遗传育种是畜禽产业发展的核心驱动力。早期分子育种虽引入限制性片段长度多态性（Restriction fragment length polymorphism，RFLP）、微卫星标记等技术，但受限于标记密度低、覆盖基因组范围有限，不仅难以精准定位关键性状的基因，还存在检测效率低、成本高的短板，难以适配现代畜禽育种对高效、精准的需求。为克服这些技术瓶颈，基于单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphism，SNP）的高通量SNP芯片技术应运而生[1]。
单核苷酸多态性是指在DNA序列上单个核苷酸变异引发的多态性，分为同义、非同义及基因调控区三类。SNP芯片是高通量检测技术，可一次性检测数万至数百万个SNP位点，相较传统微卫星标记，具有分型准、通量大、成本可控、易于大规模自动化检测等优势，可弥补传统育种与一般分子育种的短板，成为突破育种瓶颈，目前已深度应用于畜禽遗传多样性评估、遗传图谱构建、种质资源鉴定、亲缘鉴定、全基因组关联分析（Genome-wide association study，GWAS）[2]、全基因组选择（Genomic Selection，GS）[3]等场景，助力重要经济性状改良、加速畜禽育种进程。
SNP芯片解决了传统育种表型选择周期长、准确性低的问题，有助于实现早期选种与GS。SNP芯片展现出保护遗传多样性与提升生产性能的双重价值，推动我国畜禽育种向“数据驱动”转型。本文从SNP芯片在畜禽种质资源鉴定、遗传多样性分析、重要经济性状遗传解析、基因组选择、新品种培育中的应用等方面进行阐述，以期为畜禽分子育种与种质资源保护利用提供理论参考。
1 SNP芯片概述
1.1 SNP芯片的技术原理
SNP芯片已成为现代分子育种和基因组研究的重要工具，可分为SNP位点筛选，探针设计、样本杂交、信号放大与基因型解读几个步骤[4]。研究人员通过全基因组重测序和GWAS分析获取目标物种的大量SNP位点信息，从中筛选出具有高多态性且与目标性状相关的位点，针对每个确定的SNP位点，设计特异性探针。这些探针为50～100个碱基长度的DNA序列，其3'末端碱基专门对应SNP位点的不同等位基因[5]，例如，若SNP位点存在A和T两种等位基因，就设计2条探针，一条3'末端为A，另一条3'末端为T，以便后续能区分不同的等位基因。芯片载体一般选用玻璃片，因其具有良好的化学稳定性、光学透明性以及易于表面修饰等特性。通过原位合成或点样法将设计好的探针固定到芯片载体上，原位合成法是利用光刻、喷墨打印等技术，在芯片表面直接合成探针[6]。点样法则是先合成好探针，再使用点样仪将探针溶液精确地滴加到芯片表面的特定位置，之后通过化学交联等方式使探针牢固地固定在载体上，形成高密度的探针阵列[7]。通过芯片中的特异性探针与样本DNA中的SNP位点互补结合，再借助荧光信号差异或扩增测序实现基因型的精准判定，可一次性完成数十万至上百万个SNP位点的同步检测。
1.2 SNP芯片的检测原理
SNP芯片检测原理如下：首先从生物样本中提取基因组DNA，并进行纯化，去除杂质、蛋白质、RNA等，保证DNA的质量和纯度[8]。将纯化后的DNA进行片段化处理，可采用酶切（如限制性内切酶）或超声破碎等方法，将DNA切割成适合与芯片探针杂交的小片段。对片段化的DNA进行标记，常用的标记物是荧光染料。通过化学反应使荧光染料与DNA片段结合，标记后的DNA片段在后续检测中能发出荧光信号[9]。将标记好的DNA样本与SNP芯片在适宜的条件下进行杂交。在杂交过程中，样本DNA片段会与芯片上互补的探针结合，形成稳定的DNA-DNA双链结构。如果样本DNA中的SNP位点与探针3'末端的碱基互补，就能形成稳定的杂交体。若不互补，则杂交效率低或无法杂交[10]。杂交完成后，使用荧光扫描仪对芯片进行扫描，检测每个探针位点的荧光信号强度。不同的等位基因与探针结合后，产生的荧光信号强度存在差异，如与一种等位基因互补的探针杂交后荧光信号强，而与另一种等位基因互补的探针杂交后荧光信号弱。扫描仪将荧光信号转化为数字信号，再利用专门的数据分析软件对这些信号进行处理和分析。软件根据预设的阈值和算法，将荧光信号强度转化为具体的基因型信息，从而确定样本在每个SNP位点的基因型，实现对样本SNP位点的高通量检测和分析[11]。
1.3 SNP芯片的分类
目前，SNP芯片主要分为固相芯片和液相芯片两大类。固相芯片是将特异性探针固定在固态载体表面，将带有荧光标记的DNA与载体上的探针接触，互补DNA将会与探针结合，通过检测不同位点荧光强度，进行SNP基因分型。液相芯片是近年来发展的新技术，基于靶向测序基因型检测（GBTS）技术[12]，对探针进行生物素或荧光标记修饰，修饰后的探针和样本DNA在液体中接触，互补DNA会与探针结合，然后用修饰后的磁珠去捕获杂交后的双链，洗脱，检测荧光信号种类和强度或扩增后进行测序分析，确定SNP基因型[13]。液相芯片具有平台适应性强、标记灵活、检测高效等优势[14]，代表技术包括石家庄博瑞迪生物技术有限公司的GBTS技术和华智生物技术有限公司的cGPS技术。SNP芯片技术原理见图1。
1.4 SNP芯片的优势
相比传统育种技术，SNP芯片优势显著。一是高通量，一张芯片可同时检测数万至数百万个遗传标记，较传统分子育种技术提高数十倍，适配大规模样本检测需要。二是高精度，探针与目标位点精准杂交，采用多重复检测和质量控制，分型准确率极高，有效规避其他因素干扰，为后续分析提供可靠数据[15]。三是灵活性，可针对特定物种开发物种专用芯片，既可聚焦特定经济性状，也可覆盖全基因组。四是实用性，实验设计简单，操作流程标准化，日处理样本可达上千份，单个样本成本低至500元以下。这些优势使得SNP芯片在多个领域得到广泛应用。在种质资源研究中，可用于遗传多样性评估和品种鉴定。在功能基因组学中，通过GWAS分析可定位重要性状相关基因。在育种实践中，支持基因组选择，提高育种值估计的准确性。此外还可用于亲子鉴定、系谱分析和分子身份证构建等[16]。我国已成功开发出多款具有自主知识产权的SNP芯片产品，例如基于大规模参考群体的华羊芯[17]可快速检测奶绵羊产奶等主要经济性状相关SNPs位点，应用于奶绵羊全基因组选择育种、建立种羊基因身份证、分子标记辅助选择等场景。多品种通用的白泽一号[18]，覆盖了澳洲白、杜泊羊、湖羊和东弗里升羊等主流种用绵羊品种，包含了40000余个高质量SNP位点，可深度服务于绵羊遗传多样性评估、全基因组关联分析、全基因组选择等，助力绵羊经济性状改良，加速其育种进程。这些国产芯片的研发标志着我国在基因组育种领域取得了重要突破。
2 SNP芯片的作用
2.1 品种鉴定和遗传多样性研究
传统的微卫星标记分析方法受限于标记数量少、分布不均匀等缺点，难以全面反映品种间的遗传差异。而SNP芯片可同时检测数万个遗传标记，大大提高了分析的精度和分辨率。李隐侠等[19]利用绵羊SNP 50 K芯片检测61只柯尔克孜种羊，得到有效SNPs 56763个，平均多态信息含量为(0.273±0.112)，平均观察杂合度和平均期望杂合度分别为(0.368±0.140)和(0.368±0.130)，平均最小等位基因频率为(0.263±0.147)。这些指标综合反映了柯尔克孜羊群体具有较丰富的遗传多样性。由此可见，SNP芯片技术不仅能用于准确鉴别品种间的遗传差异，还能深入揭示群体遗传结构，为种质资源保护和利用提供科学依据。
2.2 亲缘关系分析和群体遗传学研究
利用不同密度SNP芯片可分析羊群体亲缘关系与群体遗传结构。杨志勇等[20]利用绵羊40K SNP液相芯片检测发现，阿旺绵羊线粒体DNA（mtDNA）控制区序列长度为1180～1183 bp（藏绵羊该区域长度为1180 bp）。通过将9种阿旺绵羊mtDNA单倍型与mtDNA A、B型参考序列进行比对，共检出106个变异位点，占总序列长度的8.945%。遗传多样性分析结果显示，阿旺绵羊的核苷酸多样性（π）为1.755%，单倍型多样性（Hd）为(0.857±0.082)。藏绵羊的核苷酸多样性为0.928%，单倍型多样性为(0.893±0.086)。基于Kimura 2-parameter（K2P）模型计算的两物种间遗传距离为0.0344（单位：每位点碱基替换数，substitutions per site），表明阿旺绵羊与藏绵羊mtDNA控制区序列存在一定程度的遗传分化，且阿旺绵羊的核苷酸多样性显著高于藏绵羊，反映出其群体内遗传变异更为丰富。NJ系统发育树显示，藏绵羊与A型线粒体聚类，阿旺绵羊mtDNA单倍型与B型聚类，表明二者mtDNA存在明显分化。基于阿旺绵羊的遗传结构，繁育中可通过SNP芯片检测规避近亲交配、防止近交衰退，可为绵羊育种亲本选配与避免近交衰退提供参考。
2.3 重要性状相关基因研究
2.4 基因组选择研究
全基因组选择（GS）是一种基于全基因组标记信息的辅助选择技术，2001年由挪威生命科学大学的Theo Meuwissen教授等[24]提出。GS利用覆盖全基因组的高密度遗传标记信息计算个体基因组估计育种值（GEBV），相比传统的育种值估计方法具有明显优势。韩红兵等[18]使用绵羊40 K液相育种芯片白泽一号构建了澳洲白羊基因组选择技术体系。王维民等[17]构建了华羊芯系列芯片配套遗传评估技术，先以10 K低密度、1 K超低密度芯片初筛携带优良基因的候选个体，再用45 K芯片精准分型，实现对生长速度、繁殖性能等性状的基因组预测，其中预测饲料转化率填补了全球绵羊基因组选择育种的空白。SNP芯片的应用使畜禽早期精准选种成为可能，大幅提升育种效率。
3 SNP芯片在畜禽育种中的应用进展
3.1 SNP芯片在羊育种中的应用
我国在羊新品种培育中，结合分子育种技术和育种目标研发了多款具有自主知识产权的基因芯片，这些芯片适配不同品种特性与目标，提升遗传改良效率，助力于功能基因筛选、性状遗传机制解析及种质资源保护，为绵羊育种从传统表型选择向基因组精准育种跨越、培育具有国际竞争力新品种提供核心支撑。2009年Illumina公司与国际绵羊基因组联盟（International Sheep Genomics Consortium，ISGS）合作开发Illumina Ovine SNP 50 K BeadChip[25]，可用于绵羊基因分型、群体遗传结构分析、筛选性状相关分子标记和基因等。2020年，Neogen公司研发的羊用SNP芯片GeneSeek Genomic Profiling (GGP) Ovine 50 K芯片[26]可用于羊的亲子鉴定、筛选不良突变、开展育种决策等。2023年兰州大学王维民研究团队等研发华羊芯45 K绵羊育种芯片[17]，该芯片以产奶性状作为育种应用的重点方向，可快速检测奶绵羊产奶等主要经济性状相关SNPs位点，应用于绵羊全基因组选择育种、经济性状基因定位、遗传多样性评估等场景。此后，奶绵羊20 K育种芯片[27]、白泽一号40 K[18]、超细型细毛羊液相基因芯片[28]、皖羊1号50 K液相芯片[29]、云上黑山羊50 K育种芯片[30]、豫羊牧芯[31]等我国自主研发的涵盖不同羊品种，聚焦不同经济性状的SNP芯片相继问世，大大推进了我国羊育种工作的数字化进程。国内外羊育种芯片研发情况见表1。
表1 羊育种芯片研发情况Table 1 Research and development status of sheep breeding chips |
| 年份Year | 芯片名称 Chip name | 密度Density/K | 类型Type | 研发单位或团队 Research institution or team | 用途 Purpose | 参考文献References |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2009 | Illumina Ovine SNP50 K BeadChip | 50 | 固相芯片 | Illumina公司与国际绵羊基因组联盟（ISGS） | 绵羊基因分型、群体遗传结构分析、筛选性状相关分子标记和基因等 | [25] |
| 2020 | GeneSeek Genomic Profiling (GGP) Ovine 50 K | 50 | 固相芯片 | Neogen公司 | 羊的亲子鉴定、筛选不良突变 | [26] |
| 2023 | 华羊芯 | 45 | 液相芯片 | 兰州大学王维民教授团队 | 绵羊全基因组选择育种、经济性状基因定位、遗传多样性评估等 | [17] |
| 2023 | 奶绵羊20 K育种芯片 | 20 | 液相芯片 | 西北农林科技大学宋宇轩教授团队 | 奶绵羊全基因组选择育种、建立种羊基因身份证、分子标记辅助选择等 | [27] |
| 2023 | 白泽一号 | 40 | 液相芯片 | 中国农业大学韩红兵教授团队 | 绵羊遗传多样性评估、遗传图谱构建及基因定位、种质资源鉴定、亲缘鉴定、全基因组关联分析、全基因组选择等 | [18] |
| 2024 | 皖羊1号 | 50 | 液相芯片 | 安徽农业大学凌英会教授联合北京康普森农业科技有限公司 | 山羊全基因组选择育种、全基因组关联分析、血统渗入及亲缘关系鉴定等 | [29] |
| 2024 | “云上黑山羊”50 K育种芯片 | 50 | 液相芯片 | 云南省畜牧兽医科学院洪琼花研究员团队 | 云上黑山羊全基因组选择育种、亲缘关系鉴定等 | [30] |
| 2024 | 超细型细毛羊10 K液相基因芯片 | 10 | 液相芯片 | 山东省农业科学院田可川研究员团队和新疆畜牧科学院付雪峰研究员团队 | 羊基因分型、分子标记辅助育种、遗传多样性分析、种羊基因身份证研究 | [28] |
| 2025 | 豫羊牧芯 | 10 | 固相芯片 | 河南牧业经济学院权凯教授团队 | 预测羊的体重、生长速度、饲料转化率 | [31] |
3.2 SNP芯片在牛育种中的应用
牛育种作为提升肉牛产肉性能、奶牛产奶品质与群体抗病能力的核心环节，为推动缩短世代间隔、聚合优良基因、提高牛育种的效率与质量，国内外牛育种芯片不断问世。2016年Illumina公司与美国农业部农业研究服务局、密苏里大学和阿尔伯塔大学合作开发BovineSNP50 v3 DNA Analysis BeadChip芯片[32]，包含53218个信息丰富的SNP，均匀分布在主要牛品种类型的整个基因组中，可用于全基因组选择、数量性状位点鉴定、个体遗传价值评估和比较遗传研究等应用。2016年，Neogen公司研发的GGP Bovine 100 K芯片[33]，可用于奶牛和肉牛的遗传评估、选育等工作。2023年，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所牛遗传育种科技创新李俊雅团队开发的肉牛基因组选择育种液体捕获芯片Cattle110K[34]用于肉牛的遗传改良，显著提升了肉牛重要经济性状的遗传评估准确性。2025年，内蒙古民族大学吴江鸿教授团队联合内蒙古牧业技术推广中心研制相牛1号10K芯片[35]，用于基因检测和遗传资源鉴定等。国内外牛育种芯片研发情况见表2。
表2 牛育种芯片研发情况Table 2 Research and development status of cattle breeding chips |
| 年份Year | 芯片名称 Chip name | 密度Density/K | 类型 Types | 研发单位或团队 Research institution or team | 用途 Purpose | 参考文献References |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2016 | BovineSNP50 v3 DNA Analysis BeadChip | 50 | 固相芯片 | Illumina公司与美国农业部农业研究服务局、密苏里大学和阿尔伯塔大学 | 全基因组选择、数量性状位点鉴定、个体遗传价值评估等 | [32] |
| 2016 | GGP Bovine 100K | 100 | 固相芯片 | Neogen公司 | 奶牛和肉牛的遗传评估、选育等 | [33] |
| 2023 | Cattle110K | 110 | 液相芯片 | 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所李俊雅团队 | 肉牛的遗传改良 | [34] |
| 2025 | 相牛1号 | 10 | 液相芯片 | 内蒙古民族大学吴江鸿教授团队联合内蒙古牧业技术推广中心 | 基因检测和遗传资源鉴定等 | [35] |
3.3 SNP芯片在鸡育种中的应用
2011年Illumina公司开发出Chicken 60K SNP Beadchip[36]，可用于肉鸡相关性状的遗传分析，为肉鸡的基因组预测提供数据支持。2011年，由瓦赫宁根大学、华盛顿大学医学院等机构的研究人员共同开发Illumina Chicken 60 K SNP BeadChip[37]，芯片的SNP是从352303个在两种主要商业鸡（肉鸡和蛋鸡）中具有中高次要等位基因频率的SNP中筛选出来的，同时还包括了一些来自鸡基因组中未覆盖序列的SNP，能很好地覆盖鸡的基因组，包含57636个SNP，其中54293个可在鸡群体中进行基因分型，用于鸡的全基因组关联研究和基因组选择育种等。2017年中国农业科学院北京畜牧兽医研究所赵桂苹团队研制“京芯一号”50 K鸡育种芯片[38]，用于进行肉鸡全基因组选择，可提高遗传评定的准确性、缩短选育周期、减少不易测定表型的工作量和成本投入、实现标准化、自动化检测和数据分析等。2024年，赵桂苹团队与相关企业联合研发出京芯一号mini 10 K SNP育种芯片[39]，用于肉鸡的基因组育种，降低了全基因组基因型检测成本，同时保持了高遗传评估准确性。国内外鸡育种芯片研发情况见表3。
表3 鸡育种芯片研发Table 3 Research and development of chicken breeding chips |
| 年份Year | 芯片名称 Chip name | 密度Density/K | 类型Types | 研发单位或团队 Research institution or team | 用途 Purpose | 参考文献References |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2011 | Chicken 60K SNP Beadchip | 60 | 固相芯片 | Illumina公司 | 肉鸡相关性状的遗传分析 | [36] |
| 2011 | Illumina Chicken 60K SNP BeadChip | 60 | 固相芯片 | 瓦赫宁根大学、华盛顿大学医学院等机构 | 鸡的全基因组关联研究和基因组选择育种等。 | [37] |
| 2017 | 京芯一号 | 50 | 液相芯片 | 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所赵桂苹团队 | 肉鸡全基因组选择 | [38] |
| 2024 | 京芯一号mini | 10 | 液相芯片 | 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所赵桂苹团队 | 肉鸡的基因组育种 | [39] |
3.4 SNP芯片在猪育种中的应用
2021年，中国农业大学丁向东研究团队基于GBTS技术开发的首款猪50 K液相芯片（GBTS50K）[40]，包含52000个SNP位点，其在遗传分析和分子育种上表现优异，对于达100 kg体重日龄和100 kg活体背膘厚两个重要经济性状，基因组选择准确性高于目前使用广泛的GGP-Porcine固相芯片。2022年印遇龙院士团队联合华智生物共同开发的湖南地方猪60 K SNP芯片[41]，主要包含宁乡猪、沙子岭猪等地方猪的变异位点，可对湖南地方猪进行基因型精准鉴定评估及重要性状基因的挖掘利用，加速湖南地方猪从传统育种向分子设计育种和智能育种的转变。2023年，安徽农业大学猪遗传育种创新团队联合博瑞迪生物技术有限公司针对安徽本土品种和长白猪、大白猪、杜洛克猪分别研发了皖芯1号、皖芯2号[42]。2024年，温氏食品集团股份有限公司与苏州拉索生物芯片科技有限公司合作相继开发了中芯一号100 K固相猪育种芯片[43]、PorcineWENS 100 K芯片[44]，其中PorcineWENS 100 K芯片设计、生产、制造环节100%在国内完成，具有完整的国产自主知识产权，产品的检出率、一致性等核心技术指标达到世界领先水平。国内外猪育种芯片研发情况见表4。
表4 猪育种芯片研发Table 4 Research and development of pig breeding chips |
| 年份Year | 芯片名称 Chip name | 密度Density/K | 类型 Type | 研发单位或团队 Research institution or team | 用途 Purpose | 参考文献References |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2021 | 猪50 K液相芯片 | 50 | 液相芯片 | 中国农业大学丁向东研究团队 | 遗传分析和分子育种 | [40] |
| 2022 | 湖南地方猪 60 K SNP芯片 | 60 | 液相芯片 | 中国科学院亚热带农业生态研究所印遇龙院士团队与华智生物公司 | 对湖南地方猪进行基因型精准鉴定评估及重要性状基因的挖掘利用 | [41] |
| 2023 | 皖芯1号 | 50 | 液相芯片 | 安徽农业大学猪遗传育种创新团队与博瑞迪生物技术有限公司 | 地方猪的基因精准鉴定及重要性状基因的挖掘利用等 | [42] |
| 2023 | 皖芯2号 | 50 | 液相芯片 | 安徽农业大学猪遗传育种创新团队与博瑞迪生物技术有限公司 | 瘦肉型种猪全基因组关联分析和基因组选择育种 | [42] |
| 2024 | 中芯一号 | 100 | 固相芯片 | 温氏食品集团股份有限公司与苏州拉索生物芯片科技有限公司 | 家猪基因组育种 | [43] |
| 2024 | PorcineWENS 100K | 100 | 固相芯片 | 温氏食品集团股份有限公司与苏州拉索生物芯片科技有限公司 | 进行基因组选择，提高育种效率 | [44] |
4 结语
目前，凭借高通量、高准确性、高效和实用的优点，SNP芯片已广泛应用于畜种的品种鉴定、亲缘关系的鉴定、群体遗传多样性研究、全基因组关联分析和全基因组选择等领域。在畜禽育种中，可快速定位与生长性能、抗病性、繁殖力等关键经济性状相关的SNP位点，缩短良种选育周期，精准预测个体遗传价值，在品种纯度鉴定、遗传多样性分析中也发挥重要作用。然而SNP芯片技术也存在明显局限，其探针设计依赖已知参考基因组，难检测稀有变异、结构变异等，对非SNP变异捕获能力弱，固定位点密度无法兼顾全面性与成本。高密度芯片设计检测成本高，固相芯片缺乏灵活性，高通量数据分析需专业生物信息学技术，且多数SNP位点功能关联不明，解析复杂性状需整合多组学数据，这些均限制了其应用与拓展。未来，开发低成本易普及的低密度育种芯片，将成为畜禽育种芯片研发的创新突破口，推动育种模式从“经验驱动”向“基因导航”转型，为更精准的畜禽种质资源评价、遗传改良及新品种培育提供技术支撑。