基因組時(shí)代的動(dòng)物遺傳評(píng)估技術(shù)ppt課件

1、基因組時(shí)代的動(dòng)物遺傳評(píng)價(jià)技術(shù)張張 勤勤 劉劍鋒劉劍鋒中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)2021.8.252021.8.25哈爾濱哈爾濱遺傳評(píng)價(jià)遺傳評(píng)價(jià) 評(píng)價(jià)和比較動(dòng)物個(gè)體在遺傳上的優(yōu)劣評(píng)價(jià)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)體提供根據(jù)為選擇優(yōu)秀種用個(gè)體提供根據(jù) 動(dòng)物育種的中心任務(wù)動(dòng)物育種的中心任務(wù)表現(xiàn)型基因型環(huán)境表現(xiàn)型基因型環(huán)境常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù)常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù)特點(diǎn)：利用表型進(jìn)展遺傳評(píng)價(jià)特點(diǎn)：利用表型進(jìn)展遺傳評(píng)價(jià)常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù)常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù) BLUP方法是常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù)的中心方法是常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù)的中心yZyXAZZXZZXXXeu 12a2y y：表型信息：表型信息A A：系譜信息：系譜

2、信息eZuXy常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù)常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù) 對(duì)很多重要經(jīng)濟(jì)性狀非常有效對(duì)很多重要經(jīng)濟(jì)性狀非常有效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)展常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù)常規(guī)遺傳評(píng)價(jià)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)，遺傳當(dāng)性狀表型難以獲取或遺傳力低時(shí)，遺傳評(píng)價(jià)可靠性不高評(píng)價(jià)可靠性不高 不能進(jìn)展早期遺傳評(píng)價(jià)

3、不能進(jìn)展早期遺傳評(píng)價(jià)標(biāo)志輔助選擇MAS特點(diǎn)：利用表型和部分基因的信息進(jìn)展遺傳評(píng)價(jià)特點(diǎn)：利用表型和部分基因的信息進(jìn)展遺傳評(píng)價(jià)標(biāo)志輔助選擇標(biāo)志輔助選擇MASMASeMgZuXyy y：表型信息：表型信息A A：系譜信息：系譜信息MM： 標(biāo)志信息標(biāo)志信息遺傳評(píng)價(jià)技術(shù)遺傳評(píng)價(jià)技術(shù) MA-BLUP MA-BLUP：標(biāo)志輔助選擇標(biāo)志輔助選擇MASMAS 運(yùn)用現(xiàn)狀運(yùn)用現(xiàn)狀 實(shí)踐運(yùn)用不多實(shí)踐運(yùn)用不多 運(yùn)用效果不顯著運(yùn)用效果不顯著 主要緣由：主要緣由： 已被證明具有顯著效應(yīng)的基因或標(biāo)志有限已被證明具有顯著效應(yīng)的基因或標(biāo)志有限 發(fā)現(xiàn)并證明一個(gè)有效的基因需求很長(zhǎng)的發(fā)現(xiàn)并證明一個(gè)有效的基因需求很長(zhǎng)的時(shí)間和很高的本錢時(shí)

4、間和很高的本錢 這些基因或標(biāo)志僅能解釋有限的遺傳變異這些基因或標(biāo)志僅能解釋有限的遺傳變異 10 QTL 10 QTL 50% 50% 遺傳變異遺傳變異基因組選擇基因組選擇 利用覆蓋全基因組的高密度標(biāo)志利用覆蓋全基因組的高密度標(biāo)志SNPSNP進(jìn)進(jìn)展個(gè)體遺傳評(píng)價(jià)展個(gè)體遺傳評(píng)價(jià) 可以捕獲一切的遺傳變異可以捕獲一切的遺傳變異 無(wú)需表型信息即可進(jìn)展遺傳評(píng)價(jià)無(wú)需表型信息即可進(jìn)展遺傳評(píng)價(jià) 利用利用SNPSNP芯片技術(shù)進(jìn)展標(biāo)志測(cè)定芯片技術(shù)進(jìn)展標(biāo)志測(cè)定 全基因組全基因組SNPSNP芯片芯片YearNo. SNPChipsHuman20083,000,0001000kPoultry20052,800,00060K

5、Bovine20072,000,00054kPig20082,000,00060kSheep2007-50k用于遺傳評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)用于遺傳評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)100011122002001211101111211110111100112110002021200222021112021012002111221100211120011110010110110102200110022021011200202101020222121122102021011100011220221222112021120210202102022020000211000112020212211121110220211100002122

6、020002210120200022112202110121001112111021121100202121000220002202100202100002202211022112101121110122220012112122200200020020202021221100222222200221211112100211112001101110112002022200011120210102111212111020221002112021110011111021112110211122000101101110202200221110102021121111011202102102121101

7、102212200121101121101202202100222002100211000111002110211011100022200202212121100022202120022221212211211120020110202001222222112212021211210110012110110200220002001002000111101100121102121211120211012120221010101111102110211221111112121112101101200111110211110111112202110121211010222020212112221202

8、22002121210121210202100111222121101基因組選擇基因組選擇 根本步驟 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一切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)體都有一切SNP基因型基因組選擇基因組選擇估計(jì)一切估計(jì)一切SNP的遺傳的遺傳效應(yīng)效應(yīng)SNP基因型基因型性狀表型性狀表型SNP基因型基因型估計(jì)基因組估計(jì)基因組育種值育種值SNP基因型基因型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在參考群中估計(jì)標(biāo)志效應(yīng)在參考群中估計(jì)標(biāo)志效應(yīng)gi gi 1niiyX ge設(shè)

9、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)志效應(yīng)估計(jì)標(biāo)志效應(yīng)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)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 - 1 - 1 - 1 - 22 - 1 + 1 - 1 - 1 = +38- 40SNPeffect- 00+ 20+ 40- 20Chr 1Chr 2Chr 3.

10、Chr nKnown SNPsniiigEBV1 gXNumber of SNPsSNP allele effect標(biāo)志效應(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 和緊縮和緊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)、主成份分析最小二乘法對(duì)標(biāo)志效應(yīng)分布無(wú)任何假設(shè)對(duì)標(biāo)志效應(yīng)分布無(wú)任何假設(shè)1: 1: 對(duì)每個(gè)標(biāo)志作單點(diǎn)回歸分析對(duì)每個(gè)標(biāo)志作單點(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)展估計(jì)進(jìn)展估計(jì)1nyXge1n

11、iiyX ge缺乏：缺乏：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)志效應(yīng)容易高估標(biāo)志效應(yīng)最正確線性無(wú)偏預(yù)測(cè)和嶺回歸假定全部標(biāo)志有一樣假定全部標(biāo)志有一樣的方差的方差2)(gVarIg 1()X XX ygI1niiyX ge22geBLUP:嶺回歸嶺回歸: 人為選定人為選定2222000000000.00.ggggsym.貝葉斯方法-A允許不同標(biāo)志有不同的方差且服從一定分布允許不同標(biāo)志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),(22s

12、vgi運(yùn)用運(yùn)用Gibbs sampling!Gibbs sampling!u , gi , Ve , Vgi圖片來(lái)自圖片來(lái)自Hayes,2001允許標(biāo)志方差為允許標(biāo)志方差為0 0概率為概率為 q概率為概率為 1-q02gi),(22svgi2012201210122012/gjniijnipjkkikiijgjniijxbxbyxxN，Bayesian shrinkage標(biāo)志效應(yīng)越大標(biāo)志效應(yīng)越大, , 緊縮越弱緊縮越弱 標(biāo)志效應(yīng)越小，緊縮越強(qiáng)標(biāo)志效應(yīng)越小，緊縮越強(qiáng)貝葉斯方法-B，緊縮準(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

13、.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SNP Add.PolygenicSNP Dom.y1XaZuey1XaYdZuey1Xaea: additive SNP d: dominance SNPu: polygenic e: residuey y：表型信息：表型信息X: X: 遺傳標(biāo)志信息遺傳標(biāo)志信息A A：系譜信息：系譜信息模型的擴(kuò)展基因組選擇和常規(guī)遺傳估計(jì)技術(shù)基因組

14、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 后裔檢驗(yàn)后裔檢驗(yàn) ( (數(shù)據(jù)來(lái)自加拿大數(shù)據(jù)來(lái)自加拿大) ) 每年參與后測(cè)的公牛數(shù)量每年參與后測(cè)的公牛數(shù)量: 500: 500頭頭 每頭后測(cè)公牛的育種本錢每頭后測(cè)公牛的育種本錢: 5: 5萬(wàn)美圓萬(wàn)美圓 后測(cè)的總本錢后測(cè)的總本錢: 2500: 2500萬(wàn)美圓萬(wàn)美圓 中選公牛數(shù)目中選公牛數(shù)目: 20: 20頭頭 每頭中選公牛的育種本錢每頭中選公牛的育種本錢: 125: 125萬(wàn)美圓萬(wàn)美圓 年遺傳進(jìn)展年遺傳進(jìn)展: 0.215: 0.215遺傳規(guī)范差遺傳規(guī)范差 單位遺傳規(guī)范差遺傳進(jìn)展的育種本錢單位遺傳規(guī)范差遺傳進(jìn)展的育種本錢: 1.

15、16: 1.16億美圓億美圓 基因組選擇基因組選擇 每個(gè)個(gè)體基因組標(biāo)志信息測(cè)定本錢：每個(gè)個(gè)體基因組標(biāo)志信息測(cè)定本錢：500500美美圓圓 基因組單倍型效應(yīng)估計(jì)基因組單倍型效應(yīng)估計(jì) 孫女實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)孫女實(shí)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)本錢：效應(yīng)估計(jì)本錢：125125萬(wàn)美圓萬(wàn)美圓 公牛母親選擇公牛母親選擇 進(jìn)展進(jìn)展 2000 2000頭母牛的預(yù)選擇頭母牛的預(yù)選擇 全部個(gè)體進(jìn)展基因組標(biāo)志信息測(cè)定，根據(jù)全部個(gè)體進(jìn)展基因組標(biāo)志信息測(cè)定，根據(jù)GEBVGEBV選擇選擇10001000母牛母牛 評(píng)價(jià)本錢

16、評(píng)價(jià)本錢:100:100萬(wàn)美圓萬(wàn)美圓基因組選擇和常規(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 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)一切公牛進(jìn)展基因組標(biāo)志測(cè)定，根據(jù)對(duì)一切公牛進(jìn)展基因組標(biāo)志測(cè)定，根據(jù)GEBVGEBV選擇選擇2020頭公牛頭公牛 評(píng)價(jià)本錢評(píng)價(jià)本錢: 25: 25萬(wàn)美圓萬(wàn)美圓 2020頭公牛的購(gòu)買本錢頭公牛的購(gòu)買本錢:10:10萬(wàn)美圓萬(wàn)美圓 每頭公牛延續(xù)每頭公牛延續(xù)3 3年的維持費(fèi)用年的維持費(fèi)用: 3: 3萬(wàn)美圓萬(wàn)美圓 每年的總育種本錢每年的

17、總育種本錢:195:195萬(wàn)美圓萬(wàn)美圓 每年的遺傳進(jìn)展每年的遺傳進(jìn)展: 0.467: 0.467遺傳規(guī)范差遺傳規(guī)范差 單位遺傳規(guī)范差遺傳進(jìn)展的育種本錢：?jiǎn)挝贿z傳規(guī)范差遺傳進(jìn)展的育種本錢：417417萬(wàn)萬(wàn)美圓美圓基因組選擇和常規(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)為例基因組選擇的另一戰(zhàn)略基因組選擇的另一戰(zhàn)略 利用參考群體估計(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yZyXGZZXZZXXXu 原理：原理：參考群體參考群體及候

18、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)矩陣基因型系譜基因型系譜121101011110 111211120200101121101111122221121111 101101111102 0111110120111211200110100 = homozygous for first allele (alphabetically)1 = heterozygous2 = homozygous for second allele (alphabetically)G的構(gòu)建minmin1ssSgijijmkkijkijgSmS11AIS0, 0AIS1, 5 . 0AIS2, 1alleleifalleleifallelsifSijk準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性標(biāo)志效應(yīng)估計(jì)方法標(biāo)志效應(yīng)估計(jì)方法兩種基因組選擇戰(zhàn)略的比較兩種基因組選擇戰(zhàn)略的比較基因組選擇在奶牛中的運(yùn)用基因組選擇在奶牛中的運(yùn)用開(kāi)始應(yīng)用基開(kāi)始應(yīng)用基因組