台灣種豬基因體定序奇緣 基因定序先鋒 + AI 助攻為精準農業開道

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在全球糧食危機、農業疫病降低產量、農用化學品殘留、農產品摻假、人畜共通傳染病危害下,基因體科技對農業未來發展的影響至關重大。利用基因資訊進一步掌握生物最根本之基因功能,並應用於改善農漁牧的產量、品質、營養價值、疾病防治,同時跳脫過去以觀察性狀為主之農業產品開發模式,將為我國農畜業帶來相當大的改革與躍進。

對此,基龍米克斯生物科技公司於 2018 年提出「全基因組機器學習關聯行分析法開發種豬性能檢定技術專案」(簡稱種豬基因組計畫),由經濟部產業升級創新平台輔導計畫補助,整合產(華碩健康)、官(畜產試驗所) 、學(宜蘭大學及屏東科技大學)、研(資策會及國網中心)跨領域研究能量,透過種豬基因組全基因定序(whole genome sequencing, WGS)、分子檢測技術及數量遺傳分析資訊,建立種豬育種技術平台;並運用機器學習(machine learning)和 AI 技術,協助種豬產業選配生育能力優異的種豬,期望透過大數據的應用,達到「精準畜產農業」的目標。

精準養豬農業 從種豬基因組定序和資料庫建立開始

為藉由基因定序加快育種速度、降低成本、同時保存優良種源基因,建立選育基因檢測標準流程以及種豬基因資料庫,將是首要任務。種豬基因組計畫蒐集超過 2500 頭豬隻的生物檢體,運用 WGS、生物晶片(microarray)、簡化基因組定序(genotyping by sequencing, GBS)等全基因性能檢定分析,開發新型檢測技術,並將各種基因檢測結果與性能表現進行關聯性分析,並量化成可比較數值,作為各豬隻評比指數,藉由全基因組檢測選拔出具備優良性能的後代。

累積數據對於未來在機器學習分析的應用上扮演相當重要的角色,因此在執行計畫時,亦透過建置種豬基因資料庫整合豬隻基因資訊,再由國家高速網路與電腦中心協助建置 Ensembl 鏡像站,並預期納入台灣畜產種原資料庫,同時提供查詢、比對與儲存管理等服務,奠定精準農業基石,後續強化開發將能有更多應用,從點累積至線,企圖從現在觀望未來。

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數位轉型從性能檢定到性能預測

目前豬隻選育最主要的目標是提高繁殖力(每胎能生的仔豬數量)、生長能力(飼料換肉率)以及屠體性能(可食用比例與肉質)等。然而,性能的表現是由基因、飼養環境、以及環境基因交互作用的結果。現在,養殖戶已普遍能接受基因型影響性狀的觀念,且飼養環境管理等不斷更新進步,除了個體的經濟性狀獲得改善,更大大提升了飼養群體的生長整齊度,這也為「性能預測」這種新檢定技術型態,提供了最佳實施的場域。

台灣豬隻的性能檢定於 1975 年開始,政府藉由推動種豬血統登錄、種豬中央檢定及場內檢定、種豬特定疾病清除、設置國家核心豬場及種豬場評鑑等一系列種豬產業輔導核心業務,選育臺灣優良種豬;2002 年,種豬檢定站開始進行基因登錄,檢測DNA序列之單點鹼基差異,例如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),透過單基因篩選等方式,加強豬隻遺傳缺陷的淘汰。然而,隨著基因檢測技術的進步,種豬檢測也從單基因邁入全基因體定序,基龍米克斯於 2019 年起導入全基因組機器學習關聯性分析法,比對具有優勢性狀之種豬,找出與優勢性狀相關的基因或生物標記,更全面的解碼並量化這些特徵基因組片段,逐漸從單純基因檢測服務的“understanding (了解)”擴展至更複雜豬隻養豬農業定序及大數據分析的 ”prediction(預測)”。此外,另一優勢在於該公司檢測技術的基因型位點(60000位點)不僅遠高於單基因檢定方式、能檢測多項性能,檢定流程時間也大幅縮短。

全基因體檢定除能輔助中央檢定、補充場內檢定能量、幫助豬農建立留種豬隻的挑選依據進行豬隻性能預測外,在品系育種上,更能同時提升準確度、縮短時程,加速育種腳步,保持我國種豬於東南亞市場的領頭地位。未來可更全面的將早期的性能預測應用於豬隻基因型管理及精準飼育管理,包含品系育種、性能檢定、基因型管理、種豬篩選、豬舍環境管控等,讓養殖戶能更精密的因「材」施養,達到飼育的豬隻能代代青出於藍的願景。

攜手 AI 協助豬農基因型管理

基因組定序累積出許多大數據資訊,要能發揮數據價值、幫助豬農作好基因型管理和品系育種,就需仰賴人工智慧(AI)的幫助。行政院農業委員會畜產試驗所(畜產所)也預估,若結合基因檢測與 AI 技術,將使種豬產值達 34 億元。因此,種豬基因組計畫與資策會合作,將過去台灣種豬隻基因定序資料與生長紀錄,導入機器學習與 AI技術,加快資料處理速度與準確度,並建立預測模型,用以判斷剛出生的小豬是否能健康的生長。運用全基因性能檢定幫助豬農有效選擇生長良好的仔豬,並培育具有生殖能力佳、攜帶良好基因型的種公豬和種母豬,進而提高後代繁殖、生長和屠體性能。

過去透過中央檢定、場內檢定等逐隻逐期紀錄豬隻繁殖、生長、屠體等性能及特定基因型資料,養豬農需要等待三個月才能知道豬仔生長的情況,現在則是透過基因檢測與 AI 的幫助,及早預測豬仔各項性能,實踐更有效率的畜養,協助養豬農解決實際的問題,進一步提高養豬農畜養管理的能力。

電腦也會選豬仔指日可待

基龍米克斯董事長游卓遠表示:「農業目前最大的問題在於不可預測,不能精準預測產期、生長狀況、環境變化和疾病發生,若能透過全基因組定序和 AI 技術,幫助台灣豬農有效管理基因型,在極端環境或傳染性疾病入侵下,便能即時給予因應措施,降低損失。」

全基因組定序和 AI 攜手,讓「電腦也會選豬仔」不再是口號,更讓農業擺脫不可預測性,走向精準時代。未來,其他農畜產業,如牛、山羊、鹿、雞、鵝、菜鴨、蘭花等,能以此為模型,建置個別基因庫,進而大幅提升國內畜產農業的產值及市場價值,提升國際競爭力。

(本文由基龍米克斯贊助)

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