科学的本质是什么?有人说是烧开水,还有人说是投石头。前者认为能源转化的形式无论怎么变,始终没有离开瓦特家那一壶能把壶盖烧得欢蹦乱跳的开水;后者则认为人类在机械、军事领域的进步本质上都是我们茹毛饮血的老祖宗对着猎物扔出的石块,比如枪炮、导弹乃至能够扩展我们手臂的挖掘机等等,都没有跳出这一范畴。我们这里姑且不去讨论这些观点是否严谨,但这种思路对于我们循迹、溯源科学的发展,并最终沿着这一道路进行创新倒也不无益处。
按照这一思路,我们实际上还可以咂摸出一个观点——科学的另一个本质是“算命”。这其实也很好理解,不管是周文王演绎卦爻的龟壳,还是巫婆窥视命运的水晶球,千百年来人类就痴迷于小到个人、大到国家的未来命运的预测。只是到后来,这种“算命”演变成了更加科学的形式,比如天气预报、弗洛伊德的《梦的解析》、甚至是能够击败柯洁、李世石的人工智能围棋高手。尽管听起来玄之又玄,但是这种“算命”型科学的发展本质却是有迹可循,即更加全面地收集数据,更加系统地总结其内在规律,并将这一规律更好地应用于对未知事物演化的预测当中,从而帮助人们更好地做出决断,趋利避害。
动物育种的本质也是如此,因为对于育种工作者来说,我们不仅仅关心如何让当代优秀,更希望下一代同样优秀甚至更优秀,从而让整个群体蒸蒸日上。这时候我们必须借助预测科学的经验,收集、整理数据并利用这些数据的信息帮助我们预测动物的种用价值(育种值),从而最终实现准确选种、选配。问题的关键在于数据是什么?从哪来?如何用?
对于身处春秋时期从事相马工作的伯乐来说,他所能依赖的数据主要是马的体型外貌、嘶鸣等外在表型,依靠表型来进行选择在当代固然有效,但是优秀的表型是否能够往下一代遗传则靠一定的“机缘”。这是因为表型是遗传与环境共同作用的结果,其中只有遗传因素可以向下一代传递。所以如何从表型中把遗传因素剖分出来就成为了关键环节。到了上世纪70年代,动物育种学家C. R. Henderson把群体的系谱加入到数据中,并基于此构建一个能够体现个体之间遗传联系的矩阵,从而把遗传因素(育种值)剖分了出来。该方法固然巧妙,但是由于时代限制,Henderson们没有办法窥探到个体遗传的真正本质——基因组,这也使得育种值估计的准确性还有很大的上升空间。
现在,我们已经进入包括基因组学在内的多组学飞速发展的时代,科技的进步给育种工作者们配上了能透过现象(表型)看本质(基因组)的放大镜,让我们可以更加精准地衡量个体之间的遗传联系,从而提升育种值估计的准确性。这种借助基因组信息来辅助我们进行选种、育种的方法我们称之为基因组选择(genomic selection,GS)。
尽管描述起来仿佛特别玄妙,但是基因组选择本质上是“算命”科学的集大成体现。我们可以用军事“算命”——作战方案推演的例子来对基因组选择进行类比。想象一位战场上杀伐决断的将军,率领一支由约28亿名士兵(猪基因组约有28亿对碱基)构成的庞大军队(基因组),每名士兵都可以携带三种不同的兵器:单刀(基因型AA)、长枪(基因型Aa)、狼牙棒(基因型aa)。为了评估各种作战方案的杀伤力,将军战前对整个大军进行了N多次演习,从而获得了每名士兵携带不同兵器时的杀伤力及整个大军相互配合所能发挥的实力。如此,在下一次的实际战争中,我们只要知道士兵们所携带的武器,就可以知道其杀伤力,并对整个大军所有士兵的杀伤力进行加和,就可以知道整支军队所能发挥的最终实力(基因组育种值)。
在上面的例子中,将军所进行的战前演习就是基因组选择的关键步骤——参考群体构建。其中,演习的次数相当于参考群体中的个体数,演习的结果相当于个体的表型度量值,每名士兵携带不同兵器时的杀伤力就是基因位点的效应,演习的次数越多,即参考群体的规模越大,对杀伤力(效应)的估计越准确。对于一头新出生的仔猪来说,虽然尚未有测定成绩,但是其基因组(所有士兵所携带的武器状态)却已经确定,此时我们可以把利用参考群体所估计的效应与其所携带的武器状态(基因型)进行结合,从而合并计算出该个体的育种值,最终实现早期选择。
基于以上的介绍,我们可以发现基因组选择比传统育种的进步体现在两点:一是基因组能够提供的信息更多、更精细,使得我们对育种值估计得更加准确;二是由于基因组选择可以进行准确的早期选择或者早期淘汰,比如一些遗传评估较差的公猪,我们可以直接阉割掉,从而大幅度降低成本。
正因为基因组选择所具有的这些优势,我们才见证了近年来基因组选择在猪、牛等物种非常广泛、成功的运用。史记生物自2016年便启动了基因组选择项目,目前已经积累了超过3万规模的参考群体,为加快遗传进展提供了坚实的数据基础。基因组选择对育种值估计的方法还尚未达到其准确性的天花板,我们正不断通过方法的改善、创新,以及更加科学、全面地利用多组学数据(转录组、代谢组、甲基化组、微生物组等等)来提升基因组选择的准确性,进一步加快遗传进展。相信在不久的将来,我们可以“制造”出一个更加完美的“水晶球”,让我们轻轻一瞥就可以窥见一头猪的未来。