荷斯坦牛环境效率性状的表型与遗传关联：饲料效率、甲烷效率及体维持需求的多性状评估

《Italian Journal of Animal Science》：Phenotypic and genetic relationships among environmental efficiency traits in Holstein cattle

　　

摘要专业翻译 加拿大已针对荷斯坦牛实施利用三项环境效率性状的选择性育种，以减缓温室气体排放：饲料效率（Feed Efficiency, FE）、甲烷效率（Methane Efficiency, ME）和体维持需求（Body Maintenance Requirement, BMR）。为避免不利响应，FE和ME被定义为与能量消耗库（energy sinks）遗传独立的残余性状（residual traits）。本研究评估了这些性状之间的关系，并对比了直接性状与残余性状的表型响应。此外，残余采食量（residual feed intake, RFI）被用作消化率的替代指标，以评估遗传低排放奶牛的响应。数据包括来自同一研究牧群的902头加拿大初产荷斯坦牛。Lactanet官方相对育种值（relative breeding values, RBV）可用于干物质采食量（bvDMI）、饲料效率（bvFE）、体维持需求（bvBMR）、甲烷产量（bvMP）和甲烷效率（bvME）。研究人员按各RBV将奶牛划分为遗传类别（五分位数），并使用Holm-Bonferroni校正的线性对比进行比较。采用基于可靠性的RBV加权相关并辅以Calo校正，估算了近似遗传相关。表型趋势大体符合预期，且直接性状与残余性状之间存在差异：bvFE仅在表型干物质采食量和残余采食量方面表现出显著趋势，bvME仅在表型甲烷产量方面表现出显著趋势。直接性状与残余性状之间的相关性为中等到强（bvDMI-bvFE：r = 0.49 ± 0.03；bvMP-bvME：r = 0.75 ± 0.03），而bvFE、bvME和bvBMR之间的相关性较弱或不显著。以RFI作为替代指标时，低排放奶牛与高排放奶牛在估计消化率方面无显著差异。总体而言，所评估的环境效率性状产生了有利的表型信号，且未出现明显的不良响应。

论文解读

一、研究背景与目的

畜牧业温室气体减排已成为全球关注的焦点，其中奶牛养殖的甲烷排放是农业温室气体的重要来源。选择性育种被认为是降低乳制品生产碳足迹的可行策略之一。加拿大已率先将三项环境效率性状纳入常规遗传评估：饲料效率（FE）、甲烷效率（ME）和体维持需求（BMR），并于2025年4月将其整合进新的环境影响力子指数（Environmental Impact subindex）及修订后的终身性能指数（LPI）中。然而，这些性状的定义方式直接影响选择响应及其与其他性状的关联。直接性状如干物质采食量（DMI）和甲烷产量（MP）与产奶性能存在遗传关联，而残余性状则通过遗传校正消除能量消耗库的影响，从而避免选择时产生不利的间接响应。目前尚不清楚选择低甲烷排放是否会对消化率产生负面影响，以及各环境效率性状之间是否存在生物学权衡。为此，本研究旨在评估直接性状与残余性状的遗传类别间表型差异，分析FE、BMR和ME之间的遗传关系，并利用RFI作为消化率的替代指标，探讨饲料效率与甲烷产量之间的潜在关联。

二、研究设计与方法

本研究数据来自加拿大安大略省乳业研究中心（Ontario Dairy Research Centre），时间跨度为2016年12月至2024年10月，共纳入902头初产荷斯坦牛，其中705头具有表型甲烷产量数据。经数据清洗和异常值剔除后，最终纳入分析的奶牛数为614头（甲烷产量）和698头（其他表型性状）。研究人员从Lactanet Canada官方2025年4月遗传评估中获取五项相对育种值（RBV），包括bvDMI、bvFE、bvBMR、bvMP和bvME。表型数据经年龄和年-季节效应校正后，将奶牛按各RBV分为五个遗传类别（五分位数），采用线性对比和Holm-Bonferroni校正进行组间比较。遗传相关采用基于可靠性的加权Pearson相关并辅以Calo校正进行估算。RFI通过线性回归模型计算，以DMI为响应变量，校正年龄、年-季节、能量校正乳（ECM）和代谢体重（MBW）后获得。

三、主要研究结果

采食量与饲料效率。 在bvFE和bvDMI的遗传类别间，DMI和RFI均存在显著差异：低遗传类别奶牛DMI最高（bvFE为1.03 kg/d，bvDMI为1.95 kg/d），高遗传类别奶牛DMI最低（bvFE为?1.41 kg/d，bvDMI为?2.25 kg/d），表明采食量越低，饲料效率越高。bvBMR和bvMP类别间DMI存在显著差异，但RFI无显著差异。bvME类别间DMI和RFI均无显著差异。

脂肪和蛋白质产量。 表型脂肪产量（FY）随bvDMI类别变化显著：低类别（高DMI）奶牛FY最高（0.12 kg/d），高类别（最低DMI）最低（?0.12 kg/d）。bvMP类别间FY差异显著，高bvMP（低排放）奶牛FY（?0.10 kg/d）显著低于低bvMP（高排放）奶牛（0.05 kg/d）。bvME、bvFE和bvBMR类别间FY均无显著差异。蛋白质产量（PY）仅在bvDMI类别间差异显著，低类别最高（0.10 kg/d），高类别最低（?0.09 kg/d）。

体重。 bvDMI和bvBMR类别间体重（BW）差异显著：低类别奶牛较重（bvDMI为22.2 kg，bvBMR为17.9 kg），高类别较轻（bvDMI为?24.3 kg，bvBMR为?23.3 kg）。bvFE及甲烷相关RBV类别间BW无显著差异。

甲烷产量。 表型MP在bvDMI和bvMP类别间差异显著。高bvDMI奶牛MP最低（?25.0 g/d），显著低于中（7.76 g/d）和低（9.69 g/d）类别。bvMP低类别MP最高（15.9 g/d），高类别最低（?21.3 g/d）。bvFE、bvBMR和bvME类别间MP无显著趋势。

近似遗传相关。 bvDMI与bvFE呈中等正相关（r = 0.49 ± 0.03），bvDMI与bvBMR呈中等正相关（r = 0.52 ± 0.03），bvME与bvMP呈强正相关（r = 0.75 ± 0.03）。bvFE、bvME和bvBMR之间的相关性较弱或不显著。

四、讨论与结论

本研究表明，残余性状按设计发挥作用：bvFE在遗传上独立于ECM和MBW，故其类别间仅在DMI和RFI上表现出差异；bvME在遗传上独立于乳、脂肪和蛋白质产量，故其类别间仅在MP上表现出差异。bvMP与FY的关联与瘤胃发酵模式、产甲烷过程及乳脂合成之间的已知生物学联系一致：产甲烷与乙酸和丁酸生成正相关，而这些挥发性脂肪酸是乳腺从头合成脂肪酸的前体，低甲烷排放可能限制从头合成从而降低乳脂产量。bvME未表现出类似关联，符合其残余定义的设计预期。关于消化率担忧，bvMP和bvME类别间RFI均无显著差异，提示低排放奶牛与高排放奶牛在估计消化率方面无不利差异，但RFI仅为消化率的不完全替代指标，仍需直接消化率测定加以验证。bvBMR仅与DMI和BW相关，与其他残余性状相关性弱，表明其贡献了独立于bvFE和bvME的遗传变异。既往研究显示bvME与LPI的生育力和健康组分呈有利相关，bvFE与生育力和健康性状相关性接近零，而bvBMR与LPI呈负相关（?0.29）。本研究存在单牧群、样本量有限和表型记录周期较长等局限性。总体而言，所评估的环境效率性状产生了有利的表型趋势，未发现明显的不良权衡，支持将残余性状纳入选择指数以在降低环境足迹的同时维持生产性能。