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《中國科學(xué)報(bào)》 見習(xí)記者 李媛

“中國的黃牛育種終于有了自主、低成本的檢測芯片！”近日，在位于陜西楊凌的西北農(nóng)林科技大學(xué)國家肉牛改良中心實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，該中心主任昝林森高興地告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

昝林森團(tuán)隊(duì)。

前不久，昝林森團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京康普森農(nóng)業(yè)科技有限公司科研人員研發(fā)的“中國黃牛1號”50k育種芯片正式對外發(fā)布。該液相芯片是團(tuán)隊(duì)繼2021年1月開發(fā)國內(nèi)首款中國黃牛高密度SNPs（單核苷酸多態(tài)性）固相芯片、打破肉牛育種芯片國際壟斷后，在牛分子育種技術(shù)領(lǐng)域取得的又一重要突破。

團(tuán)隊(duì)在采樣。

昝林森介紹，我國是全球牛種質(zhì)資源最豐富的國家之一，擁有58個(gè)地方黃牛品種，形成耐粗飼、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、肉質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)突出的遺傳多樣性。但與國外專門化肉牛品種相比，中國黃牛生長速度較慢、后軀欠發(fā)達(dá)、產(chǎn)肉量較低等影響了其肉用開發(fā)利用。

此外，傳統(tǒng)育種方法依賴表型觀察和經(jīng)驗(yàn)判斷，效率低、周期長，難以準(zhǔn)確捕捉基因?qū)用娴膬?yōu)良性狀。因此，需要加強(qiáng)我國地方黃牛保護(hù)選育和高效利用，培育具有特色優(yōu)異性狀、自主知識產(chǎn)權(quán)的肉牛良種，以提升產(chǎn)業(yè)核心競爭力。

昝林森團(tuán)隊(duì)長期致力于中國黃牛肉用選育改良及遺傳多樣性研究，有豐碩的科研成果和學(xué)術(shù)積累。圍繞肉牛遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新，團(tuán)隊(duì)率先從全基因組水平解析了中國黃牛遺傳多樣性和起源進(jìn)化特征，發(fā)現(xiàn)中國黃牛具有普通牛與瘤牛多重血統(tǒng)，并揭示了中國黃牛兼具瘤牛廣適性和普通牛肉用潛能的獨(dú)特進(jìn)化特征；系統(tǒng)篩選了調(diào)控中國黃牛肉用性狀形成的關(guān)鍵功能基因及分子標(biāo)記位點(diǎn)，并深入闡明了其作用機(jī)制等。

近5年來，昝林森團(tuán)隊(duì)聚焦中國黃牛主要品種基因組學(xué)研究，解析遺傳背景、進(jìn)化及多樣性，為肉牛定向高效育種提供理論依據(jù)。同時(shí)，他們運(yùn)用生物信息學(xué)，對分布于我國西北、華東、華中、華南、西南、東北等6個(gè)地理區(qū)系的30多個(gè)地方黃牛品種特異性位點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)篩選，并整合多年來在生長、肉質(zhì)、繁殖及抗病等性狀相關(guān)功能位點(diǎn)的研究成果，成功研發(fā)“中國黃牛1號”50k育種芯片。

此前，這類芯片主要依靠國外進(jìn)口，且芯片位點(diǎn)來源以歐美專門化品種為主?！耙环矫鎸ξ覈胤近S牛的遺傳多樣性覆蓋度有限，另一方面成本較高，單次檢測超千元?！眻F(tuán)隊(duì)成員、西北農(nóng)林科技大學(xué)副研究員成功介紹。

“此次芯片利用康普森自主研發(fā)的CAGTR液相探針雜交捕獲測序技術(shù)，降低國外專利壁壘風(fēng)險(xiǎn)?！背晒忉尩?，芯片自主化后，將實(shí)現(xiàn)中國黃?？焖?、精準(zhǔn)、高效選育，為地方黃牛品種保護(hù)、定向選育和高效利用提供技術(shù)支撐，也為我國肉牛種業(yè)高質(zhì)量發(fā)展注入新動(dòng)力。

團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室工作。

作為國內(nèi)首個(gè)針對中國黃牛進(jìn)行全基因組測序分析的團(tuán)隊(duì)，2021年，昝林森團(tuán)隊(duì)首次解析了中國黃牛的遺傳圖譜，開發(fā)出國內(nèi)首款中國黃牛600k高密度SNPs固相芯片。“只有搞清楚遺傳結(jié)構(gòu)，才能為進(jìn)一步的育種找到突破口?！标昧稚f。

在600k高密度固相芯片基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)對基因點(diǎn)位進(jìn)行進(jìn)一步篩選和優(yōu)化，保留關(guān)鍵功能位點(diǎn)、關(guān)聯(lián)位點(diǎn)的同時(shí)，整合分布在我國6個(gè)地理區(qū)系地方黃牛特征位點(diǎn)，篩選出50k的基因位點(diǎn)。

整合后的芯片以中國五大良種黃牛為主，涵蓋中國6個(gè)地理區(qū)系38個(gè)黃牛品種基因組重測序數(shù)據(jù)，同時(shí)包含生長、肉質(zhì)、繁殖及抗病等多個(gè)關(guān)鍵性狀相關(guān)功能位點(diǎn)18500個(gè)。

“這50k不僅能夠滿足企業(yè)肉牛育種需求，也將大幅降低企業(yè)的檢測成本，單次檢測降至300元以內(nèi)?！背晒Ω嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，隨著進(jìn)一步優(yōu)化，這一成本將持續(xù)降低。

成功舉例說，養(yǎng)殖企業(yè)如果使用這款芯片，能夠解決傳統(tǒng)的品種鑒定中系譜記錄、微衛(wèi)星標(biāo)記等易出錯(cuò)、分辨率低、通量低等問題，能準(zhǔn)確獲悉牛的血統(tǒng)比例，實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)育種。

“選種時(shí)間將由原來的3~5年縮短到小牛出生3個(gè)月，甚至剛出生便可進(jìn)行選種。”昝林森補(bǔ)充道。

昝林森（右二）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在采樣。

團(tuán)隊(duì)成員、西北農(nóng)林科技大學(xué)副研究員梅楚剛從研究生開始就跟隨導(dǎo)師昝林森做中國黃牛全基因組遺傳信息解析工作，參與了艱辛的采樣工作?！爸袊S牛地方品種多，分布在全國各地。我們的采樣工作從2012年開始，有時(shí)候?yàn)榱藢で笱y(tǒng)純種的品種，需要去邊遠(yuǎn)山區(qū)，費(fèi)盡功夫才能采回理想樣品?！泵烦偦貞浀?，他們在整合全國30多個(gè)地區(qū)的黃牛品種數(shù)據(jù)時(shí)，也耗費(fèi)了大量時(shí)間，整個(gè)樣品的數(shù)據(jù)大概有二三十個(gè)T。

讓團(tuán)隊(duì)成員沒有想到的是，在芯片研發(fā)初期，以遺傳育種學(xué)為基礎(chǔ)的學(xué)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)與以生物信息科學(xué)為主的科技公司團(tuán)隊(duì)間存在學(xué)科壁壘，在溝通中遇到了極大障礙?！拔覀儗W(xué)科基礎(chǔ)不一樣，剛開始都不能很好地理解對方意圖?！痹陂L時(shí)間的磨合下，才最終有了兩代芯片的誕生。

目前，團(tuán)隊(duì)利用該芯片分別對秦川牛、南陽牛、魯西牛和延邊牛4個(gè)品種共計(jì)28個(gè)個(gè)體進(jìn)行了SNP位點(diǎn)檢測，對存在地理差異的10個(gè)品種共47個(gè)個(gè)體進(jìn)行檢測，結(jié)果表明“中國黃牛1號”50k育種芯片位點(diǎn)選擇合適、芯片設(shè)計(jì)合理，分型結(jié)果表現(xiàn)優(yōu)異，能夠滿足大量樣本的檢測需求。

未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃針對單一品種或者抗逆性等特定性狀進(jìn)行專用芯片的開發(fā)，進(jìn)一步降低芯片的密度，進(jìn)而降低成本?！案鶕?jù)用戶需求，我們還將針對性地進(jìn)行定制化研發(fā)。同時(shí)對芯片的各項(xiàng)功能進(jìn)行優(yōu)化和提升，推動(dòng)中國黃牛2號、3號等系列芯片研發(fā)?！标昧稚f。

秦川牛原種。受訪者供圖

責(zé)編：周陽樂

一審：周陽樂

二審：劉文韜

三審：楊又華

來源：中國科學(xué)報(bào)