行政院農業委員會畜產試驗所九十五年第一季學術研討會(2006/03/14)

 

基因條碼化的動物育種體系

DNA Barcode System for Genomic Breeding Animal

 

吳明哲、黃鈺嘉、顏念慈、廖仁寶

行政院農業委員會畜產試驗所遺傳育種組

mcwu@mail.tlri.gov.tw

http://www.angrin.tlri.gov.tw

 

2006/03/14

一、品種權保護表現型及專利保護基因型

二、畜產品種及品系之利用

三、體染色體、性染色體及粒線體基因

四、種畜禽生產履歷及基因登錄

五、基因選種及條碼化的遠景

 

應用基因選種技術培育的品種及品系,符合「品種、品質、品牌」一體成型的上品農業,也可進行下品農業「品管、品評、品流」的分類利用。動物育種體系包括出生登記、性能檢定、種用登錄及種畜場評鑑等四大主軸。基因條碼包括體染色體、性染色體及粒線體等基因的生物商標註冊,使用基因序列的差異來編碼,主要是位序上的單一鹼基比較及特定鹼基序列的重複。基因是生命體的骨架,飼養環境是保障基因功能的再現,而人為選育的投入是追求品質穩定度及生產效益提昇。

 

一、品種權保護表現型及專利保護基因型

 

品種(Breed)與品系(Line或Type)之分別,品種需要明顯的外表特徵來區分,但品系的區分則不易從外表上來判別。品種間具不同的外表特徵,品系間具相同的外表特徵。品種內有性能不同的品系。自然環境所衍生的族群,我們會稱其為物種(Species)或亞種(Subspecies),而品種與品系是經過人為參與的步驟而形成的族群。畜牧法(中華民國87年6月24日總統(87)華總(一)義字第8700123980號令制定公布、中華民國94年1月19日總統華總一義字第09400004871號令修正公佈)第十二條「發現、育成或自國外引進新品種或新品系之種畜禽或種原者,應向中央主管機關申請登記,經審定核准登記後,始得推廣、銷售。」。畜牧法第二十條「中央主管機關為保存種畜禽資源及改良家畜、家禽性能,得委請學術研究機構或民間團體從事收集、鑑定、保存及研究等事項。」。畜牧法第二十一條「中央主管機關得定期評鑑種畜禽業者。經評鑑優良者,應予獎勵。」。

 

行政院農業委員會基於扶植農民的立場,將國家投入資金的研發成果無償提供農民使用,往往因缺乏專利保護,造成國內農業改良研發科技流失,直接或間接的對台灣農業經濟造成威脅。經濟部智慧財產局長蔡練生於2006年1月19日表示,為提升台灣農業附加價值和國際競爭力,經濟部著手修訂「專利法」,將開放動植物專利保護,鼓勵動植物品種研發改良。目前以美國、日本、新加坡的動植物專利保護最健全,帶動基因轉殖科技發展;歐洲國家僅限於開放植物專利保護。但國際大趨勢下,越來越多國家決定開放動植物專利保護,台灣必須加速開放。

 

動植物專利政策上,行政院科技顧問組於2005年8月23日發佈新聞稿,標題為「政院決開放動植物專利保護,引導生技與農業朝企業化發展」。同年12月6日生物IPR(智慧財產權)工作小組第三次委員會議的動植物專利結論「動植物專利政策已分別由農委會及行政院生物技術產業指導小組確認,智慧局亦依據此完成動植物開放專利的相關修法草案,後續請智慧局配合專利法修法進度進行公聽會及後續立法工作。惟請農委會配合因應動植物開放專利的相關溝通及宣導工作」。因此,經濟部智慧財產局王美花組長於2006年1月24日在農委會說明會上,說明開放動植物專利相關專利法修正條文草案。針對動植物專利要保護什麼?簡單而言,品種權保護表現型,專利保護基因型。所以直接修改專利法的第24條、第57條及第78條就可以開放在台灣申請動植物專利。未來「專利法」開放動、植物生物技術發明專利,估計可增加近千億元的農業產值。智慧財產局將專利法的第24條、第57條及第78條「專利法修正草案」送行政院審查。修正內容包括動植物專利開放之範圍、育種家免責權、權利耗盡、農民免責權、專利權之強制授權及交互授權等。

 

專利法的第24條是規範動植物專利開放之範圍,修正草案:「下列各款,不予發明專利:一、人體或動物疾病之診斷、治療或外科手術方法。二、妨害公共秩序、善良風俗或衛生者。」

 

專利法的第57條是處理動植物專利育種家免責權、權利耗盡、以及農民免責權,育種家免責權修正草案:「發明專利權之效力,不及於下列各款情事:一、個人非營利目的之行為。二、為研究、實驗實施其發明。三、(略)」;增訂第57條之1權利耗盡草案:「專利權人所製造或經其同意製造之生物材料販賣後,其專利權效力不及於該生物材料經繁殖或增殖而直接獲得之生物材料不得為繁殖或增殖目的再使用。前項生物材料,應以販賣後必然導致生物材料的繁殖或增殖者為限。」;增訂第57條之2農民免責權草案:「專利權人所製造或經其同意製造之專利植物繁殖材料販賣後,其專利權效力不及於農民為繁殖或增殖目的留種自用之行為。前項所稱之植物以植物品種及種苗法第26條公告之植物物種為限。專利權人所製造或經其同意製造之專利動物或動物生殖材料販賣後,其專利權效力不及於農民為農業目的使用該動物或動物生殖材料。但不包括為商業生殖活動目的之販賣行為。」

 

專利法的第78條是規定專利權之強制授權及交互授權,增訂款項草案:「品種權人利用品種權必須實施他人之生物技術專利者,得依第七十六條規定申請特許實施。但該品種須專利具相當經濟意義之重要技術改良者,始得申請特許實施。專利權人依植物品種及種苗法取得品種權之特許實施品種權者,品種權人得與專利權人協議交互授權實施。品種權人取得之特許實施權,應與其品種權一併轉讓、繼承、授權或設定質權。」

 

二、畜產品種及品系之利用

 

生物遺傳特性係自然界物種長期面對棲息環境中各類生存挑戰與汰選逐漸形成,遺傳的多樣性是物種存續重要關鍵,亦是人類進行品種改良與選育之主要來源。近年來世界各國開始重視維護農業作物、畜禽、水生動物等遺傳資源多樣性,以往由於過度重視經濟作物與畜禽、水產生物等經濟性能之選育,許多品種或性狀因而遭到忽略而消失,伴隨某些品種潛在具價值之遺傳資源不復存在,因而造成無從評估的損失。我國分別以農業遺傳、植物有害、病原生物、林業遺傳、水產遺傳、畜禽遺傳、獸醫病原微生物與野生動物遺傳等八大種原庫,正加強種原之特性調查、評估及資料電腦化,以提高種原材料利用,達到構建我國完整之國家農業種原保存利用體系,確保農業長遠之發展。

 

傳統育種為我國農業研發及種畜禽產業發展之優勢所在,進一步開放動物專利權申請,對畜產種原保種、育種及基因選種發展成果做出保障,並可促進產業升級及牧場轉型,有利於小族群育種及多樣式雜交組合新品種或新品系。

 

畜牧法第十二條之一「種畜禽或種原涉及遺傳物質轉置者,應完成田間試驗及生物安全性評估,始得推廣利用;其遺傳物質轉置之管理辦法,由中央主管機關定之。」。中華民國91年11月15日行政院農業委員會農牧字第0910040491號令訂定發布「基因轉殖種畜禽田間試驗及生物安全性評估管理辦法」。中華民國94年1月26日行政院農業委員會農牧字第0940040111號令訂定「基因轉殖種畜禽及種源輸出入同意文件審核要點」。

 

畜牧法第十二條之二「二人以上於同一新品種或新品系之種畜禽或種原以相同或近似之名稱各別申請登記時,應准最先申請者登記;其在同日申請而不能辨別先後者,由各申請人協議讓歸一人專用;不能達成協議時,以抽籤方式決定之。二人以上種畜禽業者於本法施行前已推廣、銷售之品種或品系,以相同或近似之名稱各別申請登記時,中央主管機關應視其育成或發現經過及飼養報告辨別先後決定之。受雇人所育成或發現之新品種或新品系之種畜禽或種原,除契約另有約定外,應以雇用人名義登記。」

 

畜牧法第十三條「依前條登記之品種或品系,經中央主管機關指定公告者,種畜禽業者應向中央主管機關指定之機構辦理血統登錄。」

 

畜牧法第十九條「經中央主管機關公告之種畜禽、種源,應取得中央主管機關之同意文件,始得輸出或輸入。」。中華民國92年2月14日行政院農業委員會農牧字第0920040147號令訂定發布「種畜禽及種原輸出同意文件審核要點」,中華民國94年4月15日行政院農業委員會農牧字第0940040251號令修正「種畜禽及種原輸入同意文件審核要點」。

 

於1987年開始進行我國畜產種原保存及利用,其方式之選擇關係到臺灣畜產文化和農村文化之演變,其重要性不僅在保護與繁殖臺灣特有的本地種或稱地方種(landrace)家畜禽族群,保有桃園豬、蘭嶼豬、黃牛、水牛、黑山羊、土雞、褐色菜鴨、黑色番鴨、土鵝、梅花鹿和水鹿等台灣特有的品種,並且保存了特定特性選育的李宋豬和白色菜鴨新品種。種原保存及利用流程簡列於下:

(1)種原品種外表特徵標準之訂定。

(2)種原樣本收購。

(3)繁殖場所及飼養方式之選定。

(4)保種族群採逢機配種方式繁衍下一代。若針對某一特性之純化,則進行純系選育族群之建立。若為開發兼具本地和進口品種特性之新品種,則建立另一特性族群供級進育種或雜交選育。

(5)個體資料之收集,包括體型變化、發育成長過程、繁殖狀況及行為習性觀察。

(6)應用生化學和細胞學技術分析保種畜禽之血液生理值和染色體核型。

(7)利用冷凍保存技術來保存精子、卵和胚等生殖細胞。

(8)建立個體間系譜資料及保存遺傳物質,供追縱遺傳特性用。

(9)編印種原保存及利用手冊中文版及英文版、近況報導、保種月曆印刷、家畜禽動態生活史錄影帶之攝製以及繁殖場所之參觀等工作,以促使大眾對本土畜牧資源有進一步之認識。

(10)當族群數目擴大後或特性選育後之品種達一定水準時,則提供給民間業者進行大量繁殖生產。此時,亦可透過種原交換管道,進行國際間交流。

 

表一 畜產種原庫之品種、數目與場地(1987~1992)

種原

品種

保種族群數目

保種場地

桃園豬

10公

30母

畜試所總所

蘭嶼豬

15公

45母

畜試所台東場

李宋豬

6公

21母

台大畜產學系

水牛

2公

30母

畜試所花蓮場

黃牛

11公

70母

畜試所恆春分所

黑山羊

5公

50母

畜試所恆春分所

黑山羊

4公

40母

畜試所花蓮場

土雞

200公

800母

畜試所總所

土雞

35公

100母

興大畜產學系

褐色菜鴨

80公

200母

畜試所宜蘭分所

白色菜鴨

150公

450母

畜試所宜蘭分所

黑色番鴨

70公

70母

畜試所宜蘭分所

褐色土鵝

40公

120母

畜試所彰化場

白色土鵝

40公

120母

畜試所彰化場

鹿

梅花鹿

16公

25母

畜試所高雄場

水鹿

9公

13母

畜試所高雄場

 

於1998年訂定實施的畜牧法第二十條「中央主管機關為保存種畜禽資源及改良家畜、家禽性能,得委請學術研究機構或民間團體從事收集、鑑定、保存及研究等事項。」,給予種原品質提昇及多樣性有其必要性。故於畜產種原計畫在2007年屆滿20年之前,尚需加強利用本地種之經濟特性選拔,讓本地品種和外來品種之特性融合成新品種。而保種場除以小族群繁殖方式來系列性記錄外觀特徵、生活習性、經濟性狀、生理遺傳值和雜交選育過程外,並進行生殖細胞冷凍保存工作和動物回流民間復育工作。

 

新品種通常是由外表特徵不同的兩品種,甚至三個品種以上的雜交所生後代,再依據後代外表和性能進行挑選為種用親代,自行繁殖培育出新世代的族群,具有代代相傳的外表,其外表型有可能僅一項外表特徵不同於其親代,則可視為新品種。早在1975年台灣大學畜牧學系李登元教授及宋永義教授獲國家科學委員會研究計畫補助,利用地方品種蘭嶼母豬配外來種藍瑞斯豬的兩品種雜交,於1983年對外宣導已育成白色小型豬「李宋豬」;再如利用地方品種桃園豬與外來種杜洛克豬的兩品種雜交,此種新合成的後代經自交選育成另一獨立族群品種「畜試黑豬一號」;以及畜產試驗所台東場利用地方品種蘭嶼豬與外來種杜洛克豬的兩品種雜交,以體色有棕色橫條紋和白色橫條紋相間的全同胞兄妹配,育成小型豬近親系數高於0.60新品種「畜試迷彩豬」。

 

另一種育成新品種方法是從地方種族群中選拔出變異個體,通常是體色的差異,例如畜產試驗所宜蘭分所自褐色菜鴨群挑出身體有些許白色羽毛的個體,逐漸選成95%的體色為白色「宜蘭白鴨台畜一號或白色菜鴨」。畜產試驗所台東場也從黑色蘭嶼豬保種族群的挑出身體有些許白色斑的個體,先用半同胞配種三代後,再用全同胞兄妹配選成白色斑分散全身且近親系數高於0.60新品種「畜試花斑豬」。

 

新品系泛指地方種(landrace)的動物在某一地區經五個世代,不論有無人為選拔,其保種族群已適應當地氣候及飼養管理方式之外,還可以繁殖後代多年,或呈封閉族群有15年以上,已自成一個性能穩定的族群,因此可視為新品系,而予以命名後推廣至他地。因此,諸如畜產試驗所花蓮場的台灣水牛或畜產試驗所甯K分所的台灣黃牛,可被視為地方種的新品系。這種地方種經性能記錄及飼養繁殖成小族群,通常以飼養地名申請命名為新品系。畜產試驗所自台灣各地收集土雞,再應用全同胞配種方法及外表性能選拔而育成台灣土雞近親品系7、9、11、12等四個。再如畜產試驗所宜蘭分所依產蛋性能選拔出「褐色菜鴨畜試一號」及畜產試驗所總所自褐色菜鴨畜試一號族群選育出受精持續性高的「褐色菜鴨畜試二號」。我國自國外引種,除記錄適應環境後的性能之外,還可以再選育出適應台灣氣候的新品系或特定性能純化的新品系。或經由同一品種的兩個品系雜交後,也能育成另一性能穩定的新品系。

 

表二 臺灣畜禽動物種原(2006.03.01製表)

本地種

臺灣水牛、臺灣黃牛、臺灣黑山羊、臺灣褐色山羊、臺灣梅花鹿、臺灣水鹿、桃園豬、蘭嶼豬

峨眉土雞、花蓮土雞、竹崎土雞、金門土雞、內門土雞、信義土雞、褐色土鵝、白色土鵝、褐色菜鴨、黑色番鴨

外來種

荷蘭乳牛、聖達牛、布拉曼牛、夏洛利牛、安格斯牛、白面牛、努比亞山羊、撒能山羊、阿爾拜因山羊、吐根堡山羊、波爾山羊、考利黛爾綿羊、巴貝多綿羊、威爾斯小型馬、法拉貝拉迷你馬、紐西蘭白兔、雷克斯兔、藍瑞斯豬、約克夏豬、杜洛克豬、漢布夏豬、盤克夏豬、梅山豬

蘆花雞、紐漢西雞、來亨雞、無鱗雞、絲羽烏骨雞、北京鴨、白色番鴨、火雞、駝鳥、白羅曼鵝、土魯斯鵝、澳洲黑天鵝、啞天鵝

新品種品系

李宋豬、畜試黑豬一號、畜試迷彩豬、畜試花斑豬

宜蘭白鴨台畜一號、褐色菜鴨畜試一號、褐色菜鴨畜試二號、近親土雞品系七、近親土雞品系九、近親土雞品系十一、近親土雞品系十二

 

 

 

 

 

行政院農業委員會畜產試驗所正培育的新品種及新品系有10項計畫,有些已完成異地田間試驗,有些正安排遺傳型穩定度檢測,也有剛要開始的選種計畫。新品種名稱及新品系名稱會依選種目標達成度而逐漸修改至符合生產系統所需,故提出命名前後的名稱會有多個改變。

 

表三 行政院農業委員會畜產試驗所正培育的新品種及新品系

正培育的新品種及新品系

2006年計畫主持人

培育場所

(一)新品系育成

白色番鴨畜試一號之選育

劉秀洲主任

畜試所宜蘭分所

畜試白羅曼一號及二號之選育

吳國欽主任

畜試所彰化場

畜試土雞抗雛白痢品系之選育

鍾秀枝助理研究員

畜試所遺傳育種組

台灣水牛花蓮品系之選育

魏良原助理研究員

畜試所花蓮場

台灣黃牛恆春品系之選育

李光復助理研究員

畜試所恆春分所

多產杜洛克豬品系之選育

吳明哲組長

畜試所遺傳育種組

(二)新品種育成

高畜黑豬之選育

許晉賓主任

畜試所高雄場

白色蘭嶼豬之選育

朱賢斌主任

畜試所台東場

畜試吉安山羊之選育

莊璧華助理研究員

畜試所花蓮場

畜試黑色波爾山羊之選育

蘇安國副研究員

畜試所恆春分所

 

國際農糧植物種原協定(International Treaty on Plant Genetic Resources for Food and Agriculture),於2004年6月29日正式生效。簽約國將有義務保存世界糧農作物的多樣性及履行協定的內容。根據相關統計顯示,從人類有農業以來,至少有10,000種以上的植物物種曾被當作食物或食材來栽種。今日,僅150種糧食作物供所有人類糧食的來源。而這150種糧食作物中的12類,又提供了人類80%的食物來源,在這80%中,小麥、稻米、玉米及馬鈴薯,又佔了60%。由此可見糧農作物的生物多樣性正急劇減少與流失。因此,物種種原的保存機制極待建立,而且只有透過廣泛的利用各種物種的種原,才能確保糧農作物多樣性的開發,以改進人類糧食的消費。聯合國糧食及農業組織(FAO)的2000年家畜禽品種目錄,亞洲及太平洋地區1999年的家畜禽品種佔全世界的百分比以水牛、豬及鴨高達30%以上,顯示這地區因民俗或地理之區隔,導致小族群的繁殖方式居多。近年來,國際貿易自由化及現代飼養技術的傳播應用,使得有些品種因不具經濟價值,而不再繁衍,諸如全世界的山羊品種很多,多達587個品種,其中有17個品種已絕種。綿羊的品種更多達1495個品種,其中有181個品種已絕種。

 

表四 亞洲及太平洋地區1999年的家畜禽數量、品種及佔全世界的百分比

動物別

頭數(頭)

品種數

佔全世界頭數的百分比

佔全世界品種數的百分比

水牛

152,404,000

61

93

70

461,197,000

236

35

19

山羊

390,433,000

146

55

26

綿羊

408,098,000

233

39

18

525,598,000

184

55

37

14,859,000

83

25

11

14,885,000

12

34

12

駱駝

2,815,000

14

15

22

6,181,645,000

124

45

18

鴨及番鴨

717,811,000

45

92

45

189,436,000

13

90

20

火雞

2,142,000

6

1

18

資料來源: FAOSTAT (estimates of 1999 live animal populations) and DAD-IS

 

台灣的乳牛、肉豬和蛋雞品種之血源有歐美日之商用品種種原在內,近年仍有新血源引進,經過數十年的台灣氣候之自然篩選,已含有適應濕熱型氣候的基因,加上多年來台灣重視這些品種的經濟價值及生產效率提昇,讓台灣畜禽品種已成為熱帶地區的優質品系。

 

三、體染色體、性染色體及粒線體基因

 

動物的遺傳物質存在於體染色體、性染色體及粒線體,以去氧核糖核酸(DNA)方式存在,在細胞核內的體染色體DNA及性染色體DNA成線狀,而在細胞質的粒線體內DNA則成環狀。DNA是由核甘酸的單體物(俗稱鹼基,英稱Base pair, bp)所組成,每一個核甘酸均由磷酸、五碳糖及四個氮鹽基中的一個組合而成。四個氮鹽基中,腺嘌呤(A)和鳥糞嘌呤(G)二者是屬於嘌呤族;胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)二者則屬於嘧啶族。DNA雙股裡,A和T以兩個氫鍵相吸,而G和C以三個氫鍵相吸。在DNA的單股序列中,含編碼區域(通稱Exon)與未編碼區域(通稱Intron)。編碼區域的DNA序列能被轉譯成蛋白質,這些蛋白質具有生理功能;未編碼區域的DNA序列則無法轉譯出蛋白質,其生物功能尚未完全清楚,然此區域含有大量的遺傳變異度,正可用以區別個體間的遺傳差異性。

 

DNA比對技術(俗稱核酸檢測或基因檢測)有許多方法,如指紋法(Fingerprinting)、限制性片段長度多態型法(Restriction fragment length polymorphism, RFLP)、微衛星型定型法(Microsatellite typing)、迷你衛星型定型法(Minisatellite typing)和遺傳位元分析法(Genetic bit analysis),每個方法各有具千秋與時空背景。微衛星是指在DNA序列中,含有短的串聯重複的核甘酸,其重複的單位有單、雙、三或四個核甘酸,例如分別為TTTTTT、TGTGTGTG、GTCGTCGTC或GATCGATCGATC在這些組合中,以雙重複者最多見。這些串聯重複的核甘酸序列通常位於未編碼區域,此區域含有大量的遺傳變異度。微衛星定型法的分析,包含偵測非常專業的DNA片段和計算該區域中的對偶基因大小兩方面。此種方法的缺點在於偵測這些微小的差異時,需要相當嚴苛的控制技術;而優點在於使用此法能夠呈現動物間巨大的遺傳變異度,亦相當容易去解釋和應用。當使用聚合脢連鎖反應(PCR)來快速進行DNA比對時,微衛星型引子(Primer)的設計特別重要,必須將引子設計在短且特定的DNA片段長度範圍內,並可正確地分辨對偶基因的大小。應用PCR來篩檢不同個體的DNA,能將很少量的DNA經過反覆的作用後,能使特定DNA片段複製增量,再以膠體電泳分離染色後呈像或螢光自動分析儀等,得以判斷其大小及序列差異,更可將此DNA比對結果跟生長繁殖性能資料,做基因座連鎖的分析,找出經濟性狀基因。當所有有利基因加以組合成一串數位碼,就是該品種品系的基因型代碼,亦稱為「基因條碼」。

 

基因條碼所需的DNA編碼技術為應用各物種之間特定信息,甚至於個體間特定信息,DNA上存在著許多的單核苷酸多態型 (Single nucleus polymorphism, SNP) 組合,形成條形編碼中粗細不同的線條。動物粒線體DNA的演化速率相對於染色體的DNA快很多,因此被用來鑑定物種,子代的粒線體DNA僅傳承自母親是以母性遺傳方式世代沿襲而來,因此由豬粒線體 DNA可追溯該豬種之雌親種原。若將商業養豬場的種母豬回溯親源,往往僅緣自少數幾頭種母豬,只要分析這幾頭種母豬,歸類出具有各場特定信息的DNA,就可形成粒線體DNA的條形編碼 (Barcode),以區別商業養豬場的豬肉。目前台灣種豬有一個粒線體基因條碼,仔豬也有母豬的粒線體基因條碼,以及公豬產能的緊迫基因、多產基因、肉質基因、造骨蛋白基因、肋骨數基因、精肉量基因等染色體基因條碼。商品流通上,一個商品通常擁有數個編碼或碼條,有些碼條僅作為品質管制或物流管理用。例如乳牛育種體系,一支由美國進口乳牛冷凍精液就同時擁有登錄號、NAAB編碼、場內碼、場名、國內轉登錄號等等,因此基因條碼的建置,不會與『生鮮農產品追蹤管理系統』採用的EAN/UCC碼有所衝突。商業操作時,由於基因條碼編碼後並非每一動物的乳肉蛋商品均需分生檢測,而僅作為疑異商品之抽驗品管,藉以保障消費者及區隔產品。

 

動物粒線體基因條碼是以母性遺傳方式世代沿襲而來,在台灣誕生的動物會有母親的粒線體基因條碼,因此全長定序粒線體DNA序列會發現家族差異及同胞個體差異。如此一來,國產乳肉蛋有其特定的粒線體基因條碼。動物粒線體基因全長定序包括12S rRNA、16S rRNA、22tRNA、13個蛋白質基因及D環區。13個蛋白質基因包括ND1、ND2、COI、COII、ATPase8、ATPase6、COIII、ND3、ND4L、ND4、ND5、ND6至Cytb

 

畜試所顏念慈博士於2003至2005年間,對畜試所總所飼養的藍瑞斯、約克夏、杜洛克、盤克夏、桃園及梅山等五個品種豬種,計有111頭豬隻進行粒線體 DNA D環區(D-loop) 1175 bp序列完全定序,得到粒線體 DNA D-loop SNP組合類型七種,且在序列位置711後有5’-CGTGCGTACA 10 bp的重複序列,重複數為17-27個不等。我們可將SNP類型中的核苷酸A、T、CG,與重複序列數目化成線條與空白,按照一定的編碼規則組合成DNA條形編碼。擴展至其他畜禽品種之粒線體 DNA其他區域定序,如細胞色素c氧化酶I 基因(Cytochrome C Oxidase subunit 1, COI)等,或粒線體 DNA完全定序。未來若再依蛋白質基因位序由ND1、ND2、COI、COII、ATPase8、ATPase6、COIII、ND3、ND4L、ND4、ND5、ND6至Cytb之胺基酸序列,即可延伸為一編碼資料庫,而由此資料庫結合所建立的DNA條形編碼技術,可構成商業生產場豬肉產品的逆向追蹤系統,以預防產品的運輸、流通、銷售過程中可能發生的仿冒行為,將有利於協助國產豬肉的品牌化。

 

保種於畜試所花蓮場的台灣黑山羊,其粒線體DNA序列經國立屏東科技大學張秀鑾博士於2005年定序後,全長序列為16,641 bp,包括12S rRNA、16S rRNA、22tRNA、13個蛋白質基因及D環區。台灣黑山羊粒線體DNA全長序列含33.53% A、27.32% T、13.14% G與26.01% C,其中GC比例為39.15%。台灣黑山羊較義大利撒能山羊(16,640 bp)多一個鹼基,位於16S rRNA (第1092至2664鹼基位置)。D-環區內第15811至15964位置,台灣黑山羊與撒能山羊間有6個單一鹼基變異點(SNP)之差異。兩品種粒線體DNA的13個蛋白質基因之SNP差異經轉譯成胺基酸序列,依蛋白質基因位序由ND1、ND2、COI、COII、ATPase8、ATPase6、COIII、ND3、ND4L、ND4、ND5、ND6Cytb之胺基酸序列比對差異分別為0.9、5.5、0.4、0.0、0.0、3.1、0.4、0.0、0.0、0.2、5.9、2.3與0.2%,平均差異為1.5%;其中僅有COII、ATPase8、ND3ND4L 等4個蛋白質基因胺基酸序列完全相同。胺基酸序列差異1.5%的存在,顯示兩品種的多數SNP是功能性基因組差異。進一步應用胺基酸序列差異估計台灣黑山羊與義大利撒能山羊之遺傳距離為0.018089,義大利撒能山羊與西班牙原種Navajo-Churro綿羊之遺傳距離為0.049188,台灣黑山羊與西班牙原種Navajo-Churro綿羊之遺傳距離為0.047170,顯示台灣黑山羊起源時代早於義大利撒能山羊。台灣黑山羊粒線體DNA全長序列之SNP資訊將可供母畜血源追蹤及建立種母羊的基因條碼,作為種羊生產履歷的遺傳標記及基因選種的身份辨識。

 

細胞核內的染色體,包括體染色體及性染色體。性染色體通常僅一對,哺乳動物是XY,鳥類是ZW,上有性別決定基因。家豬(染色體2n=38)的分類學名為豬屬馴化豬種(Sus scrofa domestic),是由歐亞野豬(染色體2n=36)演化而來,歸屬於豬科(Suidae)、豬亞目(Suiformes)和偶蹄目(Artiodactyla)。一個動物群被視為「品種」的共同定義為這群動物來自一個共同祖先,具有可區分的特性。台灣地區豬種依五月齡體重大小,可分為100公斤重的大體型豬種─藍瑞斯、約克夏、杜洛克與盤克夏;50公斤重的中體型豬種─桃園;和20公斤重的小體型豬種─蘭嶼。將豬38條染色體上的遺傳基因所在位置繪集成地圖─「豬基因圖譜」,再瞭解這許多基因在豬隻性狀上所扮演的功能,可選留具優質基因之種豬。利用基因檢測來選擇種豬,並依基因型來配種,孕育出來的種豬就是基因選種的「基選豬」。進一步針對乳牛(染色體2n=60)、山羊(染色體2n=60)及雞(染色體2n=78)之遺傳基因所在位置繪集成基因圖譜,並依基因型來配種,可選留具優質基因之種畜禽。

 

四、種畜禽生產履歷及基因登錄

 

畜牧法第十七條「主管機關得派員檢查或檢驗種畜禽業者之種畜禽、種源、設備、血統登錄及有關紀錄,種畜禽業者無正當理由不得規避、妨害或拒絕。種畜禽及種源經前項檢查或檢驗,發現有法定傳染病或遺傳性疾病者,不得供繁殖用。」。第十七條是基因登錄、基因條碼及基因選種的法源。

 

遺傳應用方法

評量目標

預期效益

保種

新用途

地方化

育種

新品種品系

企業化

基因選種

新價值

國際化

 

台灣種畜禽出口是畜產科技的明星產業,藉由DNA條形編碼、IT技術、遠端監測系統及KM系統,整合應用在種畜禽繁殖性能檢定及品質精選履歷上,供種畜禽和種蛋出口的產地辨識碼用。SNP基因條碼是以ATGC為代碼,UTR基因條碼以2至9的重複序列數,如此,藉由商品行銷14碼制,可採用10個SNP和3個UTR來代表個別種畜禽個體,一個碼供區分畜禽物種別,組合後的條形編碼有536,870,912個,能代表台灣的種畜禽總數。台灣種母畜禽會有一個基因條碼的基因遺傳特性,後代也會有母親的基因條碼,故一套國家用種畜禽生產履歷及基因條碼整合應用系統,可協助台灣種畜禽生產業者及出口業者行銷臺灣優質畜禽。目前台灣種豬、種牛及種羊有血統登錄、性能檢定和基因檢測,而種雞及種鹿已有產能評比,種鴨、種鵝及種兔也有品系選育,因此台灣種畜禽有完整的生產履歷。畜產試驗所針對臺灣核心種群的優質個體而建立的畜禽BAC基因庫於2005年底完成豬牛羊鹿兔雞鴨鵝DNA庫,會有SNP基因條碼及UTR基因條碼。於2006年底完成的母體遺傳的粒線體基因條碼庫,會讓基因條碼成為辨識種畜禽個體用天生標識物。

 

種畜禽產業是畜牧產業的火車頭,畜產先進國家無不重視種畜禽產業,重視種畜禽產業也才能使畜產業永續經營。我國自國外引種,記錄性能後再選種及育種出新品種及新品系多年,近年來更進一步應用分子遺傳學工具來培育台灣種畜禽,這種基因選種技術包括基因檢測、性能評估及配種策略等三大項,有詳細的生產履歷及基因登錄資料,因此,運用基因選種技術是種畜禽性能改良的新趨勢。藍瑞斯、約克夏和杜洛克豬種於民間種豬場與種豬檢定站,均會有每頭種豬的血統登錄證明書。種豬檢定站完檢出售的每頭豬均進行基因登錄,檢測引起緊迫猝死的緊迫基因(AA, AB, BB)、控制排卵數量的多產基因(MM, MN, NN)、以及影響到肌肉內的脂肪堆積分佈的肉質基因(HH6, HL5, HL4, HL3, LL2, LL1, LL0),這三種基因檢測是DNA序列之單點鹼基差異。種豬場辦理種豬比賽的每頭豬均進行基因登錄。畜試所、中央畜產會及屏科大輔導台灣區種豬產業協會各種豬場的種豬比賽會評選合格種豬,進行高肉質基因檢測與基因驗證,使優質種豬的產肉遺傳特色普遍應用於肉豬場,提高豬肉之品質與附加價值。肉質基因是心臟脂肪酸結合蛋白基因(Heart fatty acid-binding protein, H-FABP),位於豬的第六號染色體上,肉質基因與肌肉內脂肪含量(大理石紋)有關,肉質基因與肉之柔嫩度、多汁性與良好風味呈正相關。肉質基因分由Hh、Aa、Dd等三個檢測型來影響肉質,肉質基因型代號是兩個英文字母和一個數字;英文字母 HH=高肉質基因型組合、HL=中肉質基因型組合 、 LL=低肉質基因型組合;數字由0至6,表示第六號染色體兩條染色體上有幾個影響肉質的有利交替基因(H、a、d);數字6為有6個有利交替基因(HHaadd),故歸類為HH6;數字3至5為有3、4或5個有利交替基因,故歸類為HL3、HL4、HL5;數字0至2為有0、1或2個有利交替基因,故歸類為LL0、LL1、LL2

 

未來遺傳育種工作上,種豬、種牛及種羊有血統登錄、性能檢定和基因檢測,而種雞及種鹿已有產能評比,種鴨、種鵝及種兔也有品系選育,因此台灣種畜禽有完整的生產履歷。目前台灣區種豬協會之種豬場必須先透過協會窗口報名種豬比賽會每一期候選豬隻系譜,待名單確認後開始進行採血動作,5~7月齡豬隻及未檢測基因型父母畜皆採血進行緊迫基因驗證。L與Y品種必須是緊迫基因AA型豬隻才可參加多產基因及肉質基因驗證,D品種允許緊迫基因AA型及AB型。緊迫基因驗證合格種豬DNA樣品才檢測肉質基因。將肉質基因檢測結果告知種豬協會種豬場,先行挑選適合種豬參加拍賣,資料登打至台灣畜產種原資訊網(www.angrin.tlri.gov.tw ),種豬拍賣前,必須完成肉質基因HH及HL型基因驗證流程。畜試所網路養豬暨基因選種計畫於2005年定期公佈種豬拍賣價格,杜洛克冠軍豬最高拍賣價70萬元、藍瑞斯冠軍豬最高拍賣價52萬元、約克夏冠軍豬最高拍賣價14萬元。近五年來,這種基因登錄種公豬之後代拍賣總價,杜洛克品種最高已有466萬元紀錄、藍瑞斯品種最高有192萬元紀錄、約克夏品種最高有64萬元紀錄,平均每頭種公豬年產值30萬元。台灣區種豬產業協會會員場總共飼養700頭優質公豬參加畜試所網路養豬暨基因選種計畫,約計每年有2億元以上的種豬銷售值。

 

乳業發展上,因有優質牛的培育工作,並鼓勵農民從乳牛場轉型為種牛場,藉以提供國內優質的牛乳及種牛,亦將有機會出售其後裔牛至東南亞國家。行政院農業委員會畜產試驗所於1996年開始監控國外進口的乳牛冷凍精液遺傳基因背景,並研發母牛繁殖基因的快速檢測方法,同步檢測單譜症(DUMPS)、淋巴球黏力缺失症(BLAD)及瓜胺酸症(CITR)等 3 個繁殖基因。單譜症基因會使母牛的受精卵不易著床、配種受孕率下降 30% 及懷孕 40∼60 天胎兒早期死亡;瓜胺酸症基因會使出生一週的仔牛步伐不穩、失明、抽搐死亡;淋巴球黏力缺失症基因會使 2 週至 8 月齡仔牛白血球過多、生長緩慢、嚴重下痢虛脫而死,並使懷孕母牛於夏季流產率增加。整合以上所示的單譜基因、淋巴球黏力缺失基因、瓜胺酸基因、雌性基因及雄性基因等這五種繁殖基因檢測技術,可有效地來幫助種牛場進行女牛繁殖基因診斷,建立優良母牛群。

 

五、基因選種及條碼化的遠景

 

因應經貿全球化、自由化,台灣農業必須從「品種改良」、「品質保證」及「品牌行銷」開創競爭利基,加強創新研發、國際行銷及企業化經營,建構農業加值體系,升級為精緻化的一級產業、高附加價值的食品加工業,及具有特色的休閒農業,並建立農產品衛生安全認證制度,讓消費者能夠安心享用安全的農產品,營造台灣農業的新格局,打響台灣農產品品牌,讓台灣農業在新世紀中確保競爭優勢,成為永續發展的明星產業。以上這段話是錄自2004年2月25日當時農委會李主委金龍在立法院第五屆第五會期經濟及能源委員會提出業務報告的期許。

 

 

台灣天然資源有限,隨著經貿自由化與國際化程度的提高,台灣畜產業已面臨產值、經營效率、市場競爭及環境保護等問題。豬肉產值在2002年有492.3億元,每人每年有49公斤的豬肉可消費。豬肉產值是畜產業產值的46.8%(492.3億元/1051.9億元),用地有3,734公頃,每公頃的年產值有1,318萬元;整體畜產業來看,2002年每公頃的年產值有925萬元。為突破瓶頸,必須從「品種改良」、「品質保證」、「品牌創發」、「品味文化」及「品德管理」開創競爭利基。提升傳統畜產業技術的能力,生物技術即為此關鍵技術。因此,畜產業基因選種技術的發展,是台灣未來畜產業永續發展的憑藉;但同時,相關生物技術的研究創新卻是面臨世界性的激烈競爭。所以,基因選種技術研發與應用效率的領先,是確保畜產業能符合國家需求的唯一途徑。

 

台灣在2003年是全球第21名的養豬國家,而美國排名第2名、加拿大排名第12名、日本排名第16名。台灣種豬之飼料效率(飼料/增重)為2.19,而美加種豬的飼料效率為2.67,顯示基因選種後會有更優異的品種出現。因此,讓台灣優質豬品種出口,並透過國際行銷合作方式,可發展出適合美洲巴西(第3名養豬國)、墨西哥(第9名養豬國)、歐洲西班牙(第5名養豬國)或亞洲熱帶地區的越南(第6名養豬國)、印度(第8名養豬國)、菲律賓(第14名養豬國)之豬種。

 

表五 台灣在1961、19912001年的家畜禽年底在養頭數與年總產值

1961年

1991年

2001年

種別

頭數

種別

頭數

種別

頭數

用地公頃

本地豬

178,394

10,089,137

7,164,605

3,734

西洋豬

13,631

 

 

 

 

 

雜種豬

2,913,451

 

 

 

 

 

水牛

318,162

水牛

18,618

水牛

6,531

 

黃牛及雜種牛

96,679

黃牛及雜種牛

33,699

黃牛及雜種牛

12,258

 

乳牛

3,301

乳牛

100,539

乳牛

133,718

 

 

 

 

 

 

1,504

山羊

136,297

山羊

175,346

山羊

184,717

 

綿羊

703

綿羊

419

 

 

 

 

 

乳羊

39,600

乳羊

99,388

 

 

 

 

 

 

531

222

750

805

 

7,914,941

79,120,000

117,310,000

3,671

3,910,794

10,661,000

10,104,000

1,202

1,474,588

1,931,000

2,613,000

408

火雞

328,677

火雞

284,000

火雞

235,000

38

鹿

649

鹿

32,842

鹿

21,189

236

 

 

139,050

41,523

 

年總產值

4.9億元

 

895.6億元

 

1,051.9億元

 

佔農業總產值

20.93%

 

37.55%

 

30.02%

 

 

 

 

 

 

畜牧用地公頃

11,370

 

長遠來看,台灣的畜(豬牛羊)禽(雞鴨鵝)育種體系會引進、評估與研發修正新興的分生及資訊技術,輔助種畜禽性能改進與本土家畜禽遺傳鑑定,期供作早期選育之依據與開發具本土化特性新品系之契機。新品種品系畜禽性能選育技術之研發與推廣,應進行高生產效率育種方法研究,並推廣予民間種畜禽業者以提升其牧場經營效率;惟選育動物將以民間無法進行者為要。並朝向功能性基因體研究,建立EST(基因表現序列)資料庫,結合性狀資料與現有基因資料庫,期找到本土畜產種原特有之經濟性基因,進一步探討其功能與調控機制,並引入育種族群以育成具競爭力之品系。

 

經濟育種上,依產業別整合具重要經濟價值之全國種畜禽遺傳資源,成為大型國家級核心種畜禽族群,加速全國種畜禽同步改良腳步與提高產業競爭力。加強全國種畜禽育種資料庫與資訊網路之方便性,達到優良種畜禽重要經濟性狀國際評比與國內排名之實用目標。結合分生技術與數量遺傳學原理於選種技術之應用,建立遺傳標記輔助選拔系統,且逐步將重要遺傳標記納入種畜禽登錄系統,建構完整之種畜禽遺傳育種資訊。

 

基因條碼在國家用種畜禽生產履歷之經濟效益及基因條碼整合應用系統支援出口的台灣種畜禽及其後裔產品生產履歷體系,進行個體生產履歷及基因條碼稽核,確保台灣種畜禽品種及品質的產地標識附加價值。基因條碼最終可與RFID的內編碼技術結合,尤其是具有識別功能的內編碼。食用動物飼養期以生產履歷及基因條碼整合應用系統管理,產品行銷再結合RFID,可避免RFID被動物咬壞到及消費者吃到的風險;同時有基因條碼的內在特性,畜產品無法被仿冒。

 

參考文獻

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Hebert PD, S Ratnasingham, and JR deWaard. 2003. Barcoding animal life: cytochrome c oxidase subunit 1 divergences among closely related species Proc Biol Sci 2003. 270: S96-S99.

Hebert PD. 2003. Biological identifications through DNA barcodes Proc Biol Sci. 2003. 270: 313-321.

Hebert PDN. 2004. Identification of Birds through DNA Barcodes PLoS Biol 2004. 2: e312.

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行政院農業委員會畜產試驗所九十五年第一季學術研討會(2006/03/14)