《Journal of Dairy Science》：Incorporating feed efficiency, methane emissions, and ruminal microbiome into economic selection indices in Spanish Holstein cattle
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本研究的主要目标是构建面向不同奶牛生产系统（常规集约型、奶酪型、放牧型和有机型）的总经济选择指数（IM�T），将生产性状、功能性状及可持续性相关性状（包括肠道甲烷排放和饲料采食量）纳入育种目标，并进一步在常规和有机生产系统中评估瘤胃微生物组衍生信息的潜在应用。
本研究的主要目标是构建面向不同奶牛生产系统（常规集约型、奶酪型、放牧型和有机型）的总经济选择指数（IM�T），将生产性状、功能性状及可持续性相关性状（包括肠道甲烷排放和饲料采食量）纳入育种目标，并进一步在常规和有机生产系统中评估瘤胃微生物组衍生信息的潜在应用。相较于不强调可持续性的基准情景，新指数对甲烷排放赋予了负的经济权重（1%）；有机系统由于对甲烷应用了更高的经济估值，甲烷产量（METP）的相对权重达到11%。干物质采食量（DMI）亦获得负的经济权重，在不同生产系统中为13%至15%。纳入可持续性性状主要降低了牛奶产量和乳蛋白产量的经济权重，有机系统的权衡最为明显。当DMI和METP纳入育种目标后，长寿性（LONG）的相对经济权重也略有下降。与IM�T_milk相比，放牧和有机系统对长寿性赋予了更大权重。预测遗传响应显示，降低甲烷排放和提高饲料效率预期将获得最大遗传改进，但同时伴随着生产性状和长寿性遗传进展速率的下降。以微生物组衍生信息替代甲烷排放和饲料采食量性状后，甲烷排放和饲料成本预期降幅更大，乳脂产量的遗传增益也有所提高。引入微生物组信息后，每头牛利润的总体遗传增益预计提高10%至30%。将甲烷排放和饲料采食量纳入选择指数，有望在2050年前塑造未来奶牛表型，在强调传统生产性状的同时突出环境效率。瘤胃微生物组信息与甲烷排放（|r| > 0.74）和饲料效率（|r| > 0.64）均表现出强遗传相关，提示其可作为奶牛育种项目中一种新型性状的候选，但仍需进一步研究以验证其实用价值。
选择性育种是持续提高奶牛生产、健康和环境效率的核心手段，但将可持续性性状纳入育种目标长期面临三方面挑战：有关性状遗传相关关系的知识有限、大规模常规表型测定稀缺、以及数据采集成本高昂。在社会与政策对畜牧业环境足迹日益关注的背景下，饲料效率与肠道甲烷排放已成为关键改良目标。西班牙目前针对不同生产系统已有四个版本的总经济选择指数（IM�T，即total economic merit index），但现行指数未直接纳入干物质采食量（DMI）和甲烷产量（METP）。另一方面，瘤胃微生物组组成与饲料转化和产甲烷通路密切相关，部分微生物聚合特征具有中等遗传力，可能作为低成本遗传代理性状。因此，本研究旨在估计甲烷排放、饲料采食量、生产与功能性状以及瘤胃微生物组聚合变量之间的遗传相关性，并构建纳入饲料效率与甲烷性状的差异化经济选择指数。该论文发表于《Journal of Dairy Science》。
研究人员以选择指数理论构建四系统IM�T指数；育种目标含牛奶产量（MY）、乳蛋白产量（PY）、乳脂产量（FY）、体细胞评分（LSCC）、临床乳腺炎（MC）、蹄部健康指数（ISP）、空怀天数（DO）、长寿性（LONG）、挤奶速度（MS）、母体产犊难易度（MCE）、DMI和METP，选择指数另加体型容量指数（ICAP），并设无DMI/METP的基准情景。另在常规和有机系统中以瘤胃微生物主成分变量（PC1tax/PC2tax为属水平、PC1fun/PC2fun为KEGG功能水平）替代DMI、METP作为相关指标。经济指标由西班牙荷斯坦协会（CONAFE）提供，甲烷碳价按2050年预期：有机系统采用OECD非交易部门价格70欧元/吨CO
2，其余系统采用自愿碳价14欧元/吨CO
2当量，并按20年全球增温潜势82 CO
2当量/CH
4折算。DMI、METP及微生物聚合变量遗传参数分别来自本团队前期研究（样本量依次为11 783、2 961、495头），其余性状遗传参数来自CONAFE；利用4 671头公牛基因组估计育种值（GEBV）按可靠性加权近似遗传相关，以选择强度i=1.5预测每世代遗传响应。
遗传相关分析显示，层次聚类可将性状划分为三个功能簇。第一簇包括MY、PY、FY和DMI，彼此间呈中到强正遗传相关（0.29–0.77），其中DMI与产量性状相关达0.57–0.63，提示单纯选育低采食量可能以降低奶量为代价；DO和MC也属于该簇，但相关较弱。第二簇由METP与体型容量组成，METP与体重遗传相关为0.60，与ICAP为0.18，与奶量、乳蛋白呈弱负相关，而与乳脂则为较强负相关（0.24），但与繁殖和乳腺炎近似独立。第三簇包括LONG、SCC、ISP，三者相关为0.11–0.47，其中LONG与DMI为?0.61，表明长寿性与采食量存在共同遗传基础。这些结果提示，降低DMI和METP可能与奶量、乳脂的遗传进展存在拮抗；繁殖性状基本独立；三大簇反映了瘤胃功能结构，为合理加权的多性状选择提供了依据。
在经济指数分析中，IM�T_milk对METP和DMI分别赋予1.6%和13.8%的负权重；在IM�T_organic中，由于甲烷经济价值更高，METP权重升至11.7%，DMI为14.3%，而产量性状权重从基准的50%以上降至约35%。预期遗传响应方面，直接纳入METP和DMI显著降低产量性状的遗传增益，奶酪型系统奶量响应转为负向（?147 kg），但乳蛋白和乳脂仍保持正向；放牧系统产量增益降低而长寿性增益升高；有机系统奶量、蛋白接近零或略降，乳脂为负值（?10 kg），但DMI每世代降低约1.6 kg/d，METP降低约13.3 g/d，长寿性每世代提高约14 d。IM�T_milk每头牛每世代预期利润增加约67欧元，主要源于饲料成本下降。总体看，放牧与有机系统对甲烷和采食量的减排降耗效果最大，而生产导向系统更侧重产量与利润。
在瘤胃微生物组作为选择指标的分析中，微生物聚合变量之间高度相关（PC1tax与PC1fun约0.98，PC2tax与PC2fun约0.98）。微生物变量与METP和DMI呈强遗传相关（|r| > 0.74和> 0.64），并与乳脂产量、ICAP等存在显著相关；其中PC1主要与原生动物和真菌相对丰度有关，PC2主要与变形菌门/（厚壁菌门+拟杆菌门）比值有关。将METP和DMI替换为微生物变量后，这些变量在选择指数中占19–26%的相对权重，高于直接使用METP和DMI时的合计权重。遗传响应上，微生物组情景下甲烷和采食量的降幅更大，乳脂遗传增益改善；IM�T_milk的利润遗传增益提高10–21%，IM�T_organic提高21–35%，且基于功能信息的聚合变量优于分类学信息。这表明微生物组信息可作为METP和DMI的遗传代理性状，有助于缓解与乳脂产量之间的负相关。
讨论部分指出，可持续性育种若配以适当经济权重，不必损害 profitability。然而DMI、METP和瘤胃微生物组均属于难以大规模测定的性状，需针对不同生产系统设计差异化表型测定策略。本研究首次将瘤胃微生物组聚合变量纳入总经济指数，但遗传相关均基于可靠性有限的GEBV近似，微生物组成受日粮和管理条件影响，且不同菌群可能支持相似的发酵途径，因此结果仍需在独立群体和生产环境中验证。只要合理设置权重并进行平衡选育，即可在2050年前塑造兼具生产力和环境效率的未来奶牛表型。
研究结论部分翻译如下：本研究表明，甲烷排放、饲料采食量和瘤胃微生物组构成变量之间存在遗传相关。经济选择指数可以纳入这些信息，以培育更可持续、更高效的奶牛。将饲料效率和甲烷性状纳入选择指数，有利于降低饲料成本和温室气体排放，同时提高每头牛的经济收益。研究所提出的多种IM�T指数可适应不同生产系统，各系统间权重与遗传响应存在轻微差异。有机生产系统的指数差异最大，反映出该系统更关注可持续性和健康性状。将饲料效率和甲烷排放纳入育种目标会减缓产量性状的遗传进展，但能维持或提高每头牛的利润。需关注甲烷与乳脂产量之间的拮抗关系。通过聚合变量利用微生物组信息，并保持一定规模的参考群体，可能是一种可行策略。
