國內研究團隊用了9年時間，研發出了“華羊芯”育種芯片，能夠在羔羊一出生就檢測其是否攜帶特定基因，預測其未來的生長潛力，而不再需要經曆漫長世代的選育。還規避了傳統育種中誤差較大的弊端，提升了選育的准確性。
最近，甘肅潤牧生物工程有限公司湖羊養殖場裏傳來了好消息。
這家養殖場利用綿羊基因組育種芯片“華羊芯”，開展湖羊新品系的選育，短時間內顯著提升了湖羊的繁殖率和節糧能力，湖羊産羔率、飼料轉化率分別提升了27.7%、8.9%，尾脂降低了6.5%。
這些數據讓蘭州大學草地農業科技學院反刍動物研究所教授王維民和他的團隊感到很振奮。他們用了9年時間，研發出了“華羊芯”育種芯片，能夠在羔羊一出生就檢測其是否攜帶特定基因，預測其未來的生長潛力，而不再需要經曆漫長世代的選育。還規避了傳統育種中誤差較大的弊端，提升了選育的准確性。
作爲國內首款基于大規模基因組選擇參考群的高性能綿羊基因組育種芯片，“華羊芯”怎樣實現比肩國際的重大突破？如何幫助企業選出最好的羊？如何改變我國肉羊品種生産性能落後的局面？帶著這些問題，記者探尋了“華羊芯”從研發到應用的整個曆程。
都是基因在“操控”
到過內蒙古和新疆牧區的人，可能會對蒙古羊的大尾巴和哈薩克羊的肥臀印象深刻。這些羊的尾巴和臀部脂肪多達十幾公斤，看起來圓滾滾、沉甸甸，走動時左右搖晃、上下顛簸。事實上，善于奔跑的野綿羊的尾巴原本十分短小，人類經過很長時間才選育出這些肥尾羊，滿足對油脂的需求。
而今，科學家發現羊尾的大小其實是基因在背後“操控”，例如與脂肪囤積相關的基因變異，影響了尾部肥瘦。我國已有研究者利用相關基因突變，快速選育出了短尾的新疆細毛羊，滿足當前對短尾綿羊的需求。因爲長尾易引發感染性疾病，還可能會降低羊毛品質。
羊角的差異，也與基因突變有關。近代育種者覺得羊角既耗費營養，又爲羊群管理帶來安全隱患，偶然發現某些綿羊表現爲無角性狀，便用這些綿羊與已有品種進行雜交，選育出無角綿羊。已有研究發現，這些無角綿羊都是在特定基因上發生了突變。
綿羊的所有特征差異，都能夠從基因變異的角度得到解釋，這讓基因組選育成爲可能，能夠極大縮短育種時間。
在過去，動物新品種的選育可能要跨越千百年，而今，基因密碼像散布于生命叢林的小徑，指引人類快速抵達育種目標。伴隨這股不可阻擋的科技潮流，國際上畜禽育種進入了基因組選育時代。
傳統的動物育種師要靠觀察來選育品種，不僅要明察秋毫，還必須堅持不懈。而在基因組育種時代，利用基因組育種芯片就能識別攜帶特定基因的羊群，高效選育出綿羊良種。
“沒有金剛鑽，別攬瓷器活。”基因組育種芯片就是開展基因組選育工作的“金剛鑽”。
2009年，首張綿羊芯片由美國科技公司因美納推出。此後幾年，美國、新西蘭等國家又相繼推出高密度基因組育種芯片，加速推動羊育種進入基因組選育時代。
基因組育種技術在國外羊育種以及國內豬、禽、牛育種中應用進展迅速，但是我國羊種業基因組選擇技術研發及推廣仍相對滯後。
王維民團隊在持續關注著全球育種技術的發展，意識到要跟上基因組選擇的技術趨勢，必須盡快研發育種芯片。而研發基因組育種芯片，首先需要弄清哪些基因變異影響著羊的高矮胖瘦、生老病死等特征差異。
王維民團隊在實驗室測定湖羊相關性能。資料圖
雖然科學家已經發現了某些基因與綿羊特征的關系，如影響羊尾大小、羊角有無的基因突變，但這不過是冰山一角。
如果把DNA比作螺旋形的梯子，構成梯子台階的是一種叫堿基對的物質，正是這些堿基對導致了綿羊的差異。而綿羊體內有26億-30億個堿基對，其中已觀測到的遺傳變異位點有幾千萬個，隨著技術進步這一數值可能還會更大。
更困難的是，基因與表型很少表現出一一對應的關系，要分辨出特定基因的影響非常困難。遺傳密碼並不像簡單的計算機程序，能在每台計算機上完美地複現。
因此，要找到影響綿羊特征的基因突變，並開發出育種芯片，注定是一條複雜曲折的漫漫長路。
在羊群中尋找答案
茫茫草原上，一只羊的足迹難以尋查，但是一群羊卻走出了一條清晰的牧道。基因序列的影響規律，無法通過一只羊揭示，卻能夠在羊群中找到。
通俗地說，可以養一大群羊，觀察記錄每只羊生長過程中的各種性狀，如能吃多少料、能長多少肉、能産幾只羔，再檢測它們的基因序列，通過統計學分析，尋找基因和表型之間的關聯性。按照專業說法，是要建立大規模參考群體，爲育種芯片的研發提供可靠的數據支撐。
但是，建立大規模參考群體是一個無比艱辛且漫長的過程，也是基因組育種芯片開發中的最大難題。
早在2012年，蘭州大學反刍動物研究所和甘肅農業大學動物科學技術學院的師生們已經在西北探索養殖湖羊。最初目的是爲選育適合舍飼養殖的品種，卻爲育種芯片的研發打下了基礎。
湖羊産于太湖地區，源于早期北方移民南下帶去的蒙古羊，適應了南方氣候和舍飼環境，具有繁殖率高、生長速度快的優點。蘭州大學反刍動物研究所所長李發弟等人多次到江浙等地考察，將湖羊引入甘肅。
南方的“小綿羊”到北方，能適應嗎？一時間質疑聲四起。
“湖羊此前確實沒有在西北地區擴繁成功，原因是早期飼養管理、養殖技術都不成熟。而如今養羊的設施設備改善、飼養技術進步，足以抵禦環境的影響，例如羊舍條件的改善，能夠讓湖羊度過西北的寒冷冬季。”研究團隊分析後，放開手腳探索湖羊養殖。
在實際養殖過程中，團隊還是遇到了一些挑戰。“最大問題就是羊羔死亡率過高。”王維民回憶，團隊之前接觸的綿羊品種都是單胎，羊羔出生後不用人管也能成活。而湖羊繁殖率高，一胎甚至能産四五只，一些羊羔出生後沒有人照料，不久就死了。
甘肅省民勤縣湖羊養殖場裏，王維民團隊在測定湖羊性能。資料圖
這讓研究團隊傻了眼，不斷嘗試改進飼養方法，提高母羊的營養水平。還化身“奶爸”“奶媽”，加強羊羔的早期護理，很快提升了羊羔的成活率。
養好羊的同時，更重要的是做好生長性狀的觀測記錄。一年四季，研究團隊持續監測著湖羊的呼吸心跳，生理指標、行爲學指標等，以評估湖羊的生長性能、繁殖能力等性狀。爲了觀測湖羊的消化特征，蘭州大學和甘肅農業大學的師生們每晚熬夜蹲在羊圈旁，盯著數每只羊反刍了多少次。
經過兩年多的馴化，研究團隊掌握了湖羊的生長和繁殖規律，證明了湖羊適合在西北地區大規模舍飼，打消了各方的質疑。
2015年開始，研究團隊正式開啓育種芯片研發，逐步擴大湖羊養殖規模，以積累更多數據，“繪制”湖羊基因組遺傳變異圖譜。團隊中更多年輕人加入養羊的隊伍中，接力把這項“苦差事”做下去。
九年測了萬只羊
位于河西走廊東北部的甘肅省民勤縣，是沙漠和綠洲的交彙處，是“螞蟻森林”梭梭樹種下的地方，也是研究團隊養了萬余只綿羊的地方。
張煜坤和他的同學們從蘭州大學坐5個多小時的大巴來到這裏，通常連續住上4個月，把一批湖羊養到出欄。
“每天很充實也很規律，早上8點進羊圈采集數據，測量每只羊的體重、體尺等性狀，有時還要測羊只體溫，采集血樣和糞便，一上午能采集30-40只羊的數據。中午12點開始做飯，蔬菜是養殖場外空地上種植的，肉蛋來自隔壁的養豬場、養雞場，米面糧油是每個月去15公裏外的民勤縣城買來的。下午要去給羊添料，把飼料背到羊圈裏，一袋飼料有40公斤，飼料庫到羊圈有200米左右。晚上的時間用來看文獻、寫論文。”張煜坤描述著在養殖場的日常生活。
與屠宰測定時的辛苦相比，這些日常工作不值一提。
每年1月和8月，一年中最熱和最冷的時期，是羊群出欄屠宰的時候，也是研究團隊在民勤工作的“重頭戲”。王維民帶上蘭州大學反刍動物研究所的全部學生、幾位熱心幫忙的老師，還有從甘肅農業大學“借”來的十幾位學生，一行四五十人，到民勤與“駐守”養殖場的團隊成員彙合。
屠宰當天，淩晨4點就要起床，“出門還是一片漆黑，擡頭能看到滿天的繁星，像是要墜落一樣，離我們很近很近，仿佛伸手就能夠到。”張煜坤回憶。
民勤冬天最冷能到零下25℃，但是大家不敢穿太厚，因爲忙起來很快就會覺得熱，再脫衣服容易感冒，一般都是穿著一件舊棉襖，外面再套個迷彩服。而夏天比冬天更讓人難受，要穿著厚厚的防護服，戴2-3層口罩，又熱又悶，很多人會自備藿香正氣水，以防中暑。
王維民團隊在展示養殖的湖羊。資料圖
屠宰過程中要收集記錄很多性狀的關鍵數據，有一套複雜的操作流程，需要團隊分工配合、通力協作。
最考驗體力的環節是把屠宰後的羊吊挂起來，2個強壯的男生把100多斤的羊舉起，挂到近2米高的橫杆上，累得氣喘籲籲、大汗淋漓。最考驗耐心的環節是采集消化道微生物，羊有4個胃、3段大腸、3段小腸，不同部位的微生物不同，意味著要采集消化道10個部位的殘留物，這些殘留物在胃裏還叫食糜，在大腸裏就臭烘烘的了。給各個內髒器官稱重也是個考驗心理的活兒，負責這項工作的同學往往全身是血。
爲了做好安全防護，屠宰過程還安排一位老師擔任安全員，檢查每個人的防護裝備穿戴情況和消毒工作，如果有成員操作過程中手指受傷了，立刻展開包紮救治。
忙碌之後也有快樂的時刻。“王維民老師會問大家想吃什麽，羊肉管夠，但是連著幾天吃羊肉會膩，就想換換口味，就有人提議吃泡面，吃完泡面大家又說想吃杭州小籠包，王老師都會滿足大家的需求。”張煜坤笑著說。
張煜坤曾在4個月的時間，參與了300多只羊的養殖和性能測定，“這還不算多，我的同學張德印、李曉龍、徐丹和馬宗武人均完成了600多只羊的性能測定。還有趙源、程江博和楊曉斌幾位同學曾經忙到臘月二十九，才從羊場返家過年。”
爲了提高測定效率和測定通量，民勤肉羊性能測定中心不斷改進測定設施設備，新建了測定舍，研發了配套的表型組智能化測定裝備，大幅提升了性能測定效率，加速了更大規模參考群體的建立。
“9年時間裏，我們累計投入23.5萬人時，構建規模達10318只羊的基因組選擇參考群，測定了飼料轉化率、生長速度、尾脂重、肌內脂肪等性狀的299個指標，摸清了影響這些重要經濟性狀的關鍵基因。研究過程中，累計獲得了80萬條表型數據和78TB的基因組數據，繪制出包含2000萬個高質量遺傳變異位點超高分辨率的湖羊基因組遺傳變異圖譜。這是目前國內性狀記錄最全、遺傳變異最豐富的綿羊基因組選擇參考群體。”王維民說。
羊圈外“升級打怪”
羊圈裏的工作很艱辛，羊圈外的工作同樣充滿挑戰。
2015年研究團隊采集完第一批湖羊的基因組數據，在分析數據時遇到困難。“200多只羊，數據就有2TB，我們當時還不具備大數據分析的能力。”王維民說，團隊嘗試借助第三方數據分析公司的力量，但是這些公司對羊育種缺乏了解，並不能針對要解決的育種問題提供個性化分析服務。
面對一堆寶藏，卻不知如何挖掘。正當王維民茫然無措的時候，看到有一個出國訪學的機會，頓時感覺柳暗花明，“那就出國去學習！”
經過一年的國外學習，王維民掌握了基因組大數據分析的方法，面對上萬只羊的海量基因組數據也有了底氣。
自主創新的每一步都面臨著未知和困難。在國內外同行的支持和幫助下，研究團隊走上了“升級打怪”的道路，每位成員都在學習基因組育種的前沿技術。有人去了中國農業大學參與T2T基因組組裝項目，有人去了武漢理工大學學習面向農業的計算機視覺和深度學習，還有人去了上海海洋大學學習表觀和單細胞測序。張煜坤則去了華中農業大學，花了3個多月時間專門學習育種芯片設計。
“芯片設計是一個‘去糟粕留精華’的過程，要嘗試各種方法，找到最優的數據模型，在千百萬個基因遺傳變異位點裏挑選出幾萬個，最大幅度提升基因組預測的准確率。”張煜坤說，這個過程曾讓他壓力很大。
“剛開始我對芯片設計知識了解很少，當時的實驗室裏大家都很忙，我感到特別迷茫，後來經常去聽實驗室組織的彙報討論，讀了一些老師推薦的參考文獻，才慢慢找到研究門路。”張煜坤說，團隊其他成員的學習之路也都並不輕松。
除了研究中的重重挑戰，團隊還曾面臨缺乏經費的窘境。
2019年，研究處于“千羊基因組計劃”階段，長期且持續的投入令研究經費逐漸“捉襟見肘”。恰逢此時農業農村部啓動國家畜禽良種聯合攻關工作，湖羊選育及其新種質創制列入了聯合攻關任務，育種芯片研究才得以繼續開展。
2021年，參考群規模已突破“千級”，但與羊種業發達國家的萬級甚至十萬級相比，仍存在較大差距。因此，團隊在“千羊基因組計劃”的基礎上，進一步擴大品種類型和群體規模，實施包括多品種、多生産方向的“綿羊雙萬羊基因組計劃”。更多的品種和更大的規模意味著需要更多經費支持。幸而，團隊聯合國內9家羊種業優勢單位成功揭榜國家重點研發計劃項目“綿羊新品種新品系培育及良繁”，才有了持續經費支持。
2023年6月底，綿羊育種芯片研究設計工作終于完成，可以生産芯片産品了。
芯片生産中再次面臨難題。以往芯片産品通常是一塊手掌大小的玻璃片或金屬片，像一個棋盤一樣，上面鑲嵌著基因信息。這種固相芯片産品生産技術門檻高，長期爲國外企業壟斷。此外，固相芯片産品成本很高，每只羊的檢測費用達到300元。即便請國外公司生産出固相綿羊育種芯片，其高昂的價格也會讓芯片買家——肉羊育種企業望而卻步。
正當王維民在爲固相芯片的高成本而一籌莫展時，了解到河北有一家企業能夠生産價格更低的芯片産品。這家企業就是石家莊博瑞迪生物技術有限公司，其研發出了基于“靶向測序基因型檢測技術”的液相芯片，爲“華羊芯”的生産提供了條件。
“液相芯片把原本需要固定在硅基上的生物探針，溶解到小液滴裏，檢測時更加方便靈活，將綿羊DNA樣本加入試劑中，就能檢測出是否存在特定的基因變異。”博瑞迪公司創始人張嘉楠說，液相芯片技術打破了國外固態芯片壟斷，降低了基因組育種芯片生産成本，每只羊檢測成本降低到150-200元。
2023年6月，王維民團隊與博瑞迪公司和天津奧群公司展開合作，研發出一款包含45052個具有代表性、全局性、功能性遺傳變異位點的45K基因組育種液相芯片“華羊芯”。爲了滿足不同市場需求，還推出了10K及1K等適用于不同應用場景的系列育種芯片。
業內專家認爲，“華羊芯”是適用于本土湖羊基因測定的液相芯片，建立了適于我國綿羊育種的、具有完全自主知識産權的基因組育種技術體系，讓我國在綿羊基因組育種領域實現從落後追趕到比肩國際。
2023年的7月，王維民團隊把“華羊芯”帶到了國家重點研發計劃“畜禽新品種培育與現代牧場科技創新”項目考核現場，向大家展示芯片檢測的數據和性能，得到了會上專家和企業的一致認可。
那段時間，愉快的氛圍萦繞在團隊每個人身上，“我們感覺到一種久違的放松，終于把這件事情完成了。”王維民說。
綿羊育種有了新利器
羊羔出生後，只需要采集2毫升的血液，就能通過芯片預測這只羊未來的生長情況，王維民稱這個過程爲科學“算命”。
“華羊芯”推出後，王維民向許多肉羊企業介紹推薦。有一家企業負責人很感興趣，寄來了500多只小羊的血液樣品，要求用芯片預測未來體重最大的是哪只羊。
面對企業出的考題，王維民團隊利用“華羊芯”檢測了小羊的血樣，預測了每只羊體重增長潛力，把幾百只羊全部排了序。4個月後，這批羊長到了6月齡，體重最大的那只羊正是“華羊芯”預測的那只羊。這個結果讓這家企業很驚歎，也讓研究團隊更有底氣了。
“‘華羊芯’能幫助企業選出最好的羊。”王維民在向育種企業和養殖場推廣芯片時，會這樣告訴他們。芯片不僅能夠預測體重等外在表型，還能檢測以前活體無法測量的一些性狀，例如羊肉的大理石花紋情況、肋骨數目、體內脂肪重量等，這些特征代表著羊肉産量和品質狀況，影響著肉羊養殖的經濟效益。
國內一些大型羊場主動抛來橄榄枝。目前“華羊芯”在天津奧群牧業有限公司、甘肅潤牧生物工程有限公司、甘肅羊如祥農業有限公司、甘肅居佳生態農業有限公司等企業近萬只羊的選育中得到推廣應用。2023年，“華羊芯”市場訂單就達到6.9萬張。
我國作爲全球第一大肉羊生産國和消費國，2023年出欄了超過3.3億只羊，但是肉羊生産性能卻遠低于羊業發達國家，單産水平只有澳大利亞的64%。造成差距的根本原因是缺乏高産品種。“華羊芯”等基因組育種芯片的應用，有助于加快肉羊良種的選育，提升我國肉羊産業生産效率。
“基因組育種技術是大勢所趨，企業一旦使用這些先進技術，就會發現妙不可言。”天津奧群牧業有限公司總經理林春建認爲，如果“華羊芯”在國內種羊場得到大規模應用，將極大加快綿羊遺傳進展和新品種的選育，提升肉羊種業技術水平。
然而，“華羊芯”的推廣應用依然任重道遠。研究團隊在推廣芯片的同時，還肩負著普及先進育種技術的責任。
“要加速芯片推廣，不僅要爲肉羊企業提供基因檢測服務，更重要的是提供配套技術支持，例如提供選種選配方案。目前大型企業有足夠的人才和技術力量根據基因檢測數據制定選種選配方案，但是很多中小育種場、養殖場技術力量薄弱，缺少數據分析能力，需要相關研究機構或芯片提供商爲其制定遺傳評估方案，才能真正用好基因組育種芯片。”林春建站在肉羊企業的角度分析。
要保證芯片的持續適用性，還需要不斷叠代升級，研究團隊計劃將“華羊芯”每年更新一版。研究團隊下一個更加宏偉的目標，要實現湖羊基因組選擇參考群5年內突破10萬只。“我們會盡全力推動我國綿羊種業科技自立自強，讓中國餐盤裝更多的中國肉。”王維民對此信心滿滿。
作者：農民日報·中國農網記者 雷少斐
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