意大利荷斯坦牛留群能力的影响研究

《Journal of Dairy Science》：Inbreeding depression affecting stayability in Italian Holstein cows

本研究针对基因组选择背景下荷斯坦牛近交水平上升导致的生产性能衰退问题，通过分析82.8万头意大利荷斯坦牛的系谱和基因组数据，系统评估了近交对留群能力（Stayability）的影响。研究发现近交系数（FPED）每增加1个单位，留群能力下降0.06%-0.44%，而基因组近交（FROH）检测到的衰退效应更为显著（0.22%-1.60%）。研究首次证实长片段ROH（>2Mb）与近期近交导致的留群能力下降直接相关，为优化育种策略提供了重要依据。

　　

随着基因组选择技术在奶牛育种中的广泛应用，荷斯坦牛群体的遗传进展显著加速，但同时也带来了意想不到的挑战——近交水平的快速上升。意大利、美国和加拿大等主要奶业国家的数据显示，自2010年基因组技术普及以来，荷斯坦牛群体的平均近交系数年增长率从之前的0.14%猛增至0.47%。这种"双刃剑"效应引发了育种专家的深度担忧：近交衰退是否正在抵消我们通过基因组选择获得的遗传进展？

在这一背景下，意大利佛罗伦萨大学的研究团队在《Journal of Dairy Science》上发表了重要研究成果，系统揭示了近交衰退对意大利荷斯坦牛留群能力（Stayability）的影响机制。留群能力作为衡量奶牛经济价值的关键指标，直接关系到牧场的盈利能力和可持续发展。一头奶牛能否顺利进入下一个泌乳期，不仅取决于其生产性能，更体现了整体的健康水平和适应能力。

研究人员创新性地采用了多维度近交评估体系，包括传统的系谱近交系数（F_PED）、基因组关系矩阵近交系数（F_GRM）和基于纯合片段（ROH）的基因组近交系数（F_ROH）。特别值得注意的是，团队还将ROH按照长度分为6个类别（1-2Mb、2-4Mb、4-8Mb、8-16Mb、16-32Mb、>32Mb），以区分古代近交和近期近交的差异化影响。

研究团队从意大利荷斯坦牛育种协会（ANAFIBJ）数据库中提取了两个核心数据集：包含82.8万头牛的扩展数据集（Data_e）和包含4.88万头基因分型牛的基因组数据集（Data_g）。通过贝叶斯统计框架下的阈值模型分析，研究人员评估了五种不同留群能力表型：STAY12（1胎到2胎）、STAY23（2胎到3胎）、STAY34（3胎到4胎）、STAY13（1胎到3胎）和STAY14（1胎到4胎）。

关键技术方法包括：基于9,615,703头牛完整系谱的近交系数计算，79,794头基因分型牛的基因组数据处理（使用84,445个SNP标记），ROH检测（最小长度1Mb，最少15个SNP），以及贝叶斯框架下的遗传参数估计（130,000次MCMC迭代）。研究特别创新地引入了牛奶产量偏差（DM）作为固定效应，以区分近交的直接效应和通过生产性能介导的间接效应。

研究结果：

近交水平的时间趋势分析显示，意大利荷斯坦牛群体的近交程度呈现加速上升态势。2015年至2020年间，基于系谱的近交系数（F_PED）从3.56%上升至5.00%，而基因组近交系数（F_ROH）的上升速度更为显著。这种增长趋势与基因组选择技术的推广应用时间高度吻合，提示需要重新审视当前的育种策略。

留群能力的遗传基础评估表明，所有五种留群性状均呈现低到中等的遗传力（0.047-0.133）。值得注意的是，涉及多个胎次的累积留群能力（STAY13和STAY14）表现出更高的遗传力，为遗传改良提供了可能性。同时，群体环境效应（畜群-年份）解释了表型变异的7.6%-26.5%，表明管理因素在留群能力中扮演重要角色。

近交衰退的量化分析证实，所有近交测量方法都检测到显著的负向效应。系谱近交系数（F_PED）每增加1个单位，留群能力下降0.06%-0.44%。而基因组近交测量方法检测到的衰退效应更为强烈，F_ROH测量的衰退幅度达到0.22%-1.60%。这种差异表明传统系谱方法可能低估了近交衰退的真实影响。

不同近交测量方法的比较显示，基因组方法在捕捉近交衰退效应方面明显优于系谱方法。F_GRM和F_ROH之间的相关性高达0.958，而它们与F_PED的相关性仅为0.666-0.686。在模型预测准确性方面，包含基因组信息的模型能够解释更多的表型变异，特别是在识别近期近交效应方面表现突出。

ROH片段长度类别的效应分析揭示了关键发现：长度超过2Mb的ROH片段与留群能力下降显著相关，而较短片段（1-2Mb）则未表现出负向效应，甚至在某些情况下呈现轻微正向关联。这一模式在STAY12、STAY23和STAY13中表现一致，表明近期近交（对应长ROH片段）是导致留群能力衰退的主要因素，而古代近交（对应短ROH片段）由于有害等位基因的清除效应，其负面影响较小。

生产水平调整模型的创新应用表明，在统计模型中纳入牛奶产量偏差（DM）作为固定效应后，近交衰退的估计值平均降低30%-50%。这一发现说明部分观察到的近交衰退实际上是通过影响生产性能而间接作用的，为精准评估近交的直接效应提供了方法学创新。

极端近交群体的对比分析显示，最近交的10%奶牛群体（F_PED >7%）相比最远交的10%群体（F_PED <2%），其留群能力降低1.5%-3.0%。在基因组近交测量下，这一差异进一步扩大至2.4%-10.0%，凸显了基因组方法在识别高风险个体方面的敏感性。

遗传趋势与表型趋势的背离现象值得关注。研究发现，虽然留群能力的育种值呈现每年0.6%的改善趋势，但实际表型表现却停滞不前。这一矛盾现象很可能被同时期上升的近交水平所抵消，近交导致的表型衰退估计在0.3%-1.2%之间，恰好解释了遗传进展未能转化为表型改善的困境。

研究结论与讨论部分强调，本研究首次系统量化了近交衰退对意大利荷斯坦牛留群能力的影响，并创新性地揭示了近期近交（长ROH片段）与古代近交（短ROH片段）的差异化效应。这一发现对育种实践具有重要指导意义：在基因组选择时代，不仅要关注整体近交水平的控制，更需要针对性地管理近期近交风险。

研究成果为优化育种策略提供了三重启示：首先，基因组近交测量（特别是F_ROH）应作为近交管理的标准工具，其敏感性远高于传统系谱方法；其次，育种目标中需要明确纳入留群能力性状，并采用包含生产水平调整的统计模型（M2模型），以避免与生产性状的重复惩罚；最后，ROH片段长度分析应成为基因组选配的常规内容，重点规避长ROH片段带来的近期近交风险。

该研究的实践意义在于为全球奶业提供了可操作的近交管理方案。随着基因组技术的持续发展，精准控制近交衰退将成为实现奶牛育种可持续发展的重要保障。研究结果不仅适用于意大利荷斯坦牛群体，对其他品种和国家同样具有参考价值，为应对基因组选择时代的挑战提供了科学依据和技术路径。

值得注意的是，研究也指出了当前育种体系中的一个潜在问题：基因分型牛群体（Data_g）相比总体群体（Data_e）表现出更高的留群能力和近交水平，这一选择偏倚现象提示我们需要在基因组选择的推广过程中注意代表性样本的收集，以确保遗传评估的准确性和公正性。

展望未来，结合基因组信息和大数据技术的智能选配系统将能够实时优化配种方案，在保持遗传进展的同时有效控制近交风险。意大利荷斯坦牛的研究为这一方向奠定了重要基础，也为全球奶业的可持续发展提供了有益借鉴。