【大學(xué)課件】基因組時(shí)代的動(dòng)物遺傳評(píng)估技術(shù)

1、編輯課件基因組時(shí)代的動(dòng)物遺傳評(píng)估技術(shù)編輯課件遺傳評(píng)估遺傳評(píng)估 評(píng)估和比較動(dòng)物個(gè)體在遺傳上的優(yōu)劣評(píng)估和比較動(dòng)物個(gè)體在遺傳上的優(yōu)劣 為選擇優(yōu)秀種用個(gè)體提供依據(jù)為選擇優(yōu)秀種用個(gè)體提供依據(jù) 動(dòng)物育種的中心工作動(dòng)物育種的中心工作表現(xiàn)型基因型環(huán)境表現(xiàn)型基因型環(huán)境編輯課件常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù)常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù)特點(diǎn)：利用表型進(jìn)行遺傳評(píng)估特點(diǎn)：利用表型進(jìn)行遺傳評(píng)估編輯課件常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù)常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù) BLUPBLUP方法是常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù)的核心方法是常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù)的核心yZyXAZZXZZXXXeu 12a2y y：表型信息：表型信息A A：系譜信息：系譜信息eZuXy編輯課件常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù)常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù)

2、對(duì)很多重要經(jīng)濟(jì)性狀十分有效對(duì)很多重要經(jīng)濟(jì)性狀十分有效Milk yield in US Holsteins678910111219601970198019902000Birth yearFirst lactation yield (1000 kg)GeneticPhenotypic美國(guó)荷斯坦奶牛產(chǎn)奶量表型及遺傳進(jìn)展美國(guó)荷斯坦奶牛產(chǎn)奶量表型及遺傳進(jìn)展加拿大豬100kg體重日齡遺傳進(jìn)展編輯課件常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù)常規(guī)遺傳評(píng)估技術(shù) 局限性局限性 當(dāng)性狀表型難以獲取或遺傳力低時(shí)，遺傳評(píng)估當(dāng)性狀表型難以獲取或遺傳力低時(shí)，遺傳評(píng)估可靠性不高可靠性不高 不能進(jìn)行早期遺傳評(píng)估不能進(jìn)行早期遺傳評(píng)估編輯課件標(biāo)記輔助選擇

3、（MAS）特點(diǎn)：利用表型和部分基因的信息進(jìn)行遺傳評(píng)估特點(diǎn)：利用表型和部分基因的信息進(jìn)行遺傳評(píng)估編輯課件標(biāo)記輔助選擇（標(biāo)記輔助選擇（MASMAS）eMgZuXyy y：表型信息：表型信息A A：系譜信息：系譜信息MM： 標(biāo)記信息標(biāo)記信息遺傳評(píng)估技術(shù)遺傳評(píng)估技術(shù) MA-BLUPMA-BLUP：編輯課件標(biāo)記輔助選擇（標(biāo)記輔助選擇（MASMAS） 應(yīng)用現(xiàn)狀應(yīng)用現(xiàn)狀實(shí)際應(yīng)用不多實(shí)際應(yīng)用不多應(yīng)用效果不顯著應(yīng)用效果不顯著主要原因：主要原因： 已被證實(shí)具有顯著效應(yīng)的基因或標(biāo)記有限已被證實(shí)具有顯著效應(yīng)的基因或標(biāo)記有限（發(fā)現(xiàn)并證實(shí)一個(gè)有效的基因需要很長(zhǎng)的時(shí)間和（發(fā)現(xiàn)并證實(shí)一個(gè)有效的基因需要很長(zhǎng)的時(shí)間和很高的成本）

4、很高的成本） 這些基因或標(biāo)記僅能解釋有限的遺傳變異這些基因或標(biāo)記僅能解釋有限的遺傳變異（10 QTL 10 QTL 50% 50% 遺傳變異）遺傳變異）編輯課件基因組選擇基因組選擇 利用覆蓋全基因組的高密度標(biāo)記（利用覆蓋全基因組的高密度標(biāo)記（SNPSNP）進(jìn)）進(jìn)行個(gè)體遺傳評(píng)估行個(gè)體遺傳評(píng)估 可以捕獲所有的遺傳變異可以捕獲所有的遺傳變異 無(wú)需表型信息即可進(jìn)行遺傳評(píng)估無(wú)需表型信息即可進(jìn)行遺傳評(píng)估 利用利用SNPSNP芯片技術(shù)進(jìn)行標(biāo)記測(cè)定芯片技術(shù)進(jìn)行標(biāo)記測(cè)定編輯課件 全基因組全基因組SNPSNP芯片芯片YearNo. SNPChipsHuman20083,000,0001000kPoultry200

5、52,800,00060KBovine20072,000,00054kPig20082,000,00060kSheep2007-50k編輯課件用于遺傳評(píng)估的數(shù)據(jù)用于遺傳評(píng)估的數(shù)據(jù)編輯課件基因組選擇基因組選擇 基本步驟1. 利用一個(gè)參考群體估計(jì)每個(gè)SNP的效應(yīng)參考群體：每個(gè)個(gè)體都有性狀表型記錄和所有SNP基因型2. 利用SNP效應(yīng)估計(jì)值計(jì)算候選群體的個(gè)體基因組育種值候選群體：每個(gè)個(gè)體都有所有SNP基因型編輯課件基因組選擇基因組選擇估計(jì)所有估計(jì)所有SNPSNP的遺傳的遺傳效應(yīng)效應(yīng)SNPSNP基因型基因型性狀表型性狀表型SNPSNP基因型基因型估計(jì)基因組估計(jì)基因組育種值育種值SNPSNP基因型基因型

6、候選群體候選群體估計(jì)基因組估計(jì)基因組育種值育種值參考群體參考群體編輯課件在參考群中估計(jì)標(biāo)記效應(yīng)在參考群中估計(jì)標(biāo)記效應(yīng)g gi i 1niiyX ge設(shè)計(jì)矩陣設(shè)計(jì)矩陣 染色體片斷遺傳效應(yīng)染色體片斷遺傳效應(yīng)估計(jì)標(biāo)記效應(yīng)估計(jì)標(biāo)記效應(yīng)編輯課件在候選群體中計(jì)算個(gè)體在候選群體中計(jì)算個(gè)體gEBVgEBVpiiigXEBV1g全部基因組染色體片斷全部基因組染色體片斷設(shè)計(jì)矩陣設(shè)計(jì)矩陣 染色體片斷效應(yīng)染色體片斷效應(yīng)4計(jì)算基因組育種值計(jì)算基因組育種值(gEBV)(gEBV)編輯課件基因組育種值基因組育種值1 + 1 - 1 - 1 + 1 + 25 - 1 + 1 - 1 - 1 - 1 + 42 + 1 - 1

7、- 1 - 1 - 1 - 22 - 1 + 1 - 1 - 1 = +38- 40SNPeffect- 00+ 20+ 40- 20Chr 1Chr 2Chr 3.Chr nKnown SNPsniiigEBV1 gXNumber of SNPsSNP allele effect編輯課件標(biāo)記效應(yīng)的估計(jì)方法最小二乘法最小二乘法嶺回歸和嶺回歸和BLUPBLUP貝葉斯方法貝葉斯方法BayesA, B, C BayesA, B, C 和壓縮和壓縮其他方法其他方法半?yún)?shù)、非參數(shù)半?yún)?shù)、非參數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)、主成份分析機(jī)器學(xué)習(xí)、主成份分析編輯課件最小二乘法對(duì)標(biāo)記效應(yīng)分布無(wú)任何假設(shè)對(duì)標(biāo)記效應(yīng)分布無(wú)任何假設(shè)1:

8、1: 對(duì)每個(gè)標(biāo)記作單點(diǎn)回歸分析對(duì)每個(gè)標(biāo)記作單點(diǎn)回歸分析2: 2: 選擇效應(yīng)值最大的選擇效應(yīng)值最大的mm個(gè)點(diǎn)放入模型中，同時(shí)對(duì)其個(gè)點(diǎn)放入模型中，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行估計(jì)進(jìn)行估計(jì)1nyXge1niiyX ge不足：不足：1. 1. 難以確定模型選擇的閾值難以確定模型選擇的閾值 2. 2. 容易高估標(biāo)記效應(yīng)容易高估標(biāo)記效應(yīng)編輯課件最佳線性無(wú)偏預(yù)測(cè)和嶺回歸假定全部標(biāo)記有相同的假定全部標(biāo)記有相同的方差方差2)(gVarIg 1()X XX ygI1niiyX ge22geBLUP:嶺回歸嶺回歸: 人為選定人為選定2222000000000.00.ggggsym.編輯課件貝葉斯方法-A允許不同標(biāo)記有不同的方差且服

9、從一定分布允許不同標(biāo)記有不同的方差且服從一定分布)()|()|(222iiiggiigPgPPg(,| )( |,) (,)iiiPyP y gP gg數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型方差模型方差模型),(22svgi使用使用Gibbs sampling!Gibbs sampling!u , gi , V Ve , Vgi圖片來(lái)自圖片來(lái)自Hayes,2001編輯課件允許標(biāo)記方差為允許標(biāo)記方差為0 0概率為概率為 q概率為概率為 1-q02gi),(22svgi2012201210122012/gjniijnipjkkikiijgjniijxbxbyxxN，Bayesian shrinkage標(biāo)記效應(yīng)越大標(biāo)記效

10、應(yīng)越大, , 壓縮越弱壓縮越弱 標(biāo)記效應(yīng)越小，壓縮越強(qiáng)標(biāo)記效應(yīng)越小，壓縮越強(qiáng)貝葉斯方法-B，壓縮編輯課件準(zhǔn)確性：估計(jì)育種值和真實(shí)育種值間的相關(guān)0.8480.7980.7320.31800.10.20.30.40.50.60.70.80.91L LS SB BL LU UP PB Ba ay ye es sA AB Ba ay ye es sB BA Ac cc cu ur ra ac cy y r r 2 2數(shù)據(jù)來(lái)自 Meuwissen al et., 2001不同方法的準(zhǔn)確性編輯課件SNP Add.PolygenicSNP Dom.y1XaZuey1XaYdZuey1Xaea: additi

11、ve SNP d: dominance SNPu: polygenic e: residuey y：表型信息：表型信息X: X: 遺傳標(biāo)記信息遺傳標(biāo)記信息A A：系譜信息：系譜信息模型的擴(kuò)展編輯課件基因組選擇和常規(guī)遺傳估計(jì)技術(shù)基因組選擇和常規(guī)遺傳估計(jì)技術(shù)的育種效益比較（以奶業(yè)為例）的育種效益比較（以奶業(yè)為例） 后裔測(cè)驗(yàn)后裔測(cè)驗(yàn) ( (數(shù)據(jù)來(lái)自加拿大數(shù)據(jù)來(lái)自加拿大) ) 每年參加后測(cè)的公牛數(shù)量每年參加后測(cè)的公牛數(shù)量: : 500500頭頭 每頭后測(cè)公牛的育種成本每頭后測(cè)公牛的育種成本: : 5 5萬(wàn)美元萬(wàn)美元 后測(cè)的總成本后測(cè)的總成本: : 25002500萬(wàn)美元萬(wàn)美元 中選公牛數(shù)目中選公牛數(shù)目

12、: : 2020頭頭 每頭中選公牛的育種成本每頭中選公牛的育種成本: : 125125萬(wàn)美元萬(wàn)美元 年遺傳進(jìn)展年遺傳進(jìn)展: : 遺傳標(biāo)準(zhǔn)差遺傳標(biāo)準(zhǔn)差 單位遺傳標(biāo)準(zhǔn)差遺傳進(jìn)展的育種成本單位遺傳標(biāo)準(zhǔn)差遺傳進(jìn)展的育種成本: : 億美元億美元編輯課件 基因組選擇基因組選擇 每個(gè)個(gè)體基因組標(biāo)記信息測(cè)定成本：每個(gè)個(gè)體基因組標(biāo)記信息測(cè)定成本：500500美元美元 基因組單倍型效應(yīng)估計(jì)基因組單倍型效應(yīng)估計(jì) 孫女試驗(yàn)設(shè)計(jì)孫女試驗(yàn)設(shè)計(jì): 50: 50個(gè)公牛家系個(gè)公牛家系, , 每頭公牛每頭公牛5050個(gè)兒子個(gè)兒子, ,每個(gè)兒子每個(gè)兒子100100個(gè)女兒個(gè)女兒 效應(yīng)估計(jì)成本：效應(yīng)估計(jì)成本：125125萬(wàn)美元萬(wàn)美元

13、公牛母親選擇公牛母親選擇 進(jìn)行進(jìn)行 20002000頭母牛的預(yù)選擇頭母牛的預(yù)選擇 全部個(gè)體進(jìn)行基因組標(biāo)記信息測(cè)定，根據(jù)全部個(gè)體進(jìn)行基因組標(biāo)記信息測(cè)定，根據(jù)GEBVGEBV選擇選擇10001000母牛母牛 評(píng)估成本評(píng)估成本: :100100萬(wàn)美元萬(wàn)美元基因組選擇和常規(guī)遺傳估計(jì)技術(shù)基因組選擇和常規(guī)遺傳估計(jì)技術(shù)的育種效益比較（以奶業(yè)為例）的育種效益比較（以奶業(yè)為例）編輯課件 基因組選擇（續(xù)）基因組選擇（續(xù)） 公牛選擇公牛選擇 從從10001000頭公牛母親中獲得頭公牛母親中獲得500500頭預(yù)選公牛頭預(yù)選公牛 對(duì)所有公牛進(jìn)行基因組標(biāo)記測(cè)定，根據(jù)對(duì)所有公牛進(jìn)行基因組標(biāo)記測(cè)定，根據(jù)GEBVGEBV選擇選

14、擇2020頭公牛頭公牛 評(píng)估成本評(píng)估成本: : 2525萬(wàn)美元萬(wàn)美元 2020頭公牛的購(gòu)買成本頭公牛的購(gòu)買成本: :1010萬(wàn)美元萬(wàn)美元 每頭公牛連續(xù)每頭公牛連續(xù)3 3年的維持費(fèi)用年的維持費(fèi)用: : 3 3萬(wàn)美元萬(wàn)美元 每年的總育種成本每年的總育種成本: :195195萬(wàn)美元萬(wàn)美元 每年的遺傳進(jìn)展每年的遺傳進(jìn)展: : 遺傳標(biāo)準(zhǔn)差遺傳標(biāo)準(zhǔn)差 單位遺傳標(biāo)準(zhǔn)差遺傳進(jìn)展的育種成本單位遺傳標(biāo)準(zhǔn)差遺傳進(jìn)展的育種成本：417417萬(wàn)美元萬(wàn)美元基因組選擇和常規(guī)遺傳估計(jì)技術(shù)基因組選擇和常規(guī)遺傳估計(jì)技術(shù)的育種效益比較（以奶業(yè)為例）的育種效益比較（以奶業(yè)為例）編輯課件基因組選擇的另一策略基因組選擇的另一策略 利用參

15、考群體估計(jì)SNP效應(yīng) 選擇效應(yīng)顯著的SNP 利用選擇SNP的信息構(gòu)建的參考群體和候選群體個(gè)體間的加性遺傳相關(guān)矩陣（具有性狀特異性） 用BLUP方法估計(jì)候選群體（無(wú)表型信息）的個(gè)體育種值編輯課件yZyXGZZXZZXXXu 原理：原理：參考群體參考群體及候選群及候選群體的個(gè)體體的個(gè)體育種值育種值利用利用SNP的信息構(gòu)建的加的信息構(gòu)建的加性遺傳相關(guān)矩陣性遺傳相關(guān)矩陣編輯課件基因型系譜基因型系譜121101011110 111211120200101121101111122221121111 101101111102 0111110120111211200110100 = homozygous fo

16、r first allele (alphabetically)1 = heterozygous2 = homozygous for second allele (alphabetically)編輯課件G的構(gòu)建minmin1ssSgijijmkkijkijgSmS11AIS0, 0AIS1, 5 . 0AIS2, 1alleleifalleleifallelsifSijk編輯課件準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性標(biāo)記效應(yīng)估計(jì)方法標(biāo)記效應(yīng)估計(jì)方法兩種基因組選擇策略的比較兩種基因組選擇策略的比較編輯課件基因組選擇在奶牛中的應(yīng)用基因組選擇在奶牛中的應(yīng)用開(kāi)始應(yīng)用基開(kāi)始應(yīng)用基因組選擇的因組選擇的年份年份國(guó)家國(guó)家應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍

17、2009Canada, Germany, USA, New Zealand, Israel, France, Ireland, Spain（8 8個(gè)國(guó)家個(gè)國(guó)家）For the selection of: young unproven bulls,active proven bulls,Bull dams2010Austria, Australia, Poland（3 3個(gè)國(guó)個(gè)國(guó)家家）未來(lái)/尚未決定UK, Netherlands, Norway, Denmark, Italian, Japan, Belgium, Czech Republic, Estonia, Finland, Hungary, Latvia, Slovak Republic, Sl