育種規(guī)劃最優(yōu)化法課件

育種規(guī)劃最優(yōu)化法賴松家四川農(nóng)業(yè)大學動物科技學院育種規(guī)劃最優(yōu)化法賴松家1（一）序言概念：育種規(guī)劃最優(yōu)化根據(jù)特定的育種目標，制定出在多項育種措施上具有不同強度的候選育種方案，通過育種成效標準，如綜合遺傳進展、育種效益等，進行綜合評估，應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法，科學有效地配置資源、技術(shù)、方法和措施，篩選出“最優(yōu)化”（optimization）育種方案。

（一）序言概念：2育種規(guī)劃最優(yōu)化主要內(nèi)容：①確定育種目標；②制定候選育種方案：③育種規(guī)劃的模型計算，包括估計育種值、遺傳參數(shù)、經(jīng)濟學參數(shù)、生物學參數(shù)和育種效益；④選擇優(yōu)化育種方案；⑤確定新育種方案、措施的實施。

育種規(guī)劃最優(yōu)化主要內(nèi)容：3（二）動物育種規(guī)劃最優(yōu)化方法1、抉擇育種目標（breedingobjective）確定育種目標是育種規(guī)劃最優(yōu)化的核心工作。適宜的育種目標對群體內(nèi)選擇、選擇品種、雜交組合、評估基因效應(yīng)和育種方案最優(yōu)化設(shè)計都十分重要。育種目標指使動物生產(chǎn)獲得最大的經(jīng)濟效益，包括持久作用于動物生產(chǎn)有經(jīng)濟意義的生產(chǎn)性狀或與生產(chǎn)性狀相關(guān)的次級性狀（secondytraits）。那些與生產(chǎn)性能不相關(guān)的體尺外貌性狀，或一些并不妨礙使用的外貌缺陷等，在育種過程中都不加以考慮或少加以考慮，如品種的毛色等。

（二）動物育種規(guī)劃最優(yōu)化方法1、抉擇育種目標（breedin4評估育種目標最科學合理的方法是在多性狀的綜合選擇中，用經(jīng)濟評估的方法確定數(shù)量化的育種目標，即用綜合育種值（TotalBreedingValue）來表達數(shù)量化的育種目標。并根據(jù)各性狀的經(jīng)濟重要性分別給予加權(quán)，其一般公式為：

AT=ΣWiAi其中：AT=綜合育種值

Wi=性狀i的經(jīng)濟加權(quán)系數(shù)向量

Ai=性狀i的一般育種值向量（1）評估育種目標的方法評估育種目標最科學合理的方法是在多性狀的綜合選擇中，用經(jīng)濟評5乳用性狀

泌乳量、乳脂率、乳脂量、乳蛋白率和乳蛋白量。最簡單的方法是只考慮泌乳量一個性狀，但是，泌乳量與乳脂率及乳蛋白率之間存在著負相關(guān)，若長期僅單獨選擇泌乳量，勢必影響整個育種工作達不到預(yù)期的目標。尤其應(yīng)該考慮在我國將逐漸地實施奶牛按質(zhì)論價，即根據(jù)各種乳成分含量綜合定價的牛奶收購方法，長期單一選擇的育種目標將影響到牛奶生產(chǎn)的獲利性。還可以考慮使用乳脂量作為包括在育種目標中唯一的產(chǎn)奶性狀。由于乳脂量和泌乳量和乳蛋白量間均有很高的相關(guān)，因此，通過乳脂量的選擇可改善乳成分的含量。（2）育種目標中的性狀選擇乳用性狀（2）育種目標中的性狀選擇6生長發(fā)育及肉用性狀評定牛個體生長發(fā)育性能最重要的性狀是日增重，其次是飼料利用率。但是由于飼料利用率測定方法復(fù)雜、費用高、難于準確測定，而且在計算日增重的邊際效益時就考慮到維持營養(yǎng)需要，所以可以僅考慮日增重一個性狀。作為評價肉用性能，生長能力是一個重要性狀，隨著牛只生長能力的提高，可以使肥育牛（公牛和一胎后的低產(chǎn)母牛）以及淘汰牛獲得一個較高的銷售體重或是肥育最終體重，這對于整個奶牛生產(chǎn)是不可忽視的一部分收入，將它考慮到育種目標中是必要的。評價肉用性能的另一個性狀是胴體品質(zhì)。生長發(fā)育及肉用性狀7次級性狀繁殖力是重要的綜合性狀，它對于奶牛育種效益經(jīng)久地起作用，因此應(yīng)在確定奶牛育種目標時加以考慮。選定“配妊時間”作為反映繁殖力的性狀。第二個應(yīng)該包括在育種目標中的性狀是使用壽命（或終生胎次）。值得注意的是母牛使用壽命與泌乳期內(nèi)產(chǎn)奶性能多是拮抗關(guān)系，建議采用一個新的表達使用壽命的選擇性狀—保持力。評定公牛使用壽命遺傳素質(zhì)的選擇性狀可用“保持力60”，即公牛的全部女兒中60月齡以上仍在群中生產(chǎn)牛奶的牛只比例。母牛生產(chǎn)能力作為產(chǎn)奶性能的一個間接性狀是不容忽視的，新型的乳成分自動分析儀可以測定牛奶抽樣中的體細胞數(shù)。當每立方厘米超過500，000個體細胞時，就確定為乳房炎。次級性狀82、育種規(guī)劃中的經(jīng)濟學參數(shù)根據(jù)定量經(jīng)濟學原理，綜合育種值中的經(jīng)濟加權(quán)系數(shù)是兩個組分之積：Wi=Wi*·ni其中Wi=性狀i的經(jīng)濟加權(quán)因子

Wi*=性狀i的邊際效益

ni=性狀i的性狀表現(xiàn)貼現(xiàn)值2、育種規(guī)劃中的經(jīng)濟學參數(shù)根據(jù)定量經(jīng)濟學原理，綜合育種值中的9性狀的邊際（Marginalprofit）指當性狀超過群體均數(shù)一個計量單位時，邊際產(chǎn)出量與邊際投入量之差。邊際效益估計的方法主要有回歸法、差額法、單個場最優(yōu)化模型和區(qū)域平衡模型。差額差是對育種的邊際產(chǎn)出量和邊際投入量的實際值進行調(diào)查并進行經(jīng)濟學評價和計算。其計算公式為：Wi*=ΣARij-ΣACij式中ARij為性狀i的第j個邊際產(chǎn)出組分，ACij為性狀i的第j個邊際投入組分。（1）性狀的邊際效益性狀的邊際（Marginalprofit）（1）性狀的邊際10性狀的貼現(xiàn)量（Discountexpressionperanimaltrait）表達了性狀在一定的規(guī)劃期內(nèi)，通過各種育種措施在育種群和生產(chǎn)群中實現(xiàn)生產(chǎn)性能提高的比例、時間和頻率。在一定時間內(nèi)性狀實現(xiàn)的比例越大、時間越早、次數(shù)越多，性狀的經(jīng)濟價值越大。采用基因流動法進行計算，計算工作將在育種規(guī)劃計算專用程序ZPLAN支持下完成。計算公式為：nij=mjt（1+r）-t其中nij=選擇周期j組i性狀的標準化貼現(xiàn)值

D=投資期

hi=性狀i的實現(xiàn)向量（2）性狀的貼現(xiàn)量性狀的貼現(xiàn)量（Discountexpressionper11mjt=t時選擇周期j組種畜在各年齡—性別組家畜所占有的基因比例性狀向量

r=預(yù)算利率

t=從起始點到性狀表現(xiàn)時的時間

j=選擇周期的家畜組mjt=Rjat-1+Pmit-1

式中Rj為第j個選擇通徑的繁殖矩陣

at為各選擇通過t時的年齡向量

P為基因傳遞矩陣

Mt=Pmt-1mjt=t時選擇周期j組種畜在各年齡—性別組家畜所占有的基12采用育種效益（breedingreturns）作為育種規(guī)劃效率的評價標準，育種效益用經(jīng)濟學的術(shù)語稱作資本價值，用育種學的術(shù)語可稱作選擇反應(yīng)。一個投資對象的資本價值是在預(yù)定的投資期內(nèi)經(jīng)貼現(xiàn)后的產(chǎn)出與投入之差。計算公式為：K0=Σ（et-at）/（1+r）t其中et=t時產(chǎn)出組分，at=t時投入組分r=預(yù)算利率，D=投資期K0=育種效益（3）育種效益采用育種效益（breedingreturns）作為育種規(guī)劃133、遺傳進展的傳遞

（1）遺傳進展的傳遞模型

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

BBBB

♂♀♂♂♀♂

♂

♀RR

♂

♀

♀

PPPP

B=育種群

R=繁殖群

P=生產(chǎn)群3、遺傳進展的傳遞

（1）遺傳進展的傳遞模型Ⅰ14模型Ⅰ描述的是遺傳進展僅由種公畜（禽）從育種群帶入生產(chǎn)群，這種傳遞方式適合于一般的純種繁育方案。模型Ⅱ與模型Ⅲ表示遺傳進展由種公畜（禽）與種母畜（禽）一起從育種群帶到生產(chǎn)群。模型Ⅳ表示生產(chǎn)群所需種公畜（禽）直接來自育種群。而種母畜（禽）則從繁殖群中得到。模型Ⅰ描述的是遺傳進展僅由種公畜（禽）從育種群帶入生產(chǎn)群，這15不同的育種規(guī)模影響育種、繁殖和生產(chǎn)群間遺傳與時間差距的大小，也會影響到累積遺傳進展和育種效益，因此，要確定畜（禽）育種的最優(yōu)化規(guī)模。畜（禽）規(guī)?？筛鶕?jù)后一階段的畜（禽）規(guī)模和所需種畜（禽）的數(shù)量來推斷前一階段規(guī)模。（2）畜（禽）最優(yōu)化規(guī)模不同的育種規(guī)模影響育種、繁殖和生產(chǎn)群間遺傳與時間差距的大小，16模型Ⅰ中育種群的種畜（禽）最低要求的數(shù)量的推算公式為：NDB=模型Ⅲ中，育種群規(guī)模的計算公式為：NDB=模型Ⅰ中育種群的種畜（禽）最低要求的數(shù)量的推算公式為：17（3）遺傳差距與時間差距設(shè)生產(chǎn)群動物在i年出生，此時其雙親的平均年齡為TP♂和TP♀，此時其父親的遺傳水平GP♂i等于i-TP♂時育種值的遺傳水平。其母親的遺傳水平GP♀i等于i-TP♀時育種群的遺傳水平。因此時出生的生產(chǎn)群動物的平均遺傳水平為：GPi=0.5（GP♂i+GP♀i）它與育種群的遺傳差距為：

GBi-GPi=0.5（TP♂+TP♀）ΔGt=TPΔGt（3）遺傳差距與時間差距設(shè)生產(chǎn)群動物在i年出生，此時其雙親的18（三）育種規(guī)劃中的育種值估計1.育種值估計的動物模型（1）公畜模型（siremodel）：一個公畜模型通常具有如下形式：y=Xβ+Zs+e（2）公畜—母畜模型（sire—dammodel）其一般形式為：y=Xβ+Zsus+Zdud+e

（3）外祖父模型（maternalgrandsiremodel）外祖父模型的一般形式為

y=X++＋+e（4）動物模型（animalmodel）這類模型的一般形式為：

y=（三）育種規(guī)劃中的育種值估計1.育種值估計的動物模型192.育種值估計的BLUP法BLUP法是在同一估計方程中，既能估計固定的遺傳效應(yīng)和固定的環(huán)境效應(yīng)，又能預(yù)測隨機的遺傳效應(yīng)。固定的遺傳效應(yīng)如群體中具有不同遺傳水平的年齡組或血統(tǒng)組，固定的環(huán)境效應(yīng)在育種值估計中包括了畜群、年度、季節(jié)等效應(yīng)。其模型的矩陣形式為：

y=X1h+X2g+Zs+e2.育種值估計的BLUP法BLUP法是在同一估計方程20謝謝！謝謝！21育種規(guī)劃最優(yōu)化法賴松家四川農(nóng)業(yè)大學動物科技學院育種規(guī)劃最優(yōu)化法賴松家22（一）序言概念：育種規(guī)劃最優(yōu)化根據(jù)特定的育種目標，制定出在多項育種措施上具有不同強度的候選育種方案，通過育種成效標準，如綜合遺傳進展、育種效益等，進行綜合評估，應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法，科學有效地配置資源、技術(shù)、方法和措施，篩選出“最優(yōu)化”（optimization）育種方案。

（一）序言概念：23育種規(guī)劃最優(yōu)化主要內(nèi)容：①確定育種目標；②制定候選育種方案：③育種規(guī)劃的模型計算，包括估計育種值、遺傳參數(shù)、經(jīng)濟學參數(shù)、生物學參數(shù)和育種效益；④選擇優(yōu)化育種方案；⑤確定新育種方案、措施的實施。

育種規(guī)劃最優(yōu)化主要內(nèi)容：24（二）動物育種規(guī)劃最優(yōu)化方法1、抉擇育種目標（breedingobjective）確定育種目標是育種規(guī)劃最優(yōu)化的核心工作。適宜的育種目標對群體內(nèi)選擇、選擇品種、雜交組合、評估基因效應(yīng)和育種方案最優(yōu)化設(shè)計都十分重要。育種目標指使動物生產(chǎn)獲得最大的經(jīng)濟效益，包括持久作用于動物生產(chǎn)有經(jīng)濟意義的生產(chǎn)性狀或與生產(chǎn)性狀相關(guān)的次級性狀（secondytraits）。那些與生產(chǎn)性能不相關(guān)的體尺外貌性狀，或一些并不妨礙使用的外貌缺陷等，在育種過程中都不加以考慮或少加以考慮，如品種的毛色等。

（二）動物育種規(guī)劃最優(yōu)化方法1、抉擇育種目標（breedin25評估育種目標最科學合理的方法是在多性狀的綜合選擇中，用經(jīng)濟評估的方法確定數(shù)量化的育種目標，即用綜合育種值（TotalBreedingValue）來表達數(shù)量化的育種目標。并根據(jù)各性狀的經(jīng)濟重要性分別給予加權(quán)，其一般公式為：

AT=ΣWiAi其中：AT=綜合育種值

Wi=性狀i的經(jīng)濟加權(quán)系數(shù)向量

Ai=性狀i的一般育種值向量（1）評估育種目標的方法評估育種目標最科學合理的方法是在多性狀的綜合選擇中，用經(jīng)濟評26乳用性狀

泌乳量、乳脂率、乳脂量、乳蛋白率和乳蛋白量。最簡單的方法是只考慮泌乳量一個性狀，但是，泌乳量與乳脂率及乳蛋白率之間存在著負相關(guān)，若長期僅單獨選擇泌乳量，勢必影響整個育種工作達不到預(yù)期的目標。尤其應(yīng)該考慮在我國將逐漸地實施奶牛按質(zhì)論價，即根據(jù)各種乳成分含量綜合定價的牛奶收購方法，長期單一選擇的育種目標將影響到牛奶生產(chǎn)的獲利性。還可以考慮使用乳脂量作為包括在育種目標中唯一的產(chǎn)奶性狀。由于乳脂量和泌乳量和乳蛋白量間均有很高的相關(guān)，因此，通過乳脂量的選擇可改善乳成分的含量。（2）育種目標中的性狀選擇乳用性狀（2）育種目標中的性狀選擇27生長發(fā)育及肉用性狀評定牛個體生長發(fā)育性能最重要的性狀是日增重，其次是飼料利用率。但是由于飼料利用率測定方法復(fù)雜、費用高、難于準確測定，而且在計算日增重的邊際效益時就考慮到維持營養(yǎng)需要，所以可以僅考慮日增重一個性狀。作為評價肉用性能，生長能力是一個重要性狀，隨著牛只生長能力的提高，可以使肥育牛（公牛和一胎后的低產(chǎn)母牛）以及淘汰牛獲得一個較高的銷售體重或是肥育最終體重，這對于整個奶牛生產(chǎn)是不可忽視的一部分收入，將它考慮到育種目標中是必要的。評價肉用性能的另一個性狀是胴體品質(zhì)。生長發(fā)育及肉用性狀28次級性狀繁殖力是重要的綜合性狀，它對于奶牛育種效益經(jīng)久地起作用，因此應(yīng)在確定奶牛育種目標時加以考慮。選定“配妊時間”作為反映繁殖力的性狀。第二個應(yīng)該包括在育種目標中的性狀是使用壽命（或終生胎次）。值得注意的是母牛使用壽命與泌乳期內(nèi)產(chǎn)奶性能多是拮抗關(guān)系，建議采用一個新的表達使用壽命的選擇性狀—保持力。評定公牛使用壽命遺傳素質(zhì)的選擇性狀可用“保持力60”，即公牛的全部女兒中60月齡以上仍在群中生產(chǎn)牛奶的牛只比例。母牛生產(chǎn)能力作為產(chǎn)奶性能的一個間接性狀是不容忽視的，新型的乳成分自動分析儀可以測定牛奶抽樣中的體細胞數(shù)。當每立方厘米超過500，000個體細胞時，就確定為乳房炎。次級性狀292、育種規(guī)劃中的經(jīng)濟學參數(shù)根據(jù)定量經(jīng)濟學原理，綜合育種值中的經(jīng)濟加權(quán)系數(shù)是兩個組分之積：Wi=Wi*·ni其中Wi=性狀i的經(jīng)濟加權(quán)因子

Wi*=性狀i的邊際效益

ni=性狀i的性狀表現(xiàn)貼現(xiàn)值2、育種規(guī)劃中的經(jīng)濟學參數(shù)根據(jù)定量經(jīng)濟學原理，綜合育種值中的30性狀的邊際（Marginalprofit）指當性狀超過群體均數(shù)一個計量單位時，邊際產(chǎn)出量與邊際投入量之差。邊際效益估計的方法主要有回歸法、差額法、單個場最優(yōu)化模型和區(qū)域平衡模型。差額差是對育種的邊際產(chǎn)出量和邊際投入量的實際值進行調(diào)查并進行經(jīng)濟學評價和計算。其計算公式為：Wi*=ΣARij-ΣACij式中ARij為性狀i的第j個邊際產(chǎn)出組分，ACij為性狀i的第j個邊際投入組分。（1）性狀的邊際效益性狀的邊際（Marginalprofit）（1）性狀的邊際31性狀的貼現(xiàn)量（Discountexpressionperanimaltrait）表達了性狀在一定的規(guī)劃期內(nèi)，通過各種育種措施在育種群和生產(chǎn)群中實現(xiàn)生產(chǎn)性能提高的比例、時間和頻率。在一定時間內(nèi)性狀實現(xiàn)的比例越大、時間越早、次數(shù)越多，性狀的經(jīng)濟價值越大。采用基因流動法進行計算，計算工作將在育種規(guī)劃計算專用程序ZPLAN支持下完成。計算公式為：nij=mjt（1+r）-t其中nij=選擇周期j組i性狀的標準化貼現(xiàn)值

D=投資期

hi=性狀i的實現(xiàn)向量（2）性狀的貼現(xiàn)量性狀的貼現(xiàn)量（Discountexpressionper32mjt=t時選擇周期j組種畜在各年齡—性別組家畜所占有的基因比例性狀向量

r=預(yù)算利率

t=從起始點到性狀表現(xiàn)時的時間

j=選擇周期的家畜組mjt=Rjat-1+Pmit-1

式中Rj為第j個選擇通徑的繁殖矩陣

at為各選擇通過t時的年齡向量

P為基因傳遞矩陣

Mt=Pmt-1mjt=t時選擇周期j組種畜在各年齡—性別組家畜所占有的基33采用育種效益（breedingreturns）作為育種規(guī)劃效率的評價標準，育種效益用經(jīng)濟學的術(shù)語稱作資本價值，用育種學的術(shù)語可稱作選擇反應(yīng)。一個投資對象的資本價值是在預(yù)定的投資期內(nèi)經(jīng)貼現(xiàn)后的產(chǎn)出與投入之差。計算公式為：K0=Σ（et-at）/（1+r）t其中et=t時產(chǎn)出組分，at=t時投入組分r=預(yù)算利率，D=投資期K0=育種效益（3）育種效益采用育種效益（breedingreturns）作為育種規(guī)劃343、遺傳進展的傳遞

（1）遺傳進展的傳遞模型

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

BBBB

♂♀♂♂♀♂

♂

♀RR

♂

♀

♀

PPPP

B=育種群

R=繁殖群

P=生產(chǎn)群3、遺傳進展的傳遞

（1）遺傳進展的傳遞模型Ⅰ35模型Ⅰ描述的是遺傳進展僅由種公畜（禽）從育種群帶入生產(chǎn)群，這種傳遞方式適合于一般的純種繁育方案。模型Ⅱ與模型Ⅲ表示遺傳進展由種公畜（禽）與種母畜（禽）一起從育種群帶到生產(chǎn)群。模型Ⅳ表示生產(chǎn)群所需種公畜（禽）直接來自育種群。而種母畜（禽）則從繁殖群中得到。模型Ⅰ描述的是遺傳進展僅由種公畜（禽）從育種群帶入生產(chǎn)群，這36不同的育種規(guī)模影響育種、繁殖和生產(chǎn)群間遺傳與時間差距的大小，也會影響到累積遺傳進展和育種效益，因此，要確定畜（禽）育種的最優(yōu)化規(guī)模。畜（禽）規(guī)?？筛鶕?jù)后一階段的畜（禽）規(guī)模和所需種畜（禽）的數(shù)量來推斷前一階段規(guī)模。（2）畜（禽）最優(yōu)化規(guī)模不同的育種規(guī)模影響育種、繁殖和生產(chǎn)群間遺傳與時間差距的大小，37模型Ⅰ中育種群的種畜（禽）最低要求的數(shù)量的推算公式為：NDB=模型Ⅲ中，育種群規(guī)模的計算公式為：