基于主成分分析法建立綿羊一般抗病力的評(píng)估模型

楊 華，楊永林

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，石河子 832000）

基于主成分分析法建立綿羊一般抗病力的評(píng)估模型

楊 華，楊永林

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，石河子 832000）

綜合評(píng)價(jià)不同品種綿羊免疫力或抗病力的差異，為開(kāi)展綿羊抗病育種提供基礎(chǔ)。以引進(jìn)品種薩?？搜?、培育品系多胎薩福克羊、地方品種哈薩克羊以及多胎薩福克羊與哈薩克羊雜交F1羔羊（薩哈F1）為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，應(yīng)用ELISA方法檢測(cè)綿羊外周血IFN-α、IFN-γ、IgG、IL-1β、IL-2、IL-5、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12免疫分子的質(zhì)量濃度，并對(duì)10個(gè)免疫指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表明：選取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到86.228%時(shí)的5個(gè)特征值作為主成分，基本反映10個(gè)免疫指標(biāo)包含的全部信息，通過(guò)建立的主成分評(píng)估模型，比較4個(gè)綿羊群體的主成分綜合得分，薩哈F1得分最高，其次為哈薩克羊、多胎薩?？搜颉⑺_?？搜颉Ｕf(shuō)明雜交羊的一般抗病力最強(qiáng)，本地綿羊的一般抗病力優(yōu)于引進(jìn)綿羊。

主成分分析；綿羊；一般抗病力；免疫指標(biāo)

隨著綿羊育種程度的提高，以及集約化飼養(yǎng)方式的轉(zhuǎn)變，單純追求高產(chǎn)導(dǎo)致綿羊抗病力隨之降低，常引發(fā)一些疾病，尤其是傳染性疾病，嚴(yán)重影響?zhàn)B羊業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由疾病造成的經(jīng)濟(jì)損失占畜牧業(yè)產(chǎn)值的12%～15%［1］。因此，尋找一條安全可靠且經(jīng)濟(jì)可行的疾病控制途徑已是當(dāng)務(wù)之急。研究證實(shí)，動(dòng)物自身免疫力或抗病力的高低是影響動(dòng)物健康的主要因素，細(xì)胞因子在固有性免疫應(yīng)答及適應(yīng)性免疫應(yīng)答過(guò)程中發(fā)揮著重要的功能。目前已鑒定的細(xì)胞因子近百種，功能十分復(fù)雜［2］，細(xì)胞因子的作用有多功能性和通用性，之間可相互協(xié)同或拮抗，細(xì)胞因子往往通過(guò)細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用［3］。因此，針對(duì)多個(gè)免疫指標(biāo)的抗病力研究中，往往由于變量個(gè)數(shù)太多，且彼此之間存在一定的相關(guān)性，使得所觀測(cè)的數(shù)據(jù)在一定程度上有信息的重疊，在高維空間中研究樣本的分布規(guī)律就更復(fù)雜。如何從眾多的免疫指標(biāo)中選擇評(píng)價(jià)綿羊健康水平的最佳指標(biāo)，已成為當(dāng)前開(kāi)展綿羊抗病育種的研究目標(biāo)之一。

主成分分析法（principal component analysis，PCA）采取一種降維的方法，找出幾個(gè)綜合因子來(lái)代表原來(lái)眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來(lái)變量的信息量，而且彼此之間互不相關(guān)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化的目的。主成分分析法在山羊主要先天性免疫指標(biāo)評(píng)估［4］、鴨的一般抗病力評(píng)估［5］、雞的日齡評(píng)估［6］、綿羊群體形態(tài)及生態(tài)特征聚類分析［7］、綿羊群體建系［8］、綿羊體尺指標(biāo)分析［9］、羊羔肉揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)［10］等領(lǐng)域均有應(yīng)用研究，均實(shí)現(xiàn)了多表型性狀的降維，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者關(guān)于綿羊抗病力的評(píng)估還僅局限于通過(guò)研究單個(gè)參數(shù)進(jìn)行判斷，因此從免疫性能多個(gè)測(cè)量指標(biāo)中形成一套適用的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系仍是一個(gè)值得研究的課題。因此，本研究對(duì)雜交綿羊、本地綿羊、培育綿羊及引進(jìn)綿羊的10個(gè)免疫指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，應(yīng)用主成分分析法尋求影響綿羊一般抗病力的主成分，建立綿羊一般抗病力的評(píng)估模型，旨在為綿羊抗病育種和生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

本研究的材料為新疆農(nóng)墾科學(xué)院種羊場(chǎng)同一飼養(yǎng)條件下健康的185只10月齡羔羊，其中薩?？搜?9只（12，27♀），多胎薩福克羊55只（），哈薩克羊63只（，35♀），多胎薩?？搜蚺c哈薩克羊F1雜交羊28只（以下簡(jiǎn)稱薩哈F1）。采集綿羊頸靜脈血2 mL，于2 500 r/min離心15 min，取上清分裝，血清置-20℃冰箱中保存?zhèn)溆?，用于免疫指?biāo)測(cè)定。

1.2主要試劑和儀器

綿 羊 IgG、IFN-α、IFN-γ、IL-1β、IL-2、IL-5、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12 ELISA檢測(cè)試劑盒為上海藍(lán)基生物科技有限公司產(chǎn)品。酶標(biāo)儀（model 550）為美國(guó)Bio-Rad產(chǎn)品。

1.3方法

1.3.1血清免疫指標(biāo)測(cè)定血清中10個(gè)免疫指標(biāo)IgG、IFN-α、IFN-γ、IL-1β、IL-2、IL-5、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12的測(cè)定，根據(jù)ELISA試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.2統(tǒng)計(jì)方法綿羊品種間免疫指標(biāo)測(cè)定數(shù)據(jù)應(yīng)用IBMSPSSstatistics 19.0軟件的FACTOR模塊對(duì)上述免疫指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，選取所研究性狀的可解釋85%以上變異的主成分，并對(duì)主成分?jǐn)?shù)據(jù)采用層次聚類方法進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1免疫指標(biāo)間的相關(guān)分析

對(duì)薩?？搜颉⒍嗵ニ_?？搜?、哈薩克羊以及薩哈F1的10個(gè)免疫指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，并將整理后的各性狀值無(wú)量綱處理（表1），相關(guān)矩陣見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)，IFN-α（X1）、IFN-γ（X2）、IgG（X3）、IL-2（X4）、IL-6（X5）、IL-12（X6）、IL-1β（X7）、IL-5（X8）、IL-8（X9）、IL-10（X10）10個(gè)變量均呈正相關(guān)。

表1　10個(gè)免疫指標(biāo)的測(cè)定值和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)pg/mL

表2　綿羊10個(gè)免疫指標(biāo)變量的相關(guān)矩陣

2.2主成分分析

通過(guò)對(duì)10個(gè)免疫指標(biāo)的主成分分析，得到各主成分的特征根及方差貢獻(xiàn)率。由表3可知，前5個(gè)主成分對(duì)總方差的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.228%（＞85%），基本上反映了原所有免疫指標(biāo)包含的全部信息，可以用于建立綿羊一般抗病力的綜合評(píng)估模型。根據(jù)入選主成分的特征向量，可分別表示為公式F1～F5。F1=0.778 ZX1+0.822ZX2+ 0.863ZX3+0.730 ZX4+0.717 ZX5+0.775 ZX6+0.586 ZX7+0.366 ZX8+0.568 ZX9+0.511 ZX10；F2=-0.262 ZX1-0.213 ZX2-0.267 ZX3-0.379ZX4-0.316ZX5-0.256ZX6+0.687ZX7+0.466ZX8+ 0.666ZX9+0.703ZX10；F3=-0.027ZX1+0.086ZX2-0.093ZX3+ 0.059 ZX4-0.005 ZX5+0.002 ZX6-0.232 ZX7+0.799 ZX8-0.201 ZX9-0.103 ZX10；F4=-0.343 ZX1+0.197 ZX2-0.117 ZX3+0.032 ZX4+0.556ZX5-0.310ZX6+0.028ZX7-0.031ZX8+0.009ZX9+ 0.026 ZX10；F5=0.152 ZX1-0.278 ZX2-0.044 ZX3+0.430 ZX4+ 0.001 ZX5-0.290 ZX6-0.012 ZX7+0.031 ZX8+0.201 ZX9-0.118 ZX10。從公式F1可以看出，第一主成分主要結(jié)合了IFN-α、IFN-γ、IgG、IL-2、IL-6、IL-12的變異信息，免疫指標(biāo)之間存在不同程度的正相關(guān)性，其中IgG權(quán)系數(shù)最大；從公式F2可以看出，第二主成分以IL-10權(quán)系數(shù)最大，而IL-2權(quán)系數(shù)為絕對(duì)值較大的負(fù)數(shù)，因此，第二主成分越大，則血清中IL-10含量越高，而IL-2含量相應(yīng)降低。從公式F3可以看出，第三主成分以IL-5權(quán)系數(shù)最大，而IL-1β權(quán)系數(shù)為絕對(duì)值較大的負(fù)數(shù)，因此，第三主成分越大，則血清中IL-5含量越高，而IL-1β含量相應(yīng)降低。從公式F4可以看出，第四主成分以IL-6權(quán)系數(shù)最大，而IFN-α權(quán)系數(shù)為絕對(duì)值較大的負(fù)數(shù)，因此，第四主成分越大，則血清中IL-6含量越高，而IFN-α含量相應(yīng)降低。從公式F5可以看出，第五主成分以IL-2權(quán)系數(shù)最大，而IL-12權(quán)系數(shù)為絕對(duì)值較大的負(fù)數(shù)，因此，第五主成分越大，則血清中IL-2含量越高，而IL-12含量相應(yīng)降低。

表3　相關(guān)矩陣的特征根和貢獻(xiàn)率

2.3主成分綜合評(píng)價(jià)

篩選出評(píng)價(jià)一般抗病力的5個(gè)主成分后，由主成分F1、F2、F3、F4和F5與各自的客觀權(quán)重（方差貢獻(xiàn)率）之積得出綜合加權(quán)評(píng)分，公式為Fi=47.323 F1+21.215 F2+7.639 F3+5.785 F4+4.266 F5）/86.228。將F1～F5代入公式，簡(jiǎn)化以后得到綜合評(píng)估公式Fi=0.345 ZX1+0.406 ZX2+0.390 ZX3+0.336ZX4+0.353ZX5+0.327ZX6+0.471ZX7+0.386ZX8+ 0.468 ZX9+0.440 ZX10。其中，ZX1、ZX2、ZX3、ZX4、ZX5、ZX6、ZX7、ZX8、ZX9、ZX10分別為IFN-α、IFN-γ、IgG、IL-2、IL-6、IL-12、IL-1β、IL-5、IL-8、IL-10測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。從公式Fi中，不難發(fā)現(xiàn)IFN-γ、IgG、IL-1β、IL-8和IL-10五個(gè)指標(biāo)對(duì)綿羊的一般抗病性影響較大，其次是IFN-α、IL-2、IL-6、IL-12和IL-5，結(jié)果與預(yù)期一致，說(shuō)明可以用該公式來(lái)評(píng)估綿羊的一般抗病性。

分別對(duì)薩福克羊、多胎薩?？搜?、哈薩克羊以及薩哈F1的主成分綜合（Fi）得分進(jìn)行計(jì)算。從表4可以看出，綿羊一般抗病力的高低分別為薩哈F1＞哈薩克羊＞多胎薩?？搜颍舅_?？搜?，總體表現(xiàn)為新疆本地綿羊哈薩克羊和雜交羊具有較高的一般抗病力，雜交綿羊薩哈F1在一般抗病力上表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢(shì)，哈薩克羊可以作為抗病育種的種質(zhì)資源。通過(guò)主成分分析得到的綿羊一般抗病力與實(shí)際符合，進(jìn)一步說(shuō)明了利用主成分分析來(lái)評(píng)價(jià)綿羊一般抗病力的可行性。

表4　綿羊一般抗病力性狀主成分綜合得分

2.4聚類分析

將薩?？搜颉⒍嗵ニ_?？搜颉⒐_克羊以及薩哈F1的10個(gè)免疫指標(biāo)進(jìn)行Q型聚類分析（圖1）。層次聚類分析聚成3類，薩?？搜蚝投嗵ニ_?？搜蚓蹫橐活?，再與哈薩克羊聚為一類，薩哈F1聚為一類，說(shuō)明組內(nèi)薩福克羊和多胎薩?？搜虻南忍煨悦庖咧笜?biāo)存在相似性，這與多胎薩?？搜虻呐嘤龤v程一致。

圖1　系統(tǒng)聚類樹圖

3　討論

主成分分析就是將原來(lái)指標(biāo)重新組合成一組新的互相無(wú)關(guān)的幾個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)代替原來(lái)指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要從中選取幾個(gè)較少的綜合指標(biāo)，盡可能多地反映原來(lái)指標(biāo)的信息。其基本思想就是尋找一組新的變量代替原有變量，新變量是原變量的高度綜合和最佳簡(jiǎn)化，近年來(lái)已成為多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)和權(quán)重系數(shù)確定的重要方法。應(yīng)用主成分分析時(shí)，指標(biāo)數(shù)越多，且各指標(biāo)間相關(guān)程度越密切，即相應(yīng)的主成分個(gè)數(shù)越少，該方法越優(yōu)越［11］。

吳勝利等［12］應(yīng)用主成分分析評(píng)估羅曼鵝體重和11個(gè)體尺性狀，表明體重、脛圍、胸深和頸圍可作為公鵝發(fā)育的4個(gè)主成分，體重、頸圍和背寬可作為母鵝發(fā)育的3個(gè)主成分，明確了羅曼鵝體型性狀特征。吾布力等［13］對(duì)中國(guó)美利奴羊（新疆型）毛長(zhǎng)度等14個(gè)性狀進(jìn)行了主成分分析和聚類分析，按不同品系簡(jiǎn)化為7～10個(gè)主成分因子，在主成分的基礎(chǔ)上把14個(gè)性狀劃分為2個(gè)大類群。本實(shí)驗(yàn)選取10個(gè)免疫指標(biāo)，指標(biāo)間均呈正相關(guān)，選取了5個(gè)主成分來(lái)反映綿羊一般抗病力的綜合水平，5個(gè)主成分對(duì)總方差的累積貢獻(xiàn)率達(dá)86.228%。因此，用5個(gè)主成分就能解釋全部10個(gè)免疫指標(biāo)的全部信息。

研究表明，綿羊品種間存在免疫力或抗病性的差異，抗捻轉(zhuǎn)血矛線蟲感染時(shí)，熱帶和亞熱帶綿羊表現(xiàn)出明顯的品種間差異；在加勒比海岸和美國(guó)南部，本地綿羊品種具有比引進(jìn)品種高的抗病性；在亞洲，印度尼西亞瘦尾羊抗病性位于St Croix羊和美利奴羊之間，印度Garole羊與其他品種相比表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗病性［14］。在非洲半濕潤(rùn)地區(qū)，與杜泊羊相比，Red Maasai羊品種具有低死亡率、較強(qiáng)的抗胃腸線蟲和耐受能力［15］。在非洲半干旱區(qū)域Sabi羔羊也具有比杜泊羔羊較強(qiáng)的抗胃腸線蟲能力［16］。新疆地方品種多浪羊和培育品種中國(guó)美利奴羊的MHCDRB1基因表現(xiàn)出不同基因型及抗包蟲病特性［17］。馬令法等［4］對(duì)4個(gè)山羊品種的IL-1、IL-2、IL-6、IL-18、IFN-γ、NK細(xì)胞和LYS七項(xiàng)主要先天性免疫學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，萊蕪黑山羊和嶗山奶山羊（山東當(dāng)?shù)仄贩N）的先天性免疫指標(biāo)的主成分得分高于波爾奶山羊和魯波山羊（引進(jìn)品種），說(shuō)明本地山羊品種的一般抗病力較高。徐琪等［5］對(duì)金定鴨（家鴨）、櫻桃谷鴨（育成品種）、蘇牧麻鴨（育成品種）、番鴨（馴化品種）和半番鴨（雜交種）的白蛋白、球蛋白、總蛋白、IgA、IgM、IgG和AI抗體HI效價(jià)7個(gè)免疫指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，金定鴨一般抗病力的綜合水平最高，半番鴨一般抗病力的綜合水平最低，說(shuō)明本地品種鴨一般抗病力高于培育品種，而雜交半番鴨在一般抗病力上沒(méi)有表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢(shì)。本研究從綿羊10個(gè)免疫指標(biāo)的主成分綜合評(píng)估結(jié)果來(lái)看，薩哈F1最高，其次為哈薩克羊、多胎薩?？搜颍_?？搜虮憩F(xiàn)較低，總體表現(xiàn)為雜交綿羊及新疆本地綿羊哈薩克羊具有較高的一般抗病力，雜交綿羊表現(xiàn)出了一般抗病力的雜種優(yōu)勢(shì)；新疆生態(tài)條件與薩?？搜虻脑a(chǎn)地英國(guó)及引種地澳大利亞相比，存在氣候干燥、冷及晝夜溫差大等因素，氣候條件的免疫應(yīng)激反應(yīng)可能是造成引進(jìn)綿羊一般抗病力低的原因之一。而培育品種多胎薩?？搜蚴怯盟_?？搜蚝秃蚪?jīng)十多年的選育而成，其對(duì)新疆的生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)于引進(jìn)品種薩?？搜颍垲惙治鰧⑺_福克羊和多胎薩?？搜蚓蹫橐活?，這一結(jié)果與品系的選育歷程一致；薩?？搜?、多胎薩?？搜颉⒐_克羊和薩哈F1的10個(gè)免疫指標(biāo)主成分分析結(jié)果與作者等之前報(bào)道的一致［18］，進(jìn)一步驗(yàn)證了建立的一般抗病力主成分綜合評(píng)估模型的可靠性。研究結(jié)果也提示，今后在引進(jìn)國(guó)外優(yōu)秀綿羊品種時(shí)，考慮產(chǎn)肉性能和多胎性能的同時(shí)，一定要考慮到一般抗病力和適應(yīng)性的影響，從而提高引種的利用率及羔羊存活率。實(shí)際工作中，隨著抗病育種研究的深入，為了更加準(zhǔn)確地評(píng)估綿羊群體的一般抗病力差異，需要進(jìn)一步擴(kuò)大綿羊品種數(shù)量及樣本量，選擇合理的主成分?jǐn)?shù)量，達(dá)到減少選育成本，提高選擇準(zhǔn)確性的目的。

4　結(jié)論

綿羊一般抗病力是一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀，影響因素多種多樣，通過(guò)主成分分析對(duì)綿羊免疫指標(biāo)進(jìn)行研究，可以達(dá)到降維的目的，有利于明確其免疫指標(biāo)特征，為通過(guò)免疫指標(biāo)間接選擇一般抗病力，開(kāi)展綿羊抗病育種研究中確定應(yīng)關(guān)注的主要性狀提供參考依據(jù)。

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Assessment Model of General Disease Resistance With Principal Component Analysis in Sheeps

YangHua，YangYonglin
（Institute ofAnimal Husbandryand Veterinary，XinjiangAcademyofAgricultural and Reclamation Science，Shihezi，Xinjiang832000，China）

The purpose ofthis studywas toassess the differences in immunityor disease resistance between sheeps，and provide a foundation for disease resistance in breeding sheep.Some immune traits，such as IFN-α，IFN-γ，IgG，IL-1β，IL-2，IL-5，IL-6，IL-8，IL-10，IL-12 in sheep peripheral blood of multiparous Suffolk sheep，Kazakh sheep and multiparous Suffolk×Kazakh F1sheep，were tested byenzyme-linked immunosorbent assays（ELISA）.The principal component analysis was used in the analysis of immune traits of different sheeps.The result showed that 5 character values were selected as the principal component，which could explain 86.228%variance of total information amount，the 5 components contained nearly all the original information.The difference of the combined scores of the 5 components were compared by the assessment model，the general disease resistance of multiparous Suffolk×Kazakh F1sheep was the best，Kazakh sheep and multiparous Suffolk sheep were the second，Suffolk sheep was the worst.The general disease resistance ofcrossbred sheep was the best，the local sheep was better than the introduced sheep breeds in general disease resistance.

principal component analysis；sheep；general disease resistance；immune parameter

S826.2

A

2095-3887（2015）03-0001-05

10.3969/j.issn.2095-3887.2015.03.001

2015-04-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31360541）；兵團(tuán)博士資金專項(xiàng)（2011BB015）；兵團(tuán)農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)（2011BA006）

楊華（1977-），男，副研究員，博士。研究方向：動(dòng)物遺傳育種。