CN103070119B - 一种以群组为单元的水产动物选择育种方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以群组为单元的水产动物选择育种方法，所述方法包括下述步骤：建立以群组为单元的基础群体，形成本世代群组；获取群组选择指数；筛选留种群组和留种个体；选择配对群组，构建交配组，产生下一代群组；为下一代每个群组设置一个虚拟父本和一个虚拟母本；重复，以获得所需的下一代群组。应用本发明所提供的选择育种方法，有效解决了无法实施个体或家系标记的水产动物的育种目标性状测试、系谱构建和定向交尾技术难题，有利于实现多个育种目标性状、多个世代的遗传评估，进而可以提高育种目标性状的遗传进展和选择的准确性。

Description

一种以群组为单元的水产动物选择育种方法

技术领域

本发明属于水产遗传育种技术领域,具体地说，是涉及一种水产动物选择育种方法，更具体地说，是针对一些无法实施个体标记、难以实现一对一定向交尾的水产物种而采取的以群组为单元的选择育种方法。

背景技术

我国水产种业的快速发展，为水产养殖业持续发展和粮食安全做出了重大贡献。截至2011年，共有109个新品种通过了全国水产原种和良种审定委员会审（认）定，其中选育种46个，杂交种33个，引进种30个。多性状复合育种技术作为水产种业的核心支撑技术，正处于不断发展和完善阶段。“十一五”863期间，解决了家系和个体标识、性状对比测试方法、选种策略等关键生产技术问题，建立了适合虾蟹类、鲆鲽鱼类和贝类的多性状复合育种技术，大幅度提高了育种群体的遗传进展，已创造了巨大的产业价值。利用多性状复合育种技术，已经培育出中国对虾“黄海2号”，罗氏沼虾“南太湖2号”、虾夷扇贝“海大金贝”等一系列新品种，并将育种技术推广应用于：凡纳滨对虾、牙鲆、斑点叉尾鮰、罗非鱼、日本对虾和卤虫等多个物种育种项目。

目前国内大部分鱼、虾等选择育种体系，均已建立了个体或家系物理标记技术，如在中国对虾和凡纳滨对虾等应用的VIE家系荧光标记和眼柄环个体标记，在大菱鲆和虹鳟等应用的PIT（无源集成收发器）个体电子标记，在栉孔扇贝、牡蛎和罗非鱼等应用的体外挂牌标记等。通过家系和个体的物理标记，可以将所有个体混合养殖测试育种目标性状，进而评估和选择性能优良个体；利用物理标记，还可以追踪个体的父母本等亲缘信息，以建立育种群体的系谱信息。此外，利用物理标记可以为物种建立人工定向交尾技术，而利用定向交尾技术，可以灵活地设计配种方案，在限定的近交水平下实现遗传进展最大化，实现性能优良个体间相互配种。

然而，对于海参、蟹类、斑马鱼和卤虫等物种，由于个体小或者特殊的生物学特征，无法进行家系或个体物理标记。如蟹类，由于在生长过程中存在蜕壳现象，常用的外部标记技术难以应用，所以适用于蟹类各个时期的个体标记技术始终难以实现。无法进行个体标记或家系标记，意味着不能获得育种群体的系谱信息，难以对育种群体进行遗传评估；无法人工定向交配，意味着不能设计高效的配种方案，无法最大化遗传进展。上述问题，增加了优良品种的选育难度，减缓了育种目标性状的改良速度。

发明内容

本发明针对现有技术中无法实施个体或家系标记、难以人工定向交尾的水产物种，提供了一种以群组为单元的水产动物选择育种方法，有效解决了育种目标性状测试、系谱构建和定向交尾技术难题，有利于实现多个育种目标性状、多个世代的遗传评估，进而可以提高育种目标性状的遗传进展和选择的准确性。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

以群组为单元的水产动物选择育种方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

a、建立以群组为单元的基础群体：选取多个包括有至少两个雄性个体和至少两个雌性个体的交配组，每个交配组内混合交配，每个交配组所产后代作为一个本世代群组，多个交配组共获得多个本世代群组，为每个群组设置一个虚拟父本和一个虚拟母本，所有群组的虚拟父本与虚拟母本个体间的共亲系数为0；

b、获取群组选择指数：获取群组内所有测试个体的育种目标性状测定值，利用群组的虚拟系谱和育种目标性状测定值计算群组内所有测试个体的选择指数，再对群组内所有测试个体的选择指数求平均值，获得群组选择指数；

c、筛选留种群组和留种个体：根据群组选择指数从高到低依次选择一定数量的群组作为留种群组，从留种群组内选择一定数量的个体作为留种个体；

d、选择配对群组：从留种群组中根据群组选择指数从高到低依次选择一个群组作为父本/母本群组，根据群组选择指数从高到低依次选择一定数量的群组作为配对母本/父本群组，分别与相对应的父本/母本群组配对形成交配组，每个交配组产生一个下一代群组；

e、为下一代每个群组设置一个虚拟父本和一个虚拟母本，虚拟父本与所对应群组的真实父本具有相同的系谱结构，虚拟母本与所对应群组的真实母本具有相同的系谱结构，且虚拟父本和虚拟母本的系谱结构作为群组的虚拟系谱；

f、重复步骤b至步骤e，获得所需的下一代群组。

如上所述的选择育种方法，为提高群组间的遗传关联度，在所述步骤d中，选择了父本/母本群组及相对应数量的配对母本/父本群组后，先将父本/母本群组中的所有留种雄性/雌性个体划分为与配对母本/父本群组数量相同的组数，每组留种雄性/雌性个体与一个配对母本/父本群组一一对应，每组中雄性/雌性个体与相对应的配对母本/父本群组中未参与交配的、相同数量的留种雌性/雄性个体配对形成交配组，每个交配组产生一个下一代群组。

如上所述的选择育种方法，为控制育种群组的近交水平，在所述步骤c中，所有留种群组间共亲系数的平均数不大于以1%的近交率计算得到的本世代的共亲系数值，且所有留种群组的群组选择指数的平均值最高。

进一步的，在所述步骤d中，父本/母本群组和与其配对的每个配对母本/父本群组间的共亲系数均不大于以1%的近交率计算得到的本世代的共亲系数值，且所有配对母本/父本群组的群组选择指数的平均值最高。

如上所述的选择育种方法，在所述步骤b中，首先利用BLUP方法计算群组内每个育种目标性状的育种值；其次，对每个育种值按照标准化公式

进行标准化；然后，用每个育种目标性状在育种目标中的重要性、即百分比数值代替该性状的经济加权系数，按照下式计算群组内测试个体的选择指数：

p′=[p₁ p₂ … p_n]，v_i′=[v_i1 v_i2 … v_in]，

其中，i表示个体编号，j表示性状编号，n表示性状的个数，v_ij表示第i个测试个体第j个性状的标准化育种值，a_ij表示第i个测试个体第j个性状的育种值，表示所有测试个体第j个性状的平均育种值，σ_.j表示所有测试个体第j个性状的育种值标准差，I_i表示第i个测试个体的选择指数，p_j表示第j个性状在育种目标中所占的百分比数值，p表示n个性状百分比数值构成的向量，v_i表示第i个测试个体育种目标性状的标准化育种值向量,r为控制选择指数间变异程度大小的变量。

优选的，所述r的取值为10。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

1、本发明针对无法个体标记和难以人工定向交尾的水产物种，引入群组的概念，以群组为基础，构建多世代育种核心群，并通过给每个群组设置虚拟父本和虚拟母本的方式，重新构建了育种核心群的系谱，从而实现了多个育种目标性状及多个世代的遗传评估，提高了育种目标性状的遗传进展和选择的准确性，有效解决了部分水产动物无法实施大规模家系选育的技术难题。

2、本发明通过将一个群组内的多个雄性个体与多个配对群组中的多个雌性个体构成交配组进行交配的方式产生育种群组，提高了群组间的遗传关联度。

3、本发明创造性的将近交控制纳入了留种和配种方案的设计中，通过选择与近交率相关的共亲系数为限定参数，限定留种群组的平均共亲系数和配对群组间的共亲系数，平衡育种群组的遗传进展和近交水平，避免出现近交衰退，优化了育种项目的长期遗传进展。

4、在计算个体选择指数时，采用各个性状在育种目标中的重要性、即百分比数值代替各个性状的经济加权系数，避免了复杂的经济加权系数的制定和计算，同时也能够对那些不能计算经济加权系数的性状进行选育。而且，通过对每个性状育种值进行标准化，消除了各个性状表型值度量单位以及标准差的不同对选择指数的影响，提高了选择的准确度。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明以群组为单元的水产动物选择育种方法一个实施例的流程图；

图2是图1实施例中G₁代3个群组的虚拟系谱结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

请参考图1，该图1所示为本发明以群组为单元的水产动物选择育种方法一个实施例的流程图。该实施例以中华卤虫为例，说明应用本发明的方法实现其选择育种的过程。

中华卤虫是中国特有的一种两性生殖卤虫群体，具有很强的环境适应能力，卤虫耐温性较广，可在5～35℃范围内正常生存；幼虫适盐范围广，为20～100，成虫适盐范围为10～120。中华卤虫具有的下述生物学特性，使其十分适合于作为群组育种模式生物：①雌雄异体，生殖方式为两性生殖，是通过交配产生休眠卵来进行子代繁育，便于种质保存，可以构建父系（母系）家系，为群组育种遗传评估提供完善的亲缘关系信息；②卤虫个体小，一般为0.7～1.5cm，操作方便，可以将足够数量的个体放到同一养殖环境下进行养殖测试；③繁殖周期短，一般为2～3个月，可以在短期内实现多个世代选择，实现多世代的遗传评估；④易于配种和管理，能够大规模建立家系，可以获得足够数量的有效个体。

如图1所示，该实施例采用群组育种模式对卤虫进行选择育种的具体过程如下：

步骤S11：建立以群组为单元的基础群体，形成本世代群组。

收集不同地理位置、不同品系的中华卤虫（Artemia sinica.）群体9个，通过孵化率和生长对比分析测试筛选，确定用于构建基础群体的两性生殖卤虫品系4个：山西运城解池（SIN）、内蒙古伊克昭盟（YIM）、内蒙古巴丹吉林（BDJL）、内蒙古阿拉善左旗（ALXZ）。

从每个品系中选取体格健壮、摄食正常、性腺发育成熟的同等数量个体，通过双列杂交设计，随机分为100个交配组。每个交配组内放置5个雄性个体和5个雌性个体，组内混合交配。每个交配组所产后代（休眠卵）孵化后视为一个本世代G₀代的群组。为每个群组设置一个虚拟父本和一个虚拟母本，且所有群组的虚拟父本与虚拟母本间的共亲系数为0。

对于基础群体，由于无法获知虚拟父本或虚拟母本与群组的真实父本或母本的系谱结构，所以，此处的虚拟父本可以仅是为群组的所有真实父本定义的一个编号，同样的，虚拟母本也是为群组的所有真实母本所定义的一个编号，目的是便于下一代追溯系谱、形成后代的完整系谱结构。在此情况下，为保证所有群组的虚拟父本与虚拟母本间的共亲系数为0，也即要求每个群组的虚拟父本编号各不相同，每个群组的虚拟母本编号也各不相同。

步骤12：获取群组选择指数。

首先，获取每个群组内所有测试个体的育种目标性状测定值。

在400L光照培养箱中，采用人工静水孵化技术孵化每个群组的休眠卵，孵化条件为温度26℃、盐度30、全天光照（光照强度3000lx），孵化时间36h。每个群组随机选取卤虫幼体150只，在500mL的烧杯中暂养5天后，转移至50mL透明玻璃瓶中单独养殖。每个玻璃瓶设定一个唯一编号，作为个体的识别号。100个群组在养殖过程中，苗种培育实行标准化，包括每个群组个体数量、水环境以及饵料投放等管理措施，把群组间环境差异降至最低。苗种培养条件为温度25℃、盐度77、全天光照（光照强度3000lx），每3天换水一次。饵料为实验室培养的盐生杜氏藻（Dunaliella salina），培养盐度为77(盐度调节采用向自然海水中添加NaCl的方法)，培养光照强度大约为1500 lx，光照周期为12h黑暗/12h光照，培养温度为25℃。

每个本世代群组随机选择90个卤虫作为测试个体，所有测试个体随机分成3组，每组30尾，分别放入3个生化培养箱中进行养殖管理。经过20天的标准化养殖后，测定100个群组所有测试个体的体长、体重和存活率这三个育种目标性状，获得测定值。其中，体长性状通过带目微尺的解剖镜进行测定，体重测量通过精确度为千分之一的电子天平来完成；对于存活率，记录第20日龄各群组中的存活个体数，据此计算存活率。

其次，利用BLUP（最佳线性无偏预测方法）计算群组内每个育种目标性状的育种值。

利用群组的虚拟系谱和目标性状测定值，通过REML（约束最大似然法）计算每个育种目标性状遗传参数中的遗传力，然后，再利用BLUP计算所有测试个体育种目标性状的育种值。遗传力和育种值的计算方法和过程为本领域的公知常识，此处不作具体阐述。

再次，计算测试个体的选择指数。

对每个育种值按照标准化公式

进行标准化，再用每个育种目标性状在育种目标中的重要性、即百分比数值代替该性状的经济加权系数，按照下式计算群组内测试个体的选择指数：

p′=[p₁ p₂ … p_n]，v_i′=[v_i1 v_i2 … V_in]，

其中，i表示个体编号，j表示性状编号，n表示性状的个数，v_ij表示第i个测试个体第j个性状的标准化育种值，a_ij表示第i个测试个体第j个性状的育种值，

表示所有测试个体第j个性状的平均育种值，σ_.j表示所有测试个体第j个性状的育种值标准差，I_i表示第i个测试个体的选择指数，p_j表示第j个性状在育种目标中所占的百分比数值，p表示n个性状百分比数值构成的向量，v_i表示第i个测试个体育种目标性状的标准化育种值向量,r为控制选择指数间变异程度大小的变量。

其中，r越大，转化后指数的方差和标准差越大，群组指数间的差异程度越大，在该实施例中，r可选择为10左右，优选为10。

最后，计算群组选择指数。

对群组内所有测试个体的选择指数求平均值，该平均值作为群组选择指数。

步骤13：筛选留种群组和留种个体。

筛选留种群组的原则是：根据群组选择指数从高到低依次选择一定数量的群组作为留种群组，所有留种群组间共亲系数的平均数不大于以1％的近交率计算得到的本世代的共亲系数值，且所有留种群组的群组选择指数的平均值最高。对于留种个体的选择，由于个体无法进行标记，可以采用随机选择的方式来选择合适数量的个体作为留种个体。其中，留种个体的数量可以根据要构建的下一代群组数量来确定。

在该实施例中，根据群组选择指数从高到低选择前50个群组，这些群组间共亲系数的平均数为0%，小于以1%的近交率计算得到的G₀代共亲系数上限值1%。因此，将这50个群组作为留种群组。每个留种群组内，从测试个体中随机选择10个雄性卤虫和10个雌性卤虫，作为留种个体。

该实施例G₀代群组中群组选择指数排名前6位群组的信息如表1所示。

步骤14：选择配对群组，产生下一代群组。

在该实施例中，根据所有留种群组的选择指数，从高到低依次选择一个群组作为父本群组；根据群组选择指数从高到低依次选择两个留种群组作为配对母本群组，与父本群组配对。其中，父本群组和与其配对的每个配对母本群组间的共亲系数均不大于以1%的近交率计算得到的本世代的共亲系数值，且两个配对母本群组的群组选择指数的平均值最高。这样，能够保证选择指数高的群组优先参与配对，且配对群组间的平均共亲系数较小，既能够提高育种目标性状的遗传进展，又可以控制育种群体的近交水平，避免出现近交衰退，优化育种项目的长期遗传进展。

而且，在该实施例中，为提高群组间的遗传关联度，在选择了父本群组及相对应的两个配对母本群组后，先将父本群组中的所有留种雄性个体划分为与配对母本群组数量相同的组数，每组留种雄性个体与一个配对母本群组一一对应，每组中雄性个体与相对应的配对母本群组中未参与交配的、相同数量的留种雌性个体配对形成交配组，每个交配组产生一个下一代父系群组。

具体来说，在该实施例中，1个G₀代父本群组与2个G₀代母本群组配对，在G₀代父本群组内，将10个留种雄性个体随机划分为2个父本组（每个父本组包括有5个雄性卤虫个体）,父本组的数目与配对的母本群组数量一致，均为2。从每个配对G₀代母本群组中选择未参与交配的5个雌性个体组成1个母本组，共有两个母本组，每个父本组分别与1个母本组交配，从而获得2个G₁代父系群组。G₁代部分父系群组的配种方案如表2所示。

而且，在整个配对交配过程中，每个交配组内用作父本的群组，均不在其他交配组内重复用作父本；每个交配组内参与交配的所有个体，也均不在其他交配组内重复使用。

步骤15：构建下一代群组的虚拟父本、虚拟母本及虚拟系谱。

为G₁代每个群组设置1个虚拟父本和1个虚拟母本。虚拟父本与所对应群组的所有真实父本具有相同的系谱结构，虚拟母本与所对应群组的所有真实母本也具有相同的系谱结构，且虚拟父本和虚拟母本的系谱结构作为群组的虚拟系谱。

该实施例中，G₁代6个群组的虚拟系谱结构可参考图2的示意图所示。在该图2中，矩形、椭圆形和平行四边形分别表示雄性亲本、雌性亲本和G₁代群组。从该图2中可以看出，群组是具有系谱结构的，举例来说，C100F012群组的父本和母本分别为G₀代的G0M2YS31和G0F1SY11，祖父母分别为基础群体中的B000M016和B000F016，外祖父母分别为基础群体中的B000M013和B000F013。

在获得G₁代群组之后，可以重复步骤12至15，继续下一世代的选择育种过程。

表1 中华卤虫G₀代选择指数排名前6位群组的系谱结构和选择指数

表2 中华卤虫G₁代父系群组的配种方案

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种以群组为单元的水产动物选择育种方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

a、建立以群组为单元的基础群体：选取多个包括有至少两个雄性个体和至少两个雌性个体的交配组，每个交配组内混合交配，每个交配组所产后代作为一个本世代群组，多个交配组共获得多个本世代群组，为每个群组设置一个虚拟父本和一个虚拟母本，且所有群组的虚拟父本与虚拟母本间的共亲系数为0；

b、获取群组选择指数：获取群组内所有测试个体的育种目标性状测定值，利用群组的虚拟系谱和育种目标性状测定值计算群组内所有测试个体的选择指数，再对群组内所有测试个体的选择指数求平均值，获得群组选择指数；

c、筛选留种群组和留种个体：根据群组选择指数从高到低依次选择一定数量的群组作为留种群组，从留种群组内选择一定数量的个体作为留种个体；

d、选择配对群组：从留种群组中根据群组选择指数从高到低依次选择一个群组作为父本/母本群组，根据群组选择指数从高到低依次选择一定数量的群组作为配对母本/父本群组，分别与相对应的父本/母本群组配对形成交配组，每个交配组产生一个下一代群组；

e、为下一代每个群组设置一个虚拟父本和一个虚拟母本，虚拟父本与所对应群组的真实父本具有相同的系谱结构，虚拟母本与所对应群组的真实母本具有相同的系谱结构，且虚拟父本和虚拟母本的系谱结构作为群组的虚拟系谱；

f、重复步骤b至步骤e，获得所需的下一代群组；

其中，在所述基础群体中，所述虚拟父本是为群组的所有真实父本定义的一个编号，所述虚拟母本是为群组的所有真实母本定义的一个编号；在除所述基础群体之外的其他群组中，所述虚拟父本是为所对应群组的所有真实父本定义的一个编号,且该虚拟父本与所对应群组的所有真实父本具有相同的系谱结构，所述虚拟母本是为所对应群组的所有真实母本定义的一个编号,且该虚拟母本与所对应群组的所有真实母本具有相同的系谱结构。

2.根据权利要求1所述的以群组为单元的水产动物选择育种方法，其特征在于，在所述步骤d中，选择了父本/母本群组及相对应数量的配对母本/父本群组后，先将父本/母本群组中的所有留种雄性/雌性个体划分为与配对母本/父本群组数量相同的组数，每组留种雄性/雌性个体与一个配对母本/父本群组一一对应，每组中雄性/雌性个体与相对应的配对母本/父本群组中未参与交配的、相同数量的留种雌性/雄性个体配对形成交配组，每个交配组产生一个下一代群组。

3.根据权利要求1或2所述的以群组为单元的水产动物选择育种方法，其特征在于，在所述步骤c中，所有留种群组间共亲系数的平均数不大于以1%的近交率计算得到的本世代的共亲系数值，且所有留种群组的群组选择指数的平均值最高。

4.根据权利要求3所述的以群组为单元的水产动物选择育种方法，其特征在于，在所述步骤d中，父本/母本群组和与其配对的每个配对母本/父本群组间的共亲系数均不大于以1%的近交率计算得到的本世代的共亲系数值，且所有配对母本/父本群组的群组选择指数的平均值最高。

5.根据权利要求1所述的以群组为单元的水产动物选择育种方法，其特征在于，在所述步骤b中，首先利用BLUP方法计算群组内每个育种目标性状的育种值；其次，对每个育种值按照标准化公式  

进行标准化；然后，用每个育种目标性状在育种目标中的重要性、即百分比数值代替该性状的经济加权系数，按照下式计算群组内测试个体的选择指数：

，

，

，

其中，表示个体编号，

表示性状编号，

表示性状的个数，

表示第

个测试个体第

个性状的标准化育种值，

表示第

个测试个体第

个性状的育种值，

表示所有测试个体第

个性状的平均育种值，

表示所有测试个体第

个性状的育种值标准差，

表示第个测试个体的选择指数，

表示第

个性状在育种目标中所占的百分比数值，

表示

个性状百分比数值构成的向量，

表示第

个测试个体育种目标性状的标准化育种值向量,

为控制选择指数间变异程度大小的变量。

6.根据权利要求5所述的以群组为单元的水产动物选择育种方法，其特征在于，所述

的取值为10。

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