为什么要选择最好的羊呢？

05-01 13:25

原创雷少斐农民日报

国内研究团队花了9年时间开发了“华羊芯”繁殖芯片，可以在羔羊出生时检查它们是否携带特定的基因，预测它们未来的生长潜力，而不是经过长时间的培育。它还避免了传统育种中误差较大的弊端，提高了栽培的准确性。

近日，甘肃润牧生物工程有限公司湖羊养殖厂传来好消息。

这家养殖厂利用羊基因组繁殖芯片“华羊芯”来培育湖羊的新产品，在短时间内显著提高了湖羊的繁殖能力和节食能力。湖羊的羔羊产量和饲料转化率分别提高了27.7%、尾脂减少6.5%，8.9%。

兰州大学草坪农业科学技术学院反刍动物研究所教授王维民和他的团队对此感到非常兴奋。他们花了9年时间开发了“华羊芯”繁殖芯片，可以在羔羊出生时检查它们是否携带特定的基因，并预测它们未来的生长潜力，而不需要经过长时间的培育。它还避免了传统育种中误差较大的弊端，提高了栽培的准确性。

“华羊芯”作为中国第一个基于大规模基因组选择参考组的高性能羊基因组繁殖芯片，如何实现与国际相比的重大进步？如何帮助企业选择最好的羊？如何改变中国肉羊品种生产性能落后的局面？带着这些问题，记者探索了“华羊芯”从研发到应用的全过程。

所有的基因都在“操纵”

去过内蒙古和新疆牧区的人可能对蒙古羊的大尾巴和哈萨克羊的肥臀有着深刻的记忆。这些羊的尾巴和臀部脂肪高达十公斤，看起来又圆又重。走路时，它们左右摇晃，上下摇晃。事实上，善于奔跑的野羊的尾巴非常短。经过长时间的培育，人类已经培育出这些肥羊来满足油脂的需求。

如今，科学家们发现，羊尾的大小实际上是基因在背后“控制”的，例如与脂肪堆积相关的基因突变，影响了尾部的肥胖和瘦弱。我国一些研究人员利用基因突变迅速培育出短尾细毛羊，以满足目前短尾羊的需求。长尾容易引起传染病，可能会降低羊毛质量。

羊角的区别也与基因变异有关。现代育种者认为羊角不仅消耗营养，还会给羊群管理带来安全隐患。当他们偶然发现一些羊体现为无角特征时，他们用这些羊与现有类型杂交，培育无角羊。研究发现，这些无角羊在特定基因上发生了突变。

羊群的所有特征差异，都可以从基因突变的角度来解释，这使得基因组培养成为可能，可以大大缩短繁殖时间。

过去，估计新动物品种的培育将超过几千年。现在，基因密码就像一条散布在生命丛林中的小路，引导人类快速实现育种目标。随着这种不可阻挡的科技趋势，畜禽在世界范围内的繁殖已经进入基因组培育时代。

传统动物育种师要靠观察来培育品种，不仅要观察秋毫，还要坚持不懈。然而，在基因组繁殖的时代，携带特定基因的羊群可以通过使用基因组繁殖芯片来识别，羊的良种可以得到高效的培育。

"没有金刚钻，不要做瓷器活."基因组繁殖芯片就是进行基因组培育的“金刚钻”。

2009年，美国科技公司因美纳推出了第一个羊芯片。在接下来的几年里，美国、新西兰等国家相继推出了高密度基因组繁殖芯片，加快了羊的繁殖进入基因组繁殖时代。

基因组育种技术在国外羊类养殖和国内猪、禽、牛养殖中的应用发展迅速，但我国羊种业基因组选择技术研发和推广仍相对滞后。

王维民团队密切关注全球繁殖技术的发展，意识到要跟上基因组选择的技术趋势，就必须尽快开发繁殖芯片。在基因组繁殖芯片的研发中，首先要搞清楚哪些基因突变影响了羊的身高、体重、生老病死等特点。

在实验室里，王维民队测量了湖羊的相关性能。数据图

虽然科学家们已经发现了一些基因与羊的特性之间的关系，例如影响羊尾大小、羊角是否存在的基因变异，但这只是冰山一角。

如果把DNA比作螺旋梯，梯子台阶就是一种叫做碱基对的物质，正是这些碱基对造成了绵羊的差异。羊体内有26亿-30亿次碱基对，其中有数千万个已经观察到的遗传变异点，这个值可能会随着技术的进步而更大。

更难的是，基因和表型很少表现出一一对应的关系，很难区分特定基因的影响。与简单的计算机程序不同，遗传密码可以在每台计算机上完美复制。

所以，要找出影响绵羊特性的基因变异，并开发出繁殖芯片，注定是一条漫长而复杂的道路。

寻找群羊中的答案

在茫茫草原上，很难找到一只羊的足迹，但一群羊走出了一条清晰的牧道。基因序列的影响规律不能被一只羊揭示，但可以在羊群中找到。

一般来说，你可以养一大群羊，观察和记录每只羊生长过程中的各种特征。如果你能吃多少材料，你能长多少肉，你能生产多少羔羊，然后检查它们的基因序列，通过统计分析找出基因和表型之间的相关性。根据专业说法，有必要建立大规模的参考人群，为繁殖芯片的研发提供可靠的数据支持。

然而，建立大规模的参考人群是一个极其艰难和漫长的过程，也是基因组繁殖芯片开发中最大的问题。

早在2012年，兰州大学反刍动物研究所和甘肃农业大学动物科学技术学院的师生就一直在西北地区探索养殖湖羊。最初的目的是培育适合放弃饲养的品种，但为培育芯片的研发奠定了基础。

湖羊产于太湖地区，起源于早期北方移民南进带来的蒙古羊，适应南方气候和饲养环境，具有繁殖力高、生长速度快的优点。兰州大学反刍动物研究所所长李发弟等人多次访问江浙，将湖羊引入甘肃。

南部的“小绵羊”到北方，适应吗？有一段时间充满了疑问。

“湖羊之前没有成功扩大西北地区的繁殖，因为初期的饲养管理和养殖技术都不成熟。目前，养羊设施的改进和饲养技术的进步足以抵御环境的作用。比如羊舍条件的改善，可以让湖羊度过西北寒冷的冬天。”经过研究团队分析，我们放开手脚探索湖羊养殖。

在实际养殖过程中，团队还是遇到了一些挑战。“最大的问题是羔羊的死亡率太高。”王维民回忆说，团队之前接触的羊品种都是单胎，羔羊出生后可以无人看管地生存。湖羊繁殖力高，一胎甚至可以生四五只。有些羔羊出生后没有得到照顾，很快就死了。

在甘肃省民勤县湖羊养殖厂，王维民队正在测量湖羊的性能。数据图

这让研究团队目瞪口呆，不断尝试改进饲养方法，提高母羊的营养水平。它还成为了“爸爸”和“护士”，加强了小羊的早期护理，迅速提高了小羊的存活率。

在养羊的同时，更重要的是做好对生长性质的观察记录。一年四季，研究小组不断监测湖羊的呼吸和心跳、生理指标和行为指标，以评估湖羊的生长性能和繁殖能力。兰州大学和甘肃农业大学的师生为了观察湖羊的消化特点，每天晚上熬夜蹲在羊棚旁，盯着每只羊反刍多少次。

经过两年多的驯化，研究小组掌握了湖羊的生长繁殖规律，证明湖羊适合在西北地区大规模饲养，打消了各方的质疑。

从2015年开始，研究小组正式开始培育芯片的研发，逐步扩大湖羊养殖规模，积累更多数据，“绘制”湖羊基因组的遗传变异地图。团队中更多的年轻人加入了养羊队，接力做了这个“苦差事”。

九年测量了万只羊

甘肃省民勤县位于河西走廊东北部，是沙漠与绿洲的交界处，是蚂蚁森林梭梭树种植的地方，也是研究团队养羊1万多只的地区。

张煜坤和他的同学们从兰州大学坐了5个多小时的公交车来到这里，一般持续4个月，把一群湖羊长到出栏。

“每天都很充实，很有规律。早上8点，我们进入羊棚收集数据，测量每只羊的体重和尺子。有时候，我们需要测量羊的体温，收集血液和粪便。我们可以在早上收集30-40只羊的数据。中午12点开始做饭。蔬菜种植在农场外的空地上。肉和蛋来自隔壁的养猪场和养鸡场。米粉和粮油是每个月在15公里外的民勤县买的。下午要去给羊加料，把饲料背进羊棚，一袋饲料40KG，饲料库到羊棚大约200米。晚上的时间用来阅读文献，写论文。”张煜坤描述了农场的日常生活。

这些日常工作与屠宰测定时的辛苦相比毫无价值。

每年1月和8月，一年中最热最冷的阶段是羊出栏屠宰的时候，也是研究团队在民勤工作的“亮点”。王维民带着兰州大学反刍动物研究所的所有学生，几位热心帮助的老师，以及从甘肃农业大学“借”的十几名学生，一行40到50人，以及民勤和“驻扎”农场的团队成员。

屠宰当天，我将在凌晨4点起床。“出门还是一片漆黑。当你抬头时，你可以看到满天的星星，就像坠落一样。它离我们很近，好像你可以伸出手来。”张煜坤回忆道。

冬天最冷的民勤可以达到零下25℃，但是大家都不敢穿厚衣服。因为忙的时候很快就会觉得热，脱衣服的时候容易感冒。他们通常穿旧棉袄，外面穿迷彩服。夏天比冬天更不舒服。他们应该穿厚厚的防护服，戴2-3层口罩，又热又闷。很多人会自带藿香正气水，防止中暑。

王维民队正在展示养殖湖羊。图表

在屠宰过程中要收集记录许多性状的关键数据，有一套复杂的操作流程，需要团队分工合作，共同努力。

最考验体力的环节是把屠宰后的羊挂起来，两个强壮的男孩举起100多公斤的羊，挂在近2米高的横杠上，累得气喘吁吁，汗流浃背。最耐心的环节是收集消化道微生物。羊有四个胃，三个大肠和三个小肠。不同部位的微生物是不同的，这意味着消化道10个部位的残留物应该被收集起来。这些残留物在胃里也叫食糜，在大肠里很臭。对每一个人体内脏进行称重也是一项考验心理的工作，负责这项工作的学生通常全身都是血。

为了做好安全防护工作，在屠宰过程中还安排了一名教师担任安全员，检查每个人的防护装备穿戴情况和消毒情况。如果成员在操作过程中手指受伤，应立即进行包扎治疗。

忙碌之后，也会有快乐的时刻。“王维民老师会问大家想吃什么，羊肉管够了，但是连续几天吃羊肉会觉得无聊，所以想换个口味。有人建议吃方便面。吃完方便面，大家都说想吃杭州馒头，王老师会满足大家的需求。”张煜坤笑着说。

在4个月的时间里，张煜坤参加了300多只羊的养殖和性能测量。“这还不算太多。我的同学张德印、李晓龙、徐丹和马宗武都完成了600多只羊的性能测量。此外，赵源、程江博和杨晓斌在从羊场回家过年之前，一直忙到腊月二十九。”

为了提高测量效率和通量测量，民勤肉羊性能测量中心不断完善测量设施，建立了新的测量室，开发了配套的表型组智能测量设备，大大提高了性能测量效率，加快了更大规模参考人群的建立。

“在过去的9年里，当我们累计投资23.5万人时，建立了10318只羊的基因组选择参考组，测量了299个指标，包括饲料转化率、生长速度、尾脂重、肌肉脂肪等。，并找出影响这些重要经济特征的关键基因。在研究过程中，累计获得了80万个表型数据和78TB基因组数据，绘制了湖羊基因组遗传变异图谱，包括2000万个高质量的遗传变异点和超高分辨率。这种羊基因组选择参考人群的特性记录最全，遗传变异最丰富。”王维民说。

羊棚外“升级打怪”

羊舍里的工作很辛苦，羊棚外的工作也很有挑战性。

2015年，研究小组收集了湖羊的第一批基因组数据，在分析数据时遇到了困难。“200多只羊有2TB数据，我们当时没有能力分析大数据。”王维民表示，该团队试图利用第三方数据分析公司的力量，但这些公司对羊的繁殖缺乏了解，无法为要解决的繁殖问题提供个性化的分析服务。

面对一堆宝藏，我不知道如何挖掘。就在王维民不知所措的时候，当他看到一个出国留学的机会时，他突然觉得前途光明。“那就出国留学吧！”

经过一年的海外学习，王维民掌握了基因组大数据分析的方法，对数万只羊的海量基因组数据也有信心。

自主创新的每一步都面临着未知和挑战。研究小组在国内外同行的支持和帮助下，走上了“升级打怪”的道路，每个成员都在学习基因组繁殖的前沿技术。有的人去中国农业大学参加T2T基因组装项目，有的人去武汉理工大学学习计算机视觉和农业深度学习，有的人去上海海洋大学学习表面和单细胞测序。另一方面，张煜坤去了华中农业大学，花了三个多月的时间来学习ic设计。

“ic设计是一个‘去糟粕留精华’的过程。我们应该尝试各种方法，找到最佳的数据模型，在数百万个基因遗传变异点中选择数万个，以最大限度地提高基因组预测的准确性。”张煜坤说，这个过程给他带来了很大的压力。

“起初，我对ic设计知识了解不多。当时实验室里的每个人都很忙。我感到非常困惑。之后经常去实验室组织报告讨论，看了一些老师推荐的参考文献，逐渐找到了研究的方法。”张煜坤说，团队其他成员的学习之路并不容易。

除研究中的许多挑战外，团队也面临着经费不足的困境。

2019年，研究处于“千羊基因组计划”阶段，长期持续的投资使得研究资金逐渐“短缺”。就在这个时候，农业和农村事务部开始了中国畜禽良种的联合研究，湖羊培育及其新种质的开发被纳入联合研究任务，这样繁殖芯片的研究才能继续进行。

到2021年，参照群的规模已经超过了“千级”，但是与羊种业发达国家的万级甚至十万级相比，仍然存在较大差距。因此，在“千羊基因组计划”的基础上，团队进一步扩大了种类和群体规模，实施了“双羊基因组计划”，包括多品种、多生产角度。种类越多，规模越大，需要大量的资金支持。幸运的是，团队和国内9家羊种优势单位成功揭开了国家重点R&D项目“羊新品种培育和良好繁殖”，并获得了持续的资金支持。

绵羊繁殖芯片的研究设计工作于2023年6月底终于完成，可以生产芯片产品。

再一次面临芯片生产的难题。过去，芯片产品通常是手掌大小的玻璃片或金属片，就像一个棋盘，上面镶嵌着基因信息。这类固相芯片产品生产技术门槛高，长期以来一直被海外企业垄断。另外，固相芯片产品成本较高，每只羊的检测成本达到300元。即使要求外国公司制造固相绵羊饲养芯片，其高价也会使芯片客户-肉羊饲养公司望而却步。

正当王维民对固相芯片的高成本感到不知所措时，他了解到河北有一家企业可以生产价格较低的芯片产品。该公司是石家庄博瑞迪生物技术有限公司，开发了基于“靶向测序基因检测技术”的液相芯片，为“华羊芯”的生产提供了条件。

“液相芯片将原本需要固定在硅基上的生物探针溶解到小液滴中，检测更加方便灵活。在试剂中加入羊DNA样本，可以检测是否存在特定的基因突变。”博瑞迪公司创始人张嘉楠表示，液相芯片技术打破了国外固体芯片的垄断，降低了基因组繁殖芯片的生产成本，每只羊的检验成本降至150-200元。

2023年6月，王维民团队与博瑞迪公司和天津奥群公司合作，开发了45K基因组繁殖液相芯片“华羊芯”，包括45052个具有代表性、全局性和功能性的遗传变异点。为了满足不同的市场需求，还推出了10K、1K等一系列适合不同应用场景的繁殖芯片。

业内人士认为，“华羊芯”是一种适合当地湖羊基因测量的液相芯片，建立了具有完全自主知识产权的基因组育种技术体系，适合我国羊群繁殖，使我国在羊群繁殖领域实现从落后追逐到比肩国际。

2023年7月，王维民团队将“中国羊芯”带到了国家重点研发计划“畜禽新品种培育与现代牧场科技创新”项目评估现场，向大家展示了芯片检测的数据和性能，得到了会上专家和公司的一致认可。

那段时间，愉快的气氛萦绕在队里的每一个人身上，“我们感到一种久违的放松，终于完成了这件事。”王维民说。

绵羊养殖有了新的利器

小羊出生后，只需收集2毫升的血液，就可以通过芯片来预测小羊未来的生长状况，王维民称这个过程是科学的“算命”。

“华羊芯”推出后，王维民向多家肉羊企业推荐。一家企业的负责人非常感兴趣，发了500多只小羊的血样，要求用芯片预测未来哪只羊最重。

面对公司的考题，王维民团队用“中国羊芯”检测了小羊的血液，预测了每只羊的体重增长潜力，并对数百只羊进行了排序。4个月后，这些羊长到6个月大，最重的羊是“中国羊芯”预测的羊。这个结果让这家企业感到惊讶，也让研究团队更加自信。

“‘华羊芯’可以帮助企业选择最好的羊。”当王维民向饲养企业和农场推广芯片时，他会这样告诉他们。芯片不仅可以预测体重等外观形状，还可以检测一些以前活物无法检测的特性，如羊肉的大理石图案、肋骨数量、体内脂肪重量等。这些特征代表了羊肉的产量和质量，影响了肉羊养殖的经济效益。

国内一些大型羊场主动抛出橄榄枝。目前，“华羊芯”已在天津奥群牧业有限公司、甘肃润牧生物工程有限公司、甘肃羊如祥农业有限公司、甘肃居佳生态农业有限公司等近万家羊的培育中得到推广应用。2023年，“华羊芯”市场订单达到6.9万张。

2023年，中国作为世界上最大的肉羊生产国和消费国，出现了3.3亿多只羊，但肉羊的生产性能远低于羊业发达国家，单一生产水平仅为澳大利亚的64%。造成差距的根本原因是缺乏高产品种类。“华羊芯”等基因组繁殖芯片的应用，有利于加快肉羊良种的培育，提高我国肉羊产业的生产效率。

天津奥群牧业有限公司总经理林春健认为，“基因组育种技术是大势所趋。”，一旦公司使用这些先进技术，就能发现它们是美妙的。如果“华阳芯”在国内羊场得到广泛应用，将大大加快羊遗传进展和新品种培育，提高羊种业的技术实力。

但是，“华羊芯”的推广应用还有很长的路要走。在推广芯片的同时，研究团队还肩负着推广先进育种技术的责任。

要加快芯片推广，不但要为肉羊企业提供基因检测服务，更重要的是要提供配套的技术支持，例如选择选择方案。目前，大型企业有足够的人才和技术水平，根据基因检查数据制定选择选择方案。然而，许多中小型农场和农场技术基础薄弱，缺乏数据分析能力。为了真正利用好基因组繁殖芯片，有必要相关研究机构或芯片提供商为其制定基因评估方案。”林春建站在肉羊公司的角度分析。

为了保证芯片的可持续适用性，需要不断迭代升级，研究团队计划每年更新一次“华羊芯”版本。研究团队的下一个更宏伟的目标是在五年内实现湖羊基因组选择参考组超过10万个。“我们将尽最大努力促进中国绵羊种业科技的自力更生，让中国餐具配备更多的中国肉。”王维民对此充满信心。

作者：农民日报·中国农网记者雷少斐