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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.3 pp.73-80
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.3.73

Estimation of Standard Growth Curves and Genetic Parameters for Carcass traits using Ultrasonic Measurements in Hanwoo cows

Changmin Jeon, Sungjin Kim, Deukhwan Lee*
Department of Animal Life & Environment Science, Hankyong National Univerisity, Anseong, 17579, Korea
Corresponding author: Deukhwan Lee Tel: +82-31-670-5091 Fax: +82-31-676-5091dhlee@hknu.ac.kr
December 27, 2017 May 3, 2018 May 27, 2018

Abstract


This study was conducted to figure out the pre-correcting method about months of age and body condition score to elevate accuracy of genetic evaluation for the traits related to meat quality measured by ultrasonic equipment in Hanwoo cows. The data carried out in this analysis were observed for chest girth(CG) of individuals, body condition scores(BCS), and ultrasonic measurements of carcass traits, ultrasonic-scanned back-fat thickness(UBF), ultrasonic-scanned eye muscle area(UEMA), and ultrasonic-scanned marbling score(UMS) from 38,663 Hanwoo cows which were aged above 15 month ages in 1004 herds of Korean cattle from 2001 to 2016 years. It instigated correction of BCS, CG and herd to carcass traits. By using ultrasonic measured traits that corrected through these factors, it estimated growth curve parameter by month of age exploiting the Von Bertalanffy’s functional formula. After calculating the deviation of actual measures to standard growth curves, it estimated genetic parameters by using restricted maximum likelihood with the multi-trait animal mixed model. The projected heritability in this formula was estimated at 0.29, 0.56, 0.49 the traits of UEMA, UBF, UMS, respectively. This estimates were speculated to greatly removed specifically bias by month of age and subsequently enhanced the accuracy of evaluation of genetic ability among cows relevant traits. Therefore, as implementing genetic evaluation for meat quality using ultrasound data in cows, these pre-correction for age and BCS would be determined to be more accurate on genetic evaluation for carcass traits observed by ultrasonic equipment.



한우 암소의 초음파 측정 도체형질에 대한 표준발육곡선 및 유전모수 추정

전 창민, 김 성진, 이 득환*
한경대학교 동물생명환경과학과

초록


본 연구는 체성숙이 완료된 15개월령 이상의 한우 암소로부터 초음파 측정 장치를 활용하여 조사된 등지방두께(UBF), 배장근단면적(UEMA), 근내지방도(UMS)의 형질들에 대한 유전능력을 추정하기 위한 통계분석방법을 도출하기 위한 연구로써 신체충실지수 및 월령에 대한 사전 보정의 효율성을 알아보고 유전평가를 위한 형질별 유전모수를 추정함으로써 유전능력 추정의 효율성을 향상하기 위한 방안을 도 출하고자 실시하였다. 분석에 이용된 자료는 2001년부터 전국의 1,004농가에서 사육중인 15개월령 이 상의 한우 암소 38,663두로부터 조사된 초음파 측정 육질관련 형질들에 대하여 조사된 자료를 이용하 였다. 흉위 및 도축형질들에 대한 성장곡선함수식을 추정하기 위하여 농가-년-월(HYM) 및 신체충실지 수(BCS)에 대한 통계모형식을 통하여 사전보정을 실시하고 Von Bertalanfy함수식을 이용한 비선형 성 장곡선 함수식을 추정하였다. 또한 도축형질들에 대하여 개체별로 조사된 관측치는 성장곡선 함수식에 대한 편차로 자료변환한 후에 유전모수를 추정한 결과, 각 형질별 유전력은 UBF에서 0.29, UEMA는 0.56 및 UMS에서 0.49의 추정치를 보였다.



    서론

    우리나라 한우 개량 역사는 1979년 이후 암소 중 심의 한우개량단지사업과 1982년부터 수소 중심의 한우후대검정사업으로 나뉘어 추진되었고, 2000년 이후 고급육 중심의 한우 개량사업 목표가 설정되 어, 한우 암소개량을 통한 육질 개선을 꾀하고자 노 력해왔다.

    2000년대 초반부터 생축의 도체형질 정보(등심단 면적, 등지방두께, 근내지방도)를 측정 할 수 있는 초음파 기술이 도입되었다(Son, 2014). 특히 암소는 일생 동안 생산할 수 있는 후손의 수가 제한되어 있 으므로 후대검정을 통한 선발에 어려움이 있기 때문 에 암소개량에 있어서, 초음파 기술을 적용한 선발 기법은 활용가치가 충분하며(Kim et al., 2012), 이 기술을 활용하여 도체형질에 대한 검정 및 유전능력 평가가 실시되고 있다(NIAS, 2017). 하지만 초음파 기술의 육질 판정 정확도가 기대치만큼 높지 않기 때문에 정확도를 높이려는 평가방법 개발이 필요할 것이다(Yoon et al., 2010).

    현재 후대생산에 활용되는 암소는 주로 번식을 위한 사양관리를 하므로 도체형질에 있어서 월령에 따른 개체 간의 변이가 크고 번식주기내의 임신단 계별 암소 개체의 신체적 생리 변화에 따른 편의의 발생 등으로 육질의 유전적 요인을 규명하기가 쉽 지 않다. 이러한 생리변화를 나타내는 대표적인 측 정이 가능한 정보로써 해당 개체의 월령 및 살찐 정도를 들 수 있다. 따라서 이러한 정보를 활용하 여 월령 또는 신체충실지수(Body condition score, BCS) 등의 환경요인에 의한 편의를 제거할 수 있는 보정을 실시한 후에 한우 암소의 육질에 대한 유전 능력을 추정하면 좀 더 정확한 유전능력 추정치를 얻을 수 있을 것이다(Lee et al., 2008). 따라서 본 연구에서는 초음파로 측정된 한우 암소의 도체형질 을 월령에 따른 비선형 함수식의 모수를 추정하고 이를 활용한 보정된 값을 암소의 유전분석에 이용 하여 암소의 육질에 대한 유전능력 추정치의 정확 도를 높일 수 있는 방법을 규명하고자 본 연구를 수행하였다.

    재료 및 방법

    1 공시 재료

    본 연구에 이용된 흉위, BCS 및 초음파 측정 자 료는 2001년부터 2016년까지 우리나라 전국 각지 1,004 농가에서 사육되고 있는 15개월령 이상 한우 암소를 대상으로 조사하였다. 자료의 이상치를 제거 하기 위해 3 표준편차 밖의 자료를 제외하고 총 38,663두의 기록을 이용하였다. 초음파 화상측정은 Real-Time B mode 방식의 3.5MHz 주파수 Leaner prove를 장착한 Madison 사의 SV900 및 PICO, U6와 Honda 사의 HS-2000, 2100기종이며 초음파 화상 측정부위는 현재 등급 판정 시 도체 등급을 판 정하는 부위인 좌측 제13번 흉추와 제1요추 사이 등 심 부위를 측정하였다. 초음파로 측정된 등심단면적 (Ultrasonic-scanned eye muscle area, UEMA) 및 등지방두께(Ultrasonic-scanned backfat thickness, UBF)는 초음파 화상 분석 전용 프로그램에서 수치 화하였고 근내지방도(Ultrasonic-scanned marbling score, UMS)는 초음파 판독전문가의 주관적인 판단 에 의해 1~27점으로 점수화하여 기록하였다. BCS 는 초음파 측정 시 측정자가 표준 신체충실지수 판 정 기준에 따라 1~9점으로 점수화하였다.

    2 분석 모형

    2.1 월령 및 BCS에 대한 사전보정

    분석 모형을 설정하기 위해 SAS 통계프로그램 (package ver 9.3)의 GLM procedure를 이용하여 각 관측치 별 환경요인들의 유의성 검정을 하였다. 분석에 이용된 통계분석모형은 다음과 같다.

    y i , j k = μ + H Y M i + B C S j + δ i , j k

    위의 모형식에서 관측치 y i , j k 는 각각 초음파 형질 (UEMA, UBF, UMS)의 관측치이고 H Y M i (i=1 to 1004)는 측정시 농가-년-월의 효과로써 이는 임의 변량으로 정규분포 ( N ( 0 , I σ 2 H Y M ) ) 한다고 가정하였다. B C S j (j=1 to 9)는 신체충실지수로써 고정효과로 간 주하였으며 δ i , j k 는 각 형질에 대한 월령별 효과와 임 의의 오차를 포함하는 값으로 분포는 p ( δ N ( Ψ ( t ) σ Ψ ( t ) + e 2 ) ) 으로 가정하였다. 여기서 관측치의 조건 분 포를 다음과 같이 정의하여 분석을 하였다.

    p ( y | H Y M , B C S ) N ( Ψ ( t ) , σ ε 2 )

    여기서 p ( y | H Y M , B C S ) 는 조사된 형질에 대하여 농 가-년-월 및 신체충실지수에 대한 보정후의 관측치 이고 이는 월령에 따른 비선형 성장곡선함수식과 정 규분포의 오차변이를 갖는 것을 가정하였다. 여기서 Ψ ( t ) + μ 이고 t는 측정 시 월령을 의미한다. 본 분석에 이용한 비선형 함수식은 성장곡선을 표현하는 (Lei & Zhang, 2004) Von Bertalanffy 함수식을 적용하였다(Von Bertalanffy, 1957).

    Ψ ( t ) = A ( 1 b e k t ) 3 + ε

    비선형모형 함수식 Ψ ( t ) 는 NLIN procedure를 이용하여 Quasi-Newton 방법(Lee et al., 2008)으 로 모수를 추정하였다. Bertalanffy 함수식은 A, b 및 k 등 3개의 모수를 포함하고 있으며, A는 월령 이 무한의 값을 가질 때 접근 값을 의미하고 b는 t=0(생시)일 때 종속변수의 값에 의하여 결정되는 절편 값의 모수이며, k는 최고증가율과 종속변수의 최대치 간의 함수 관계로 정의되는 모수로써 성장률 을 나타낸다. e는 자연로그함수이며 ε 은 관측치에 대한 오차를 의미한다. 동일개체의 월령별 반복측정 치가 많지 않기 때문에 초음파 활용 육질 측정 시 년도-월-농가(HYM) 및 오차 항에 국한하였고 이에 따른 혼합 비선형 통계분석모형으로 분석하였다.

    2.2 유전모수 추정

    각각의 초음파측정 도체형질에 대하여 월령별 표 준성장곡선에 대한 편차 값을 계산한 후에 이들 보 정 관측치들을 모두 고려한 다형질 혼합 개체모형을 아래와 같이 설정하였다.

    Y i , j k = μ i + B C S i j + H Y M i k + β 1 C G i , j k + β 2 C G i , j k 2 + a i , j k + e i , j k

    여기서,

    • Y i , j k : i번째 형질의 j번째 BCS효과와 k번째 HYM 효과 내에 대한 형질별 보정 관측치(등심 단면적, 등지방두께, 근내지방도)

    • B C S i j : 신체충실지수 고정효과

    • H Y M i k : 농가-년도-월의 임의 효과

    • β 1 : 흉위에 대한 선형의 공변량 효과

    • β 2 : 흉위에 대한 이차항의 공변량 효과

    • a i , j k : 개체의 상가적 임의 유전효과

    • e i , j k : 임의 잔차효과

    상기의 설정된 모형식에 의하여 제한최대우도 법(Restricted Maximum Likelihood, REML)에 의한 유전분산 및 공분산성분을 추정하였고, 추 정된 분산성분을 이용하여 유전모수를 추정하였 다(Lee et al., 2006).

    결과 및 고찰

    1 일반능력

    본 연구 대상 개체의 기초통계량을 살펴보면 다음 과 같다(Table 1). 초음파 측정 날짜를 기준으로 월 령을 계산하여 나타낸 결과, 평균 월령은 약 42개월 령으로 나타났고, 15개월령부터 188개월령(약 15년) 까지 분포되어 있었다. 평균 3.5세의 한우 암소에 대 한 평균 흉위는 178.86㎝로 한우 개량추세조사에서 제시한 수치보다 약 2.6㎝ 작은 것으로 조사되었다. 초음파측정형질인 등심단면적과 등지방두께 평균은 각각 58.77㎠와 4.65㎜이었으며, 여기서 등지방두께는 개체 간의 변이가 큰 것으로 조사되었다(CV=70.60).

    근육 내 지방의 척도를 나타내는 근내지방도는 27 단계로 구분하여 보았을 때, 전체 자료 중 약 95% 이상이 1~6점 사이에 나타났고, 전체평균은 5점으 로 조사되었다. 신체충실지수는 1~9까지 9단계로 조사되었는데 대체적으로 평균 4.6점으로 번식우의 적합한 수치를 보인 것으로 판단되며, BCS에 따른 개체 별 분포는 정규성에 근접하며 1점(가장 마른) 과 9점(가장 비만)은 매우 적은 것으로 조사되었다. 이러한 특징으로 월령에 따른 비만도가 크게 작용하 고 있을 것으로 판단되어 월령별 비선형 성장곡선 함수식에 의한 추정을 실시하였다.

    2 신체충실지수(BCS) 효과

    혼합모형을 통하여 고정효과로 추정된 형질별 신 체충실지수는 분석에 고려된 모든 형질에서 유의수 준 0.1%에서 모두 유의한 차이가 있는 것으로 나타 났다. 수준별(1~9점) 추정치 및 표준편차를 Table 2 에 제시하였다. BCS 2점 이하와 8점 이상 자료의 빈도가 다른 수준에 비해 매우 낮아 표준오차가 상 대적으로 높지만 3~7점은 표준오차가 매우 적었다. 따라서 3~7점에서 추정치에 대한 신뢰도가 매우 높 을 것으로 판단된다(Choi et al., 2004).

    현재 암소 유전능력 평가를 위한 초음파형질은 고 급육에 대한 유전적 개량을 목적으로 활용하고 있 다. 때문에 육질에 영향을 줄 수 있는 환경적 요인 중 편의를 발생시키는 요인은 사전보정을 실시한 후 평가하는 것이 더욱 정확한 유전능력 평가방법이라 고 볼 수 있다(Lee et al., 2008).

    3 성장발육곡선

    조사된 한우 암소 초음파 형질의 경우, 월령에 따 라 발육형태가 비선형의 성장패턴을 보이므로 성장 곡선함수식에 적합하다고 판단된다. 때문에 발육형 태를 살펴보는 것이 타당할 것이며 다수의 성장곡선 함수식들 중에 Von Bertalanffy의 함수식을 사용하 여 보정을 실시하였다(Lee et al., 2008). 여기서 모수 A는 성숙시 최대 성장이 가능한 크기를 나타 내고 b는 출생 시에 A에 대한 상대적 비율을 나타 내는 모수이며 k는 성장률을 결정하는 모수로써 성 장률이 변경되는 변곡점을 본 함수식에서는 3으로 고정하여 계산하고 있다. 이러한 특성을 반영하는 어류와 소의 성장곡선 추정에 많이 이용될 수 있다 (Lopez et al., 1992). 생명체의 성장과 관련된 특 징은 유전에 의한 기본적 특징과 환경요인 등에 영 향 받는다. 때문에 환경적 요인 등에 의한 편의 추 정을 최대한 배제하고 유전적 특성을 규명하기 위해 서는 편의 요인을 제거한 후 추정하는 것이 추정치 의 정확도를 높일 수 있을 것이다(Lee et al., 2008). 이러한 발육특징은 등심단면적, 등지방두께 및 근내지방도와 같은 육량 및 육질과 관련된 형질 에서도 발현될 수 있다는 가정 하에 신체충실지수, 농가효과 등에 대하여 보정을 한 후에 정규분포 95% 밖의 이상치를 제외하여 표준발육곡선을 추정 한 결과, 오차분산이 감소하여 성장곡선의 정확도가 향상된 것으로 나타났다.

    비선형 함수식(Von Bertalanffy’s function)으 로 추정된 모수 및 표준오차와 모수 간의 상관계 수를 Table 3에 제시하였다. 흉위와 초음파 도체 형질(UEMA, UBF, UMS)의 성장곡선 함수식을 살 펴보면 모수 A의 추정치는 약 180.6㎝, 61.3259㎠, 5.1277㎜, 5.2106(score)으로, 이는 성장발육곡선 함 수식에 의하여 각 형질별 최대 추정치가 약 180㎝, 61㎠, 5㎜, 5(score)인 것을 의미한다. 하지만 Von Bertalanffy 함수식을 이용한 성숙시 최대 가능 추 정치(A)는 모수추정의 오차를 크게 할 수 있기 때문 에 본 모수를 사용하는 것은 오류를 범할 수 있다 (Day & Taylor, 1997). 반면에 성장발육곡선 함수 식의 종속변수 절편 값의 함수관계를 나타내는 모 수 b의 추정치는 0.1380, 0.076, 0.2033 및 0.3344로 추정되었으며, 성숙속도의 함수관계를 나 타내는 모수 k의 추정치는 0.1210, 0.0445, 0.0409 및 0.0831로 추정되었다. 이러한 추정치로 살펴볼 때, 한우암소의 생애발육에서 흉위가 성숙시 최대 성장에 가장 빠르게 도달하며 근내지방도, 등심단면 적 및 등지방두께 순으로 최대 발육에 도달하는 것 을 알 수 있다. 출생시부터 성숙시까지 표준화 값의 변화에 대한 상대적 크기는 근내지방도가 가장 많았 고 다음으로 등지방두께, 흉위 및 등심단면적 순인 것으로 추정되었다(Fig. 1).

    4 유전모수 추정

    4.1 유전력

    초음파로 측정된 등심단면적(UEMA), 등지방두께 (UBF) 및 근내지방도(UMS)에 대한 유전력은 각각 0.29, 0.56 및 0.49로 추정되었다(Table 4). 사전 보고된 한우 암소의 초음파 도체형질 유전력을 살펴 보면 Son(2014) 한우 암소 번식우 집단에서 추정한 UEMA, UBF 및 UMS의 유전력은 0.33, 0.61 및 0.46으로 본 연구의 결과와 유사하게 나타났고 Lee & Yeo(2011)은 18개월 이상 암소 1,648두를 대상으 로 도체형질 초음파 측정 자료를 이용하여 추정한 결과, UEMA는 0.13, UBF는 0.35 그리고 UMS는 0.23으로 모든 형질에서 본 연구 결과보다 유전력이 낮은 것으로 나타났다. 본 연구와 가장 유사한 보정 방법으로 초음파 형질에 대한 유전 모수를 추정한 Yoon(2010)은 전국 10개 지역에서 약 20,000여 두 의 한우 암소 초음파 자료를 이용하여 월령 및 BCS 에 대하여 비선형의 혼합모형식을 통해 사전보정 한 후, 다형질 혼합모형식을 통하여 추정한 유전력에서 UEMA는 0.15, UBF는 0.39 그리고 UMS는 0.38로 조사되어 모든 형질의 유전력이 본 연구의 결과보다 낮은 것으로 조사되었다.

    4.2 유전상관

    초음파로 측정된 도체형질 간 유전상관을 보면 (Table 4) UEMA와 UBF, UEMA와 UMS 그리고 UBF와 UMS 사이의 유전상관이 0.42, 0.43 및 0.39 로 추정되었다. 초음파 형질 간의 유전상관을 추정 한 선행연구를 살펴보면 Son(2014)은 한우 암소 집단에서 측정한 초음파 도체형질 간(UEMA-UBF, UEMA-UMS, UBF-UMS)의 유전상관이 0.42, 0.47 및 0.43로 보고하였으며, Lee & Yeo(2011)은 유전 상관이 0.35, 0.57 및 0.48로 보고하여 본 연구와 유사한 결과를 나타내었다. 하지만 Yoon(2010)은 유 전상관이 0.39, 0.37 및 0.31로 본 연구보다 초음파 도체 형질 간 유전상관이 모두 낮은 것으로 나타났 다. 이러한 결과로 살펴볼 때, 육량지표인 등심단면 적의 개량은 근내지방도를 향상시키는 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

    Figure

    JALS-52-73_F1.gif

    The standardized estimated growth curves of Von Bertalanffy for chest girth(CG), and the ultrasonicscanned eye muscle area(UEMA), backfat thickness(UBF), and marbling score(UMS27) in Hanwoo cows.

    Table

    Simple statistics of carcass traits measured by ultrasonic-scan in Hanwoo cows

    CG, chest girth; UEMA, ultrasonic-scanned eye muscle area; UBF, ultrasonic-scanned backfat thickness; UMS, ultrasonic-scanned marbling score(27); BCS, body condition scores; SD, standard deviation; CV, coefficient of variation.

    Least square means(standard errors) for chest girth and the ultrasonic-scanned eye muscle area, backfat thickness and marbling score by body condition score in Hanwoo cows(n=38,663)

    CG, chest girth; UEMA, ultrasonic-scanned eye muscle area; UBF, ultrasonic-scanned backfat thickness; UMS, ultrasonic-scanned marbling score(27).

    Estimates of parameters(standard errors) and correlation estimates between parameters of Von Bertalanffy’s for chest girth, and the ultrasonic-scanned eye muscle area, backfat thickness, and marbling score in Hanwoo cows(n=38,663)

    CG, chest girth; UEMA, ultrasonic-scanned eye muscle area; UBF, ultrasonic-scanned backfat thickness; UMS, ultrasonic-scanned marbling score(27); A, A-infinity; b, (t=0)intercept values determined by the value of the dependent variable; k, growth rate; A-b, A between b correlations; A-k, A between k correlations; b-k, b between k correlations.
    1)<i>MSE</i>: Mean square error

    Estimates of genetic, residual (co)variances, heritabilities and correlations for eye muscle area(UEMA), backfat thickness(UBF) and marbling score(UMS27) by ultrasound measurement in Hanwoo cows

    Diagonal: variance estimates, upper diagonal: covariance estimates, below diagonal: correlation estimates.
    CG, chest girth; UEMA, ultrasonic-scanned eye muscle area; UBF, ultrasonic-scanned backfat thickness; UMS, ultrasonic-scanned marbling score(27).

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