喙畸形研究進(jìn)展

白　皓，孫研研，陳繼蘭

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)部畜禽遺傳資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

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喙畸形研究進(jìn)展

白皓，孫研研，陳繼蘭*

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)部畜禽遺傳資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

摘要：喙是鳥類上下頜包被的硬角質(zhì)鞘，起到哺乳動(dòng)物唇和齒的作用。喙畸形是近年來在鳥類發(fā)現(xiàn)并逐漸受到重視的一類骨骼疾病。喙畸形在家禽尤其是我國(guó)一些地方雞品種中常見發(fā)生，主要表現(xiàn)為上下喙交錯(cuò)，咬合不全，呈交叉狀態(tài)，嚴(yán)重影響個(gè)體飲水和采食，造成生長(zhǎng)緩慢甚至死亡，給家禽生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也威脅動(dòng)物福利。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于雞喙的起源、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)發(fā)育等方面的研究相對(duì)較少，雞喙畸形的形成機(jī)制尚不明確，而在鳥類，尤其是達(dá)爾文雀喙畸形的研究取得了較大的進(jìn)展。本文綜述了鳥類(包括雞)喙的起源、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)發(fā)育、影響因素以及其他物種唇部形態(tài)變化等相關(guān)研究，以期為人們開展雞喙形態(tài)發(fā)育及喙畸形的分子機(jī)制研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：雞；喙畸形；鳥類；骨骼疾病

鳥類的喙由上下頜構(gòu)成其骨質(zhì)部分，表面被覆角質(zhì)層，起到唇和齒的作用，主要用于采食、飲水、梳理羽毛以及攻擊有害目標(biāo)等。同時(shí)，喙的大小、色澤等也是禽類進(jìn)行自由交配時(shí)的擇偶條件之一[1]。在家禽生產(chǎn)中，喙的健康關(guān)系到個(gè)體采食和飲水質(zhì)量，是家禽正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要保證。近年來，本研究團(tuán)隊(duì)在北京油雞的世代繁育過程中發(fā)現(xiàn)了一定比例的喙畸形個(gè)體，主要表現(xiàn)為上下喙錯(cuò)位、咬合不全、呈交叉狀態(tài)(圖1)。據(jù)調(diào)查，喙畸形在文昌雞、胡須雞和清遠(yuǎn)麻雞等地方雞品種中也有1%～3%的發(fā)生率[2]。本研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行北京油雞世代繁育過程中觀察并統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，喙畸形雞由于不能正常采食和飲水，生長(zhǎng)發(fā)育受到不同程度影響，死亡率比一般雞高出數(shù)倍，存活下來的雞成年后能正常繁殖的比例也比正常雞低50%以上，制約了地方雞的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來，喙畸形在多個(gè)物種中被相繼報(bào)道，國(guó)際國(guó)內(nèi)專家學(xué)者研究了野生鳥類和家禽喙的發(fā)育及畸形發(fā)生原因，并取得了一定的進(jìn)展。本文即對(duì)近年來喙畸形的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1喙的形成

鳥類喙的生長(zhǎng)發(fā)育始于胚胎時(shí)期[3]。在鳥類頭部發(fā)育過程中，分化和遷移的神經(jīng)嵴細(xì)胞、感覺結(jié)構(gòu)和顱面始基(包括鼻額突、下頜弓和舌骨弓)之間具有一定的解剖關(guān)系。喙起源于前移到鼻額突、下頜弓和舌骨弓中的神經(jīng)嵴細(xì)胞[4]，神經(jīng)嵴對(duì)喙形態(tài)結(jié)構(gòu)的形成起到關(guān)鍵的作用。上喙由額鼻原基和一對(duì)上頜骨原基構(gòu)成，而下喙則由下頜骨原基構(gòu)成。上下頜原基主要由間質(zhì)和上皮兩種組織構(gòu)成。間質(zhì)由來自神經(jīng)嵴和中胚層間的葉細(xì)胞構(gòu)成，上皮則由緊密連接的上皮細(xì)胞構(gòu)成，它是機(jī)體與外界環(huán)境的屏障。上皮細(xì)胞和間葉細(xì)胞可同時(shí)促進(jìn)喙的形成[5]。其中，間葉細(xì)胞對(duì)喙的形成起主導(dǎo)作用[6-7]。而上皮細(xì)胞通過諸如成纖維生長(zhǎng)因子8(Fibroblast growth factor 8，F(xiàn)GF8)和音猬因子(Sonic hedgehog，SHH)之類的調(diào)節(jié)分泌因子混合物可直接調(diào)控喙的發(fā)育及相關(guān)衍生物的生成[8]。因此，上皮細(xì)胞也是喙及面部骨骼形成的必要因素。

2喙的結(jié)構(gòu)、形態(tài)

喙由多種面部突起組成[5，9]，額鼻骨、外側(cè)鼻突起和上頜突起構(gòu)成了上喙，下頜突起形成下喙。在不同的鳥類中，這些突起相互協(xié)調(diào)以適當(dāng)?shù)谋壤M成特異的喙的大小和形狀。鳥類喙的結(jié)構(gòu)、形態(tài)大致可以分為以下幾種類型：食昆蟲的鳥—尖而細(xì)長(zhǎng)，方便取出狹窄細(xì)縫中的昆蟲；食堅(jiān)果的鳥—粗短成圓錐形，方便磕破堅(jiān)硬的果子；食肉的鳥—粗壯、尖端銳利、成鉤型彎曲，方便捕殺及撕開獵物；食魚的鳥—細(xì)長(zhǎng)而銳利，方便叉住游動(dòng)的魚；食浮游生物的鳥—扁平寬闊、有濾水的櫛緣，方便在水中過濾浮游生物。有些個(gè)別的鳥喙也有其獨(dú)特的形態(tài)。雞喙較粗短，呈圓錐形，多與脛色一致，有硬的角質(zhì)被覆喙部，分為上下兩個(gè)部分，形成喙的骨質(zhì)基礎(chǔ)[10]。上喙由上頜骨、鼻骨和切齒骨組成，下喙由下頜骨組成，下頜骨與顳骨之間有特殊的方骨，開口時(shí)可將口腔拉大，便于攝食和飲水[1，11]。雞喙的正常特征是上下頜完全閉合，向前方突出，前端呈箭頭狀，舌位于口腔內(nèi)，在口腔頂部的兩個(gè)黏膜褶壁中間有內(nèi)鼻孔，口腔后部為咽部。

3禽類喙畸形的發(fā)現(xiàn)

20世紀(jì)，一些野生鳥類中發(fā)現(xiàn)的喙畸形現(xiàn)象引起了鳥類科學(xué)家和鳥類保護(hù)工作者的廣泛重視。D.A.Rintoul[12]在賴?yán)吧鷦?dòng)物保護(hù)群中發(fā)現(xiàn)褐頭牛鳥出現(xiàn)喙畸形個(gè)體。C.M.Handel 等[13]在阿拉斯加野生鳥黑頭山雀中也發(fā)現(xiàn)喙畸形流行病，該病是北美野生鳥類保護(hù)區(qū)出現(xiàn)的新病癥。C.Van Hemert 和C.M.Handel[14]在西北烏鴉中發(fā)現(xiàn)有多只喙畸形個(gè)體，并將其定義為一種多物種流行病。之后研究人員在其他沿海禽類中也發(fā)現(xiàn)喙畸形個(gè)體，認(rèn)為喙畸形是海洋生物圈的怪現(xiàn)象。同樣，喙畸形在非洲黑腹砸籽雀、泰和烏雞、日本鵪鶉、雀形目(地雀、仙人掌雀、達(dá)爾文雀群等)以及各品種鸚鵡等物種中也相繼被報(bào)道。

4喙形態(tài)發(fā)育的影響因素

導(dǎo)致喙形態(tài)發(fā)生變化的原因有很多，包括環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)、疾病等非遺傳性因素和遺傳因素。其中，環(huán)境和遺傳是兩個(gè)主要的影響因素。

4.1非遺傳因素

1962年，D.E.Pomeroy[15]統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，野生鳥類喙畸形的發(fā)生率為0.5%，其主要原因可能是鈣的營(yíng)養(yǎng)水平不足或斷喙不當(dāng)。2010年，C.M.Handel等[13]統(tǒng)計(jì)了過去十年的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生重大變化，阿拉斯加地區(qū)黑頂山雀喙畸形發(fā)生率已達(dá)到6.5%。B.P.Tangredi[16]研究發(fā)現(xiàn)，維生素和鈣離子代謝相關(guān)營(yíng)養(yǎng)素的缺失可導(dǎo)致喙畸形發(fā)生。Y.Song等[17]在對(duì)顱面骨骼維甲酸合成控制的研究中發(fā)現(xiàn)，外源性維生素—檸檬醛可誘導(dǎo)阻斷類視黃醇的合成，導(dǎo)致鼻骨右側(cè)細(xì)胞死亡，從而引起額鼻部形態(tài)的缺陷。同時(shí)，受傷和感染也能影響喙的發(fā)育。細(xì)菌、病毒、真菌、寄生蟲感染都會(huì)引起喙的畸變[16，18]；肝病[19]、腫瘤[20]等疾病也會(huì)引起喙畸形。D.Vesela等[21]研究發(fā)現(xiàn)，赭曲霉毒素的毒性作用對(duì)雞的精神發(fā)育、顱腦畸形、小眼、斷喙等都有影響。T.Chan等[22]研究表明，如果在孵化階段給予雞胚低氧環(huán)境可導(dǎo)致雞在生長(zhǎng)后期喙長(zhǎng)明顯變短，尤其是在胚胎發(fā)育前期1～6 d，對(duì)后期喙骨形成的影響最大。

4.2遺傳因素

非遺傳因素對(duì)于喙形態(tài)的影響是顯而易見的，但是其影響一般都是后天造成的，即動(dòng)物在其生長(zhǎng)發(fā)育過程中受到的外界影響所致，可以直接或間接導(dǎo)致雞喙畸形的發(fā)生。而許多情況下，喙畸形在個(gè)體發(fā)育早期(甚至胚胎期)就已經(jīng)產(chǎn)生，是先天性的，甚至是由上一代傳遞給下一代的，這就是遺傳因素。本研究團(tuán)隊(duì)通過多年的觀察發(fā)現(xiàn)，每個(gè)世代正常公母雞交配后代中仍有畸形個(gè)體出現(xiàn)，通過表型觀察很難將喙畸形性狀從群體中剔除。有系譜記錄的喙畸形個(gè)體中，向上追溯4代，其中部分雞可以追溯到共同祖先，連續(xù)兩代都發(fā)生喙畸形的占所有喙畸形雞的比例為62.5%，據(jù)此判斷其有遺傳趨勢(shì)[23]。同時(shí)，本研究團(tuán)隊(duì)利用喙畸形公雞與喙畸形母雞進(jìn)行交配，發(fā)現(xiàn)后代喙畸形的比例達(dá)到8%～10%，顯著高于喙畸形公雞與正常母雞交配畸形后代的比例(0%～3%)，也比正常群體中喙畸形比例提高5倍左右，因此可初步推測(cè)，雞喙畸形的發(fā)生具有一定的遺傳基礎(chǔ)，相關(guān)調(diào)控基因的變異導(dǎo)致了喙畸形的發(fā)生。早在1998年，M.Tsudzuki等[24]報(bào)道，常染色體隱性基因(Hmm)純合的日本雀?jìng)€(gè)體出現(xiàn)上下喙畸形，胚胎形態(tài)畸形，并趾，骨架不正常等現(xiàn)象。在雞喙研究方面，M.E.MacDonald等[25]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF8的下調(diào)表達(dá)可導(dǎo)致雞喙額鼻部上皮細(xì)胞發(fā)生凋亡，從而破壞上皮細(xì)胞間質(zhì)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，最終導(dǎo)致雞上喙部出現(xiàn)截?cái)喱F(xiàn)象。M.R.Plant等[26]將雞喙的形態(tài)異常分為不同的類型，通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了維甲酸通路對(duì)雞喙形態(tài)的發(fā)育起著重要的作用，即維甲酸通路可通過改變方骨的位置和轉(zhuǎn)向來調(diào)節(jié)雞喙的形態(tài)。對(duì)于骨形態(tài)發(fā)生蛋白4(Bone morphogenetic protein 4，BMP4)基因的研究越來越多，其在喙形態(tài)多樣性方面起著重要作用。P.Wu等[3]在探索喙形成機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，BMP4基因?qū)︵剐螒B(tài)具有一定調(diào)節(jié)作用。該基因在喙的整個(gè)發(fā)育過程中表達(dá)的水平、時(shí)間或部位不同都會(huì)導(dǎo)致喙形態(tài)不一，即喙的長(zhǎng)度、寬度、深度都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。E.H.Groeneveld等[27]在骨組織形成蛋白對(duì)于人類骨骼再生的研究中表明，BMP4基因能夠調(diào)控早期胚胎發(fā)育、誘導(dǎo)成骨、促進(jìn)骨膠原生成、骨痂的形成和再塑，進(jìn)一步說明BMP4基因在遺傳方面可能影響喙骨的形態(tài)變化。在胚胎15HH時(shí)期，BMPs基因在上頜區(qū)域(在第一鰓弓和眼之間)的間質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)[28-29]。對(duì)15HH階段胚胎進(jìn)行短暫的提高維甲酸水平和封閉BMPs信號(hào)處理，胚胎上頜突起前端轉(zhuǎn)變?yōu)轭~鼻骨物質(zhì)。在隨后的發(fā)育階段，BMPs和維甲酸對(duì)于突起的形成具有不同的作用[30]。上述研究是基于喙基本形態(tài)變化，并未涉及交叉喙這種嚴(yán)重畸形情況的發(fā)生，目前有關(guān)雞交叉喙相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道較少，相關(guān)研究才剛剛起步。K.Jaszczak等[31]在研究中發(fā)現(xiàn)，同源盒A1(Homeobox protein Hox-A1，HOXA1)和同源盒D3(Homeobox protein Hox-D3，HOXD3)基因的異常表達(dá)可導(dǎo)致雛雞喙畸形的發(fā)生率高達(dá)16%。H.Bai等[32]通過數(shù)字基因表達(dá)譜技術(shù)對(duì)雞喙畸形研究發(fā)現(xiàn)，BMP4等11個(gè)基因可作為喙畸形研究的重要候選基因。其中，白皓等[33]研究初步認(rèn)為，α-半乳糖苷酶(Galactosidase，Alpha，GLA)基因多態(tài)性與北京油雞喙畸形性狀可能存在一定的關(guān)聯(lián)性，其SNPs可能是喙畸形性狀的潛在遺傳標(biāo)記。朱靜[2]研究發(fā)現(xiàn)，類似角蛋白(LOC426217)基因在畸形喙中表達(dá)量顯著高于正常喙，且具有喙組織特異性(即在雞喙組織中表達(dá)量極顯著高于其它組織)，該基因可作為喙畸形性狀研究的重要候選基因。羅成龍等利用雞60K的SNP芯片對(duì)30只胡須雞(喙畸形和正常雞各15只)進(jìn)行SNP分型，發(fā)現(xiàn)WNT9B附近的SNP與喙畸形性狀顯著相關(guān)并具有最大的OR值，且該基因與哺乳動(dòng)物唇腭裂密切相關(guān)，可能是引起雞喙畸形的重要候選基因[34]。這些遺傳方面的研究值得思考和借鑒，為揭示雞喙畸形的分子遺傳機(jī)制提供了一定的參考價(jià)值和理論依據(jù)。

遺傳與非遺傳因素是相輔相成的，許多異常發(fā)育可能是由于兩者的相互作用所造成的。比如說親代由于非遺傳因素導(dǎo)致了喙畸形，這種由外因?qū)е碌募膊≡诋a(chǎn)生下一代的過程中可能會(huì)使下一代有喙畸形的個(gè)體存在，即表觀遺傳。盡管遺傳選擇能夠主導(dǎo)親代基因傳遞給后代，但越來越多的證據(jù)表明外界因素對(duì)基因表達(dá)具有重要的修飾作用。因此，對(duì)于喙畸形的研究，也不妨從表觀遺傳的角度去嘗試一下，也許會(huì)有意想不到的收獲。

圖1　北京油雞喙畸形雞(左)與喙正常雞(右)Fig.1　The deformed(left) and normal(right) beaks of Beijing-You chickens

5其他物種唇部形態(tài)異常的相關(guān)研究

目前，關(guān)于唇部形態(tài)異常的研究主要集中在人和小鼠上。唇腭裂、歪嘴哭綜合征、無牙癥、家畜歪嘴風(fēng)等癥狀在臨床上常常出現(xiàn)，給人和動(dòng)物帶來了許多危害。如今，家養(yǎng)動(dòng)物對(duì)于人們的生活越來越重要，給人類帶來了許多經(jīng)濟(jì)效益。然而，這些疾病的出現(xiàn)，卻給人類造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

I.Satokata等[35]以小鼠為模型在進(jìn)行同源異型盒基因1(Muscle Segment Homeobox 1，MSX1)基因突變研究中發(fā)現(xiàn)，該基因與包括唇腭裂和無牙癥在內(nèi)的特定的顱面畸形有一定的關(guān)聯(lián)。A.C.Marcano等[36]在T盒轉(zhuǎn)錄因子(T-box transcription factor，TBX22)的研究中發(fā)現(xiàn)，該基因在腭部和舌體中都有表達(dá)，其突變可能導(dǎo)致人或小鼠唇腭裂的發(fā)生。O.Britanova等[37]在對(duì)新型轉(zhuǎn)錄因子SATB2(Special AT-rich sequence-binding protein 2)與基質(zhì)結(jié)合區(qū)DNA分子特異性相互作用以及小鼠發(fā)育依賴性細(xì)胞在神經(jīng)中樞表達(dá)的研究中發(fā)現(xiàn)，SATB2基因與非綜合癥型唇腭裂(NSCLP)有關(guān)，敲除小鼠的SATB2基因可能會(huì)產(chǎn)生唇腭裂，該基因的多態(tài)性與唇腭裂呈顯著相關(guān)。近年來，人們對(duì)SUMO家族中的小類泛素修飾因子-1(SUMO-1)的關(guān)注越來越多。SUMO-1廣泛參與了唇腭裂易感基因轉(zhuǎn)錄后蛋白質(zhì)的SUMO化修飾。廖禮姝等[38]就SUMO化修飾及其在非綜合征性唇腭裂發(fā)病中的意義作出了詳細(xì)的闡述。T.H.Beaty等[39]關(guān)于人類唇腭裂候選基因的研究表明SUMO-1與DNA結(jié)合蛋白結(jié)合，可以作為轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控SATB2基因。近期，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析和驗(yàn)證研究，在人類基因組中發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能會(huì)導(dǎo)致非綜合征型唇腭裂發(fā)生的位點(diǎn)，該位點(diǎn)在人的16號(hào)染色體上，編碼為rs8049367，位于CREBBP和ADCY9基因之間[40]。

其他物種，尤其是人和小鼠唇部形態(tài)異常的研究已經(jīng)處于一種發(fā)展相對(duì)較快、趨于成熟和完善的階段，而雞喙形態(tài)變化的研究相對(duì)較少，尤其是遺傳方面的研究。因此，在雞上的研究可以借鑒哺乳動(dòng)物相關(guān)研究思路和方法，找出影響雞喙形態(tài)變化的主要遺傳因素，為喙形態(tài)發(fā)育的進(jìn)一步研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

6小結(jié)

雞喙畸形的發(fā)生影響?zhàn)B殖效益及動(dòng)物福利，早期的研究已揭示該性狀的可遺傳性，但是具體形成機(jī)制尚不明確。利用先進(jìn)的分子生物學(xué)技術(shù)：如重測(cè)序、高通量分型芯片、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等，采取數(shù)量遺傳和分子遺傳相結(jié)合的方法，挖掘?qū)е锣够蔚闹匾蚧蚍肿訕?biāo)記，一方面有利于在生產(chǎn)實(shí)踐中通過分子檢測(cè)手段快速準(zhǔn)確剔除不利基因或基因型，優(yōu)化群體遺傳背景，減少因畸形個(gè)體出現(xiàn)造成的經(jīng)濟(jì)損失；另一方面可為鳥類喙畸形和哺乳類顱面畸形研究提供相關(guān)參考。

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(編輯郭云雁)

The Research Progress of Beak Deformity

BAI Hao，SUN Yan-yan，CHEN Ji-lan*

(TheKeyLaboratoryofFarmAnimalGeneticResourcesandGermplasmInnovationofMinistryofAgriculture，InstituteofAnimalScience，ChineseAcademyofAgriculturalSciences，Beijing100193，China)

Abstract:Beak is an external anatomical structure of birds.Its functions are the same as lips and teeth of mammals.Beak deformity，a new skeletal disease，was first reported in birds and gained more and more attention recently.Beak deformity(normally a crossed beak) has also been found in some indigenous chicken breeds in China.The chicken with a deformed beak has problems in eating and drinking，which could cause slow growth and early death.This causes economics loss and is harmful to the animal welfare.Until now，the origin，morphosis，growth and development of beak has less been studied.The mechanism of beak deformity in chickens is not clear yet.The study of beak deformity in Darwin’s finches has a greater progress.This article summarized these related studies in birds，aiming to provide guidance for the study of beak development and molecular mechanism of beak deformity in chickens.

Key words:chicken；beak deformity；birds；skeletal disease

doi:10.11843/j.issn.0366-6964.2016.03.001

收稿日期：2015-04-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(31501949)；國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2011AA100305)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2014ywf-yb-3)

作者簡(jiǎn)介：白皓(1987-)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士生，主要從事家禽遺傳育種研究，E-mail：bhowen1027@163.com *通信作者：陳繼蘭，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事家禽遺傳育種研究，E-mail：chen.jilan@163.com

中圖分類號(hào)：S852.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):0366-6964(2016)03-0417-06