猪育种软件的研究与应用

2009-11-11孙晓燕姜勋平

现代农业科技 2009年15期

孙晓燕　姜勋平

摘要计算机技术已经成为加速现代动物育种进程的重要手段,为了适应规模化的猪场养殖和猪育种的发展需要,使用高效的猪场育种管理软件成为必然趋势。综述了计算机技术在动物育种中的应用现状,着重阐述国内外常见的猪育种管理软件,并提出目前相关软件存在的一些问题及未来发展趋势,为今后研究开发育种管理软件提供一定经验和借鉴。

关键词猪育种;软件;研究与应用

中图分类号 S828;TP31 文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)15-0359-03

ResearchandapplicationofPigBreedingSoftware

SUN Xiao-yanJIANG Xun-ping

(College of Animal Science and Technology of Huazhong Agricultural University,Wuhan Hubei 430070)

AbstractComputer technology had became an important method for accelerating the process of pig breeding.In order to meet the needs of scale pig production and pig breeding,it was greatly necessary to use effective software of pig breeding and management.The application status was summarized,several pig breeding and management softwares were mainly introduced,besides these,the problems and development trend in future were put forward in this paper,in order to provide some experience for researching and developing such softwares later.

Key wordspig breeding;software;research and application

计算机信息技术应用于畜禽育种中能促进畜牧业生产的发展和品种改良,提高畜禽的生产性能。目前,中国畜禽育种技术在总体水平上落后于一些发达国家,传统的育种技术已不能胜任我国养猪业高速发展的需要。综观中国养猪业,许多种猪场在不同程度上进行着选育工作,但由于育种技术参差不齐、持续性问题和育种规模的限制,难以实现高效率的育种工作。许多场从国外引进种猪后,使用了若干年就逐渐衰退,失去了种用价值,造成高额浪费。因此,制定统一的性能测定方法和遗传评估方法,在大范围内的各个场之间交换种猪遗传资料,运用有效的育种技术,即BLUP法进行遗传评估,是必然的趋势。

动物遗传育种本身是一门涉及遗传育种、营养、疾病和生产管理的复杂的系统工程,因此进行遗传育种的深入研究,需要同时具备多方面的知识,而功能强大的计算机技术使得复杂的数学计算和统计分析成为可能,这对家畜育种具有重要的意义。现代遗传育种理论和方法的应用离不开计算机技术的支持,而计算机技术的发展又促进了新的遗传育种理论和方法的研究,二者互相促进,不断融合。现将计算机技术在猪育种中的应用现状综述如下,主要介绍国内外各种猪育种管理软件以及存在的一些问题和难点,为今后计算机技术在猪育种上更好的研究和应用提供一定参考。

1计算机技术在畜禽品种资源数据库上的应用

畜禽资源的调查、评估、保存、管理和利用,是育种上一项重要而基础性的工作,有了广泛而全面的品种资源的储备,才可能从中寻找并培养出品质高、适应性强、符合人类需求的畜禽品种。因此,在物种迅速消失的现代,对畜禽资源的保管尤为重要。目前,世界上有种质库500多座,其中以FAO的iDAD-is家畜遗传资源信息量最大。我国地幅辽阔,畜禽品种资源丰富,仅对全国100多个地方的猪种情况进行归纳整理,就发现有76个地方猪种,其中不乏具有优良品质的品种。但我国畜禽品质资源库建立落后于发达国家,收录到数据库的品质资源也十分有限,目前国内畜禽品种资源数据库结构仅有119个字段,急需进一步地扩充和完善。

2计算机技术在遗传参数估计上的应用

育种值的估算是种畜选择的依据以及育种规划的任务,为特定的候选育种方案规划出保证估计育种值具有理想精确度的各种措施。充分利用各种有亲缘关系的个体表型信息,估计出后备种畜个体的综合选择指数,以此作为多性状综合育种值的估计值。为了保证育种值估计的精确度,应力求使用先进科学的统计方法。育种工作需要精确可靠的计算方法来对数据资料进行处理,利用计算机处理大量数据,极大地提高遗传参数和育种值估计的精确度,从而增加选择的速度和可靠程度。

畜禽遗传评估的理论几十年来不断发展,在牛的育种中已取得了突出成果,而在猪的育种中进展较缓慢。长期以来,猪的育种方法一直是基于个体、祖先、同胞或后裔性能记录的选择指数。这种方法虽然简单易行,但存在2个主要缺陷,一是没有对环境因子或一些非遗传因子进行有效的校正;二是不能充分利用所有亲属的信息。BLUP在奶牛业上已取得很完善的应用,而对于猪育种来说,存在着一些困难。由于人工授精技术和育种规模的限制,公猪通常在本场内使用,很少跨场使用,给跨场综合评定以提高选择准确性带来了难度;同时,猪本身是多胎动物,繁殖力高、世代间隔短、母猪更新快、使用年限短。因此,对猪育种来说,最适合的,也是使用最广泛的就是动物模型。但是动物模型的计算量十分庞大,这严重制约了猪遗传评估的发展,因此在猪遗传评估中应用混合线性模型BLUP法要比其他家畜晚很多。

半个多世纪以来,根据家畜育种学的发展,许多遗传参数估计方法被提了出来。如20世纪60~70年代提出来的基于混合线性模型的极大似然法(ML)、约束极大似然法(REML)、非求导约束最大似然法(DFREML)、最小范数二次无偏估计法(MINQUE)和最小方差二次无偏估计法(MIVQUE)等方差组分估计方法。此外,Harvey和Hend-erson相继提出了“次级样本含量不等资料的最小二乘法”和BLUP 数学模型,并开始在种公牛选种中应用。此后,He-nderson 对BLUP 方法的理论和应用作了系统阐述,当固定效应和协方差矩阵已知时,利用他所得出的混合模型方程组,可得到每头家畜每个性状选择指数的预测值,尔后再考虑经济加权值,便得到了选择标准,当固定效应未知,而协方差已知时,利用BLUP 法,可得到最佳选择标准。但由于当时计算工具的限制,此法在育种上的应用推迟了20年。经过在世界范围内国家和地区的推广和使用,BLUP 法显示了它的优越性,与日益强大的计算机技术相结合,成为现代育种强有力的工具。BLUP 法在奶牛育种中已经取得了显著的效果,在其他家畜上也进行了广泛的应用。

国外关于育种值计算的软件开展较早,Harvey于1976年编制了次级样本含量不等资料的最小二乘法的通用计算程序LSM-76,并于1990年研制了可在计算机上运行的新版本软件包LSMLMW8 MIXMPL PC-2,该软件包应用混合模型方程组技术,适用于不平衡资料的方差分析和遗传参数的估计;Eildert Groeneveld研制的PEST软件,其特点是可以处理缺失值。尽管国内用计算机和BLUP 法相结合来进行育种参数技术的研究晚了约15年,但通过育种工作者不断努力与钻研,中国也有一批用于育种值计算的软件,如常智杰等(1991)研制的BLUP和VCCE软件,北京市奶牛育种中心唐臻钦(1993)编制的AMBLUP(动物模型)和SMBLUP(公畜模型)2套大规模估计家畜育种值的微机软件,可方便地估计种公(母)牛的育种值。Groeneveld等(1990)开发研制的多性状遗传评估软件PEST(multivariate Prediction and Estimation)目前已经在世界各国广泛应用。该软件的特点是:能够处理缺失值;建立一些或全部性状的结构矩阵;估计任何固定及随机效应;处理任何协变量;建立动物的亲缘关系矩阵;计算近交系数;提供遗传组模型;估计杂合误差方差;估计育种值时可利用旧的计算结果迭代求解;使基础亲本的平均育种值为0;固定及混合多变量模型的假设检验;个体动物模型、公畜模型、公畜-母畜模型的EBVs计算;估计BLUP误差方差和BLUE(最佳线性无偏估计)的标准误;建立固定随机效应的协方差矩阵。PEST提供了30多种数学模型的单性状或多性状BLUP育种值的计算,以满足猪育种需要。

3猪场育种生产管理软件的研制

迄今为止,在单独的育种值计算程序上已经有了相当多的研究,许多成熟的遗传参数计算软件已经研制成功并投入使用。而在现代集约化的养猪生产中,要满足猪场的日常生产管理和育种管理,非常需要使用方便、符合猪场实际需求、易于操作和维护的猪场生产管理和育种管理的系统。且国内的育种工作难以持续开展,进展缓慢,许多场甚至没有使用软件来进行数据的管理。引进的原种猪,经过若干代之后,系谱混乱,无法追踪血缘,也无法进行选配工作,甚至有的场使用混合的精液给母猪人工授精,以达到在一定程度上提高产仔数的目的,虽然可以在短期内增加收益,但从长远方面考虑却使育种工作难以展开。因此,使用优质的软件进行猪场的管理非常重要。应此需求,相当数量的猪生产和育种管理系统被开发出来,国内外均有多款此类软件的报道。

3.1国内外猪场管理软件

在生产管理软件方面,国内目前有一些成熟的商业化软件。如王林云(1991)研制的猪育种生产微机系统,包括饲料配方子系统、配种预产子系统、种猪数据库子系统,数理统计子系统。孙德林、李炳坦(1998)研制的“工厂化养猪计算机信息管理系统”,利用Foxpro语言编程,其界面类似于Foxpro菜单屏幕,使得软件的操作更加简单明了,其主要功能是对种猪生产过程中所产生的数据资料进行搜索加工整理、生产报表和分析。这一系统是在借鉴国外经验的基础上,研制适合国内工厂化养猪生产的系统一次探索。由中国农业大学动物科技学院GBS软件创作室研制的GBS系统是中文WINDOWS系统下的育种管理信息系统,该系统功能十分全面,界面详细,对种猪、商品猪的数据均可采集并进行分析,适合大型种猪生产企业使用。系统采用多性状动物模型进行育种值的分析。由网通科技公司和西江畜牧水产公司合作开发的猪场管理应用软件《猪场超级管家》,系统结合Windows NT 和SQL Server大型数据库进行开发,前台使用PowerBuild7.0进行开发,后台使用SQL Server进行数据管理,支持多种操作系统,开放的ODBC数据库接口,支持用户进行2次开发。海辰博远公司开发的猪场管理系统《猪场专家2008》,系统包含猪只管理、数据输入、生产管理、统计分析、财务管理、库存管理等几大模块,涵盖对种猪猪群的生产管理、繁殖管理、疾病治疗、检疫免疫管理、提供丰富的报表图表和准确的生产预警提示。由中国农业大学刘少伯、葛翔等专家教授研制的金牧猪场管理软件(pigCHN),吸收了国外流行猪场管理软件PIGWIN和pigCHAMP的设计思路,并紧密结合了国内猪场的实际情况。该软件的主要功能有:种猪档案管理、商品猪群管理、性能分析与成本核算、问题诊断与工作安排、配种计划、生产预算、统计报表。

国外的猪场生产育种管理系统开发较早,目前该类软件主要有如下几种。

(1)PigWIN。PigWIN猪场管理软件由Massey大学、国家间咨询专家、Farm PRO Systems 公司、新西兰养猪行业协会、新西兰技术开发公司联合制作。该系统被设计成模块形式,允许用户根据自己的需要把各模块组成一个体系,是养猪生产者、畜牧兽医、猪群健康和管理专家顾问的一个新颖的、用户界面友好和功能强大的管理工具。该软件目前分别在新西兰、美国、加拿大、中国、澳大利亚及韩国等国家销售。

(2)PigCHAMP。PigCHAMP是北美著名的猪场管理软件,该软件于20世纪80年代早期由明尼苏达州立大学兽医学院开发,最初的开发目的仅是用于采集科研数据;1999年,明尼苏达州立大学将PigCHAMP的所有权移交给PigCHAMP的雇员及外部投资者;2001年11月,Farms.com有限公司收购了PigCHAMP。

(3)Herdsman 2000。该软件是由美国普渡大学的S&S; 公司于2000年推出的最新Windows版本。该软件公司的创始人Keith Schuman 博士在22年前以普渡大学在读学生的身份创建该公司,并推出第1版软件产品,为美国中西部养猪行业提高生产管理效率和企业决策科学化做出不可磨灭的贡献。至今为止,有近200家北美的种猪企业和商品猪生产企业成为了该产品的忠实用户。著名的STAGES(Swine Tes-ting And Genetic Evaluation System,种猪测试和遗传育种评估系统)系统中的排名靠前的大部分种猪均来自使用Her-dsman软件产品的美国企业。Herdsman有很多版本,有青铜版、白银版、黄金版、铂金版、钻石版,版本越高,功能越高。版本低的可以进行数据管理、生成管理和统计报表,版本高者在之前的基础上还可以计算育种值。目前,美国有60%的企业正在使用Herdsman软件进行猪场管理。但是Herdsman在中国的应用并不广泛,其在2003年3月曾经推出的中文Windows版本Herdsman 2000,但仍然没有完全汉化,汉化程度为95%。

3.2猪育种管理软件所应具备的功能

综观国内的猪场育种与生产管理软件,系统功能基本涵盖猪育种和生产的各个方面和层次,一般需包括以下功能。

(1)具有完善的数据库录入猪只基本信息和猪群异动信息,个体数据录入,并且可对个体数据进行新增、修改、删除。猪个体数据录入项目可分3个方面:一是个体基本信息登记,包括登记个体耳号和系谱结构档案,个体及系谱内个体的遗传缺陷情况、出生记录、断奶转群记录和断奶前死亡记录;二是个体繁殖生产成绩登记,分配种、妊娠、分娩和产仔、哺乳4个阶段;三是生长性能测定登记、外貌体测评分登记、屠宰肉质测定登记、精液品质鉴定、后备公母猪鉴定。

(2)对数据进行分析处理。根据市场需求或者本场的实际情况,对采集到的资料进行管理,并进行分析统计,处理生成各种生产报表、种猪卡片等。计算和估算近交系数,为选种提供表型值、遗传力等参数,计算综合选择指数和育种值。

(3)疾病情况与疾病专家诊断系统。

(4)财务管理系统。主要包括与猪场有关的财务费用录入、浏览查询与输出、费用统计分析与输出,同时可进行财务预算登记与浏览查询、预算分析。

(5)销售管理系统。包括与猪场有关的销售情况录入,以及猪只销售浏览查询与输出、销售费用浏览查询与输出、销售情况统计分析与输出,同时还可以对销售客户进行管理。

4研制猪场育种管理系统存在的主要问题及解决办法

4.1数据的异地传输问题

在许多用于猪场生产和育种管理的软件中,不少都是单机版的,只能限于本场使用。而分布在全国甚至全球范围内的猪场,要实现数据的汇总和共享,必须要有良好的网络以实现数据传输,并保证数据的安全性。因此,加大开发力度,以互联网为依托,研制出操作界面更友好、功能更完善、使用更方便,能解决异地传输问题及其安全性问题的软件,成为育种软件工作者的重要任务。

4.2育种软件科研人员培养的问题

要编制猪育种管理软件,开发者必须同时精通育种、数理统计、计算机编程等多方面知识。农业院校、相关政府部门和科研院所应投入更多的资源到计算机与动物育种相关的研究方向中,激发学生和科研工作者的兴趣,培养更多人对计算机和动物育种感兴趣,鼓励有想法、有创新思维的复合型人才,给予物质和政策上的支持,提供良好的环境,以期开发出更完善的猪育种管理软件。

随着种猪生产技术的不断发展和育种需求的变化、规模化程度的提高,育种的要求和重点也会随之改变。因此,软件开发者应该不断与使用者进行交流反馈,获得用户新的需求,然后对软件进行维护与升级,以适合生产的需要。尽管中国计算机技术在猪育种上的应用较晚,但只要加大软件开发力度,创造良好的政策环境,号召更多的兼备计算机技术和动物育种技术的人才加入,就一定会有更优秀的猪育种软件被开发,并投入使用,实现中国猪育种事业的腾飞。

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