《animal》：Routine Genomic Evaluation of Mid-Infrared-Predicted Methane Emissions in Holstein Cattle: Validation and Implementation of Breeding for Methane Efficiency
编辑推荐：
育种提供了一种永久降低甲烷排放的策略。本研究表明，甲烷育种值可常规地由标准记录中采集的乳中红外（mid-infrared, MIR）光谱推导。由于甲烷（CH4）的经济价值尚不可得，将甲烷直接纳入育种目标仍较困难。因此，研究人员开发了甲烷效
育种提供了一种永久降低甲烷排放的策略。本研究表明，甲烷育种值可常规地由标准记录中采集的乳中红外（mid-infrared, MIR）光谱推导。由于甲烷（CH4）的经济价值尚不可得，将甲烷直接纳入育种目标仍较困难。因此，研究人员开发了甲烷效率（methane efficiency, ME）指数，以独立于其他性状评估排放。最稳健的指数衡量在给定总体经济价值下相对于预期排放的偏差，从而能够在维持平衡育种的同时对改善甲烷效率进行选择。基于常规MIR数据，该方法易于在荷斯坦群体和育种计划间转移，支持国际甲烷评估与合作。
研究背景方面，温室气体尤其是二氧化碳和甲烷（CH
4）加剧全球变暖与气候变化。畜牧部门约占人为温室气体的14.5%，奶牛生产主要通过瘤胃发酵和粪污管理释放CH
4，每头奶牛每年约排放55—160 kg CH
4；甲烷排放也代表奶牛日粮总能量2%—12%的损失，并可能面临碳税等政策压力。直接测量CH
4的方法难以扩展到可靠遗传评估所需的大规模数据，而乳中红外（mid-infrared, MIR）光谱已被证明可用于预测日产甲烷（predicted methane, PCH
4）。已有研究提示PCH
4与脂肪产量等性状相关，若仅追求降低甲烷可能影响生产、健康和功能性状；同时甲烷经济价值尚不明确，直接纳入育种目标困难。Van Doormaal等提出的甲烷效率定义局限于头胎120—185 d泌乳期且忽略其他经济重要性状。Walloon荷斯坦牛虽有超过15年PCH
4数据，但尚未实施甲烷减排育种。因此，该研究旨在将PCH
4整合到Walloon荷斯坦牛常规基因组评估中，验证遗传参数和基因组预测，评估PCH
4与37个性状和指数的关系，开发并比较基于生产、功能和全局经济基线的甲烷效率指数，并报告常规实施。研究结论是：PCH
4跨前三个胎次具有强遗传相关，整合MIR预测甲烷的单步基因组最佳线性无偏预测（single-step genomic best linear unbiased prediction, ssGBLUP）随机回归测定日模型具有较高预测准确性并揭示显著遗传变异；基于全局经济指数的相对甲烷效率指数（relative ME global economic index, RMEG）最适合常规报告和选择；在甲烷经济价值可用前，可采用先按现有全局经济指数（global economic index, V�G）选择、再按RMEG排序的两步策略。其意义在于为奶牛甲烷减排提供可常规部署、可跨群体转移的基因组选择工具。
关键技术方法方面，研究人员利用Walloon地区2007—2023年1 520个牛群、285 530头荷斯坦牛、4 509 698条测定日记录，将常规奶样MIR光谱标准化后用Vanlierde等模型预测PCH
4；基因组数据为9 631头荷斯坦牛（含1 823头公牛）的28 513个SNP。采用三性状随机回归测定日模型整合ssGBLUP，并以期望最大化限制性最大似然（expectation-maximization restricted maximum likelihood, EM-REML）重估方差组分；以2018—2021年出生2 038头基因分型动物进行部分与全数据集线性回归验证；选取1 020头至少30头PCH
4表型女儿且基因组可靠性（genomic reliability, GREL）≥0.50的公牛估计近似遗传相关（approximate genetic correlation, AGC）和甲烷效率指数；并与荷兰CRV公布的382头公牛CH
4-GEBV比较。
研究结果如下。（1）遗传参数（Genetic parameters）：通过EM-REML和ssGBLUP随机回归模型估计，第一、第二、第三胎PCH
4的遗传力（h
2）分别为0.19、0.17、0.17；牛群×产犊年方差占总表型方差0.30—0.32；重复力0.30—0.32；胎次间平均日表型相关0.44—0.45，平均日遗传相关0.87—0.89；泌乳中期（100—250 DIM）日内遗传相关≥0.90。结论是PCH
4跨胎次受较强共同遗传控制，可将三个胎次平均日基因组估计育种值（genomic estimated breeding value, GEBV）作为均值GEBV处理。（2）基因组估计育种值与验证（Genomic estimated breeding values and validation）：研究人员估计了系谱中439 214头动物（含13 834头公牛）的PCH
4-GEBV；公牛平均GREL为0.77（0.32—0.98），表型母牛平均0.32（0.00—0.80）。采用Legarra and Reverter线性回归法比较部分与全数据集GEBV，预测准确度为0.83，离散度为0.90，偏倚为2.10 g/d（约0.21个遗传标准差），准确率比为0.76。结论是模型排序和校准良好，部分数据集已捕获大部分预测信息。（3）所选公牛的描述性统计（Descriptive statistics for the selected bulls）：1 020头入选公牛来自多个国家，平均PCH
4 GREL为0.81（0.52—0.98）；PCH
4遗传趋势在1995—2017年呈上升，约0.41 g d
?1·年
?1（SE=0.04）；趋势校正后各性状调整GEBV围绕零且无趋势。结论是当前选择可能间接提高PCH
4，需将甲烷纳入育种评估。（4）中红外预测甲烷与其他性状的近似遗传相关（Approximate genetic correlations between mid-infrared-predicted methane and other traits）：基于调整GEBV的AGC显示，PCH
4与37个性状和指数的AGC从?0.16（产奶量，MY）至0.52（乳脂率，FP）；25/37个AGC在原始与趋势校正GEBV间变化超过50%；PCH
4与5个功能性状呈0.12—0.16的正AGC，与14/19个体型性状呈?0.14至?0.01的负AGC，与7个指数为?0.03（V�P）至0.42（V�G），与生产经济指数（production economic index, V�L）为0.40。结论是当前总性能指数选择可能提高PCH
4，需考虑相关响应。（5）甲烷效率指数（Methane efficiency indices）：研究人员定义并标准化相对甲烷效率生产指数（relative ME production index, RMEP）、相对甲烷效率功能指数（relative ME functional index, RMEF）和RMEG（均值100、SD 10）；女儿平均观测PCH
4对公牛RMEP、RMEF、RMEG的回归R
2分别为0.50、0.45、0.53；公牛指数类别>115的女儿PCH
4最低，<85者最高，五类间差异显著；三指数间AGC为0.87—0.90。RMEP与其他性状AGC均低于±0.15，但与5个功能性状呈?0.13至?0.02的负AGC；RMEF与生产性状呈?0.11至?0.51的不利AGC（MY除外），与V�L和V�G呈较强负相关；RMEG与生产性状相关总体弱于RMEF，与功能性状相关总体较小，但与母体产犊难易呈0.18，且与V�L小负相关、与其余指数正相关。与荷兰公布CH
4-GEBV比较，PCH
4-GEBV与其AGC近零（?0.02±0.09），RMEP为0.22±0.09，RMEF为?0.03±0.09，RMEG为?0.29±0.09；随CH
4-GEBV可靠性阈值提高，PCH
4的AGC更负（REL≥0.30时?0.25至REL≥0.50时?0.41），RMEP和RMEF在最高可靠性组均达0.40，RMEG由?0.02升至0.17。结论是三种指数对公牛排序大体相似，但相关响应不同；RMEG在降低甲烷与维持功能性状间最平衡，推荐用于常规报告和选择。
讨论部分总结：EM-REML重估方差组分与先前Gibbs抽样结果高度一致；跨胎次高遗传相关支持使用均值GEBV；基因组验证显示预测准确度高、离散度略偏离1，符合ssGBLUP中基因组与系谱关系矩阵缩放混合的常见表现；入选公牛GREL较高源于严格筛选；PCH
4历史遗传趋势上升提示当前选择间接增加排放；原始GEBV相关会混合历史选择，趋势校正后的AGC更合理；PCH
4与脂肪性状相关较强可能与瘤胃中CH
4和乳脂肪酸共享生化途径有关；RMEP与功能性状相关低，RMEF可能降低生产性能和总体经济表现，RMEG虽可能略降低V�L但与其余指数相关较好，故推荐RMEG；与荷兰CH
4-GEBV比较提供方向性支持，但相关中等且不确定性较高，应谨慎解释。研究限制包括PCH
4为CH
4排放代理，RMEG未显式纳入CH
4经济价值；未来需收集直接CH
4测量、更新预测方程、开展国际合作并提高高可靠性公牛的验证力度。常规报告包括RCH
4和RMEG，建议以V�G为主、RMEG为次要排序。
研究结论翻译：该研究旨在描述将预测甲烷（PCH
4）整合到比利时Walloon地区荷斯坦牛当前基因组评估体系中的工作。该研究表明，作为直接CH
4测量代理的PCH
4在前三个胎次间具有强遗传相关。将MIR预测甲烷整合到ssGBLUP随机回归测定日模型后，获得了较高的基因组预测准确性，并揭示了预测甲烷排放的显著遗传变异。实施体系的稳健性得到三类互补验证支持：基因组育种值的线性回归验证、按公牛甲烷效率选择后女儿PCH
4的一致性下降，以及与独立CRV评估体系甲烷育种值的有利遗传相关。PCH
4与37个研究所涉性状和指数的近似遗传相关范围为?0.16（产奶量）至0.52（乳脂率）；与V�G的正相关（0.42）提示按当前总性能指数选择可能间接增加甲烷排放，凸显了在常规选择中考虑相关响应的必要性。基于这些结果，研究人员定义了甲烷效率指数；甲烷效率值较高的公牛其后代组仍一致表现较低平均PCH
4，确认了这些指数大规模应用的现实相关性。综合比较后，基于全局经济指数的相对甲烷效率RMEG被确定为最适合常规报告和使用的选项。在甲烷显式经济价值可靠可用之前，先按现有育种目标V�G选择、再按RMEG排序的两步选择策略，为将甲烷减排整合到持续育种决策提供了实用且平衡的途径。尽管与荷兰数据的比较提供了有益的方向性支持，但RMEG与荷兰分组之间的关系中等，因此由于数据不确定性，这些结果应谨慎解释。
